CN117330235B - 高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器，连接环的一侧安装有高压腔体，连接环的另一侧安装有低压腔体，高压腔体位于连接环内侧的一端端面上设有弹性膜片，弹性膜片位于连接环内侧的一侧面上安装有桥臂，桥臂靠近低压腔体的一侧设有镀膜平面，镀膜平面上设有多层纳米薄膜，高压腔体内靠近弹性膜片的一侧设有高压侧保护块，低压腔体内靠近桥臂的一侧设有低压侧保护块，低压腔体的外周开设有传感器安装位，通过多层纳米薄膜感应桥臂的变形而产生电信号，多层纳米薄膜快速地将电信号输出，根据电信号并计算得出压差，极大地提高测量量程范围，实现从5kPa到250MPa全域覆盖。

Description

高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体是一种高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器。

背景技术

目前市面上差压(压力)传感器主要有如下三类：第一类为电容式传感器，压力推动金属极板，从而改变电容大小，再转化为电信号输出。第二类为单晶硅谐振式传感器，压力使谐振梁产生一定振动的频率，再将频率转化为电信号输出。第三类为单晶硅压阻式传感器，压力使单晶硅电阻阻值发生变化，通过惠斯通电桥转化为微小电压信号输出。

上述现有装置一般采用充油封装，为保证压力损失尽量小，封油隔离膜片应尽可能的薄，这就使得现有装置不能承受较高的静压，当温度超过150℃时，硅晶体逐渐失去半导体特性，从而失去测量功能，且现有装置测量精度较低，测量量程范围较窄。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的问题和不足，提供高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器，提升了整体的工作效率。

本发明所解决的技术问题为：

(1)现有装置不能承受较高的静压；

(2)现有装置的工作温度较低；

(3)现有装置测量精度较低，测量量程范围较窄。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器，包括连接环，连接环的一侧安装有高压腔体，连接环的另一侧安装有低压腔体，高压腔体位于连接环内侧的一端端面上设有弹性膜片，弹性膜片位于连接环内侧的一侧面上安装有桥臂，桥臂靠近低压腔体的一侧设有镀膜平面，镀膜平面上设有多层纳米薄膜，高压腔体内靠近弹性膜片的一侧设有高压侧保护块，低压腔体内靠近桥臂的一侧设有低压侧保护块，低压腔体的外周开设有传感器安装位。

作为发明进一步的方案，高压腔体的内部设有高压腔室，低压腔体的内部设有低压腔室，高压腔室和低压腔室相对的一端均设有阶梯环，高压侧保护块通过阶梯环与高压腔室的侧壁摩擦限位，低压侧保护块通过阶梯环与低压腔室的侧壁摩擦限位。

作为发明进一步的方案，弹性膜片的中心处靠近桥臂的一侧与桥臂固定连接，弹性膜片中心处靠近高压腔室的一侧设有凸台，凸台的厚度比弹性膜片厚。

作为发明进一步的方案，高压侧保护块靠近弹性膜片的一侧面设有第一抵接面，第一抵接面的中部开设有第一凹槽，第一凹槽的内侧尺寸与凸台的外侧尺寸一致。

作为发明进一步的方案，高压腔体、弹性膜片和凸台为一体式结构。

作为发明进一步的方案，桥臂的两端靠近弹性膜片的位置处均设有第一桥墩，桥臂的中心靠近弹性膜片的位置处设有第二桥墩，桥臂靠近弹性膜片的一侧且位于第二桥墩的两侧均开设有桥洞，桥臂上位于桥洞的一侧设有弹性臂。

作为发明进一步的方案，桥臂的外侧套设有外接环体，镀膜平面的一侧开设有光刻定位孔，多层纳米薄膜内通过光刻制成敏感电阻与光刻电路，多层纳米薄膜的边缘处埋设有焊盘端头，敏感电阻、光刻电路和焊盘端头组成惠斯通电桥结构，敏感电阻分别对应设置在靠近每个弹性臂两端的位置处。

作为发明进一步的方案，焊盘端头用于向外输出电信号，连接环的外周安装有信号输出引针，连接环内壁上且靠近信号输出引针的位置处固定穿设有连接焊盘，连接焊盘与焊盘端头一一对应，信号输出引针通过连接焊盘与焊盘端头电性连接。

作为发明进一步的方案，高压侧保护块上开设有若干个均匀分布的第一通压孔，低压侧保护块上开设有若干个均匀分布的第二通压孔。

作为发明进一步的方案，低压侧保护块靠近弹性膜片的一侧设有第二抵接面，第二抵接面的中部开设有第二凹槽，第二凹槽的内部各处尺寸与桥臂保持一致。

本发明的有益效果：

(1)工作时，通过高压腔体承载高压流体，通过低压腔体承载低压流体，由于两侧流体压力的相差部分相对于高压流体的压力本身较小，因此本装置的桥臂和弹性膜片能够承受较高的静压，通过传感器安装位安装其他的传感器，通过两侧相差的压力使弹性膜片变形，变形时弹性膜片的中部向高压腔体的一侧或者低压腔体的一侧移动，同时弹性膜片的中部推动桥臂进行移动，使得桥臂变形，进而使得多层纳米薄膜感应桥臂的变形而产生电信号，多层纳米薄膜快速地将电信号输出，根据电信号并计算得出压差，再根据其中一侧流体的已知压力，计算得到另一侧的流体压力，从而测出高静压流体的压力，通过第一通压孔和第二通压孔导送流体，同时避免流体对弹性膜片过度冲击，只在一侧流通流体而另一侧不流通时，通过高压侧保护块对流通检测低压流体时的弹性膜片进行抵接保护，通过低压侧保护块对流通检测高压流体时的弹性膜片进行保护，从而避免弹性膜片受压过大而损伤，当弹性膜片承受高压侧过大压力时，弹性膜片与低压侧保护块的第二抵接面相抵接，第二桥墩推动多层纳米薄膜与第二凹槽的槽底相抵接，从而对弹性膜片和桥臂进行保护，极大地提高测量量程范围，可实现从5kPa到250MPa全域覆盖；

(2)工作时，桥臂通过第二桥墩与凸台焊接在一起，通过第一桥墩与高压腔体的端面焊接在一起，从而通过凸台防止弹性膜片在焊接时出现击穿现象，高压腔体通过高压腔室的阶梯环对高压侧保护块进行阻拦限位，低压腔体通过低压腔室的阶梯环对低压侧保护块进行阻拦限位，方便安装，当弹性膜片向高压腔体所在方向形变的形变量过大时，高压侧保护块通过第一抵接面与弹性膜片抵接，并通过第一凹槽与凸台抵接，从而通过高压侧保护块承受超限的压力，保护弹性膜片和桥臂以及多层纳米薄膜，避免受力过大而受损，同时多层纳米薄膜的温度影响小，长期测量稳定性好，工作温度宽，使用温度可达400℃；

(3)工作时，弹性膜片受压形变，推动凸台移动，凸台推动第二桥墩移动，第一桥墩配合第二桥墩共同对弹性臂产生力的作用，弹性臂受到力的作用后产生应变，多层纳米薄膜对弹性臂的应变进行感应产生电信号并输出，从而快速检测压力差值，通过对桥洞的尺寸进行修改，从而对弹性臂的应变性能进行修改和确定，进而所测压力的范围进行修改和确定，通过光刻定位孔对光刻过程进行定位，使得敏感电阻能够形成在弹性臂应变检测最佳的位置处，从而对弹性臂所产生的应变进行更快速准确地感应，使得敏感电阻随着弹性臂的不同应变而产生不同的电阻值，利用敏感电阻和光刻电路所组成的惠斯通电桥结构产生电信号，电信号依次通过焊盘端头、连接焊盘和信号输出引针向外输出，经过计算依次反推敏感电阻的阻值、弹性臂的应变、凸台的移动距离以及弹性膜片所承受的压力值，并缩短计算时间，从而准确、及时地获得所测流体的压力值，通过外接环体方便对桥臂进行精确定型，实现在高静压长期运行时传感器的稳定性和可靠性高，测量精度可达到0.05％FS。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的整体结构剖视图；

图2为本发明高压腔体的整体结构剖视图；

图3为本发明低压腔体的整体结构剖视图；

图4为本发明连接环的整体结构主视图；

图5为本发明高压侧保护块的整体结构剖视图；

图6为本发明低压侧保护块的整体结构剖视图；

图7为本发明桥臂的整体结构侧视图；

图8为本发明桥臂的整体结构主视图；

图9为本发明外接环体安装后桥臂的整体结构示意图；

图10为本发明外接环体安装后桥臂的整体结构剖视图；

图中：1、高压腔体；2、连接环；3、桥臂；4、低压腔体；5、高压腔室；6、低压腔室；7、弹性膜片；8、高压侧保护块；9、低压侧保护块；10、凸台；11、传感器安装位；12、镀膜平面；13、第一桥墩；14、桥洞；15、弹性臂；16、多层纳米薄膜；17、敏感电阻；18、光刻电路；19、焊盘端头；20、光刻定位孔；21、外接环体；22、信号输出引针；23、连接焊盘；24、第一通压孔；25、第一凹槽；26、第一抵接面；27、第二通压孔；28、第二凹槽；29、第二抵接面；30、第二桥墩。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

请参阅图1-10所示：高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器，包括连接环2，连接环2的一侧安装有高压腔体1，连接环2的另一侧安装有低压腔体4，高压腔体1位于连接环2内侧的一端端面上设有弹性膜片7，弹性膜片7位于连接环2内侧的一侧面上安装有桥臂3，桥臂3靠近低压腔体4的一侧设有镀膜平面12，镀膜平面12上设有多层纳米薄膜16，高压腔体1内靠近弹性膜片7的一侧设有高压侧保护块8，低压腔体4内靠近桥臂3的一侧设有低压侧保护块9，低压腔体4的外周开设有传感器安装位11；

本实施例工作时，通过高压腔体1承载高压流体，通过低压腔体4承载低压流体，由于两侧流体压力的相差部分相对于高压流体的压力本身较小，因此本装置的桥臂3和弹性膜片7能够承受较高的静压，通过传感器安装位11安装其他的传感器，本实施例安装温度传感器，从而对本装置所测流体的温度进行检测，通过两侧相差的压力使弹性膜片7变形，变形时弹性膜片7的中部向高压腔体1的一侧或者低压腔体4的一侧移动，同时弹性膜片7的中部推动桥臂3进行移动，使得桥臂3变形，进而使得多层纳米薄膜16感应桥臂3的变形而产生电信号，多层纳米薄膜16快速地将电信号输出，根据电信号并计算得出压差，再根据其中一侧流体的已知压力，计算得到另一侧的流体压力，从而测出高静压流体的压力，当本装置只在一侧流通流体而另一侧不流通时，通过高压侧保护块8对流通检测低压流体时的弹性膜片7进行抵接保护，通过低压侧保护块9对流通检测高压流体时的弹性膜片7进行保护，从而避免弹性膜片7受压过大而损伤。

高压腔体1的内部设有高压腔室5，低压腔体4的内部设有低压腔室6，高压腔室5和低压腔室6相对的一端均设有阶梯环，高压侧保护块8通过阶梯环与高压腔室5的侧壁摩擦限位，低压侧保护块9通过阶梯环与低压腔室6的侧壁摩擦限位，工作时，高压腔体1通过高压腔室5的阶梯环对高压侧保护块8进行阻拦限位，低压腔体4通过低压腔室6的阶梯环对低压侧保护块9进行阻拦限位，方便安装，同时对弹性膜片7进行保护。

弹性膜片7的中心处靠近桥臂3的一侧与桥臂3固定连接，弹性膜片7中心处靠近高压腔室5的一侧设有凸台10，凸台10的厚度比弹性膜片7厚，本实施例设置凸台10的厚度是弹性膜片7的三倍，高压侧保护块8靠近弹性膜片7的一侧面设有第一抵接面26，第一抵接面26的中部开设有第一凹槽25，第一凹槽25的内侧尺寸与凸台10的外侧尺寸一致；

高压腔体1、弹性膜片7和凸台10为一体式结构，工作时，本实施例将桥臂3的中部与弹性膜片7靠近低压腔体4一侧面的中部进行焊接固定，桥臂3的两端与高压腔体1的端面焊接在一起，从而通过凸台10防止弹性膜片7在焊接时出现击穿现象，当弹性膜片7向高压腔体1所在方向形变的形变量过大时，高压侧保护块8通过第一抵接面26与弹性膜片7抵接，并通过第一凹槽25与凸台10抵接，从而通过高压侧保护块8承受超限的压力，保护弹性膜片7和桥臂3以及多层纳米薄膜16，避免受力过大而受损。

桥臂3的两端靠近弹性膜片7的位置处均设有第一桥墩13，桥臂3的中心靠近弹性膜片7的位置处设有第二桥墩30；

工作时，桥臂3通过第二桥墩30与凸台10焊接在一起，通过第一桥墩13与高压腔体1的端面焊接在一起，从而方便安装，且避免焊接过程对测量精度产生影响。

桥臂3靠近弹性膜片7的一侧且位于第二桥墩30的两侧均开设有桥洞14，桥臂3上位于桥洞14的一侧设有弹性臂15；

工作时，弹性膜片7受压形变，推动凸台10移动，凸台10推动第二桥墩30移动，第一桥墩13配合第二桥墩30共同对弹性臂15产生力的作用，弹性臂15受到力的作用后产生应变，多层纳米薄膜16对弹性臂15的应变进行感应产生电信号并输出，从而快速检测压力差值，通过对桥洞14的尺寸进行修改，从而对弹性臂15的应变性能进行修改和确定，进而所测压力的范围进行修改和确定。

桥臂3的外侧套设有外接环体21，镀膜平面12的一侧开设有光刻定位孔20，多层纳米薄膜16内通过光刻制成敏感电阻17与光刻电路18，多层纳米薄膜16的边缘处埋设有焊盘端头19，敏感电阻17、光刻电路18和焊盘端头19组成惠斯通电桥结构，敏感电阻17分别对应设置在靠近每个弹性臂15两端的位置处，焊盘端头19用于向外输出电信号，连接环2的外周安装有信号输出引针22，连接环2内壁上且靠近信号输出引针22的位置处固定穿设有连接焊盘23，连接焊盘23与焊盘端头19一一对应，信号输出引针22通过连接焊盘23与焊盘端头19电性连接；

本实施例的焊盘端头19设置在多层纳米薄膜16的一端，焊盘端头19的位置与信号输出引针22的位置相对应，本实施例的信号输出引针22设置连接环2的一侧；

工作时，通过光刻定位孔20对光刻过程进行定位，使得敏感电阻17能够形成在弹性臂15应变检测最佳的位置处，从而对弹性臂15所产生的应变进行更快速准确地感应，使得敏感电阻17随着弹性臂15的不同应变而产生不同的电阻值，利用敏感电阻17和光刻电路18所组成的惠斯通电桥结构产生电信号，电信号依次通过焊盘端头19、连接焊盘23和信号输出引针22向外输出，经过计算依次反推敏感电阻17的阻值、弹性臂15的应变、凸台10的移动距离以及弹性膜片7所承受的压力值，并缩短计算时间，从而准确、及时地获得所测流体的压力值；

通过外接环体21方便对桥臂3进行精确定型，进一步地提高检测的准确性。

高压侧保护块8上开设有若干个均匀分布的第一通压孔24，低压侧保护块9上开设有若干个均匀分布的第二通压孔27，本实施例的第一通压孔24和第二通压孔27均分别设为两个，通过第一通压孔24和第二通压孔27导送流体，同时避免流体对弹性膜片7过度冲击，保护弹性膜片7。

低压侧保护块9靠近弹性膜片7的一侧设有第二抵接面29，第二抵接面29的中部开设有第二凹槽28，第二凹槽28的内部各处尺寸与桥臂3保持一致；

工作时，当弹性膜片7承受高压侧过大压力时，弹性膜片7与低压侧保护块9的第二抵接面29相抵接，第二桥墩30推动多层纳米薄膜16与第二凹槽28的槽底相抵接，从而对弹性膜片7和桥臂3进行保护，防止待测压力超过范围时弹性膜片7和桥臂3受损。

本发明在使用时，工作人员通过高压腔体1承载高压流体，通过低压腔体4承载低压流体，由于两侧流体压力的相差部分相对于高压流体的压力本身较小，因此本装置的桥臂3和弹性膜片7能够承受较高的静压，通过传感器安装位11安装其他的传感器，通过两侧相差的压力使弹性膜片7变形，变形时弹性膜片7的中部向高压腔体1的一侧或者低压腔体4的一侧移动，同时弹性膜片7的中部推动桥臂3进行移动，使得桥臂3变形，进而使得多层纳米薄膜16感应桥臂3的变形而产生电信号，多层纳米薄膜16快速地将电信号输出，根据电信号并计算得出压差，再根据其中一侧流体的已知压力，计算得到另一侧的流体压力，从而测出高静压流体的压力，通过第一通压孔24和第二通压孔27导送流体，同时避免流体对弹性膜片7过度冲击，只在一侧流通流体而另一侧不流通时，通过高压侧保护块8对流通检测低压流体时的弹性膜片7进行抵接保护，通过低压侧保护块9对流通检测高压流体时的弹性膜片7进行保护，从而避免弹性膜片7受压过大而损伤，当弹性膜片7承受高压侧过大压力时，弹性膜片7与低压侧保护块9的第二抵接面29相抵接，第二桥墩30推动多层纳米薄膜16与第二凹槽28的槽底相抵接，从而对弹性膜片7和桥臂3进行保护，极大地提高测量量程范围；

工作时，桥臂3通过第二桥墩30与凸台10焊接在一起，通过第一桥墩13与高压腔体1的端面焊接在一起，从而通过凸台10防止弹性膜片7在焊接时出现击穿现象，高压腔体1通过高压腔室5的阶梯环对高压侧保护块8进行阻拦限位，低压腔体4通过低压腔室6的阶梯环对低压侧保护块9进行阻拦限位，方便安装，当弹性膜片7向高压腔体1所在方向形变的形变量过大时，高压侧保护块8通过第一抵接面26与弹性膜片7抵接，并通过第一凹槽25与凸台10抵接，从而通过高压侧保护块8承受超限的压力，保护弹性膜片7和桥臂3以及多层纳米薄膜16，避免受力过大而受损；

工作时，弹性膜片7受压形变，推动凸台10移动，凸台10推动第二桥墩30移动，第一桥墩13配合第二桥墩30共同对弹性臂15产生力的作用，弹性臂15受到力的作用后产生应变，多层纳米薄膜16对弹性臂15的应变进行感应产生电信号并输出，从而快速检测压力差值，通过对桥洞14的尺寸进行修改，从而对弹性臂15的应变性能进行修改和确定，进而所测压力的范围进行修改和确定，通过光刻定位孔20对光刻过程进行定位，使得敏感电阻17能够形成在弹性臂15应变检测最佳的位置处，从而对弹性臂15所产生的应变进行更快速准确地感应，使得敏感电阻17随着弹性臂15的不同应变而产生不同的电阻值，利用敏感电阻17和光刻电路18所组成的惠斯通电桥结构产生电信号，电信号依次通过焊盘端头19、连接焊盘23和信号输出引针22向外输出，经过计算依次反推敏感电阻17的阻值、弹性臂15的应变、凸台10的移动距离以及弹性膜片7所承受的压力值，并缩短计算时间，从而准确、及时地获得所测流体的压力值，通过外接环体21方便对桥臂3进行精确定型，实现在高静压长期运行时传感器的稳定性和可靠性高。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器，其特征在于，包括连接环（2），所述连接环（2）的一侧安装有高压腔体（1），所述连接环（2）的另一侧安装有低压腔体（4），所述高压腔体（1）位于连接环（2）内侧的一端端面上设有弹性膜片（7），所述弹性膜片（7）位于连接环（2）内侧的一侧面上安装有桥臂（3），所述桥臂（3）靠近低压腔体（4）的一侧设有镀膜平面（12），所述镀膜平面（12）上设有多层纳米薄膜（16），所述高压腔体（1）内靠近弹性膜片（7）的一侧设有高压侧保护块（8），所述低压腔体（4）内靠近桥臂（3）的一侧设有低压侧保护块（9），低压腔体（4）的外周开设有传感器安装位（11）；

所述高压腔体（1）的内部设有高压腔室（5），所述低压腔体（4）的内部设有低压腔室（6），高压腔室（5）和低压腔室（6）相对的一端均设有阶梯环，高压侧保护块（8）通过阶梯环与高压腔室（5）的侧壁摩擦限位，低压侧保护块（9）通过阶梯环与低压腔室（6）的侧壁摩擦限位；

所述高压侧保护块（8）上开设有若干个均匀分布的第一通压孔（24），所述低压侧保护块（9）上开设有若干个均匀分布的第二通压孔（27）；

所述桥臂（3）的两端靠近弹性膜片（7）的位置处均设有第一桥墩（13），所述桥臂（3）的中心靠近弹性膜片（7）的位置处设有第二桥墩（30），所述桥臂（3）靠近弹性膜片（7）的一侧且位于第二桥墩（30）的两侧均开设有桥洞（14），桥臂（3）上位于桥洞（14）的一侧设有弹性臂（15）；

弹性膜片（7）的中心处靠近桥臂（3）的一侧与桥臂（3）固定连接，所述弹性膜片（7）中心处靠近高压腔室（5）的一侧设有凸台（10）；

所述高压侧保护块（8）靠近弹性膜片（7）的一侧面设有第一抵接面（26），所述第一抵接面（26）的中部开设有第一凹槽（25）；

低压侧保护块（9）靠近弹性膜片（7）的一侧设有第二抵接面（29），第二抵接面（29）的中部开设有第二凹槽（28）。

2.根据权利要求1所述的高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器，其特征在于，所述凸台（10）的厚度比弹性膜片（7）厚。

3.根据权利要求1所述的高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器，其特征在于，所述第一凹槽（25）的内侧尺寸与凸台（10）的外侧尺寸一致。

4.根据权利要求1所述的高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器，其特征在于，所述高压腔体（1）、弹性膜片（7）和凸台（10）为一体式结构。

5.根据权利要求1所述的高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器，其特征在于，所述桥臂（3）的外侧套设有外接环体（21），所述镀膜平面（12）的一侧开设有光刻定位孔（20），所述多层纳米薄膜（16）内通过光刻制成敏感电阻（17）与光刻电路（18），所述多层纳米薄膜（16）的边缘处埋设有焊盘端头（19），所述敏感电阻（17）、光刻电路（18）和焊盘端头（19）组成惠斯通电桥结构，所述敏感电阻（17）分别对应设置在靠近每个弹性臂（15）两端的位置处。

6.根据权利要求5所述的高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器，其特征在于，所述焊盘端头（19）用于向外输出电信号，所述连接环（2）的外周安装有信号输出引针（22），连接环（2）内壁上且靠近信号输出引针（22）的位置处固定穿设有连接焊盘（23），连接焊盘（23）与焊盘端头（19）一一对应，信号输出引针（22）通过连接焊盘（23）与焊盘端头（19）电性连接。

7.根据权利要求1所述的高静压纳米薄膜电阻应变式差压传感器，其特征在于，所述第二凹槽（28）的内部各处尺寸与桥臂（3）保持一致。