CN117433674A - 一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器，属于传感器技术领域，包括高压感应室、低压感应室以及连接环。高压感应室的一端设置有弹性膜片且另一端设置有高压侧隔离膜片，高压感应室的内部形成第一油腔并填充有硅油，弹性膜片上设置有桥臂。低压感应室的一端设置有低压侧隔离膜片。弹性膜片、低压感应室以及低压侧隔离膜片之间形成第二油腔并填充有硅油。传感器内部的镀膜桥臂芯体和弹性膜片被两侧的第一油腔和第二油腔内的硅油所包覆，使得桥臂及弹性膜片均与被测流体隔离，能较好地保护桥臂和弹性膜片，便于封装，更利于检测带腐蚀性的流体。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体是一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器。
背景技术
目前市面上差压(压力)传感器/变送器型号种类各式各样，但其采用的差压(压力)芯体原理主要有如下三种：
第一种为以美国制造商研发和生产的金属电容式压力(差压)变送器。其工作原理为：外界压差传递到内部的金属电容极板，当极板发生位移后即产生电容量的变化，将这种电容量的变化通过电子电路收集、放大软件补偿处理后，就得到压力信号的线性输出。
第二种为日本制造商研发和生产的单晶硅压力(差压)变送器。其工作原理为：外界压差传递到内部的单晶硅谐振梁，谐振梁在压力的作用下产生一对跟随压力变化的差动的频率信号，将这对差动的频率信号通过电子电路收集、放大和软件补偿处理后，就得到压力信号的线性输出。
第三种为德国、瑞士为代表的单晶硅电阻式压力(差压)变送器。其工作原理为：外界压差传递到内部的单晶硅全动态的压阻效应惠斯通电桥，惠斯通电桥在压力的作用下产生一个跟随压力变化的电压信号输出，将这个电压信号通过电子电路收集、放大和软件补偿处理后，就得到压力信号的线性输出。
第一种为电容式传感器，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。第二种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。第三种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。
目前国内引进的技术及仿制的芯体，精度均不高。如上世纪80年代就引进的电容差压传感器技术，目前国内只能做到0.5％FS左右精度，而美国经过改进，已经达到0.05％FS的精度。
电容式、单晶硅式压力/差压传感器，最大的缺点是温度稳定性差，温度对其影响巨大。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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器，以解决上述现有技术中提出的问题。
提供一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器，包括：
高压感应室，所述高压感应室的一端设置有弹性膜片且另一端设置有高压侧隔离膜片，所述高压感应室的内部形成第一油腔并填充有硅油，所述弹性膜片远离第一油腔的一侧设置有桥臂；
低压感应室，所述低压感应室的一端设置有低压侧隔离膜片；
连接环，所述高压感应室以及低压感应室分别设置于连接环的两端，所述弹性膜片、低压感应室以及低压侧隔离膜片之间形成第二油腔并填充有硅油。
作为本发明进一步的方案：所述桥臂包括环形桥身以及条形桥身，所述条形桥身的两端与环形桥身固定连接，所述环形桥身与高压感应室固定连接。
作为本发明进一步的方案：所述条形桥身包括镀膜表面、若干应变电阻、光刻电路以及第一金丝焊盘，所述镀膜表面覆盖在若干应变电阻以及光刻电路上，若干所述应变电阻与第一金丝焊盘之间通过光刻电路电性连接。
作为本发明进一步的方案：所述条形桥身由两端向中间方向依次形成过渡段、弹性臂段以及桥墩段，若干所述应变电阻布置于弹性臂段上，所述桥墩段与高压弹性膜片固定连接。
作为本发明进一步的方案：所述应变电阻设置有四个，四个所述应变电阻分别布置于两个弹性臂段的端部。
作为本发明进一步的方案：所述弹性膜片与桥墩段焊接固定，所述弹性膜片与桥墩段的焊接部位设置有凸台，且凸台设置于弹性膜片远离桥墩段的一侧。
作为本发明进一步的方案：所述连接环上至少设置有一个出线端，所述出线端位于连接环的外侧设置有引线针，所述出线端位于连接环的内侧设置有第二金丝焊盘，所述引线针与第二金丝焊盘电性连接，所述第二金丝焊盘与第一金丝焊盘电性连接。
作为本发明进一步的方案：所述连接环的内侧设置有保护块，所述保护块与条形桥身异面垂直。
作为本发明进一步的方案：所述连接环内设置有充油孔，所述充油孔的一端与连接环外侧连通，且另一端贯穿保护块并与连接环内侧连通。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、传感器内部的镀膜桥臂芯体和弹性膜片被两侧的第一油腔和第二油腔内的硅油所包覆，使得桥臂及弹性膜片均与被测流体隔离，能较好地保护桥臂和弹性膜片，便于封装，更利于检测带腐蚀性的流体。
2、高压侧隔离膜片及低压侧隔离膜片分别受压后，硅油向弹性膜片传导两侧压力，通过桥臂感应弹性膜片的形变程度进而感应压差，放大感应效果。由于硅油具有高温稳定性、电绝缘性以及稳定的化学性质，使得桥臂和弹性膜片始终处于稳定、安全的使用环境，受周围环境影响小，能够提高检测精度，提高传感器的使用寿命。
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示意图；
图2为本发明提供的高压感应室的结构示意图；
图3为本发明提供的桥臂的结构示意图；
图4为本发明提供的条形桥身的结构示意图；
图5为本发明提供的连接环的结构示意图；
图6为惠斯通电桥的原理图；
图7为桥臂的电路原理框图。
图中：1、高压感应室；11、弹性膜片；111、凸台；12、高压侧隔离膜片；13、第一油腔；2、低压感应室；21、低压侧隔离膜片；22、第二油腔；3、连接环；31、出线端；32、引线针；33、第二金丝焊盘；34、保护块；35、充油孔；4、桥臂；41、环形桥身；42、条形桥身；421、镀膜表面；422、应变电阻；423、光刻电路；424、第一金丝焊盘；425、过渡段；426、弹性臂段；427、桥墩段。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明实施例中，一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器，包括高压感应室1、低压感应室2以及连接环3。高压感应室1的一端设置有弹性膜片11且另一端设置有高压侧隔离膜片12，高压感应室1的内部形成第一油腔13并填充有硅油，弹性膜片11远离第一油腔13的一侧设置有桥臂4。低压感应室2的一端设置有低压侧隔离膜片21。高压感应室1以及低压感应室2分别设置于连接环3的两端，弹性膜片11、低压感应室2以及低压侧隔离膜片21之间形成第二油腔22并填充有硅油。
本发明采用硅油介质隔离桥臂结构，硅油能够在广泛的温度范围内保持稳定性，从极低温度到高温度也能维持自身特性不变，因此传感器的使用温度范围宽，温度稳定性好。硅油具有出色的电绝缘性能，避免传感器受外部电磁环境的干扰。此外，硅油对许多化学物质都具有良好的稳定性，不容易受到化学腐蚀或降解。
高压感应室1内设置弹性膜片11，另一侧带高压侧隔离膜片12，高压侧隔离膜片12与弹性膜片11间充满硅油，被测高压液体压力作用在高压侧隔离膜片12上，通过硅油传递到弹性膜片11上。高压侧隔离膜片12和低压侧隔离膜片21的厚度在0.01mm-0.03mm，采用波纹结构。波纹的数量及高度，根据压力大小调节及优化。低压感应室2带低压侧隔离膜片21，不设置弹性膜片11。高压感应室1与低压感应室2之间通过连接环3连接。弹性膜片11、低压感应室2以及低压侧隔离膜片21之间充满硅油。被测低压液体将压力作用在低压侧隔离膜片21上，通过硅油将压力传递到弹性膜片11，弹性膜片11两侧形成差压，通过弹性膜片11变形测出压力差大小。
测量时，高压侧流体将压力作用在高压侧隔离膜片12上，高压侧隔离膜片12将压力传递给硅油，硅油不可压缩，将压力传递给弹性膜片11。低压侧流体将压力作用在低压侧隔离膜片21上，低压侧隔离膜片21变形，将压力传递给硅油，硅油再将压力传递到弹性膜片11上。弹性膜片11两侧形成压力差，引起弹性膜片11发生微小变形，并被安装在弹性膜片11上的桥臂4将形变作用放大。
请参阅图3所示，桥臂4包括环形桥身41以及条形桥身42，条形桥身42的两端与环形桥身41固定连接。环形桥身41与高压感应室1固定连接，起到固定桥臂4的作用，条形桥身42上镀有多层纳米薄膜，用于感应压力信号。
条形桥身42包括镀膜表面421、若干应变电阻422、光刻电路423以及第一金丝焊盘424。镀膜表面421覆盖在若干应变电阻422以及光刻电路423上，镀膜表面421包括有过渡层和绝缘层，用于保护条形桥身42的内部电路，防止内部电路被腐蚀和受电磁干扰。若干应变电阻422与第一金丝焊盘424之间通过光刻电路423电性连接。应变电阻422产生的电信号通过光刻电路423传递到条形桥身42端部的第一金丝焊盘424，并将电信号外送至外接电路。
请参阅图1、图3、图6和图7所示，作为敏感层的纳米薄膜通过光刻技术光刻成设计的应变电阻422和光刻电路423，组成惠斯通电桥。在惠斯通电桥两端施加电压，另外两端输出与弹性膜片11的形变程度成正比的微弱毫伏电信号，经过调理PCB板信号处理，连续输出RS485/CAN、电流、电压或直接输出毫伏等信号形成传感器芯体。当采用信号调理电路，惠斯通电桥的电信号进行放大、调理成标准的电流、电压或数字信号输出时，形成变送器。
请参阅图4所示，条形桥身42由两端向中间方向依次形成过渡段425、弹性臂段426以及桥墩段427。过渡段425拥有一定厚度并与弹性膜片11之间相隔有一定距离，过渡段425在压力作用下不发生形变但为弹性膜片11的形变提供了延展空间。弹性臂段426为条形桥身42的厚度薄弱处，容易产生形变，桥墩段427为厚度最大处，与弹性膜片11直接接触并固定连接，用于传导压力。若干应变电阻42布置于弹性臂段426上，弹性臂段426的形变由应变电阻42进行感应，并被应变电阻42转化为电信号。
应变电阻422设置有四个，四个应变电阻422分别布置于两个弹性臂段426的端部。两个弹性臂段426与过渡段425以及桥墩段427的连接部位共有四个端部，分别为应变最大处。而四个应变电阻422则光刻于这四个应变最大处部位，形成惠斯通电桥，将弹性膜片11的应变作用放大，提高感应精度。
请参阅图1和图2所示，弹性膜片11与桥墩段427焊接固定，焊接后的连接部位强度高，加工方便。弹性膜片11与桥墩段427的焊接部位设置有凸台111，且凸台111设置于弹性膜片11远离桥墩段427的一侧。弹性膜片11的厚度及大小根据所测量的差压大小不同而不同，实际使用时，厚度可以做到0.03mm-4mm不等。当弹性膜片11的厚度较小时，为保证焊接质量，在焊接部位设置凸台111，凸台较周围膜片厚，用于焊接时，防止膜片被击穿。
请参阅图1、图3和图5所示，连接环3用于将高压感应室1和低压感应室2连接，将内部信号引出。连接环3上至少设置有一个出线端31，可以同时设计单侧、双侧出线以及其它出线方式。出线端31位于连接环3的外侧设置有引线针32，出线端31位于连接环3的内侧设置有第二金丝焊盘33，引线针32与第二金丝焊盘33电性连接，第二金丝焊盘33与第一金丝焊盘424电性连接，引线针32用于内外输送电信号。应变电阻422产生电信号通过光刻电路423传输至第一金丝焊盘424，然后由第二金丝焊盘33传输至引线针32，引线针32与外部电路连接，电信号反向输送同理。
连接环3的内侧设置有保护块34，保护块34起到保护弹性膜片11的作用。当超压过大时，条形桥身42带着弹性膜片11与保护块34接触，阻止再变形，起到保护作用。当条形桥身42与保护块34接触后，此形变位置为传感器的最大量程。保护块34的设置位置避开了出线端31的布置位置。由于出线端31通常需要与条形桥身42端部的第一金丝焊盘424连接，为简化连接结构，出线端31与第一金丝焊盘424应尽可能贴近。因此为避开出线端31，且合理布置条形桥身42触碰到保护块34时的受力形式，保护块34与条形桥身42异面垂直。
连接环3内设置有充油孔35，充油孔35的一端与连接环3外侧连通，且另一端贯穿保护块34并与连接环3内侧连通。通过充油孔35，将第二油腔22内的空气抽走，并填充硅油。充油孔35的布置结构充分利用了只起保护辅助功能的保护块34，不占用额外的布置空间，结构布置紧凑。输油时充油孔35部位在保护块34的加强下强度高，不会发生形变。
本申请提供的传感器及变送器精度达到0.05％FS，温度影响小，长期测量稳定性好，最高使用温度可达250℃，量程从5kPa-250MPa均可实现。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器，其特征在于，包括：
高压感应室(1)，所述高压感应室(1)的一端设置有弹性膜片(11)且另一端设置有高压侧隔离膜片(12)，所述高压感应室(1)的内部形成第一油腔(13)并填充有硅油，所述弹性膜片(11)远离第一油腔(13)的一侧设置有桥臂(4)；
低压感应室(2)，所述低压感应室(2)的一端设置有低压侧隔离膜片(21)；
连接环(3)，所述高压感应室(1)以及低压感应室(2)分别设置于连接环(3)的两端，所述弹性膜片(11)、低压感应室(2)以及低压侧隔离膜片(21)之间形成第二油腔(22)并填充有硅油。
2.根据权利要求1所述的一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器，其特征在于，所述桥臂(4)包括环形桥身(41)以及条形桥身(42)，所述条形桥身(42)的两端与环形桥身(41)固定连接，所述环形桥身(41)与高压感应室(1)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器，其特征在于，所述条形桥身(42)包括镀膜表面(421)、若干应变电阻(422)、光刻电路(423)以及第一金丝焊盘(424)，所述镀膜表面(421)覆盖在若干应变电阻(422)以及光刻电路(423)上，若干所述应变电阻(422)与第一金丝焊盘(424)之间通过光刻电路(423)电性连接。
4.根据权利要求2所述的一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器，其特征在于，所述条形桥身(42)由两端向中间方向依次形成过渡段(425)、弹性臂段(426)以及桥墩段(427)，若干所述应变电阻(42)布置于弹性臂段(426)上，所述桥墩段(427)与高压弹性膜片(12)固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器，其特征在于，所述应变电阻(422)设置有四个，四个所述应变电阻(422)分别布置于两个弹性臂段(426)的端部。
6.根据权利要求4所述的一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器，其特征在于，所述弹性膜片(11)与桥墩段(427)焊接固定，所述弹性膜片(11)与桥墩段(427)的焊接部位设置有凸台(111)，且凸台(111)设置于弹性膜片(11)远离桥墩段(427)的一侧。
7.根据权利要求3所述的一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器，其特征在于，所述连接环(3)上至少设置有一个出线端(31)，所述出线端(31)位于连接环(3)的外侧设置有引线针(32)，所述出线端(31)位于连接环(3)的内侧设置有第二金丝焊盘(33)，所述引线针(32)与第二金丝焊盘(33)电性连接，所述第二金丝焊盘(33)与第一金丝焊盘(424)电性连接。
8.根据权利要求7所述的一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器，其特征在于，所述连接环(3)的内侧设置有保护块(34)，所述保护块(34)与条形桥身(42)异面垂直。
9.根据权利要求8所述的一种纳米薄膜电阻应变式介质隔离差压传感器及变送器，其特征在于，所述连接环(3)内设置有充油孔(35)，所述充油孔(35)的一端与连接环(3)外侧连通，且另一端贯穿保护块(34)并与连接环(3)内侧连通。
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