CN104823032A - 压力测量单元 - Google Patents

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Abstract

一种压力测量单元(20)具有弹性测量膜(21)，其中在第一侧上第一压力可以被施加到所述测量膜(21)，并且第二压力可以被施加到在背向所述第一侧的第二侧上。根据所述第一压力和所述第二压力之间的差可偏移所述测量膜。所述测量膜压密地将面向所述膜的第一侧的第一体积与面向所述测量膜的第二侧的第二体积隔离。所述压力测量单元还具有换能器，用于将所述测量膜的压力相关偏移转换为电或光学信号。所述测量膜特征在于，在所述测量膜的平衡状态下，在至少处于径向边缘区域(24)的至少所述测量膜的表面处具有压应力，在所述边缘区域中，在压力加载下在所述测量膜的偏移状态下，发生最大张应力。

Description

压力测量单元
技术领域
本发明涉及一种压力测量单元，其具有弹性测量膜，其中测量膜可以第一压力在第一侧上接触，并且可以第二压力在背向第一侧的第二侧上接触，其中测量膜可根据第一压力和第二压力之间的差偏移，其中测量膜压密地将面向测量膜第一侧的第一体积与面向测量膜第二侧的第二体积隔离，其中该压力测量单元还包括换能器，用于将测量膜的压力相关偏移转换为电或光学信号。
背景技术
例如，在WO 2011/006741 A1、EP 0 373 536 A2和WO 2011/003730A1中以及在本文中提及的文献中公开了本发明领域的压力测量单元。Pfeifer和Werthschützky在"Drucksensoren(Pressure Sensors)",Berlin,1989中解释了电换能器原理的总览和测量膜变形和导致机械应力的说明。应明白，所述公开中的命名不统一。根据WO 2011/006741 A1、WO 2011/003730 A1或本发明的测量膜为板，特别是在Pfeifer和Werthschützky或EP 0 373 536 A2的意义上是圆形板。
测量膜的问题在于它们的有限过载抵抗力。另一方面，测量膜应足够地薄，以便在期望测量范围内以可用振幅偏移，并且另一方面，它们应经受过载压力，过载压力可能为测量范围的几倍。
然而，为了能够充分地应用敏感测量膜，已知对测量膜过载保护的方法，其包括在过载的情况下支撑，例如由膜床支撑。在该情况下，应在超过正压力的限制值的情况下，至少充分地将测量膜支撑在膜床上，以便即使在另外的压力升高的情况下，也不达到测量膜的破裂应力。为此，特别适合的是非球面膜床，其接近于正压力限制值时的测量膜弯曲线。在US 4,458,537、DE 10 2009 046 229 A1、US 7,360,431 B2、DE 10 2010 028 773 A1、JP10078366A和US 5,381,299中公开了相应的膜床。EP 0 373 536 A2公开了一种压力传感器，其在过载的情况下向测量膜的环状支撑提供支撑环。
DE 10 2010 028 504 A1公开了一种压力传感器，其采用具有平表面的平台，以及在静止位置时具有面向平台的凹表面的测量膜。当测量膜被来自背向平台一侧的压力加载朝着平台偏移时，静止位置的凹表面就精确地采取平面形状的偏移度，在该情况下，测量膜接触平台。通过这种方式，实现了对测量膜的全表面支撑，并且可靠地防止了测量膜中的机械应力的进一步升高。在EP 0439 494 B1中描述了一种类似的方法。与凹区域相比，测量膜另外包括更薄的环状边缘区域，其围绕该凹区域。所以，膜更易于偏移，并且测量膜给定偏移情况下的边缘区域中的最大应力小于凹轮廓不间断地连续至测量膜的外边缘情况下将产生最大应力。
虽然所有上述方法都在特定程度上满足它们的目的，但是结构更复杂，并且因此伴随着制造成本升高。因此，本发明的目标在于提供一种简单、有过载抵抗力的压力测量单元。
发明内容
根据本发明，由独立权利要求1中限定的压力测量单元实现该目标。
本发明的压力测量单元的特征在于下列特征，包括在测量膜的平衡状态下，测量膜在至少处于径向边缘区域的至少测量膜的表面处具有压应力，在所述边缘区域中，在压力加载下在测量膜的偏移状态下，发生最大张应力。
术语“平衡状态”描述了测量膜的一种状态，其中在测量膜的两侧上存在相同压力。
在本发明的进一步发展中，其中测量膜具有压应力的径向区域从最小半径rmin至少向外延伸至可偏移区域的外半径a。
在本发明的进一步发展中，最小半径和可偏移区域的外半径之间的比rmin/ra不小于0.6，特别是不小于0.7。
在本发明的进一步发展中，最小半径和可偏移区域的外半径之间的比rmin/ra不大于0.9，特别是不大于0.85。
在本发明的进一步发展中，其中测量膜具有压应力的径向区域向外延伸超过可偏移区域的外半径r至最大半径rmax，在该情况下rmax/ra≥1.05，特别是≥1.1。
在本发明的进一步发展中，压应力具有不小于50Mpa，特别是不小于80Mpa，并且优选不小于100MPa的最大值。
在本发明的进一步发展中，测量膜在环状体积中具有平均压应力，该环状体积在最小半径rmin和最大半径rmax之间延伸，其中(rmax-rmin)/ra≥0.1，其中环状体积具有下列深度，其从测量膜的表面开始例如不大于20μm，特别是不大于12μm，并且例如不小于5μm，尤其是不小于8μm，该平均压应力不小于20MPa，特别是不小于40MPa，并且优选地不小于80MPa。例如，该深度可能为测量膜厚度h的约5％至10％。
附图说明
现在将基于附图中图示的实施例实例，更详细地解释本发明，附图示出如下：
图1a是夹紧膜的示意图；
图1b是穿过根据现有技术的压力测量单元的纵向截面图；
图1c是根据现有技术的压力测量单元的测量膜的径向和切向应力图；
图2a是穿过本发明的压力测量单元实施例实例的纵向截面图；
图2b是本发明的压力测量单元的测量膜的径向应力图；
图3a是穿过本发明的压力测量单元实施例的第二实例的纵向截面图；
图3b是穿过本发明的压力测量单元实施例的第三实例的纵向截面图；和
图3c是穿过本发明的压力测量单元实施例的第四实例的纵向截面图。
具体实施方式
图1a的布置示出采用半径a和材料厚度h的夹紧测量膜，其根据di Giovanni:"Flat and Corrugated Diaphragm Design Handbook"，图1c中所示的曲线适用于径向和切向应力。
如图1b中所示，现有技术的压力测量单元10包括陶瓷测量膜11和陶瓷平台12，两者沿活性硬焊料或黄铜或玻璃的环状、外围接缝13彼此压密地连接。由于接缝13的硬度，所以不被接缝支撑的测量膜11的可偏移部分表现地本质上类似于图1a的夹紧膜，所以图1c中所示的应力曲线相应地也适用于图1b的压力测量单元10的膜11。据此，在边缘处(r/a＝1)发生最大径向应力。例如，在h＝250μm并且a＝12mm的测量膜在压力p＝0.4Mpa的情况下，可能在边缘处发生约700MPa的径向张应力。这些张应力处于刚玉破裂应力σ0.1的当前值之上。在现有技术中，因而这种膜将不适合0.4MPa(4巴)的测量范围。通过将膜的中心支撑在平台上，可能降低膜的边缘区域中的径向张应力。例如，通过厚度例如为35μm的接缝，可能在膜和平台之间预定相应尺寸的间隔d，以便在过载情况下，测量膜支承在平台上。结果是边缘区域中的径向张应力受限于小于350MPa，但是即使是在该情况下，也可能实现当前刚玉材料的破裂应力σ0.1的值。本发明的压力测量单元提供一种充分降低张应力，以便不达到破裂应力σ0.1的方法。
图2a中所示的本发明的压力测量单元20以下列方式克服了该限制：与现有技术一样，该单元包括陶瓷测量膜21和陶瓷平台22，两者沿活性硬焊料或黄铜或玻璃的环状、外围接缝23彼此压密地连接。因而在结构上不存在明显差异。然而，测量膜21在其背向平台的表面上包括环状区域24，其在测量膜的平衡状态下包含压应力。这是在压力加载下受应力最多的区域，所以是在正常情况下发生最大张应力的区域。相反，静止位置中存在的压应力产生该区域的应力零点的位移，所以仅在由于压力加载而产生特定应变区域的情况下，才发生不同于零的径向张应力。因而，在测量膜21在表面区域24附近发生另外偏移的情况下，导致张应力减小，使得与根据现有技术的压力测量单元相比，所产生的最大张应力降低。通过这种方式，压力测量单元可能在其它相同构造的情况下在一定压力范围上运行，而所产生的张应力不高于刚玉的破裂应力σ0.1的当前值。
在图2b中示出效果，其中对于2巴和4巴的压力值，在每种情况下，示出具有和没有所提供的压应力的测量膜的径向应力。曲线不是测量或数值模拟的结果，相反，它们定量地描述在测量膜的边缘区域中提供压应力可能带来的应力平衡。
由于仅在靠近表面的一层中提供压应力，因此测量膜的平衡位置的影响变化在度量衡学上是可接受的，即存在足够大的压力相关冲击。然而，当然必须考虑在压力测量单元的换能器的转换功能的情况下的这种变化。
图3a、3b和3c中所示的实施例实例关注压力测量单元，在该情况下，由应对措施减轻或防止了由于为了最小化最大张应力而提供的压应力导致的零点位移。基本上，图2a的实施例的第一实例的说明相应地适用于图3a、3b和3c的实施例实例，其中相应组件的附图标记从一个实施例至另一实施例增大100。
图3a中所示的压力测量单元200包括测量膜121，在该情况下，在其背向平台的表面上的环状边缘区域124具有压应力，以便减轻在测量膜偏移时在该区域中产生的张应力。此外，测量膜的中心表面附近区域125具有压应力，其抵抗由于环状边缘区域124中的压应力导致的零点位移。
图3b中所示的压力测量单元220包括测量膜221，在该情况下，在其背向平台的表面上的第一环状边缘区域224具有压应力，以便减轻在测量膜偏移时在该区域中产生的张应力。此外，其面向平台的表面上的第二环状边缘区域225具有压应力，其抵抗由于第一环状边缘区域224中的压应力导致的零点位移。
图3c中所示的压力测量单元320包括测量膜321，在该情况下，至少在总体可偏移区域上，在其背向平台的表面上的第一环状边缘区域324至少在该总体可偏移区域上具有压应力，以便减轻在测量膜偏移的情况下在可偏移区域的边缘区域中产生的张应力，并且以便抵抗零点位移，诸如可能在给定情况下，当仅在背向平台的表面的边缘区域中提供压应力时发生的零点位移。
为了微调零点，视需要，可在测量膜的不同区域中改变压应力的水平。
为了制造本发明的压力测量单元，在烧制后，特别是通过磨削和/或研磨使陶瓷，特别是刚玉的测量膜达到它们的期望厚度并且扁平化。这种表面处理在靠近表面的测量膜区域中产生压应力。在现有技术中，在使用膜之前通过对膜退火而完全消除这些压应力。
根据本发明，例如与激光脉冲一起使用局部热处理，由此仅在选择位置中消除压应力，以便压应力保留在期望其存在的位置处。

Claims (11)

1.一种压力测量单元(20)，所述压力测量单元(20)包括弹性测量膜(21)，其中，所述测量膜(21)可以第一压力在第一侧上接触，并且可以第二压力在背向所述第一侧的第二侧上接触，其中，所述测量膜(21)可根据所述第一压力和所述第二压力之间的差偏移，其中，所述测量膜(21)压密地将面向所述测量膜(21)的第一侧的第一体积与面向所述测量膜(21)的第二侧的第二体积隔离，其中，所述压力测量单元(20)还包括换能器，用于将所述测量膜(21)的压力相关偏移转换为电或光学信号，其特征在于，在所述测量膜(21)的平衡状态下，所述测量膜(21)在至少处于径向边缘区域(24)的至少所述测量膜(21)的表面处具有压应力，在所述边缘区域(24)中在压力加载下在所述测量膜(21)的偏移状态下，发生最大张应力。
2.根据权利要求1所述的压力测量单元，其中，所述测量膜(21)具有压应力的所述径向区域从最小半径rmin至少向外延伸至所述可偏移区域的外半径ra。
3.根据权利要求2所述的压力测量单元，其中，所述最小半径rmin和所述可偏移区域的外半径ra之间的比rmin/ra不小于0.6，特别是不小于0.7。
4.根据权利要求2或3所述的压力测量单元，其中，所述最小半径rmin和所述可偏移区域的外半径ra之间的比rmin/ra不大于0.9，特别是不大于0.85。
5.根据权利要求2、3或4所述的压力测量单元，其中，所述测量膜(21)具有压应力的所述径向区域向外延伸大于所述可偏移区域的外半径ra至最大半径rmax，在该情况下rmax/ra≥1.05，特别是≥1.1。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的压力测量单元，其中，所述压应力在所述测量膜(21)的平衡位置中具有不小于50Mpa，特别是不小于80Mpa，并且优选不小于100MPa的最大值。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的压力测量单元，其中，所述测量膜在环状体积中具有平均压应力，所述环状体积在所述最小半径rmin和所述最大半径rmax之间延伸，其中，(rmax-rmin)/ra≥0.1，其中，所述环状体积具有从所述测量膜的表面开始为0.05h的深度，其中，h为所述测量膜的厚度，所述平均压应力不小于20MPa，特别是不小于40MPa，并且优选地不小于80MPa。
8.一种制备用于特别是根据前述权利要求中的任一项所述的压力测量单元的测量膜的方法，包括下列步骤：
提供陶瓷材料的膜坯；
通过表面处理将压应力引入所述膜坯；和
减小至少第一径向区域中的所述压应力，
其中，至少第二径向区域中的所述压应力保留或较弱地减小。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述表面处理包括磨削和/或研磨。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，减小所述压应力通过局部热处理发生。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述热处理通过激光辐射发生。
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