CN1045660C - 具有高刚性模量支撑块的压力传感器 - Google Patents

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Abstract

一层金属薄膜将隔板层的半导体粘合区与高刚性模量支撑块的陶瓷粘合区粘合在一起。该结构使压力检测隔板与不希望的应力隔开，提高了传感器精度。穿过支撑块的通路将液压传至检测隔板，使其偏移。支撑块上的隔板和电容器极板间的容性耦合对偏移量作出反应，并输出一个代表压力的输出信号。

Description

具有高刚性模量支撑块的压力传感器
本发明涉及检测液体压力的压力传感器。
由易碎材料构成的分批装配压差传感器从例如Knecht等人的美国专利4,833,920(PCT公布号为WO88/00335)中就可以了解到。一般说来，硅层中是检测隔板，硅层粘附在玻璃基准板上，玻璃基准板上还淀积着金属电容电极。隔板层和基准层构成一体，然后夹在支撑圆柱体之间，它们减小施加强的输送管压力时基准板发生弯曲的倾向。传感器与电路相连，它检测电容极板和隔板间的压敏电容量，并提供一个代表压力的输出。
除了被检测的压力，环境条件也能使隔板或基准板产生所不希望的偏离。这种所不希望的偏离限制了这种传感器的精度范围。用作隔板、基准板材料、或夹层结构的温度膨胀系数的不一致，都会引起隔板产生所不希望的偏离，或引起导致传感器破损的应力。输送管压力造成的基准板的凸胀会对压差的测量带来不利影响。隔板和支撑层之间，或支撑层和与隔离物连接的导管之间的粘合和封接力会限制安全地加到传感器上的上限压力，或导致随温度、压力或二者一起变化的不可重复或滞后型错误。
美国专利第4,944,187号中披露了一种压力传感器，这种压力传感器的偏移隔板由二个膨胀系数不同的材料构成的层构成，当作用在上述隔板上的压力发生变化时，隔板会发生偏移。这二个层由一种可设定材料保持在一起。
作为披露内容的一部分，该专利还示出了一个半导体隔板，它具有一个中央检测部分和一个借助于分离的材料层粘接到一个玻璃支撑基板上的周边半导体表面。但该专利没有提到使用沉积在表面之间的金属薄膜来把传感器中的半导体隔板的陶瓷支撑材料粘合在一起的技术特征。
美国专利第4,972,176号中示出了一种半导体压力传感器，它有一个被周围表面所包围的、由半导体材料所构成的半导体隔板，该半导体隔板通过阳极结合法粘合到由耐热玻璃或类似材料构成的台座上。该专利没有示教出采用金属薄膜将半导体隔板粘合到陶瓷材料表面的方法。
美国专利第4,918,992号中示出了将半导体小片粘合至作为支撑物的玻璃管上的粘合技术，这种结合能象通过橡胶材料进行的粘合一样呈现出很高的弹性。该专利还披露了一个用于把玻璃管结合到金属外壳上的结合物。但是，该专利没有示出陶瓷材料表面和半导体表面之间的任何类型的结合，也没有示教出在传感隔板和基底支撑物之间使用金属薄膜来获得结合这一技术特征。
人们希望扩大对压差和输送管压力、和温度的测量范围，然而，传感器中所用材料、几何结构和粘合材料的限制继续影响着性能。因此需要有一种压力传感器，它将粘附在一起的材料相结合，在整个所选择的输送管压力、压差和温度范围内，提供所需的精度。
本发明中，一层金属薄膜将隔板层的半导体粘合区粘合到一块高刚性模量支撑块的陶瓷粘合区上，支撑块的温度膨胀系数与隔板的一致。这种结构把隔板层中的压力检测隔板与不需要的应力隔开，提高了传感器的精度。
隔板层有一个被层边缘粘合的层面。该层面露出半导体粘合区，它围绕着形成在隔板层中的检测隔板。连接装置把液体压力传给检测隔板，使其发生偏移。检测装置与检测隔板相连，用来检测偏移量，并提供代表压力的输出。支撑块具有由支撑块边缘粘合的第一、第二支撑块面，第一支撑块面露出陶瓷粘合区，对着半导体粘合区。薄膜层由位于对面的半导体粘合区和陶瓷粘合区之间的金属薄膜构成。薄膜层将半导体粘合区粘合到陶瓷粘合区上。
图1是本发明的包括一个传感器的压力变送器的下部外壳的剖面图；
图2是支撑块的前视图；
图3是图2所示支撑块的侧视剖面图；
图4是隔板层的前视图；
图5是本发明的一种传感器的剖面图；
图6是上面带有金属喷镀层的隔板层的部分剖面图；
图7是本发明的一种传感器的部分剖面图；
图8是本发明的一种传感器的剖面图；
图9是本发明的一种传感器的部分剖面图。
图1展示了压力变送器的下部外壳20。在下部外壳20中，两个液体隔离器22、24承受加在变送器上的压力P1和P2。下部外壳20中的通路26、28将隔离器22、24与压力传感器30相连。不可压缩的液体如硅油32流满隔离器22、24和通路26、28，将压力传送到液压传感器30。液压传感器30检测压力，并向连接器34提供一个表示压力的电输出。上部外壳(未示出，它拧在下部外壳的螺纹36上)中的变送器电路接收传感器30的电输出，并将它转换成一个能传送长距离的如4-20mA的输出，或一个数字输出。
在图2和图3中，所示的支撑块40具有外边套42，包围位于相反两侧的平面44、46。中心通路或孔48在平面44、46之间穿过。支撑块40粘附在隔板层50(示于图4)上，用以支撑隔板层。支撑块40的厚度T最好在3.8mm(0.15英寸)至10.2mm(0.40英寸)的范围内。选择支撑块的厚度T，使其为与之相粘附的隔板层厚度的10-40倍，这取决于传感器的上限压力。厚度T最好超过隔板层厚度的15倍。支撑块40由陶瓷材料构成，选择其具有高的刚性，刚性模量为大约每平方英寸四千五百万磅，它是硅刚性的2.5倍。一种用作支撑结构的优选的高模量陶瓷材料为“SRBSN”或“SSN”，这是由美国康涅狄格州New Canaan的ESK Engineered Ceramics,Wacker Chemicals USA Inc.提供的。这种高模量陶瓷材料呈现出整体密封性，能够通过密封过程，如烧结密封和活性金属钎焊，与其它材料形成气密封接。这种高模量陶瓷材料也是电绝缘的。电绝缘性使传感器的带电部分，如导线、电容器极板，与支撑结构表面紧密接触，而不必在支撑结构和固定支撑结构的金属部部件之间增加另外的电绝缘材料。SRBSN的温度膨胀系数与硅非常接近。这使得支撑块40能非常坚固地基本不变形地固定在隔板层50上，而不用增加、减小不同温度膨胀系数的材料的相邻表面之间的应力的中间层或弹性材料。膨胀特性的一致减小了在一个很宽的温度范围内的可重复和不可重复的热误差。由于压力和温度变化引起的传感器输出的滞后现象也极大地减少了。精选的陶瓷材料在一块单个的材料块中将所要求的特性集中于一身，避免了为得到需要的电绝缘性、粘合性、温度系数、密封性和刚性，而将许多不同材料层叠在一起所带来的问题。由温度变化、输送管压力、压差和固定引起的所不希望的应力的影响受到了控制，并且传感器的构造简单，这是因为所要求的特性都集中在一块单个的材料中的缘故。
图4展示了隔板层50。隔板层50有一个包围层面54的外边缘52。与层面54相对的是第二层面56(图4中未示出)，类似于层面54。薄膜金属层58有选择地喷镀在外边缘52和中心隔板60之间的层面54、56的平整表面上。层面54和56构成了半导体粘合区54A。隔板60有一个被环形槽64包围的凹面62。隔板层50的外边缘52有基本与支撑块44的外边套42相同的大小，为了显示细节，图4与图2和图3中的比例不同。
图5展示了一个传感器体70，由隔板层50和两块支撑块40构成。圆形电容器极板47由喷镀在支撑块40的面46上的金属喷镀层构成。隔板层50和支撑块如图5所示互相接触，然后整个放在约560℃-700℃的温度中加热。金属喷镀层58的厚度可与支撑块的面46的表面粗糙度相比。最好金属喷镀层是大约0.5至2.0微米的铝。金属喷镀层58在这样的高温下与支撑块的面46粘合。粘合强度能阻止当传感器加压时支撑块与传感器体70分离，并且还围绕隔板60形成液体密封。图5中，每个支撑块40的中心孔48涂有金属喷镀层72，形成每个支撑块的面44、46间的电通路或密封馈送。圆筒形延伸体74、76通过活性金属钎焊78密封地固定在支撑块44上。活性金属钎焊78在压力下抵抗分离力，形成加压密封，并且还提供了从金属喷镀层72至导电接头80的电连接。隔板50由掺杂硅半导体材料构成，通过金属线路84与导电接头82电连接。
图5中，金属套筒86、88通过铜焊缝90、92和圆筒形延伸体74、76相接。金属套筒86、88与下部变送器体20(图1)中的通路26、28相连，向隔板60传送隔离器液体，一般是硅油。圆筒形延伸体在为电容器极板形成的馈送连接(即金属喷镀层72和铜焊缝78)和金属变送器体20之间形成电绝缘。金属套筒86、88和陶瓷做的圆筒形延伸体74、76的温度膨胀系数很难一致，这是因为当铜焊之后部件收缩时，铜焊缝90、92被加压。把直径大些的金属延伸体74固定在直径小些的陶瓷圆筒74、76的外围，能避免陶瓷材料中过大的张力。
图6中更详细地展示了隔板50的部分结构。金属喷镀层58有选择地喷镀在平整的外部表面上。隔板62的表面是凹的，并被任意的槽64包围。金属喷镀层58和电容器极板47的厚度可以调整，以便在电容器极板47和隔板50之间形成所要求的空间。
在图7、8、9中，展示了可替换的电的和压力的馈送结构。图7中，支撑块40A上切出一个圆形沟，用于消除铜焊在支撑块40A上的金属连接头86间的应力。分开的馈送孔102、104为电容器极板47和隔板50提供馈送连接。金属喷镀层106、108镀在孔102、104中，以完成电连接。金属接头80、82被铜焊在支撑块40A上，以密封孔102、104。
图8中，展示了一个传感器体110，它仅包括一块单独的支撑块40B，而不是像图7中所示的那样，有两块支撑块。传感器体110是一个表压传感器，有一个铜焊在上面的改进的金属套筒，用来与隔离器(未示出)相连。
图9中，展示了一个带有铜焊在上面的方形陶瓷块115的传感器体112，该陶瓷块用来密封相关的电容器极板的电馈送通路。图9中，导管114通过铜焊缝116在孔118的内径侧与支撑块40C相连，以便从隔离器向压力检测隔板提供液体。
图7、8、9中所示的各种变形可适用于例如图5所示的传感器体70，本发明适合于各种应用和处理设备。
虽然以上结合最佳实施例对本发明进行了说明，但是本领域的技术人员应认识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可对本发明做形式上的和细节上的修改。

Claims (12)

1．一种液压传感器，包括：
具有一个通过层边缘(52)粘合的层面(54)的隔板层(50)，层面(54)露出一个半导体粘合区(54)，该区域包围在隔板层(50)中形成的检测隔板(60)；
将液压传送至检测隔板(60)使之偏移的装置(48)；
与检测隔板(60)相连、检测其偏移量、并提供一个代表压力的输出的装置(47,72,74,80)；
具有第一、第二支撑块面(44,46)并由一个支撑块边套(42)固定的支撑块，
其特征在于：
上述支撑块具有高刚性模量，其第一支撑块面露出一个面对半导体粘合区(54)的陶瓷粘合区；以及
由喷镀在相对的半导体(54)和陶瓷粘合区(46)之间的金属薄膜构成的薄膜层(58)，该薄膜层(58)将半导体粘合区(54)直接粘合到陶瓷粘合区(46)上。
2．如权利要求1的传感器，其中支撑块(40)由脆性材料构成，该材料的弹性系数实质上要高于隔板层(50)的弹性系数。
3．如权利要求2的传感器，其中用于检测偏移量的装置(47,72,74,80)包括置于支撑块(40)的第一面(46)上的导体(47)，与隔板形成容性耦合。
4．如权利要求3的传感器，其中构成检测偏移的装置(47,72,74,80)的一部分的电馈送导体(72)穿过压力通路(48)。
5．如权利要求4的传感器，其中传送压力的装置还包括一个其中充满隔离器液体的隔离器(24)，该隔离器包括一个隔离器和将隔离器液体从隔离器隔板输送到检测隔板(60)的金属导管(28)。
6．如权利要求5的传感器，还包括密闭地将压力从金属导管(28)传送至压力通路(48)的陶瓷导管(74)，该陶瓷导管(28)使应力隔开。
7．如权利要求6的传感器，其中陶瓷导管(74)将金属导管与电馈送装置(72)电绝缘。
8．如权利要求5的传感器，其中在第一支撑块(40)的第二面切出一个圆形槽(100)，使应力隔开。
9．如权利要求5的传感器，其中支撑块(40)由陶瓷材料构成，该材料的温度膨胀系数与隔板层(50)的温度膨胀系数基本一致。
10．一种液压传感器，包括：
具有一个由层边缘(52)粘合的层面(54)的隔板层(50)，层面(54)露出一个半导体粘合区(54)，该区域包围在隔板(50)中形成的检测隔板(60)；
具有第一、第二支撑块面(44,46)并由一个支撑块边套(42)固定的支撑块(40)，该支撑块具有高刚性模量。
将液压传送至检测隔板(60)使之偏移的装置(48)；
与检测隔板(60)相连、检测其偏移量、并提供一个代表压力的输出的装置(47,72,74,80)；
由粘合在半导体粘合区(54)的金属薄膜构成的薄膜层(58)；以及
上述支撑块(40)的第一支撑块面(46)露出一个与半导体粘合区(54)粘合的陶瓷粘合区(46)，上述薄膜层(58)将半导体粘合区(54)直接粘合到上述陶瓷粘合区(46)上。
11．如权利要求10的传感器，其中支撑块(40)在其第一和第二面(74,76)之间的厚度至少为隔板层(50)厚度的15倍，最多为40倍。
12．如权利要求11的传感器，其中支撑块(40)由电绝缘的烧结材料构成，该材料的弹性系数实质上要高于隔板层(50)的弹性系数。
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