CN107003196A - 压力测量单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压力测量单元(1)，包括：基体(3)，其至少一部分基本为圆柱形；测量膜(2)，其沿着周向接合部以压力密闭方式接合，以在基体(3)和测量膜(2)之间形成测量室(5)；接合装置(12)，其用于接合在所述基体(3)和所述测量膜(2)之间的所述周向接合部(4)。压力测量单元的特征在于，基体(3)和/或测量膜(2)具有基本上阶梯形的凹部(13)，接合装置(12)至少部分地插入所述阶梯形的凹部(13)中，使得在基体(3)和测量膜(2)之间产生最小距离。

Description

压力测量单元
背景技术
本发明涉及电容式压力测量单元。一般的压力测量单元包括至少一部分基本为圆柱形的陶瓷基体、陶瓷测量膜和电容式换能器，其中测量膜沿周向接合部以压力密闭方式与基体接合并且在测量膜与基体之间形成测量室，其中测量膜可以根据在背离测量室的测量膜外侧的第一压力与测量室中第二压力之差，从测量膜的静止位置偏转到压力相关位置，其中电容式换能器具有面向基体的膜电极，并且其中基体具有至少一个面向测量膜的第一基体电极，其中在至少一个膜电极和第一基体电极之间的电容根据测量膜的与压力相关位置而变化。
为了接合两个体，即基体和测量膜，使用所谓的活性焊料，其通常在600至1000℃之间熔化，并且通常在800至1050℃下加工。通过使用活性焊料，可以直接焊接陶瓷而无需附加的金属化。这些焊料是金属焊料，其由于其合金成分，可以润湿非金属、无机材料。它们通常含有与陶瓷反应的组分，例如钛、锆或铪。这种金属箔形式的活性焊料可以使用熔融纺丝法制造，其中由于技术上的限制，仅可获得约25微米的最小厚度。例如使用轧制方法的减少金属箔的厚度的后续处理是不可能的。
当使用这种活性焊料即金属箔用于接合基体和测量膜时，一起形成测量室的基体和测量膜之间的距离由活性焊料的厚度确定。然而，从制造的观点来看，如上所述这种金属箔无法制造得比25微米更薄。因此，从现有技术已知的压力测量单元在基体和测量膜之间具有至少约25微米的距离。
然而，关于压力测量单元的测量性能，所以具有相当小的距离是有利的，由于该距离实质上影响压力测量单元的两个参数：第一，在没有破坏测量膜的情况下可以施加到背离压力室的测量膜的外侧的最大允许超压或最大过载；以及第二，由于压力测量单元在较大电容范围内工作，随距离变小而增加的测量信号的分辨率。
通常，当将压力施加到背离压力室的测量膜的外侧时，测量膜偏转出其静止位置。在这种情况下，测量膜在基体的方向上变形或偏转，并且由于相应的压力而部分地加压在基体上。在移除压力后，测量膜再次返回至其静止位置。
在超过最大过载的情况下，意味着施加超过最大允许超压的压力，测量膜偏转很远，以致在背离测量室的外侧引起如此巨大的拉伸应力使得测量膜被损坏或可以被损坏。如果选择测量膜和基体之间的距离为在该距离下在大的拉伸应力出现之前测量膜大部分地抵靠基体，使得不可能进一步的机械变形，则可以避免这一点。
因此，本发明是基于优化压力测量单元的测量性能的任务。
发明内容
根据本发明，通过包括以下的压力测量单元完成该任务：
至少一部分基本为圆柱形的基体；
测量膜，其沿着周向接合部以压力密闭方式接合以在基体和测量膜之间形成测量室；
接合装置，其用于接合基体和测量膜之间的周向接合部；
其特征在于，基体和/或测量膜具有基本上阶梯形的凹部，接合装置至少部分地插入其中，使得在基体和测量膜之间产生最小距离。
“基体和测量膜之间的最小距离”是指允许尽可能大的测量信号分辨率的尽可能小的距离。
根据本发明，测量膜和基体之间的距离通过其中插入接合装置的阶梯形的凹部而减小。因此，接合装置根据其高度部分地插入阶梯形的凹部中。
根据本发明的压力测量单元的有利实施例提供了所述基体和/或测量膜包括陶瓷材料，特别是氧化铝。
根据本发明的压力测量单元的另一有利实施例提供了所述接合装置具有活性焊料箔。特别地，提供了活性焊料箔包括锆-镍-钛合金和/或具有至少25微米的厚度。
根据本发明的压力测量单元的另一有利实施例提供了所述基本上阶梯形的凹部具有至少为12微米，优选为至少16微米，特别优选为至少18微米的阶梯高度。
根据本发明的压力测量单元的另一有利实施例提供了所述阶梯形的凹部具有不超过40微米，优选不超过30微米，特别优选不超过20微米的阶梯高度。
根据本发明的压力测量单元的另一有利实施例，提供了所述最小距离至少为5微米，优选至少为7微米，特别优选至少为9微米。
根据本发明的压力测量单元的另一有利实施例，提供了所述最小距离不超过15微米，优选不超过13微米，特别优选不超过12微米。
根据本发明的压力测量单元的另一有利实施例提供了：提供一种将测量膜的压力相关位置转换成压力相关信号换能器。特别地，本发明提供换能器是电容式换能器，该电容式换能器使用在面向基体的测量膜上的膜电极与面向测量膜的基体上的测量电极之间的电容产生压力相关信号。
附图说明
基于以下附图更详细地说明本发明。说明如下：
图1：根据本发明的压力测量单元的纵向截面图。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的压力测量单元1的纵向截面图。所述单元包括圆盘形测量膜2，其沿着接合部4以压力密闭方式接合到较硬的圆板状基体3，以在基体3和测量膜2之间形成测量室5。通常，测量膜2和基体3基本上由陶瓷材料形成。因此，例如，基体3和/或测量膜2可以由氧化铝制成。
基体3和测量膜2通过接合方法彼此坚固连接。为此，测量膜2沿周向接合部4以压力密闭方式接合到基体3，从而在基体3和测量膜2之间形成测量室5。在这样做时，使用诸如金属活性焊料箔的接合装置12进行接合。优选地，活性焊料箔具有锆-镍-钛合金。
如图1所示，基体3在其边缘区域中包括具有合适阶梯高度的阶梯形的凹部13。当然，也可以想象，阶梯形的凹部13位于测量膜2中，或者在测量膜2和基体3两者中。阶梯形的凹部13通常具有在约10-25微米范围内的阶梯高度。在接合之前，将活性焊料箔插入该阶梯形的凹部13中，从而当形成测量室5时将基体3和测量膜2接合，其中活性焊料箔至少部分地位于阶梯形的凹部中。
通常，通过结合活性焊料箔的厚度选择阶梯高度，可以确立基体3与测量膜2之间的最小距离，该最小距离针对具体应用优化了压力测量单元1的测量性能。应当记得，最小距离的选择不仅确定了可以施加于测量膜2外侧的最大过载，而且确定了测量信号的分辨率。例如，如果所选择的最小距离小于从现有技术中已知的25微米，在向测量膜2的外侧施加过载或超压时，测量膜2将被偏转至抵靠基体3。该抵靠防止过大的拉伸应力发生在测量膜2的外侧，并且防止测量膜2被破坏。
已经清楚的是，在约5至15微米范围内的最小距离是合适的。考虑到可以施加的最大可能过载以及适当的测量信号分辨率，对于最小距离而言，约5至10微米的范围被证明是特别有利的。
测量膜2在其面向测量室5的一侧具有基本上全表面的膜电极6，例如其包括通过溅射或网印刷产生的金属层。膜电极6至少部分地延伸到接合部4的内边缘，以便经由接合装置12将其电连接到基体3。反过来，基体3具有导电馈入装置，经由导电馈入装置，发生与基体的背侧的膜电极的电接触的附加点(图1中未示出)。
基体3在面向测量室5的一侧具有至少一个电极，然而优选地至少两个电极。在图1所示的实施例中，基体3具有两个电极7、8，基本上被布置在基体3的中央并且通常形成为圆形表面的测量电极7，以及通常是环形的并且环绕测量电极7的参考电极8。参考电极8和测量电极7经由穿过基体3的另外的导电馈入装置9、10与基体3的背侧电接触。
在这种情况下，测量电极7和膜电极6形成电容单元，经由该电容单元，电容式换能器(图1中未示出)确定施加到测量膜2的压力。测量膜2、以及因此膜电极6也由施加在测量膜2上的压力而变形或偏转，这反过来导致电容单元的电容变化。电容变化然后由电容式换能器转换为表示压力值的电、压力相关信号。经由也可以是电容单元的一部分的参考电极8，可以补偿对诸如温度漂移等的与压力相关信号的影响，否则这将反映在压力相关信号中。
参考字符列表
1 压力测量单元
2 测量膜
3 基体
4 接合部
5 测量室
6 膜电极
7 测量电极
8 参考电极
9，10，11 导电馈入装置
12 接合装置
13 阶梯形的凹部

Claims (11)

1.一种压力测量单元(1)包括：
至少一部分基本为圆柱形的基体(3)；
测量膜(2)，所述测量膜(2)沿着周向接合部以压力密闭方式接合，以在所述基体(3)和测量膜(2)之间形成测量室(5)；
接合装置(12)，所述接合装置(12)用于接合在所述基体(3)和所述测量膜(2)之间的所述周向接合部(4)；
其特征在于，所述基体(3)和/或所述测量膜(2)具有基本上阶梯形的凹部(13)，所述接合装置(12)至少部分地插入所述阶梯形的凹部(13)中，使得在所述基体(3)和所述测量膜(2)之间产生最小距离。
2.根据权利要求1所述的压力测量单元，其中，所述基体(3)和/或所述测量膜(2)包括陶瓷材料，特别是氧化铝。
3.根据权利要求1或2所述的压力测量单元，其中，所述接合装置(12)包括活性焊料箔。
4.根据权利要求3所述的压力测量单元，其中，所述活性焊料箔包括锆-镍-钛合金。
5.根据权利要求3或4所述的压力测量单元，其中，所述活性焊料箔具有至少为25微米的厚度。
6.根据前述权利要求中一项或多项所述的压力测量单元，其中，所述基本上阶梯形的凹部(13)具有至少为12微米，优选至少为16微米，特别优选至少为18微米的阶梯高度。
7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的压力测量单元，其中，所述阶梯形的凹部(13)具有不超过40微米，优选不超过30微米，特别优选不超过20微米的阶梯高度。
8.根据前述权利要求中一项或多项所述的压力测量单元，其中，所述最小距离至少为5微米，优选至少为7微米，特别优选至少为9微米。
9.根据前述权利要求中一项或多项所述的压力测量单元，其中，所述最小距离不超过15微米，优选不超过13微米，特别优选不超过12微米。
10.根据前述权利要求中的一项或多项所述的压力测量单元，其中，提供了换能器，所述换能器将所述测量膜(2)的压力相关位置转换成压力相关信号。
11.根据权利要求10所述的压力测量单元，其中，所述换能器是电容式换能器，所述换能器使用在面向所述基体(3)的所述测量膜(2)上的膜电极(6)与面向所述测量膜(2)的所述基体(3)上的测量电极(7)之间的电容产生所述压力相关信号。
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