CN101960277A - 一种使用横梁和膜片的低压传感器 - Google Patents

Abstract

一种低压传感器包括圆盘形金属膜片，流体压力作用于该膜片，其中该膜片包含凸起的横梁，横梁通过减薄膜片除横梁外的整个外表面而形成；以及至少一个玻璃状结合于横梁的硅应变计，其中，该低压传感器可精确测量至少低至15psi的压力。本发明还包括一种低压传感器的制造方法，包括步骤：形成具有顶面和底面的圆柱形膜片；通过形成轴向穿设传感器本体且终止于膜片底面的孔，来建立相对工作平面的膜片的直径和厚度；形成与工作平面一体的横梁状的凸起表面；以及在膜片的凸起表面粘贴一个或多个应变计。

Description

一种使用横梁和膜片的低压传感器

相关申请交叉引用参考

本申请主张美国临时申请第61/031,897号，题为“一种使用横梁和膜片的低压传感器”，申请日为2008年2月27日的优先权，该申请全部内容被参考引入本申请中。

发明领域

本发明涉及流体压力传感器，尤其涉及基于应变计的压力传感器。

背景技术

基于应变计的压力传感器用于检测压力，例如车辆上的流体压力。这些装置使用一个与接触压力源的膜片相连的应变计。用非常薄的金属膜片来检测低水平的压力。但是，由于硅应变计/玻璃状结构与金属的膨胀温度系数不同，这种薄的金属膜片会有不必要的相互作用，影响了灵敏度和精确度。尤其是在数百华氏(F)温度变化的工作环境下，玻璃状结合的硅应变计和金属膜片由于材料不同，这种问题尤为突出。不同的膨胀系数在设置有应变计的金属膜片和应变计之间产生高应力，这样反而导致检测不可靠。

特别是在温度或压力循环后，在压力读取中的这些不稳定性降低了精确度。这不必要地限制金属膜片应用于压力大于约50磅/平方英寸(psi.)的精确压力检测，或者应用于那些压力小于约50psi.，且精确度要求较低的检测中。

发明内容

本发明实施例提供一种低压流体传感器包括：一流体压力作用于其的圆柱形金属膜片，该金属膜片的顶面上具有横跨于膜片顶面的凸起金属横梁；至少一个硅应变计玻璃状结合于凸起金属横梁的顶面，其中，流体压力使膜片偏移，在凸起金属横梁上产生应力，以及相连的应变计产生一个显示压力的电信号输出。该结构中，相比于没有凸起金属横梁的平面金属膜片，一体的凸起金属横梁和玻璃状结合于其上的应变计能检测小于数倍的压力。

本发明实施例还包括一种压力传感器的制造方法，包括步骤：金属传感器本体上设置具有顶面和底面的圆柱形金属膜片；通过设置轴向穿设传感器本体且终止于膜片底面的通孔，来在工作平面上设置金属膜片的直径和厚度；在膜片的操作面上设置与金属膜片一体成型且外形如横梁形状的凸起表面；在金属膜片的凸起面玻璃状结合一个或多个应变计。

附图说明

为了更好地理解本发明，可结合附图参照下列本发明较佳实施例的详细描述，附图中相同的标号是指相同的部件，附图中：

图1示出根据本发明一个方面的使用横梁和膜片结构的低压传感器；

图2示出根据本发明一个方面的图1的俯视图；

图3示出根据本发明一个方面的沿图2中A-A线的横截面图；

图4示出根据本发明一个方面的图3中B部分的详细视图；

图5a、5b和5c示出根据本发明一个实施例的具有中央凸起的示例性的压力端口传感器的1/4局部透视图；

图6a示出有利于实施本发明的示例性的凸设低压端口的传感器的截面图；

图6b示出图6a中金属膜片局部更详细的视图；

图7是描述本发明一个实施例检测得到的应力径向分布结果曲线图。

具体实施方式

应当理解，本发明附图及其实施例简要描述了关系到清楚理解本发明的元件，为了清楚明白，其它一些元件并没有描述，因为这些结构可以在现有的压力传感方法和系统中找到。由于这些结构在本发明所属技术领域是众所周知的，并且它们并不能帮助更好地理解本发明，所以在此处没有描述此类结构。本申请公开是关于所有本发明所属领域技术人员所知的一些变更和改进。

本发明涉及一种低压金属传感器，其利用玻璃状结合于也被称为横梁的凸起金属表面的硅应变计，该横梁由金属料制成，与由圆柱形部分制成的金属薄片是一体的，膜片顶面设有金属横梁的区域与金属膜片顶面整个区域的比例用于放大流体压力在膜片的底面或背面产生的力。横梁和膜片顶面的一体结构减少了相熔接的应变计与金属膜片之间不必要的相互作用，至少部分归因于温度膨胀系数的不同，这样的作用却出现在现有技术中。

请结合图2参阅图1，显示本发明实施例的一种低压金属传感器50，包括金属圆柱部分，其形成圆形、薄化的金属膜片70。该金属膜片具有直径72、顶面47和与顶面相对的底面74。一中央孔45沿传感器的本体长度方向轴向延伸并止于膜片的底面74。顶面47形成传感器50的顶部，且与金属外壳40为一体结构。优选地，该金属膜片由不锈钢制成，并由不锈钢本体或外壳40的金属材料一体形成。

请再次参阅图1，膜片70的凸起金属表面称为横梁60，其从顶面延伸出预定距离(H)，该预定距离是沿膜片的工作面法线方向，以及具有沿相应轴向上的长度(LB)和宽度(W)。在一种实施例中，除了横梁60的位置，通过从膜片的顶面去除金属材料，来得到横梁60的高度、长度和宽度，这样，传感器50的膜片在操作顶面47的原始厚度就减小了(例如从传统的平直膜片传感器的膜片顶面获得)。横梁60、膜片70和外壳40形成了一个一体或整块的单元。

通过切削加工膜片除了横梁60界定的区域外的顶面，使膜片的厚度变薄，以形成金属横梁60。横梁60的形成厚度基本上厚于均匀的平直区域80，该平直区域由横梁区域外的膜片70的顶面47(和底面74)所界定。一旦横梁60的高度通过切削加工或铣削加工膜片70的顶面区域80形成后，采用粘合玻璃到金属这种技术领域公知的方法将一个或多个应变计15玻璃状结合于横梁60的顶面。正如这种玻璃熔接于金属的技术领域所公知的，这种玻璃熔接技术采用玻璃熔接和丝网印刷、烘烤和焊线粘接工序，提供形成于横梁上、通常构造成半单臂电桥或全单臂电桥的应变计。

请参阅图3，显示图1中传感器50沿A-A线的轴向横截面图。轴向孔45形成穿设传感器50中轴的压力端口20。这使流体压力在该端口内作用于膜片70的底面74。压力使金属膜片70弯曲，从而在横梁60上产生应力。横梁60的弯曲又在应变计15上产生应力，应变计生成电信号输出，显示流体压力。

请参阅图4，显示根据本发明的一个实施例的图3中B部分局部详细视图。膜片70的区域80可薄至约0.003英寸(in.)。横梁60可薄至0.007in.，使玻璃状结合的硅应变计上具有稳定的应变计读数。在一个示例性实施例中，横梁60宽度可以为0.050in.，并且可通过在原膜片厚度的顶面上切削0.004in.来获得。膜片厚度减薄和横梁60的结构(例如高度、宽度和长度)可通过铣削或切削金属膜片的顶面来获得想要的尺寸。例如，本领域公知技术中，这种金属铣削或切削采用标准的加工工具来实现，或者通过线切割式电弧放电(EDM)来电弧放电加工。

来自于膜片70的底面74外加压力在横梁60上产生的应力，跟区域80与横梁和区域80构成的公共区域的比例有关。本发明的一个实施例中，应变计15测量超过3倍于现有技术中由于没有利用凸起横梁而得到的应力水平，也就是说，现有技术中的应变计放置于区域80的平面上。通过金属横梁60的横截面与金属膜片70的区域80的比例效应来产生放大作用，使在检测15psi.内的低压更加准确。玻璃状金属硅部分干扰较少，部分归因于相对薄的金属膜片部件更厚的横梁顶部，同样横梁部件相对较厚(例如2倍或3倍的厚度)。此外，横梁60很少受到由于应变计和金属膜片70之间的膨胀系数引起的应力所产生的不稳定性的影响。

请参阅图5a、5b和5c，显示根据本发明另一个实施例的具有中央凸起的示例性的压力端口传感器500的1/4局部透视图，该传感器500与图1-4中的相似，但是传感器500还具有一个中央凸起55。附图相同的标号用于指示相同的部件。如图5a-5c所示，金属横梁60与膜片70的顶面47是一体的，膜片70包括一个由其延伸入端口20的中央凸起55，端口20由轴向孔45形成。如前述以及本领域公知技术可知，应变计(如图5c示意的形状)贴附于横梁60的顶面。为了提供更加精确的压力传感器结构，本实施例将非常薄的金属膜片的一体化结构构造成包括与金属膜片一体的凸起横梁部分，横梁包含有应变计。轴向孔45形成贯穿传感器550中心轴的压力端口20，由此使在端口的压力施加于膜片70的凸起55。正如在图5c中清楚显示的，膜片70的弯曲在横梁60上产生应力，横梁60在应变计15上产生应力，通过放置一个或多个处于压缩和/或张力状态的应变计15，以便输出指示压力的电信号。在一个示例性的实施例中，两套应变计构造成为电路形式，例如单臂电路的设置形式，以便将与施加压力对应的电输出传到相应的接收电路中(未示出)。

图6a示出具有图5a-5c所示凸起结构55的压力端口传感器的截面视图，该传感器构造成用于检测低压(例如15psi)。如图中所示，传感器的长度L为1.427in.，其螺纹端部的长度TS为0.539in.。中央孔或端口20的直径D1为0.316in.。凸起55从金属膜片70的底面74中央一体延伸的长度L1为0.048in.，还具有宽度W1为0.063in.。横梁60的长度LB为0.500in.，以及宽度W为0.050in.。正如清楚显示在详细的横截面视图6B中，膜片区域80在减薄前原厚度为0.011in.，减薄后其厚度DT为0.0035in.。因此横梁的高度HB(剔除薄膜片的厚度)为0.0075in.。

本实施例可通过加工金属膜片70的底面74来形成凸起55，再加工金属膜片70的顶面74来形成横梁60而实现。

图7显示描述根据本发明实施例检测得到的应力径向分布结果的曲线图，用于15PSI压力满端口的横梁传感器。

虽然上述描述中包括有具体的实施例和关于本发明具体实施方式的详细内容，但是应该理解，通过采用与膜片一体的凸起横梁和凸起结构来增加应力水平，主要依靠的因素包括横梁和膜片的大小。较高应力水平使压力检测小于利用相当厚平直膜片的检测压力数倍，从而避免因温度和压力循环导致的不稳定。这就使压力传感器在低压力下工作也具有大致同样的精确度。

进一步地，应当理解，低于15psi的压力水平可通过加大膜片的直径来获得，以及膜片的厚度做得更薄，或者改变横梁的尺寸。

因此，本发明实施例还提供了一种金属压力传感器50的制造方法，包括步骤：形成薄金属圆柱形膜片70，具有工作的平顶面47和底面74；通过形成轴向穿设传感器50本体且终止于底面47的通孔，建立圆形膜片70相对工作平面的直径和厚度；以及加工膜片顶面来形成与工作面47一体的、且呈横梁形状的凸起表面60；以及玻璃状结合一个或多个应变计15于横梁。加工膜片或薄片结构70来减薄膜片除了界定矩形横梁60的狭长或者扁长区域之外的基本上整个有效区域。如图5-6所示，可通过加工金属膜片的底面预定高度，而预留形成凸起55的中央部分来形成凸起结构。

该单一的一体结构的制造材料包括金属如不锈钢金属合金、钛、玻璃或者陶瓷。应变计可采用硅或者其他半导体制成，并且通过下面的任一方法来设于横梁60上，例如玻璃状结合、环氧树脂粘合、或者电弧放电粘合。这些结合技术在所属技术领域是公知的，因此，为了使描述简明，省略了这些技术的详细介绍。

很显然，只要不偏离本发明的精神或范围，本领域的技术人员可通过一些装置和方法对本发明做一些修改或变化。应当注意的是，本发明涵盖了对其的修改或变化，只要这些修改或变化在等同保护范围内。

Claims (18)

1.一种低压传感器的制造方法，包括步骤：

在金属传感器本体上形成具有顶面和底面的圆柱形金属膜片；

通过形成轴向穿设传感器本体且终止于膜片底面的孔，建立金属膜片相对工作平面的直径和厚度；

通过从金属膜片的顶面减薄金属膜片的厚度，形成与金属膜片顶面一体的、呈横梁形状的凸起表面；及

将一个或多个应变计玻璃状结合于金属膜片的凸起表面。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述减薄包括切削加工。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述切削加工包括电弧放电加工(EDM)。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括在膜片的底面形成与所述横梁相对的中央凸起结构。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述形成中央凸起结构包括减薄所述金属膜片底面的厚度，以在底面上形成凸起。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述横梁的厚度大于膜片的厚度。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述横梁的厚度大于膜片厚度的两倍。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述凸起的厚度在横梁厚度与膜片厚度之间。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述应变计为硅应变计。

10.一种低压流体传感器包括：

一金属本体，具有界定一端口的中央孔，用于传递流体压力，所述端口通过圆柱形金属膜片而终止于所述本体的后端部，流体压力作用于所述圆柱形金属膜片，所述金属膜片的顶面上具有与膜片一体的凸起金属横梁，所述横梁横跨膜片的顶面；

至少一个玻璃状结合于凸起金属横梁的顶面的硅应变计，其中作用于膜片底面的流体压力使膜片弯曲，在凸起金属横梁和相连接的应变计上产生应力，以产生的指示流体压力的电信号输出。

11.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述金属横梁的厚度大于所述膜片的厚度。

12.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述横梁的厚度大于膜片厚度的两倍。

13.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述应变计为硅应变计。

14.如权利要求10所述的传感器，进一步包括与所述横梁相对、一体形成于膜片底面的中央凸起结构。

15.如权利要求14所述的传感器，其特征在于，所述凸起的厚度在横梁与膜片厚度之间。

16.如权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述金属膜片为不锈钢。

17.如权利要求16所述的传感器，其特征在于，所述金属膜片的厚度为0.0035英寸，所述金属横梁的厚度为0.075英寸。

18.如权利要求16所述的传感器，其特征在于，一体形成于膜片底面且相对所述横梁的中央凸起结构的厚度为0.063英寸。

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