CN103392117B

CN103392117B - 陶瓷压力测量单元

Info

Publication number: CN103392117B
Application number: CN201280010304.5A
Authority: CN
Inventors: 安德烈·贝林格尔; 武尔费特·德鲁斯; 迈克尔·菲利普斯; 安德烈亚斯·罗斯贝格; 埃尔克·施密特
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: EP2678653A1; US20130327151A1; DE102011004722A1; US9625335B2; EP2678653B1; CN103392117A; WO2012113660A1

Abstract

本发明涉及一种压力测量单元61，其包括至少一个陶瓷测量膜主体62和至少一个陶瓷主体63，所述测量膜主体62沿环状圆周接合部连接到所述陶瓷主体63，其特征在于，所述接合部形成为在所述测量膜体62和所述陶瓷主体63之间的焊接连接，其中所述测量膜主体包括可根据压力变形的测量膜。一种压力传感器60包括根据本发明的压力测量单元61和外壳70，其中所述压力测量单元61被所述外壳70保持，并且其中所述压力测量单元61封闭外壳开口71，所述压力测量单元61通过所述外壳开口与所述外壳70的环境连通，其中，垫圈73被夹在包围所述开口71的所述外壳的密封表面72和所述压力测量单元61的密封表面64之间。

Description

陶瓷压力测量单元

技术领域

本发明涉及一种陶瓷压力测量单元，其具有至少一个测量膜和平台，其中测量膜沿环状接合部与平台连接。已知用于该接合部的材料是玻璃和活性硬焊料，或铜焊料。例如，在DE39420102B中公开了一种通过玻璃焊料结合的压力传感器。在仍未公开的申请DE1020106365.9、DE102009046844.7、DE102009054909.9中给出用于通过锆-镍-钛、活性硬焊料或铜焊料制造接合部的不同方法的纵览，并且在本文中作为现有技术引用这些文件。上述材料基本满足了它们的目的，即，它们用于使压力测量单元的零件彼此结合。然而，使用这些材料导致对测量单元设计的限制。

背景技术

其基本原因在于接合部的有限的接合部耐介质性，因此，对于工业过程测量技术的压力测量单元，因而需要保护接合部不受测量介质的影响。就通常是圆柱形压力测量单元延伸至它们侧表面情况下的接合部而言，对接合部的保护由确定的、安装后情况产生，其中压力测量单元被轴向夹紧在传感器外壳中，其中压力测量单元末端将密封环压在环状邻接表面上，该环状邻接表面围绕外壳开口，并且通过该外壳开口在压力测量单元的末端处，测量膜主体与将测量其压力的介质可接触。

虽然通过这种方式，可靠地保护接合部不受介质的影响，但是这需要压力测量单元的末端的环状边缘区域，因而测量膜主体作为密封环的承载表面，所以必须由接合部支撑该边缘区域。在将直径做得甚至更小的趋势下，末端面上的该边缘区域的相对比例增大，所以用于压力测量可获得的测量膜主体的可偏转部分与压力测量单元的直径不成比例地减小。这为压力测量单元的小型化设立了限制。

就压力测量单元的直径缩小而言，与测量膜主体的可偏转面积相比，接合部的相对面积片段不成比例地增大，由于相对重要的压力测量单元的小型化，使接合部材料和测量膜主体以及平台的陶瓷材料之间的热机械特性不一致，并且这能够导致扭曲，并且最终导致测量误差。这些都涉及阻碍测量单元的小型化。

最后，在具有电容式换能器的压力测量单元的情况下，压力测量单元的直径缩小能够导致电容缩小。实际上，这在理论上能够通过缩小平台和测量膜之间的距离，分别是安装在平台和测量膜上的电极之间的距离补偿。然而，对此存在限制，因为平台和测量膜主体之间的接合部通过其制造的，确定活性硬焊料或铜焊料、环的材料厚度服从特定容限，并且不能制造得与所期望的那么薄。

发明内容

因此，本发明的目标是提供一种压力测量单元，其克服了现有技术的缺点，并且尤其可更易于扩展，尤其是可小型化。根据本发明，通过独立专利权利要求1限定的压力测量单元实现该目标。

本发明的压力测量单元包括：

至少一个陶瓷测量膜主体；和

至少一个陶瓷平台，其中测量膜主体沿环状、外围接合部与平台连接，

其中，根据本发明，接合部形成为测量膜主体和平台之间的焊接连接，其中该测量膜具有可压力依赖变形的测量膜。

在本发明的进一步发展中，测量膜主体和/或平台包括氧化铝，尤其是刚玉。

在本发明的进一步发展中，该平台包括环状膜支撑，通过外围接合部将测量膜主体固定至该环状膜支撑。

在本发明的进一步发展中，该压力测量单元包括中心换能器支撑，其至少部分由该膜支撑围绕。

在本发明的进一步发展中，换能器支撑的端面包括至少一个电极，其面对测量膜主体，其中测量膜包括电极，其面对换能器支撑。

在本发明的进一步发展中，换能器支撑沿至少第二接合部，连接、尤其是压力密封地连接膜支撑，其中该第二接合部通过玻璃焊料，活性硬焊料，或铜焊料，或者通过焊接形成。

在本发明的进一步发展中，可通过一种包括激光焊接的方法，尤其是一种包括预加热焊缝附近，以降低焊接中的应力或电压的方法产生该压力测量单元。尤其能够通过CO₂激光器发生预加热，其中能够通过Nd-YAG激光器完成实际焊接。

在本发明的进一步发展中，环状膜支撑的内部侧表面能够具有传导涂层，其与面对膜支撑的测量膜的表面上的电极一起，形成朝着该测量膜和该侧表面封闭的法拉第笼。

在本发明的进一步发展中，该压力测量单元包括用于密封环的承载表面，其中在形成测量膜和平台之间的接合部的平面上的承载表面的轴向投影围绕该接合部。

在本发明的进一步发展中，该压力测量单元包括第一平面中的用于密封环的承载表面，其中第一平面与第二平面轴向隔开，在所述第二平面中，测量膜的外端面延伸，并且实际上延伸测量膜主体的至少八分之一直径，尤其是至少四分之一直径，优选至少一半直径，并且尤其优选至少整个直径。

在本发明的进一步发展中，该压力测量单元是绝对压力、相对压力或压差测量单元。

本发明的压力传感器包括根据上述权利要求任一项所述的压力测量单元和外壳，其中该压力测量单元被外壳保持，并且其中该压力测量单元封闭外壳开口，压力测量单元通过该外壳开口与外壳的环境连通，其中，密封件被夹在围绕开口的外壳密封表面和该压力测量单元的密封表面之间。

附图说明

现在将基于附图中提出的实施例的实例解释本发明，附图如下：

图1是通过本发明的压力测量单元的实施例的第一实例的纵向截面图；

图2是通过本发明的压力测量单元的实施例的第二实例的纵向截面图；

图3是通过本发明的压力测量单元的实施例的第三实例的纵向截面图；

图4是通过本发明的压力测量单元的实施例的第四实例的纵向截面图；

图5是通过本发明的压力传感器的实施例的实例的纵向截面图；和

图6是通过作为压差、测量单元的本发明的压力测量单元的实施例的实例的纵向截面图。

具体实施方式

图1中所示的压力测量单元1包括测量膜2和平台3，其中测量膜沿激光焊接的外围接合部压力密封地与平台连接。测量膜2具有基本圆形、板状形状，其直径例如为1cm-6cm，并且材料厚度不小于50μm，并且不超过例如2500μm。平台3在这里具有与测量膜2相同的直径，其中该平台的材料厚度总计为几毫米至几厘米。优选地，这样定该平台的尺寸，即在测量膜2的压力负载的情况下，其最多经历可忽略的变形。在平台3端面的测量膜侧上，形成腔体5，以便在测量膜2和平台3之间形成压力腔6，其中测量基准压力规律，压力按该规律作用在背离平台的测量膜一侧上。在相对压力传感器的情况下，该基准压力为大气压力，通过导管（未示出）将该压力引入压力腔6。在绝对压力传感器的情况下，排空压力腔6。例如，压力测量单元1能够被轴向夹紧在外壳（这里未示出）中，诸如按先前惯例，在压力测量单元的膜侧端上布置密封环8，其被夹紧在压力测量单元和围绕外壳开口的密封表面之间，压力测量单元可通过该外壳开口接触被测量的介质。

虽然乍一看，这里示出的测量单元1与现有技术的压力测量单元，以及它们安装在传感器外壳中的方式类似，但是通过激光焊接形成接合部4，实现了相当大的进步。缩小了平台和测量膜之间的传统接合部的距离容限，使得能够更精确地设定和减小平台3和测量膜2之间的间隔。此外，除了在给定情况下由于接合部4区域中的焊接工艺导致的微观结构或宏观结构变化发生之外，压力测量单元主要由非常均质的材料组成，接合部所以一方面不存在测量膜和平台的陶瓷材料之间的不同热机械特性，另一方面，不存在传统的接合部材料。因此，对于给定尺寸的测量单元，极大地消除了非均质的影响。结果，促进了减小测量单元的直径，这是因为，虽然尽管与膜区域相比，接合部的面积相对增大，但是不面对来自接合部的增大的干扰。

此外，压力测量单元1包括适当的换能器，用于记录测量膜的压力依赖变形。然而，这里未详细提出该方面。该换能器能够为电容式换能器，在该情况下，限定压力腔6的平台3和测量膜主体2的端面设有电极。同样地，压力测量单元能够为白光、干涉测量换能器，针对该换能器，通过平台3中的孔体照射测量膜主体2的压力腔侧端面。因而，将光导体插入该孔体中。从测量膜主体反射回来的光被光导体捕捉。从测量膜反射的光和在光导体的端面上反射的光，或者给定情况下，在平台侧上的存在窗口上反射的光之间的路径差是测量膜和平台之间隔的测量值，并且通过其作用在测量膜上的压力。此外，能够提供电阻换能器，针对该换能器，在测量膜主体的内侧上提供相应的电阻元件，尤其是桥式电路形式的电阻元件。

例如，平台3端面中的凹处5首先在平台3的生坯主体中预先形成，并且在烧成之后，经过精细加工，例如通过激光烧蚀、磨削和/或研磨，该凹处5的尺寸对于电容式换能器和光学换能器尤其重要，并且在给定情况下，能够在过载时起支撑测量膜主体2的作用。此外，能够通过例如以激光焊接，将环状体或中空圆柱体附接在圆柱体的平端面上，形成具有凹处的平台。

图2中所示的压力测量单元11的实施例实例本质上相应于图1中的实施例实例，其中，这里通过沿接合部14激光焊接将测量膜12固定在平台13上。这里的圆盘状测量膜12不覆盖圆柱形平台13的整个端面，而是仍留有平台13端面的环状区域，当将该单元安装在传感器外壳中时，能够在该环状区域上夹紧弹性密封环18。如上所述，平台在其测量膜侧端面中包括腔体15，用于在测量膜主体和平台13之间形成压力腔16。关于腔体或凹处的制备，以及关于换能器，关于图1的解释也适用于此。在这里所示的实施例实例的情况下，现在接合部14不再被密封环18保护，该密封环18位于平台13的端面的环状区域上的测量膜主体外部。这是可能的，因为激光焊接制造的接合部14有耐介质性，并且因而能够暴露于过程介质。就下列情况而言，即与测量膜的总表面相比，接合部14然后占用平台13端面的明显较小片段，由于焊接工艺，所以与图1中的实施例实例相比，微观结构或宏观结构的相对重要性变化降低至下列程度，即这些微观结构或宏观结构变化根本没有任何影响。

图3和4中所示的实施例实例为本发明的关于电容式换能器的进一步发展，其中压力测量单元具有两部分平台。

图3中的压力测量单元21包括测量膜主体22和两部分平台23，其包括中空圆柱体23a和换能器支撑23b。在制造压力测量单元时，首先沿接合部24将测量膜主体22焊接至中空圆柱体23a。然后，将电极39布置在测量膜主体22面向平台的一侧上。例如，该电极能够为钽层或玻璃层，其具有植入的、传导、互连金属颗粒。在布置膜电极39之后，换能器支撑23b被插入中空圆柱体23a中，并且沿换能器支撑23b的侧表面32，使用外围接合部33承压和气体密封地至少连接在平台23的后侧端面上。尤其能够通过焊接制备接合部，其中也能够发生与高真空焊接或铜焊中以活性硬焊料或铜焊料结合相同的方法，或者通过玻璃焊料结合。换能器支撑23b的端面36包括基本相同面积的两个电极，即中心电极37，其被环状电极38围绕。两个电极都在测量膜的静止位置中，具有优选与测量膜主体侧上的电极39基本相同的电容。电极的该尺寸使得能够作为差动电容器操作该电容式换能器。

在本发明的变体中，能够利用金属，例如利用Ta金属处理中空圆柱体23a的整个内部侧表面。这尤其能够与在一个工作步骤中制备测量膜电极39的同一个步骤中完成，测量膜电极39也应具有Ta层。通过测量膜电极39延伸至中空圆柱体侧表面的程度，并且其中与中空圆柱体侧表面金属涂层的外围接触，测量膜电极和金属涂层一起形成朝着测量单元的末端和侧表面封闭的法拉第笼，其尤其能够被放置在测量电路的接地电路处，能够通过该测量电路操作电容式换能器。本发明的该实施例不仅涉及图3的实施例实例，而且也可在其平台包括中空圆柱体的本发明所有实施例的情况下实施。

例如，能够以下列方式发生换能器支撑23b在中空圆柱体23a中的轴向定位，即监控在中心电极37和膜电极39之间，或环状电极38和膜电极39之间的电容，用于识别换能器支撑的轴向、期望位置，以及将换能器支撑39附接在经检测的期望位置中。

继而，这里所示的压力测量单元可安装在承载弹性密封环28的传感器外壳中。

图4中所示的实施例实例对应于图3中的实施例实例，除了相对于中空圆柱体轴向定位换能器支撑。特别地，诸如在压力测量单元21的情况下，沿外围接合部44将陶瓷测量膜42焊接至平台43的中空圆柱体43a。插入中空圆柱体43a的孔体45的是换能器支撑43b的圆柱形段43c，其中在圆柱形段43c背离测量膜的基座上邻接基座板43d，其具有一定外部直径，该外部直径基本等于中空圆柱体43a的外部直径。换能器支撑43b的圆柱形段43c的侧表面52用于相对于中空圆柱体43a的孔体45，横向定向换能器支撑43b。基座板43d面向中空圆柱体43a的上侧54起轴向制动器的作用，用于限定换能器支撑43b在中空圆柱体43a中的轴向定位，及其相对于测量膜主体42的定位。在圆柱形主体43c的端面56上再次布置中心电极57和电容相等的环状电极58，其与测量膜上的电极59相对布置。在测量膜42已经被焊接在中空圆柱体43a上之后，和在插入和固定换能器支撑43b之前，布置测量膜电极。在定位换能器支撑43b之后，其被沿中空圆柱体43a的侧表面基座处的外围接合部55附接。这能够通过经活性硬焊料或铜焊料，或玻璃焊料的焊接或者结合发生。

图5中所示的压力传感器60包括压力测量单元61，其具有焊接在平台63上的测量膜主体62。该平台包括多个组件，即中空圆柱体63a和圆柱形换能器支撑63b，以及下方的基座板63c。基座板63c径向延伸超过中空圆柱体，并且被沿外围焊缝，与中空圆柱体63a压力密封地焊接至中空圆柱体63a的侧表面的基座。成角度地围绕中空圆柱体63a的基座板63c的上端面的边缘区域起密封表面64的作用，用于在传感器外壳70，尤其是金属传感器外壳70中安装压力测量单元61。

传感器外壳70具有开口71，压力测量单元61通过该开口71与外壳70外部的空间连通。开口71被径向向内延伸的肩台围绕，该肩台形成朝向外壳70内部的轴向邻接表面72。布置在轴向邻接表面72和密封表面64之间的是弹性密封环73，通过螺纹环74，抵靠该弹性密封环73轴向夹紧测量单元61，其中螺纹环74啮合外壳70壁段中的螺纹。布置在螺纹环74和压力测量单元之间的是环状去耦主体75，优选地，其与压力测量单元为相同陶瓷材料，尤其是刚玉，以便保持机械应力，该材料应力由一方面是压力测量单元的材料，另一方面是螺纹环与压力测量单元不同的材料之间的热膨胀差异产生。

由于测量膜主体62前侧平面和密封表面64的平面之间的轴向间隔，所以明显降低了夹紧力在测量膜上的影响。

外壳70具有环状轴向凸出体77，其邻接外壳开口，以便保护压力测量单元61。

最后，图6示出压力测量单元91，其具体实施为使用单腔原理的压差测量单元。在该情况下，陶瓷、圆柱形平台93在两端面上承载陶瓷测量膜92a、92b，其在每种情况下都被焊接至平台。该平台包括两个中空圆柱体93a、93d，在每种情况下，中心换能器支撑的圆柱形段93b、93e都被插入该中空圆柱体93a、93d中。此外，该换能器支撑还包括基座板93c，圆柱形段93b、93e固定连接该基座板93c。该基座板93c的直径等于中空圆柱体93a、93d的外部直径。该中空圆柱体通过它们的基座坐落在基座板93c的两端面的环状边缘区域95a、95b上，由此限定测量膜92a、92b相对于换能器支撑的轴向位置。在每种情况下，都沿外围焊缝，将中空圆柱体93a和93d在它们的侧表面基座处压力密封地焊接至基座板93c。

在每种情况下，都在测量膜92a和92b以及平台93之间形成压力腔96a、96b，其中该压力腔经由导管97彼此连通，该导管97以轴向孔的形式穿过平台延伸。压力腔96a、96b和导管97充满压力传递液体，以便液压耦合两个测量膜。图6示出配备有当前优选的电容式换能器的压差测量单元。当然，在这里也能够使用其他换能器原理。

陶瓷压力测量单元领域的技术人员已知电极的电路和电极通过电缆导线的接触，因此，不需要在此详细地探究。

例如，在米特韦达县的Mittelsachsen激光研究所的Exner等人的公开中，尤其是在“LaserweldingoffunctionalandconstructionalceramicsforMicroelectronics”中提出了焊接陶瓷材料的细节。

Claims

1.一种压力传感器(60)，包括压力测量单元(61)和外壳(70)，其中所述压力测量单元(1；11；21；41；61；91)包括：

至少一个陶瓷测量膜主体(2；12；22；42；62；92)，其中，所述测量膜主体(2；12；22；42；62；92)具有可压力相关变形的测量膜；和

至少一个陶瓷平台(3；13；23；43；63；93)，其中，所述测量膜主体(2；12；22；42；62；92)沿环状、外围接合部(3；13；23；43；63；93)与所述平台连接，其特征在于，

所述外围接合部形成为在所述测量膜主体(2；12；22；42；62；92)和所述平台(3；13；23；43；63；93)之间的焊接连接，

其中，所述平台(23；43；63；93)包括环状膜支撑(23a；43a；63a；93a；93d)，所述测量膜主体(22；42；62；92a；92b)通过所述外围接合部固定至所述环状膜支撑，

其中，所述压力测量单元还包括中心换能器支撑(23b；43b；63b；93b；93e)，所述中心换能器支撑被所述膜支撑(23a；43a；63a；93a；93d)围绕，

其中，所述换能器支撑(23b；43b；63b；93b；93e)的端面包括至少一个电极，所述电极面对所述测量膜主体，其中，所述测量膜主体包括电极，所述电极面对所述换能器支撑(23b；43b；63b；93b；93e)，

其中，沿至少第二接合部压力密封地连接所述换能器支撑与所述膜支撑(23a；43a；63a；93a；93d)，

其中，所述压力测量单元包括用于密封环的承载表面，其中，在所述测量膜主体和所述平台之间形成所述外围接合部的平面上的所述承载表面的轴向投影围绕所述外围接合部，

其中，用于密封环的承载表面在第一平面中，其中，所述第一平面与第二平面轴向隔开，在所述第二平面中，所述测量膜的外部端面延伸，并且实际上延伸所述测量膜主体的至少四分之一直径，

其中所述压力测量单元(61)被所述外壳(70)保持，并且其中，所述压力测量单元(61)封闭外壳开口(71)，所述压力测量单元通过所述外壳开口与所述外壳(70)的环境连通，其中，密封环(73)被夹在围绕所述外壳(70)的所述开口(71)的密封表面(72)和所述压力测量单元(61)的承载表面(64)之间，使得所述外围接合部被暴露到所述外壳的所述环境。

2.根据权利要求1所述的压力传感器(60)，其中，所述第二接合部通过玻璃焊料形成。

3.根据权利要求1所述的压力传感器(60)，其中，所述第二接合部通过活性硬焊料形成。

4.根据权利要求1所述的压力传感器(60)，其中，所述第二接合部通过铜焊料形成。

5.根据权利要求1所述的压力传感器(60)，其中，所述第二接合部通过焊接形成。

6.根据权利要求1所述的压力传感器(60)，其中，所述测量膜主体(2；12；22；42；62；92)和/或所述平台(3；13；23；43；63；93)包括氧化铝(Al₂O₃)。

7.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述压力测量单元(1；11；21；41；61；91)可通过包括激光焊接的一种方法产生。

8.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述压力测量单元(1；11；21；41；61；91)可通过包括电子束焊接的一种方法产生。

9.根据权利要求7或8所述的压力传感器，其中，所述方法包括预先加热焊缝附近。

10.根据权利要求9所述的压力传感器，其中，所述预先加热所述焊缝附近是通过第二激光器完成的。

11.根据权利要求1所述的压力传感器(60)，其中，所述膜支撑的内部侧表面具有传导涂层，所述传导涂层与面对所述膜支撑的所述测量膜的表面上的电极一起，形成朝着所述测量膜和所述侧表面封闭的法拉第笼。

12.根据权利要求1所述的压力传感器(60)，其中，所述压力测量单元包括第一平面中的用于密封环的承载表面，其中，所述第一平面与第二平面轴向隔开，在所述第二平面中，所述测量膜的外部端面延伸，并且实际上延伸所述测量膜主体的至少一半直径。

13.根据权利要求1所述的压力传感器(60)，其中，所述压力测量单元包括第一平面中的用于密封环的承载表面，其中，所述第一平面与第二平面轴向隔开，在所述第二平面中，所述测量膜的外部端面延伸，并且实际上延伸所述测量膜主体的至少整个直径。

14.根据权利要求1所述的压力传感器(60)，其中，所述压力测量单元是绝对压力测量单元。

15.根据权利要求1所述的压力传感器(60)，其中，所述压力测量单元是相对压力测量单元。

16.根据权利要求1所述的压力传感器(60)，其中，所述压力测量单元是压差测量单元。