CN113916407A - 用于优化充油压力传感器的膜功能的通道结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属压力测量元件(1)，其具有主体(3)、位于主体(3)上的金属膜(5)以及位于所述主体(3)的传感器室(71)中的压力传感器(7)，其中，在所述膜(5)与所述主体(3)之间形成有膜室(51)，在所述膜室(51)与所述传感器室(71)之间形成有连接通路(9)，并且所述膜室和所述传感器室填充有用于传递作用在所述膜(5)上的压力的压力传递介质(13)，其特征在于，所述膜(5)包括表面结构(53)，所述表面结构(53)在平面图中至少与所述连接通路(9)的进入所述膜室(51)的入口区域(91)的外轮廓重叠。

Description

用于优化充油压力传感器的膜功能的通道结构

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的总体概念的金属压力测量元件以及具有权利要求12的特征的用于制造金属压力测量元件的方法。

背景技术

现有技术中已知各种形式的压力测量元件。这种压力测量元件用于压力计并且将压力转换成能够被进一步处理的电信号。压力测量单元是根据基本的测量原理、工艺中涉及的材料以及是否能够测量绝对压力还是相对压力来区分的。

根据上述，例如存在检测由膜(membrane)的变形引起的压力变化和由此引起的电容变化的电容式压力测量单元、通过例如应变计(strain gauge)检测膜的变形并且从应变计的电阻变化推断出压力的电阻压敏式压力测量单元、以及利用压电效应来确定压力的压电式压力测量元件。

根据工艺中涉及的材料，即与工艺环境和工艺介质接触的材料的区分通常是在金属和陶瓷压力测量元件之间进行区分，其中一者包括金属膜，另一者包括陶瓷膜。由于制造和计量方面的原因，压力测量元件的主体通常由与膜相同的材料制成。就制造技术而言，在相同或相似的材料之间进行粘接通常比在不同的材料之间进行粘接更容易。从计量学的角度来看，使用具有相似的或理想地相同的热膨胀系数的材料是有利的，这通过采用相同或相似的材料也更容易实现。

能够测量绝对压力还是相对压力通常取决于第二压力(例如，外部压力)是否被供应至膜的背面或者膜的背面是否被排空。

本申请假设是一种金属压力测量单元，其具有金属主体、布置在主体上的金属膜。在所述膜与所述主体之间形成有膜室(membrane chamber)，该膜室连接到传感器室(sensor chamber)，该传感器室中经由连接通路(connecting channel)设置有压力传感器。这些腔室和所述连接通路中填充有压力传递介质。

实际的压力传感器通常由硅片制成。这种芯片包含构造有压敏电阻器的膜，压敏电阻器在压力下会膨胀。压电芯片对于外部的影响非常敏感，因此在大多数情况下必须密封封装。因此，它以耐压密闭的方式安装在不锈钢外壳中，所述不锈钢外壳的前部用薄的不锈钢膜密封，从而形成膜室和传感器室。

这些腔室内充满压力传递介质，通常是合成油。在这种传感器中，只有金属膜(在这种情况下是不锈钢制成的)与工艺接触，工艺压力通过油传递至芯片膜。

为了使温度对压力测量的影响尽可能小，必须要将腔室中的体积，特别是膜室的体积保持得尽可能小。同样必要的是，金属膜在轴向上容易偏转，但在径向上相对坚硬。

在现有技术中，这是通过在横截面视图中包含波纹轮廓的膜来实现的，这样的波纹轮廓有利于在轴向上，即在压缩力作用于膜的方向上的变形，并且因此在径向上尽可能坚硬。为了使腔室的体积尽可能小，主体的面向膜的表面具有与之相适应的轮廓。从制造的观点来看，如果主体的面向膜的部分被相应地成形，并且膜仅当其附接到主体时才从主体的该形状被模制成形，这是有利的。具体地说，膜位于主体上，例如被焊接至主体，然后被压在主体上并从主体上模制成形。例如，这可以通过压印或施加超压来实现。

在该模印中，不仅模制了主体的面向膜的表面的波形，而且模制了膜室与传感器室之间的连接通路通向膜室的部分。这种对连接通路的出口的模制能够导致膜被模制到连接通路中，使得通道被膜封闭。膜实际上形成了一个塞子，它封闭了连接通路的出口，因此随后很难或不可能用压力传递介质填充腔室。

在现有技术中，通过施加真空将膜从连接通路的出口拉出来，或者在连接到主体之前就给予膜所需的轮廓。

然而，通过施加真空，膜又在相反方向上变形，因此膜室的体积的最小化不是最佳的。如果膜在被连接到主体之前就形成，则膜相对于主体的成形和对准都可能发生偏差，因此用这种方法最小化膜室的体积也不是最佳的。

发明内容

本发明的任务是公开一种金属压力测量元件以及制造这种压力测量元件的方法，其中避免了现有技术的上述缺点。

该任务通过具有权利要求1的特征的金属压力测量元件以及具有权利要求12的特征的用于制造金属压力测量元件的方法来解决。

有利的进一步发展是从属权利要求的主题。

本发明提供了一种金属压力测量元件，其具有主体、位于主体上的金属膜、位于所述主体的传感器室中的压力传感器，其中在所述膜与所述主体之间形成有膜室，其中在所述膜室与所述传感器室之间形成有连接通路，并且所述膜室和所述传感器室填充有用于传递作用于所述膜上的压力的压力传递介质，其特征在于，所述膜包括表面结构，所述表面结构在平面图中至少与进入所述膜室的所述连接通路的入口区域的外轮廓重叠。

本申请所指的表面结构是指超过膜材料的自然表面粗糙度的粗糙度或通过凹陷或凸起引入膜中的附加结构。更具体地说，这些是在膜被连接至主体之前引入膜的表面结构。

这样，膜的表面就被形成为能够防止连接通路的进入膜室的入口开口的密封。所述表面结构确保至少初始量的压力传递介质总是能够进入膜室，并且在填充期间通过所述压力传递介质的压力将所述膜抬起和填充。

关于方向的信息在本申请中定义如下：

所述膜限定了由所述膜至所述主体的周向连接而持续的膜平面。从该膜平面开始，轴向由膜平面上的表面标准定义。在膜平面的平面图中，径向从膜的中心点延伸。“在平面图中”是指在轴向上观察测量单元的膜。“横截面”应理解为具有在轴向和径向上持续的平面的截面。

所述膜优选在平面图中具有圆形外轮廓。

在优选实施例中，膜可以包括至少一个通道(channel)，所述至少一个通道在平面图中与进入膜室的连接通路的入口区域的外轮廓至少相交一次。通过将通道设计成与膜表面相对的凹陷部，这种通道确保了即使当膜变形进入连接通路中，压力传输介质也能进入并填充膜室。通道可以特别容易地被引入到膜中，并且因此代表了根据本发明的表面结构的具有成本效益的变型体。

如果膜包括与在垂直于膜平面的截面中与主体的正对着膜的壁相对应的表面轮廓，则有助于使膜室的体积最小化。这种相对应的表面结构能够通过直接模压主体的表面形状成形来实现。

所述模压成形可通过例如由气体或液体对所述膜施加超压，从而将所述膜压在其所面对的主体的表面上来执行。由于膜较薄，因此膜会发生塑性变形，并接受主体的表面轮廓。

作为一个额外的好处，表面轮廓为此目的而是波状的。波状轮廓使得膜能够在轴向上具有柔性并且使得膜能够在径向上具有刚性。如果表面轮廓包括从膜的中心点开始的在横截面视图中的余弦波形轮廓，则是有利的。这意味着轮廓包含位于中心点处的波峰，波峰阻碍通常在中心处通向膜室的连接通路的密封。

在所述膜的平面图中，所述至少一个通道优选地设计成至少部分地沿径向延伸。在一个实施例中，所述至少一个通道完全在径向上延伸。

在一种变型体中，所述至少一个通道可以在所述膜的平面图中至少一部分是螺旋形的。这种螺旋形设计的优点是与膜的波形轮廓重叠，使其相比于在径向上延伸的通道更加不显眼。

为了确保膜室被安全地填充，如果所述至少一个通道(从平面图中膜的中心点起测量)被形成为膜的半径的至少1/4，或者更具体地至少1/3，这是有利的。应注意的是，仅仅是对于通道的延伸的测量是从膜的中心开始的。通道本身不一定要从膜的中心开始。特别地，如果设置多个通道，则如果这些通道不是从膜的中心开始形成的，这甚至是有利的，因为如果这些通道都从膜的中心点开始形成的话，膜在这一点上可能会因为反复加工而被削弱。

如果膜包含至少2个、优选地至少3个、4个、6个或8个通道，则可能是有利的。多个通道能够用于确保膜室不会由于主体的表面轮廓在连接通路的入口区域中的模压成形而被密封。

总的来说，在多个通道的情况下，为了防止膜被减弱，通道不交叉是有利的。

额外地或可替代地，膜的面向主体的表面至少部分地被粗糙化是有利的。特别地，如果在与连接通路的进入膜室的入口区域的外轮廓重叠的区域中使膜的面向主体的表面粗糙化，则是有利的。

所述压力传感器可配置为压电传感器，特别是压电或压敏式压力传感器。

连接通路优选地在膜室的中心通向膜室。连接通路进入膜室的中心出口具有对称结构，这对于热张力或其它原因导致的张力特别有利。

根据本发明的用于制造根据上述权利要求之一的金属压力测量元件的方法包括以下步骤：

-设置主体，其包括具有预定表面轮廓的膜室、传感器室和位于所述膜室与所述传感器室之间的连接通路，

-设置金属膜，其包括至少一个表面结构，所述表面结构在平面图中至少与所述连接通路的进入所述膜室的入口区域的外轮廓重叠，

-将所述金属膜附接至所述主体，

-将所述主体的所述表面轮廓模制成形到所述膜上，以及

-至少在所述膜室、所述传感器室和所述连接通路中填充压力传递介质。

其中，所述金属膜包括至少一个表面结构，该表面结构在平面图中至少与所述连接通路的进入所述膜室的入口区域的外轮廓重叠，从而实现当所述主体的表面轮廓被模压时所述连接通路的出口不被密封。这确保了所述膜室能够被压力传递介质填充。

由于所述膜的所述表面结构被引入所述膜的面向所述主体的表面中，因此所述表面结构在所述膜被接合至所述主体之前被引入所述膜中。

就此而言，表面结构优选地包括被引入所述膜中的至少一个通道。特别地，这种通道可以通过机械加工处理，特别是通过铣削(milling)、车削(turning)或雕刻(engraving)而被引入所述膜中。例如，在所述膜的制造过程中，所述至少一个通道已经被引入所述膜中。

作为机械加工处理的替代方法，所述至少一个通道可以通过重塑成形工艺(remodeling process)，特别是冲压工艺而被引入所述膜中。如果所述膜是作为采购件而获得的，或者由于其他原因无法干预所述膜的制造过程，则这样的方法是尤其有利的。如果由于制造原因而无法对通常厚度在0.01mm和0.2mm之间的所述膜进行后续加工，则这样的方法是特别有利的。

在一个实施形式中，将所述膜焊接至所述主体。所述膜可以通过例如激光焊接或电阻焊接等方式焊接至所述主体。

额外地或可替代地，所述表面结构可通过粗糙化，特别是喷砂处理和/或激光加工来产生。粗糙化的表面防止了在贴合所述主体的所述表面轮廓时由所述膜导致的密封效果。除了通道之外或者作为通道的替代，这也能够用来确保所述膜室的填充。

所提出的现场设备的优选实施例、特征和特性对应于所提出的方法的优选实施例、特征和特性，反之亦然。

本发明的有利构造和变型例来自于从属权利要求和以下说明。从属权利要求中单独列出的特征可以以任何技术上合理的方式彼此结合，以及与在下面的说明中更详细地解释的各特征相结合，并且能够构成本发明的其它有利变型例。

附图说明

下面参考附图，使用示例性实施例来进一步详细说明本发明。如下所示：

图1图示了根据本申请的金属压力测量元件；

图2图示了根据本申请的膜的第一示例性实施例；

图3图示了根据本申请的膜的第二示例性实施例；

图4图示了根据本申请的膜的第三示例性实施例；以及

图5是用压力传递介质填充压力测量元件的两个步骤的示意图。

具体实施方式

在附图中，除非另有说明，否则相同的附图标记是指具有相同功能的相同或相对应的部件。

图1示出了根据本申请的金属压力测量单元1的实施例的横截面。

压力测量元件1基本上包括金属主体3、沿轴向A布置在主体3前部的金属膜5以及布置在传感器室71中的压力传感器7，传感器室71形成在主体3中。

传感器室71经由连接通路9流体连接至形成在主体3与膜5之间的膜室51。

传感器室71在后部方向上被密封元件80封闭，其中密封元件80包括多个线缆套管。压力传感器7设置在传感器室71中。压力传感器7具有作为压敏元件的传感器芯片73，该传感器芯片73经由传感器载体75设置在密封元件80上。传感器芯片73在前侧与前接触件77接触并且在后侧与后接触件79接触，前接触件77和后接触件79分别穿过贯通密封元件80的一个通道。传感器芯片73的膜的后部能够通过压力均衡线72而承受环境压力或参考压力，压力均衡线72也通过密封件80而被引导至传感器芯片73的后侧；或者可以排空位于传感器芯片73后面的空腔，以便可以测量绝对压力(参考压力是真空)。

在图1所示的实施例中，密封元件80还包括入口11，入口11具有布置在其上的管部，通过该入口11，传感器室71、连接通路9和膜室51可以填充压力传递介质，例如合成油。然而，在图1的图示中，为了清楚地图示，尚未引入该压力传递介质13。

在本实施例中，膜5通过环形接头57(在这种情况下为焊缝)连接到主体3。在本横截面图中，膜5包含波状表面轮廓，该波状表面轮廓与主体3的面向膜5的壁的表面轮廓相对应。该波状表面轮廓55确保膜5在轴向A上是柔性的，而最大可能刚度则是在径向R上实现的。

在压力测量单元1的制造过程中，从主体3将膜5的表面轮廓55转印到膜5上。为此，在膜5附接至主体3后，从前方对其加压，从而使其贴合至由主体3形成的膜床中成形。

图2显示了能够用于根据图1的压力测量单元1中的膜5的第一个实施例。

图2中以从下面看的平面图(即再轴向上从压力测量元件1的主体3看)的方式示出了膜5。

为了便于说明，连接通路9通过主体3进入膜室51的入口区域91被显示在膜5的中心。

当向膜5施加压力以使主体3的表面轮廓成形时，该入口区域91也在膜5上变形，以便可以在膜5上清楚地看到该入口区域91或其外部轮廓。为了图示的清楚，在图2中没有示出由主体3的表面轮廓的变形而被转印至膜5上的膜5的起伏表面轮廓55。

为了确保膜室51被压力传递介质13填充，图2中所示的实施例中的膜5包括通道形式的表面结构53。在本实施例中，膜5包括八个沿径向R延伸的通道53并且每个通道彼此成45°角布置，每个通道53与入口区域91的外轮廓相交，但每个通道53的尺寸应确保各个通道53不会彼此相交。

通道53的尺寸被形成为在径向R上向外延伸大约膜5的半径r的三分之一。

通道53在膜5连接到压力测量元件1的主体3之前被引入膜5的表面。在膜床变形期间，先前在膜表面形成的通道53保持完整，以便随后当压力传递介质13填充压力测量元件1时，压力传递介质13能够通过通道53流入膜室51并安全地填充膜室51。

图3示出了根据本申请的膜5的第二示例性实施例。

如图1所示，图3所示的膜5也可用于压力测量单元1中。与根据图2的实施例相比，在本实施例中，膜5的表面结构53由螺旋地延伸的单个通道形成。在从下方示出的平面图中，通道53从位于连接通路的入口区域91内的点开始向外螺旋旋转。由于通道53的螺旋设计，表面结构53与膜5的表面轮廓55接近并重叠，使得由此形成的通道53仅对膜5在轴向上的柔性和在径向上的刚性产生较小的影响。

图4在俯视平面图中示出了根据本申请的膜5的第三实施例。

与图2和图3所示的膜一样，图4所示的膜也可用于图1所示的压力测量元件1中。在图4所示的实施例中，膜5的表面结构53是通过在阴影显示区域的区域中使膜表面粗糙化而产生的。与膜5的原始表面精度相比，通过喷砂处理使得膜5的表面的粗糙度在该区域内显著增大，从而确保在填充压力测量元件1时压力传递介质13进入膜室51。

在这一点上值得注意的是，除了如结合图2和图3所述地引入通道外，还可以对膜5的表面进行粗糙化。

图5在示意图中示出了根据图1的压力测量单元1的制造过程的两个步骤，其中，在图5的两个部分的图示中示出了通过所述方法用压力传递介质13填充压力测量单元1。

在根据本申请的用于制造金属压力测量元件1的方法的第一步骤中，提供设置有具有预定表面轮廓的膜的金属主体、传感器室71以及膜室51与传感器室71之间的连接通路9。此外，提供包括至少一个表面结构53的金属膜5，该表面结构53在平面图中至少与进入膜室51的连接通路9的入口区域91的外轮廓重叠。在下一步骤中，将金属膜5附接至主体3，并且在接下来的步骤中，将主体3的表面轮廓模压到膜上成形。在接下来的步骤中，将压力传感器7布置在传感器室71中，并通过密封元件80在后侧封闭传感器室71。在最后的步骤中，用压力传输介质13填充膜室、传感器室和连接通路。该步骤如图5的a)和b)所示。

如图5的a)所示，在第一个子步骤中，在真空室中排空整个传感器1，从而在传感器室71中、在膜室51中以及在压力测量元件1的环境中形成真空。一旦压力测量元件1被相应地排成真空，将与入口11连接的管道浸入装有压力传递介质13的容器中，并将压力测量元件1的环境压力调节回正常压力。此时，传感器室71、膜室51和连接通路9中的负压将压力传递介质13吸入压力测量元件1的腔室51、71中，使腔室51、71完全充满压力传递介质13。最后，可以将入口11封闭，因此气密密封压力测量单元1。由于之前说明的膜5的表面结构53，图5的b)中所示的膜室51的空腔也安全地充满压力传递介质13，从而使压力测量元件1完全被压力传递介质13填充而不含有任何杂质。

附图标记列表

1 压力测量元件

3 主体

5 膜

7 压力传感器

9 连接通路

11 入口

13 压力传递介质

51 膜室

53 表面结构/通道

55 表面轮廓

57 连接

71 传感器室

72 压力均衡

73 传感器芯片

75 传感器载体

77 前接触件

79 后接触件

80 密封元件

91 入口区域

A 轴向

R 径向

r 半径

Claims (17)

1.一种金属压力测量元件(1)，其具有主体(3)、位于所述主体(3)上的金属膜(5)以及位于所述主体(3)的传感器室(71)中的压力传感器(7)，其中，在所述膜(5)与所述主体(3)之间形成有膜室(51)，在所述膜室(51)与所述传感器室(71)之间形成有连接通路(9)，并且所述膜室和所述传感器室填充有用于传递作用在所述膜(5)上的压力的压力传递介质(13)，

其特征在于，所述膜(5)包含表面结构(53)，所述表面结构(53)在平面图中至少与所述连接通路(9)的进入所述膜室(51)的入口区域(91)的外轮廓重叠。

2.根据权利要求1所述的金属压力测量元件(1)，其特征在于，所述膜(5)包括至少一个通道，在平面图中，所述至少一个通道与所述连接通路(9)的进入所述膜室(51)的所述入口区域(91)的所述外轮廓至少重叠一次。

3.根据前述权利要求中的一项所述的金属压力测量元件(1)，其特征在于，在横截面视图中，所述膜(5)包括与所述主体(3)的正对着所述膜(5)的壁相对应的表面轮廓(55)。

4.根据权利要求3所述的金属压力测量元件(1)，其特征在于，所述表面轮廓(55)包括余弦波形轮廓。

5.根据权利要求2至4中的一项所述的金属压力测量元件(1)，其特征在于，所述至少一个通道被设计成至少部分地在径向(R)上延伸。

6.根据权利要求2至5中的一项所述的金属压力测量元件(1)，其特征在于，所述至少一个通道在所述膜(5)的平面图中至少部分地呈螺旋状。

7.根据权利要求2至6中的一项所述的金属压力测量元件(1)，其特征在于，所述至少一个通道从所述膜(5)的在平面图中的中心点开始形成直至所述膜(5)的半径(r)的至少1/4，特别地至少1/3。

8.根据权利要求2至7中的一项所述的金属压力测量元件(1)，其特征在于，所述膜(5)包括至少2个通道，优选至少3个、4个、6个或8个通道。

9.根据前述权利要求中的一项所述的金属压力测量元件(1)，其特征在于，所述膜(5)的表面至少部分地被粗糙化。

10.根据前述权利要求中的一项所述的金属压力测量元件(1)，其特征在于，所述压力传感器(7)被设计为压电传感器。

11.根据前述权利要求中的一项所述的金属压力测量元件(1)，其特征在于，所述连接通路(9)在所述膜室(51)的中心通向所述膜室(51)。

12.一种用于制造根据上述权利要求中的一项的金属压力测量单元(1)的方法，包括以下步骤：

设置主体(3)，所述主体(3)包括具有预定的表面轮廓(55)的膜室(51)、传感器室(71)和位于所述膜室(51)与所述传感器室(71)之间的连接通路(9)；

设置金属膜(5)，所述金属膜(5)包括至少一个表面结构(53)，在平面图中，所述至少一个表面结构(53)至少与所述连接通路(9)的进入所述膜室(51)的入口区域(91)的外轮廓重叠；

将所述金属膜(5)附接至所述主体(3)；

将所述主体(3)的所述表面轮廓(55)模压至所述膜(5)上，以及

用压力传递介质(13)填充至少所述膜室(51)、所述传感器室(71)和所述连接通路(9)。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述表面结构(53)包括被引入至所述膜(5)中的至少一个通道。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过机械加工方法，特别是通过铣削、车削或雕刻，将所述至少一个通道引入所述膜(5)中。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过重塑成形工艺，特别是通过冲压将所述至少一个通道引入所述膜(5)中。

16.根据权利要求12至15中的任一项所述的方法，其特征在于，将所述膜(5)焊接至所述主体(3)。

17.根据权利要求12至16所述的方法，其特征在于，所述表面结构(53)至少部分地通过粗糙化，特别是通过喷砂和/或激光加工来产生。

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