CN102084232B - 具有包括非晶材料的膜的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压力传感器(6)。所述压力传感器(6)包括与传输装置(10)协作的柔性膜(11)，其中所述传输装置允许根据所述膜(11)的形变来提供表示压力的数值。所述膜(11)由至少部分非晶的材料制成，以优化所述传感器(6)的尺寸。

Description

具有包括非晶材料的膜的压力传感器

技术领域

本发明涉及使用柔性膜的压力传感器。所述膜与传输装置协作，其中所述传输装置允许根据所述膜的形变来提供表示压力的数值。

背景技术

在现有技术中已知一种潜水表，其包括具有压力传感器的表壳，其中所述压力传感器包括膜和传输装置。所述膜能够在外部压力的作用下机械地形变，因此而作用于传输装置。该装置于是传输表示压力的所述形变运动，以例如使其放大，从而显示由传感器所检测到的压力的数值。

通常，该传感器的膜由晶体材料制成，例如由铜和铍构成的合金(Cu-Be)。

每种材料由其表征其抗形变强度、也被称为弹性模量的杨氏模量E(通常以单位GPa来表示)表征。另外，每种材料还由其弹性极限σ_e(通常以单位GPa来表示)表征，其中所述弹性极限表示一应力，超过该应力之后材料就塑性地形变。因此，对于给定的厚度，能够通过对每种材料确定其弹性极限和其杨氏模量的比值σ_e/E来比较各材料，其中所述比值表示每种材料的弹性形变。因此，该比值越大，材料的弹性形变就越大。然而，在现有技术中使用的晶体材料(例如：Cu-Be合金)，其杨氏模量等于130GPa，其弹性极限σ_e一般为1GPa，得出小的σ_e/E比值，即约为0.007。这些由晶体合金制成的膜因此具有有限的弹性形变。在压力传感器的膜的情况下，这意味着有限的测量范围。

此外，由于该弹性极限低，当膜变形的时候，膜在小的应力下就接近其塑性形变区域，存在膜不能恢复其初始形状的风险。为了避免这种形变，实施对膜的形变的限制，即膜的运动幅度被有意地限制。因此可以理解的是，需要放大传输运动。这因此导致对压力传感器有害的、并附带地对压力值的显示有害的噪音。

另外，考虑到结晶贵金属的不足的机械性能，使用这些金属来制造这种压力传感器的膜或者钟表件的其他任何工作元件是不可考虑的。事实上，这些贵金属尤其具有小的弹性极限，对于Au、Pt、Pd和Ag的合金来说约为0.5GPa，对比于在压力膜的制造中所通常使用的晶体合金的约为1GPa。鉴于这些贵金属的约为120Gpa的弹性模量，得到约为0.004的σ_e/E比值。然而，对于制造上述的这种膜，需要高的σ_e/E比值。

因此，本领域技术人员不被鼓励使用这些贵金属来制造这种膜。

发明内容

本发明涉及一种压力传感器，其通过提出一种相对于所施加的最大应力具有安全裕度、但也具有更大的形变幅度可能性的更可靠的膜来弥补上述的现有技术的缺陷。可替代地，本发明提出一种在更小尺寸下允许同等形变幅度的膜。

为此，本发明涉及上述压力传感器，其膜11由至少部分非晶的材料制成，以优化所述传感器的尺寸，其特征在于所述材料包括至少一种金属元素，该金属元素为贵金属类型，或者为包含在包括金、铂、钯、铼、钌、铑、银、铱或锇的清单中的合金之一。

该传感器的有利实施例是从属权利要求2至8的主题。

出人意料地，呈非晶形态的贵金属具有高的σ_e/E比值，允许制造如根据本发明的膜的元件。

根据本发明的膜的第一优点在于，该膜具有更有利的弹性特征。事实上，在非晶材料的情况下，σ_e/E比值由于弹性极限σ_e的升高而增大。这样，该材料的如下定义的应力因此增大，即超过所述应力材料就不能重新回到其初始形状。该σ_e/E比值的提高因此允许更大的形变。这允许根据是希望增大膜的测量范围还是希望对于同等的测量范围减小所述膜的大小来优化膜的尺寸。

这些非晶材料的另一优点在于，其开创了允许以更大的精度来制作形状复杂的部件的成形新前景。事实上，非晶金属在每种合金特有的给定温度区间[Tx-Tg]中具有在变软的同时保持非晶形态的特殊特征(其中，Tx：结晶温度；Tg：玻璃化转变温度)。因此，能够在相对小的应力和不高的温度下使非晶金属成形。因此，由于合金的粘度大大地减小，并且合金因此贴合模具的所有细节，所以这允许很精确地再现细微的几何构造。

另外，本发明还涉及一种手表，其特征在于，所述手表包括压力传感器，该压力传感器的膜符合上述说明。该手表的一个有利的实施例是从属权利要求10的主题。

附图说明

在以下对于仅示例性地而非限制性地给出的、并由附图示出的至少一个本发明的实施例的详细描述中，根据本发明的手表的目的、优点和特征将变得更显而易见。在这些附图中：

-图1以剖面图示意地示出了包括根据本发明的膜的手表；

-图2以剖面图示意地示出了在其受到外部压力时的包括根据本发明的膜的手表；

-图3示意地示出了根据本发明的膜的一个优选实施例；

-图4示出了包括根据所述优选实施例的膜的手表；以及

-图5示出了晶体材料和非晶材料的形变曲线。

具体实施方式

图1和图2以剖面图示出了潜水表1，其包括中框(carrure)2，在所述中框上固定了承载手表1的玻璃4的玻璃框(lunette)3。在玻璃4下面布置有同样固定在中框2上的显示装置5。

手表1由以密封的方式固定在中间件8上的底壳7闭合，因此形成表壳，其中所述中间件本身以密封的方式固定在中框2上。手表还包括优选地位于该表壳21内部的压力传感器6。

压力传感器6包括传输装置10以及膜11，其中所述膜被安装为形成密封腔9。膜11位于手表1的表壳21的内部，并且在其周缘处固定在支撑件12上。这允许保证膜11的良好形变。在该示例中，支撑件12固定在中间件8上。为了膜11与外部环境接触，设置成表壳21的底壳7钻有多个孔13。如果膜11两侧的压力不相等，如在图2中所示，这些孔13允许使膜形变。

另外，可以设置成表壳21的底壳7设有可拆卸的盖14，所述盖能够通过卡合固定，以在不要求测量压力的时候封住孔13。这允许保护压力传感器6。

为了压力传感器6的运行，传输装置10与所述膜11一起使用。这样，在密封腔9和外部环境之间的压力差的作用下，膜11将或多或少地形变。事实上，如果外部压力大于在密封腔9的内部的压力，则如在图2中可见，膜11会形变成缩小密封腔9的容积。

膜11的该形变会作用于传输装置10，该传输装置会检测膜11相对于其初始位置的位置。初始位置优选地是膜11两侧的压力相等时的位置。一旦进行了检测，传输装置10将例如通过机械运动来传输膜11的该形变。

于是，由装置10所传输的表示压力的该运动能够可能地被放大，然后被显示装置5使用。显示装置5将使用用于将表示形变、因此表示压力的该运动转换为深度值的装置。然后，该装置5将显示由所述压力传感器6所测量的深度。当然，可以设置成压力的检测通过其他任何装置(例如：压电效应换能器)来实现。另外，可以考虑使用压力的其他功能，例如高度表或天气功能。

传感器6的元件于是根据预先确定的要求说明书(cahier descharges)来校准，其中所述要求说明书限定对于膜11的行程所希望的测量范围。所希望的测量范围表示期望能够检测和显示的压力的最大值，例如100米的深度。膜11的行程限定所述膜11能够产生的最大形变。这样，根据这两个数值，膜11的特征于是被确定。所述膜由其尺寸(在本示例的圆形膜11的情况下为直径和厚度)和构成该膜的材料来表征。

根据本发明，有利地，膜11包括非晶或部分非晶的材料。特别地，使用金属玻璃，即非晶金属合金，来制造膜11。

事实上，这些非晶金属合金在形变方面的优点源自以下事实：当制造这些合金时，构成该非晶材料的原子不像晶体材料的情况那样按照特定的结构来排列布置。因此，即使晶体材料和非晶材料的杨氏模量E是相等的，弹性极限σ_e也是不同的。事实上，如图5所示，非晶材料的不同之处在于，它的弹性极限σ_e是晶体材料的弹性极限的大约两倍。该图示出了非晶材料(虚线)和晶体材料的应力σ随形变ε变化的曲线。这允许非晶材料能够在达到弹性极限σ_e之前承受更大的应力。

首先，该由非晶材料制成的膜11因此允许相对于由晶体材料制成的膜11而言改善压力传感器6的可靠性。事实上，弹性极限σ_ea更大，这使得塑性区域更远，从而降低了使所述膜塑性地形变的风险。

此外，该弹性地支持更大应力的能力允许考虑更大的测量范围。

此外，有利地，观察到，对于在中心施加的相同应力，由非晶材料制成的膜11还允许优化其尺寸设计，以覆盖同等的行程。事实上，膜11的尺寸改变其形变。因此，如果直径增大，那么膜11的理论行程增大。此外，如果厚度增大，膜11的理论行程减小。有利地，在弹性极限增大的情况下，能够施加在膜11上而不发生塑性形变的应力增大。因此，通过减小其直径和其厚度来保持相同的运动幅度变得可能。

至于材料本身，可以首先认为，σ_e/E比值越大，传感器越有效。有利地，σ_e/E比值大于0.01的材料是最适于制造压力传感器的膜11的材料。还能够明确，除了σ_e/E比值之外，E的数值还能够被选择为大于一定的极限，这是为了使得压力传感器能够被包含在可以接受的容积中。优选地，该极限固定在50GPa。

然后，可以考虑一定数量的特征。这样，可以认为，抗腐蚀特征和无磁性特征尤其对于潜水表是有利的。于是可以列举能够被使用的非晶材料的示例。因此，作为示例，杨氏模量E为105GPa并且弹性极限为σ_e＝1.9GPa的Zr41Ti14Cu12Ni10Be23具有等于0.018的σ_e/E比值，而杨氏模量E为98GPa并且弹性极限为σ_e＝1.4GPa的Pt57.5Cu14.7Ni5.3P22.3具有等于0.014的σ_e/E比值。

当然，还存在其他可能有利的特征，例如合金的变应原方面(aspectallergène)。事实上，能够注意到，无论是晶体材料还是非晶材料，其经常使用包括变应原元素的合金。例如，这种类型的合金包括钴、铍或者镍。因此，根据本发明的膜11的变型可以用不包括这些变应原元素的合金来制造。还能够设置成存在变应原元素，但是这些变应原元素不引起变态反应。为此，能够设置成包含这些变应原元素的膜11在膜11遭受腐蚀的时候不释放这些变应原元素。

根据本发明的另一个变型，能够设置成膜11用贵金属来制造。实际上，在晶体状态下，例如金或铂的贵金属材料太软而不允许制造柔性而且耐用的膜11。但是，一旦它们呈金属玻璃形态，即处于非晶状态下，这些贵金属就会具有这样的特征，即该特征使得在呈现华贵和美丽外观的同时这些贵金属可以用于制造压力传感器的膜11。优选地，铂850(Pt 850)和金750(Au 750)是要用于制造所述膜11的贵金属。当然，能够使用其他贵金属，例如钯、铼、钌、铑、银、铱和锇。

还能够注意到，非晶金属合金具有易于成形性。事实上，非晶金属在每种合金特有的给定温度区间(Tx-Tg)内具有在变软的同时保持非晶的特殊特征。因此，能够在相对小的应力和不太高的温度下使这些合金成形。

该方法包括非晶预制件的热成形。该预制件通过在炉子中融化构成非晶合金的金属元素来获得。该融化在控制下进行，以获得尽可能低的合金的氧污染。一旦这些元素融化，它们就以半成品(例如尺寸和膜11接近的盘)的形式进行浇铸，然后快速地冷却，以保留非晶状态。一旦预制件制造完成，就进行热成形，以获得最终件。该热成形通过在包括于Tg和Tx之间的温度区间内持续确定时间的压制来实现，以保留完全或部分非晶的结构。这是为了保留非晶金属特有的弹性特性而进行的。因此，膜11的最终成形的各步骤如下：

a)将具有膜11的负形的模具加热到所选择的温度；

b)在热模具之间引入由非晶金属制成的盘；

c)在模具上施加闭合力，以将这些模具的几何构造复制到由非晶金属制成的盘上；

d)在所选择的最大时间内等待；

e)打开模具；

f)将膜11快速地冷却到温度Tg以下；以及

g)将膜11从模具中取出。

这种成形方式允许很精确地再现细微的几何构造，因为合金的粘度大大地减小，合金因此贴合模具的所有细节。该方法的优点在于，没有固化收缩，这允许得到在比注塑法更低的温度下所实现的更精确的部件。

当然，其他类型的成形法也是可以的，例如注塑成形法。该方法在于，将通过在炉子中融化金属元素所得到的合金模制成任意部件(例如：棒)的形状，该部件处于晶体状态或非晶状态下，这并不重要。然后，该任意形状的由合金制成的部件重新融化，以被喷注到具有最终件的形状的模具中。一旦模具被充满，其就被快速地冷却，直至小于Tg的温度，以避免合金的结晶，从而获得由非晶或半非晶金属制成的膜11。

这样，因此能够根据所希望的几何构造来使膜11成形。例如，能够使膜11的截面成型，以像其厚度或其直径一样地修改其特性。作为示例，能够模制膜11，以获得如在图3和图4中所示的正弦形截面。这种形状允许增大膜11的面积，而且也增大其刚度。膜11因此更难形变。有利地，截面的这种布置还允许根据压力使材料的弹性形变线性化。该线性化有助于简化用于将膜11的形变转换为压力值的装置。

可以理解的是，在不超出由所附权利要求限定的本发明范围的情况下，能够对上述的本发明的各种实施例进行对于本领域技术人员来说显而易见的各种修改和/或改进和/或组合。例如，膜具有不同的形状。

Claims (11)

1.一种压力传感器(6)，包括柔性膜(11)，其中所述膜与传输装置(10)协作，所述传输装置允许根据所述膜(11)的形变来提供表示压力的数值，所述膜(11)由至少部分非晶的金属合金制成，以优化所述传感器的尺寸；所述压力传感器的特征在于，所述至少部分非晶的金属合金包括至少一种贵重类型的、包括在包含金、铂、钯、铼、钌、铑、银、铱和锇的列表中的元素。

2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述膜(11)由完全非晶的金属合金制成。

3.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述至少部分非晶的金属合金的弹性极限和杨氏模量的比值大于0.01。

4.如权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，所述至少部分非晶的金属合金具有大于50GPa的杨氏模量。

5.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述完全非晶的金属合金的弹性极限和杨氏模量的比值大于0.01。

6.如权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，所述完全非晶的金属合金具有大于50GPa的杨氏模量。

7.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述膜(11)大致为盘状的，并且通过其周边固定在所述传感器(6)上。

8.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述膜(11)具有非直线的截面，以增大其形变面积。

9.如权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，所述膜(11)的截面包括至少一个正弦部分。

10.一种手表，其特征在于，所述手表包括如权利要求1至9中任一项所述的压力传感器(6)。

11.如权利要求10所述的手表，其特征在于，所述手表另外包括用于将所述表示压力的数值转换为深度值的装置，允许所述手表执行深度计功能。

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