CN104215383B - 内置平衡腔室的薄膜隔离型表压传感器 - Google Patents

Abstract

一种内置平衡腔室的薄膜隔离型表压传感器，解决了现有大气参考压端开放的传感器存在的一直无法克服的对传感器造成侵害、影响其正常使用的老大难问题，其技术要点是：力敏元件壳体的上部与外连电路板连接座之间连通大气参考压端的空腔中，内置带有薄膜型隔离膜的大气压自动补偿平衡腔室，被薄膜型隔离膜分隔的腔体下部，与力敏元件壳体的下部导压腔体相互连通，形成封闭的导压腔，腔体上部与大气参考压端连通。其结构紧凑，设计合理，制造容易，操作安全可靠，既可以隔离传感器与外界环境，又能自动平衡大气压力，有效地防止结露和腐蚀等对传感器造成的侵害，提高传感器的稳定性、防护等级和防爆等级，确保传感器正常使用，延长其使用寿命。

Description

内置平衡腔室的薄膜隔离型表压传感器

技术领域

本发明涉及一种表压式压力传感器，特别是一种带有大气压自动补偿的内置平衡腔室的薄膜隔离型表压传感器。它可广泛应用于海洋环境（如：潮汐观测、海啸预警、海洋科学观察、舰船安全及自动化）及在有酸碱强腐蚀介质、易燃易爆介质、阴暗潮湿、相对于大气低温介质等场所的液位、压力测量和控制。

背景技术

现有多种（硅蓝宝石、扩散硅、陶瓷应变片、金属应变片、电容等等）表压式压力传感器，其外壳和正压端都可以做到耐腐蚀和严格的防护性。但是上述表压传感器中外连电路板连接座上的大气压参考端完全对大气开放的，易结露和腐蚀。这是因为在平衡大气压的同时，空气必然在传感器内、外进行交换，所以在气温变化，被测介质温度变化或大气压变化时，会造成传感器内部结露；大气压参考端形成液柱，作用于传感器背面，造成不确定的负压产生，容易使量程误差无规律变化。特别是投入式液位传感器，在导大气的空心电缆大于或等于量程时，会与整个量程相比较，影响测量的准确性。当液体侵入、灰尘侵入、有害气体（诸如HF、HCl、盐雾、易燃易爆物质）侵入时，轻者，传感器信号变的极不稳定，失效，损坏，重者，则易造成恶性事故。因此，对现有表压传感器进行大气参考压端的结构改进和防护十分必要。

据相关专利文献报导，具有代表性的表压传感器方面的专利主要为：

申请公布号为CN102356307A的“具有真空电介质的电容性表压传感器”。它记载的是将电容的一个极板，制作在绝缘体上，如陶瓷体。将此载有金属电极板的绝缘体，用一薄金属环支撑焊接在压力作用下能发生弹性形变的测量电极上，两电极形成的平行腔体抽成真空，构成真空电容，用真空来保护电容的一个电极。并特别强调支撑被封入真空的电极的薄金属环片，必须比用于测量的能在压力作用下发生形变的金属电极要薄、要软。这样，这个薄金属环片，在大气压变化时，整个传感器变化最大不会小于|±6%|（相对于1个大气压）。他们用的是真空保护传感器的电容电极，不能防止水气和尘埃进入传感器的参考压端，即传感器的背面。大气压对传感器有很大影响，严重降低传感器测量精度。

授权公告号为DN203337312U的“具有防水通气结构的表压传感器”。其公开的结构特点是：在传感器外壳上开多个毛细孔。在传感器与环境相比处于低温——结露情况下，外部水气在传感器壳上结露时（从外边结露时），利用水滴具有表面张力的特点，利用在毛细孔处形成的水珠向内表面张力，不让水向传感器里边流，其前题是在理想的隔离传感器与外界环境的条件下。但是，如果此传感器用于火箭燃料仓上，火箭竖起后，环境比较潮湿时，传感器里边已充满潮气，再加注液氧等低温燃料，那么传感器从里结露结冰，里边水气已凝结产生负压，外部潮气、空气必然补充，继续结露结冰！一般科普知识让我们知道，1份水完全变成气，要扩张到1200倍。反之，如果当时空气湿度为50%RH，那么要进入壳体内的潮湿空气可以进入好多。只要有一点水凝结，传感器就足以失效。如果传感器不能正常使用，那么火箭也就危险了！因此，现有的大气参考压端开放的表压传感器受其结构的限制，根本无法达到理想的技术效果。

现有的大气压参考端开放的表压式压力传感器，其大气压参考端的开放问题，是人们一直想解决而难以克服的老大难问题。这样的传感器精度再高，也不能在有水气或相对于大气低温介质、腐蚀性气氛、大量尘埃等场所很好地实现正常使用。以常见的硅蓝宝石表压式、扩散硅表压式等压力传感器为例，如果不考虑造价、结构复杂程度、外观大小，现有的表压传感器，在大气参考压端也可以像正压测量端那样，带有感压金属膜片，内部也真空充填隔离介质，一般充硅油。但是，结构和工艺复杂，体积太大，价格高到几倍至几十倍，且限制使用场合。因此，人们主要采用以下解决措施：

解决方法一：传感器引入了细导压管，将细导压管一端胶接在传感器力敏元件背面，细导压管另一端胶接在大气引入口上（如图3所示），图3是现有技术引入细导压管的扩散硅表压式压力传感器结构示意图。其中传感器外连电路板连接座1上设置带有大气引入口的大气参考压端，扩散硅力敏元件13利用感压金属膜片16、用硅油、高真空充灌的导压隔离介质15封装在扩散硅力敏元件壳体17内，扩散硅力敏元件壳体17与带有大气参考压端的外连电路板连接座1及带有引压口的力敏元件转接座分别封接在一起。采用封口密封胶10将带有细导压管的高弹性橡胶制作的密封塞18的两端分别与外连电路板连接座1的大气引入口和扩散硅力敏元件壳体17的导压腔胶接密封，形成开放式导压腔。连接扩散硅力敏元件13的传感引线11穿过扩散硅力敏元件壳体17的引线孔，并引出外连电路板连接座1端。该压力传感器主要利用密封塞18的细导压管对流缓慢的特点，延缓水气和有害物质的侵入。但对于水气含量高，温度变化大时，一般使用不超过1个月，也就失效了。特殊情况下，如在有HF、HCl、H₂SO₄、盐雾等介质存在的场合是非常容易损坏的；开放式导压腔的大气参考压端没有进行电的绝缘隔离，除短路外，还对于有易燃、易爆介质存在时，极易产生爆燃事故。本申请人曾针对上述存在的问题，先后设计出授权公告号为CN1172169C的“硅蓝宝石力敏传感器及其制备方法”，授权公告号为CN102221429B的“高温压力与温度的复合传感器及制备方法”等专利，在一定程度上提高了液位、压力传感器用于恶劣条件下测量的可靠性。其中以硅蓝宝石和扩散硅压力传感器为例，硅蓝宝石传感器用于测量的受压端，在为了获得高精度的情况下，不再加隔离膜片和充隔离液。即使没有充隔离液、加隔离膜片，因其与介质接触的是钛-钯合金和蓝宝石材料，故能耐海水等腐蚀。但是，导压腔开放的大气压参考端，硅应变电阻和传感引线的焊点都暴露在空气中，盐雾侵入及有害介质侵入，就会造成短路，使传感器损坏；扩散硅的硅杯上的应变电阻，是在n型基底上扩散的p型电阻，靠p-n结与基底隔离，p-n结具有电流单向导通性；硅杯背面由于力学要求和工艺关系不能在加工完硅杯后再氧化和涂膜，即硅杯背面无绝缘层。因此，水气及具有腐蚀性介质侵入，仍会造成传感器对地短路。同时，对于各种表压传感器由于结露，导大气腔内积液后，液位显示变小，随积液增加，液位显示趋0。也容易造成在大气参考压腔内有引线焊点和电子元件时，会产生短路。也就是说，其它表压传感器，同样存在着与硅蓝宝石和扩散硅传感器相类似问题。

方法二：在传感器大气参考压端大气引入口处，用透气不透水的分子筛式塞子塞住（如图4所示），图4是现有技术引入透气不透水分子筛塞扩散硅表压式压力传感器结构示意图。其中在传感器外连电路板连接座1上的有大气引入口的大气参考压端，封装透气不透水分子筛塞19。扩散硅力敏元件13利用感压金属膜片16、用硅油、高真空充灌的导压隔离介质15封装在扩散硅力敏元件壳体17内，扩散硅力敏元件壳体17与带有大气参考压端的外连电路板连接座1及带有引压口的扩散硅力敏元件转接座14分别封接在一起。连接扩散硅力敏元件13的传感引线11穿过扩散硅力敏元件壳体17的引线孔，并引出外连电路板连接座1端。采用封口密封胶10将外连电路板连接座1的传感引线11引出端及扩散硅力敏元件壳体17的传感引线11的引线孔分别胶接密封，形成所谓“封闭”的导压腔。但是，该表压式压力传感器导压腔的大气参考压端引入的筛塞19极易被灰尘堵塞失效。在有灰尘和结露联合作用下，失效更快。对于有HF、HCl、H₂SO₄、H₂及有机气体，由于分子太小，或可与空气分子大小相比较，塞子虽然不透水，但上述气体可以通过，一样对传感器造成侵害。

发明内容

本发明的目的是提供一种内置平衡腔室的薄膜隔离型表压传感器，解决了现有大气参考压端开放的传感器存在的一直无法克服的对传感器造成侵害、影响其正常使用的老大难问题，其结构紧凑，设计合理，制造容易，操作安全可靠，既可以隔离传感器与外界环境，又能自动平衡大气压力，有效地防止结露和腐蚀等对传感器造成的侵害，提高传感器的稳定性、防护等级和防爆等级，确保传感器正常使用，延长其使用寿命。

本发明所采用的技术方案是：该内置平衡腔室的薄膜隔离型表压传感器，包括与大气参考压端连通的力敏元件壳体，分别与力敏元件壳体相互封接在一起的外连电路板连接座和力敏元件转接座，以及连接力敏元件的穿过引线孔，并引出外连电路板连接座端的传感引线，其技术要点是：所述力敏元件壳体的上部与外连电路板连接座之间连通大气参考压端的空腔中，内置带有薄膜型隔离膜的大气压自动补偿平衡腔室；力敏元件的传感引线位于力敏元件壳体的引线孔的引出端采用封口密封胶进行胶接密封，同时采用封口密封胶密封传感引线的引出外连电路板连接座端，并使大气压自动补偿平衡腔室被薄膜型隔离膜分隔的腔体下部，与力敏元件壳体的下部装有力敏元件的导压腔体相互连通，形成封闭的导压腔，大气压自动补偿平衡腔室被薄膜型隔离膜分隔的腔体上部，连通相互封接在一起的外连电路板连接座和力敏元件壳体的与大气参考压端连通的腔体。

内置在力敏元件壳体上部的所述大气压自动补偿平衡腔室，包括薄膜型隔离膜和与带有大气压引入孔的大气参考压端连通的压帽，由夹膜密封垫片夹持固定的薄膜型隔离膜利用润滑密封垫和压帽压封在力敏元件壳体上部的腔体内，该腔体被薄膜型隔离膜分隔相互独立的上、下两部。

所述力敏元件采用硅蓝宝石力敏元件，带平衡腔室的硅蓝宝石力敏元件壳体上部与外连电路板连接座之间连通大气参考压端的空腔中，内置带有薄膜型隔离膜的大气压自动补偿平衡腔室；硅蓝宝石力敏元件利用作为力敏元件座的硅蓝宝石力敏元件转接座密封在带平衡腔室的硅蓝宝石力敏元件壳体的下部腔体内。

所述力敏元件采用扩散硅力敏元件，带平衡腔室的扩散硅力敏元件壳体上部与外连电路板连接座之间连通大气参考压端的空腔中，内置带有薄膜型隔离膜的大气压自动补偿平衡腔室；扩散硅力敏元件利用感压金属膜片、导压隔离介质封装在带平衡腔室的扩散硅力敏元件壳体的下部腔体内，并在底部以作为膜片保护罩的扩散硅力敏元件转接座进行密封。

其作用原理是：在表压传感器的大气参考压端内置大气压自动补偿平衡腔室，利用其密封在平衡腔室内的薄膜型隔离膜，封闭一定体积的干燥空气，让外界气温变化，被测介质温度变化或大气压变化等影响不到传感器。这样形成的与大气参考压端连通的封闭的导压腔，主要影响是当温度的变化时，能使封闭的导压腔内的空气体积随着发生变化；另一个是大气压的变化，引起封闭的导压腔内的空气压力变化，导致空气体积变化。由温度变化引起封闭的导压腔内空气变化情况，完全符合气态方程：

……⑴

式中：、分别为变化前后的空气压强；、为变化前后的空气体积；、为变化前后的绝对温度。

如果所选用薄膜足够薄（20μm以下厚度），表面积足够大，质量足够小，可把、看成完全相等，那么只有温度变化到引起了变化到。

⑴式简化到了……⑵

这就是本发明的理论根据。其中，与是人为设定，为已知。检验证明：本发明的理论计算和实际检测，非常吻合。

本发明具有的优点及积极效果是：由于本发明是在硅蓝宝石表压式或扩散硅表压式压力传感器的大气参考压端，设置带有薄膜型隔离膜的大气压自动补偿平衡腔室，在封闭的导压腔内密封一定容积的干燥空气，利用被薄膜型隔离膜分隔相互独立的两个腔体，分别与封闭的导压腔及外界大气接触，能自动平衡大气压，所以其结构紧凑，设计合理，制造容易，操作安全可靠，既可以隔离传感器与外界环境，又能自动平衡大气压力。主要体现在：

1、封闭的导压腔将表压传感器大气参考压端与大气及外部环境彻底隔离开来，阻止了盐雾水气和有害物质进入传感器，有效地防止结露和腐蚀等对传感器造成的侵害。即使在薄膜型隔离膜通过大气压引入孔与外界大气接触的外侧结露，产生的附加误差很小故不影响传感器的量程精度；

2、由于彻底密封了传感器大气参考压端，安全有了保证，这不仅能提高传感器的稳定性，而且提高传感器防护等级和防爆等级，从而确保传感器正常使用，延长其使用寿命，性价比也大大提高；

3、对于现有的压力传感器，原先不能长期测量诸如海水、各种酸碱、有爆燃可能的介质。有了本发明后，对于强酸、强碱、海水、燃油及其它易燃易爆介质，都可以做到安全可靠测量、长期使用。

4、使传感器适应更加广泛的领域。如：可以用于舰船压水仓、海洋探测、海啸预警、水文监测、水坝漏水监测以及化工、自来水、军工、科学试验等方面。

试验表明，与ABB（阿西布朗勃法瑞）集团、FOXBRO（福克斯波罗）公司等著名公司的同类产品相比，这些产品大气参考压端都是开放的。即使测量自来水，也明确要求用户不能在有结露环境使用，必须将带有大气压开口端的传感器接线盒置于结露区外。对比试验，一般采用透气不透水分子筛式塞的压力传感器用于测自来水，也只保一年寿命。若在100%湿度下，实验箱内气压变化（人为变化±6%）每天10000次，则一周即报废；试验表明，采用本发明的带薄膜隔离膜的同级别传感器，三十周的同等试验，性能无任何变化。

而本发明大气压自动补偿腔室的大气参考压端与封闭的导压腔是“不通气的”，被隔离导压腔的腔室内可以做到无“水”，故封闭的导压腔内无论多低温度，无露可结。因此，本发明解决了现有传感器大气参考压端开放存在的一直无法克服的对传感器造成侵害、影响其正常使用的老大难问题。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1是本发明Ⅰ型结构的一种示意图；

图2是本发明Ⅱ型结构的一种示意图；

图3是现有技术引入细导压管的扩散硅表压式压力传感器结构示意图；

图4是现有技术引入透气不透水分子筛塞扩散硅表压式压力传感器结构示意图。

图中序号说明：1外连电路板连接座、2薄膜型隔离膜、3大气压引入孔、4压帽、5润滑密封垫、6夹膜密封垫片、7带平衡腔室的硅蓝宝石力敏元件壳体、8硅蓝宝石力敏元件、9硅蓝宝石力敏元件转接座、10封口密封胶、11传感引线、12带平衡腔室的扩散硅力敏元件壳体、13扩散硅力敏元件、14扩散硅力敏元件转接座、15导压隔离介质、16感压金属膜片、17扩散硅力敏元件壳体、18带有细导压管的密封塞、19透气不透水分子筛塞。

具体实施方式

根据图1～4详细说明本发明的具体结构。该内置平衡腔室的薄膜隔离型表压传感器根据设计要求和使用需要，可制成Ⅰ型硅蓝宝石表压式压力传感器结构（图1所示，高精度硅蓝宝石的精度可达到±0.05%F.S），Ⅱ型扩散硅表压式压力传感器结构（图2所示）。它包括与大气参考压端连通的力敏元件壳体，分别与力敏元件壳体相互封接在一起的外连电路板连接座1和力敏元件转接座，以及连接力敏元件的穿过引线孔，并引出外连电路板连接座1端的传感引线11等件。对于表压压力传感器，大气参考压端容空气体积可以很小，因此，可以采用内置平衡腔室的薄膜隔离型结构，以利于外观简捷和降低成本，性能不受影响。其中力敏元件壳体的上部与外连电路板连接座1之间连通大气参考压端的空腔中，内置带有薄膜型隔离膜2的大气压自动补偿平衡腔室。内置在力敏元件壳体上部的大气压自动补偿平衡腔室，包括薄膜型隔离膜2和与带有大气压引入孔3的大气参考压端连通的压帽4，由夹膜密封垫片6夹持固定的薄膜型隔离膜2利用润滑密封垫5和压帽4压封在力敏元件壳体上部的腔体内，该腔体被薄膜型隔离膜2分隔相互独立的上、下两部。力敏元件的传感引线11位于力敏元件壳体的引线孔的引出端采用封口密封胶10进行胶接密封，同时采用封口密封胶10密封传感引线11的引出外连电路板连接座1端，并使大气压自动补偿平衡腔室被薄膜型隔离膜2分隔的腔体下部，与力敏元件壳体的下部装有力敏元件的导压腔体相互连通，形成封闭的导压腔。传感引线11入仪表壳处再一次进行胶密封，以保证大气压平衡端的可靠性。大气压自动补偿平衡腔室被薄膜型隔离膜2分隔的腔体上部，连通相互封接在一起的外连电路板连接座1和力敏元件壳体的与大气参考压端连通的腔体。由薄膜型隔离膜2密封一定体积的干燥空气，利用薄膜型隔离膜2将大气压变化量，通过所密封的干燥空气，传递到传感器上，来自动平衡大气压。对薄膜型隔离膜2的设计，应根据实际使用条件，如气温变化情况，大气压变化情况，事先预置出传感器大气压自动补偿平衡腔室的形状、薄膜型隔离膜2的密封预置形状，让被密封在表压传感器大气参考压端的空气体积尽可能小。使薄膜型隔离膜2有效地保护了传感器大气参考压端的同时，又不影响传感器的使用和传感器的精度。

当制成硅蓝宝石表压式压力传感器的Ⅰ型结构时，力敏元件采用本申请人制成的专利技术成熟的硅蓝宝石力敏元件8。带平衡腔室的硅蓝宝石力敏元件壳体7上部与外连电路板连接座1之间连通大气参考压端的空腔中，内置带有薄膜型隔离膜2的大气压自动补偿平衡腔室。硅蓝宝石力敏元件8利用作为力敏元件座的硅蓝宝石力敏元件转接座9密封在带平衡腔室的硅蓝宝石力敏元件壳体7的下部腔体内。

当制成扩散硅表压式压力传感器的Ⅱ型结构时，力敏元件采用本申请人制成的专利技术成熟的扩散硅力敏元件13。带平衡腔室的扩散硅力敏元件壳体12上部与外连电路板连接座1之间连通大气参考压端的空腔中，内置带有薄膜型隔离膜2的大气压自动补偿平衡腔室。扩散硅力敏元件13利用感压金属膜片16、导压隔离介质15封装在带平衡腔室的扩散硅力敏元件壳体12的下部腔体内，并在底部以作为膜片保护罩的扩散硅力敏元件转接座14进行密封。

由于大气压自动补偿腔室密封了少量的干燥空气，同大气及环境接触的是一层极薄的薄膜型隔离膜2，所以这层隔离膜处于等压状态，使无论什么样的气氛也不可能扩散进传感器的大气参考压端的隔离膜里侧去。这层隔离膜所用的材料是防腐蚀的，如：聚全氟乙丙烯等，在-196℃～205℃范围内，几乎没有什么化学物质能腐蚀它。这层隔离膜很轻，即质量很小，这是因为事先被拉伸，最厚处30μm～20μm，经拉伸，最薄处为10μm。聚全氟乙丙烯密度在2.3g/cm³左右。Ф40mm有效直径的30μm的一块膜片质量只有0.087g左右。这个Ф40mm直径的膜片，经拉伸后，表面积可增加到原来的3倍，表面积约为37.68cm²。那么膜片的平均质量为2.3mg/cm²，大气压为1000g/cm²,左右，变化±1%时，为10g/cm²。10g/cm²对于2.3mg/cm²产生的误差为±0.023%，即万分之二左右。如果大气压变化±6%时，影响不到万分之四。这种误差对大气压变化而言，对于50kPa以上的表压传感器，影响传感器精度的可能就更小了。

压帽4上的大气引入孔3，使大气作用到薄膜型隔离膜2上来平衡大气压。薄膜型隔离膜2是事先在专用夹具上，用夹膜密封垫片6、润滑密封垫5及压帽4压封，进行加气压拉伸。亦可将隔离膜置于专用胎具中，在硅油中加温，拉伸成口袋形。完后将制成的膜移置到腔室中。这样，有效的增加了隔离膜的表面积，使隔离膜更软、单位面积对应质量更轻，更有效的实现无附加压力影响隔离，直径更小。使机械配件成本降低。

大气压自动补偿腔室设计好后，加工装配妥当，容积就已确定了。对于用户所处地区大气压变化情况和实际使用场地温度、被测介质温度最大变化值，来进行估算设计值是否正确。

Claims (3)

1.一种内置平衡腔室的薄膜隔离型表压传感器，包括与大气参考压端连通的力敏元件壳体，分别与力敏元件壳体相互封接在一起的外连电路板连接座和力敏元件转接座，以及连接力敏元件的穿过引线孔，并引出外连电路板连接座端的传感引线，其特征在于：所述力敏元件壳体的上部与外连电路板连接座之间连通大气参考压端的空腔中，内置带有薄膜型隔离膜的大气压自动补偿平衡腔室；力敏元件的传感引线位于力敏元件壳体的引线孔的引出端采用封口密封胶进行胶接密封，同时采用封口密封胶密封传感引线的引出外连电路板连接座端，并使大气压自动补偿平衡腔室被薄膜型隔离膜分隔的腔体下部，与力敏元件壳体的下部装有力敏元件的导压腔体相互连通，形成封闭的导压腔，大气压自动补偿平衡腔室被薄膜型隔离膜分隔的腔体上部，连通相互封接在一起的外连电路板连接座和力敏元件壳体的与大气参考压端连通的腔体；内置在力敏元件壳体上部的大气压自动补偿平衡腔室，包括薄膜型隔离膜和与带有大气压引入孔的大气参考压端连通的压帽，由夹膜密封垫片夹持固定的薄膜型隔离膜利用润滑密封垫和压帽压封在力敏元件壳体上部的腔体内，该腔体被薄膜型隔离膜分隔相互独立的上、下两部。

2.根据权利要求1所述的内置平衡腔室的薄膜隔离型表压传感器，其特征在于：所述力敏元件采用硅蓝宝石力敏元件，带平衡腔室的硅蓝宝石力敏元件壳体上部与外连电路板连接座之间连通大气参考压端的空腔中，内置带有薄膜型隔离膜的大气压自动补偿平衡腔室；硅蓝宝石力敏元件利用作为力敏元件座的硅蓝宝石力敏元件转接座密封在带平衡腔室的硅蓝宝石力敏元件壳体的下部腔体内。

3.根据权利要求1所述的内置平衡腔室的薄膜隔离型表压传感器，其特征在于：所述力敏元件采用扩散硅力敏元件，带平衡腔室的扩散硅力敏元件壳体上部与外连电路板连接座之间连通大气参考压端的空腔中，内置带有薄膜型隔离膜的大气压自动补偿平衡腔室；扩散硅力敏元件利用感压金属膜片、导压隔离介质封装在带平衡腔室的扩散硅力敏元件壳体的下部腔体内，并在底部以作为膜片保护罩的扩散硅力敏元件转接座进行密封。