CN1216279C - 有金锗隔离铜焊接头的蓝宝石压力传感器梁架 - Google Patents

Abstract

具有梁架形传感器壳体的一个压力传感器密封壳，由直接压结的单晶体蓝宝石层片(96，98)制成，裹纳着一个中空的中央通道(102)。梁架的第一端(104)接受压力而第二端(106)具有电气接触垫片，并且在两端(104，106)之间有一个安装表面(108)。中央通道(102)有一个通过该安装表面(108)的较窄的宽度(112)。一个隔离板被焊接到该安装表面(108)上。第一端(104)中的压力传感膜具有通过通道(102)伸向电气接触垫片的引线。梁架在第二端(106)上有一个凹口(105)，用以在中央通道(102)上电气接触垫片使用的部位形成一个隔离的引线表面(152)。

Description

有金锗隔离铜焊接头的蓝宝石压力传感器梁架

技术领域

在航空或工业的流体压力传感器中，电气引线与腐蚀的隔离以及压力传感膜与支架应力的隔离对于长期可靠性与精确性而言均是必要的。

背景技术

流体(加压介质)会腐蚀金属传感膜与引线。这样，金属传感膜最好置于压力传感器的壳体内，引线最好也在该壳体内走线，并且通过不让腐蚀性的处理流体与传感膜，电气引线，以及电气触点垫片接触的方法加以隔离。腐蚀性处理流体可包括在宇航式或固定式涡轮发动机中的气体，酸类，苛性剂，油类，石化产品，食品以及类似的物质。

传感器与支架和引线应力的变化之间的隔离也是一个问题，并且有必要调整传感器的几何形状以降低应力从支架及电气引线向压力传感膜的传导。这些应力常随温度而变化。

当用粘结材料把传感器壳体的层片粘合在一起时，或者当用高温把陶瓷层片烧结在一起时，残余应力就会留存于对温度敏感的传感器壳体内并在传感膜中形成应力，产生进一步的误差。

要找到一种能够满足工业与航天对压力传感器应用所要求的具体技术规格的在材料，粘结类型，电气引线连接，支架与传感器的几何图形上的组合是困难的。与腐蚀的良好隔绝，高度的单调性或线性度，稳定度，准确度以及隔绝由于诸如温度的变化与支架应力的变化等环境因素造成的误差，这些都是迫切需要的，但是，用单一的传感器来满足在工业与航天应用方面的这些需求又是困难的。

发明内容

所公开的是可满足工业与航天的广泛需求的，隔离效果得以改进的压力传感器密封壳。

该压力传感器密封壳包括一个梁架形的压力传感器壳体，通过对单晶体蓝宝石层片直接进行压结而成。该梁架围绕一条中央通道形成一个梁壁。该梁架的第一端有一膜片，用于流体增压，而第二端与第一端正对。梁壁在两端之间有一个外梁架安装表面。中央通道的第一端附近为第一宽度，安装表面附近为第二宽度，第二宽度比第一宽度要窄。

压力传感器密封壳包括一个隔离板。该隔离板有一个贯通的安装孔，而梁架即通过该安装孔安装。通过铜焊接头密封地把外梁架安装表面与该安装孔连接，密封地把第二端与增压的密封流体隔离。

传导膜置于该中央通道中。该传导膜在其膜片上包括一个压力感测区，和一个从压力感测区伸向电气接触垫片的传感器引线。该梁架在第二端上有一个入口。该入口在中央通道上电气接触垫片使用的地方形成一个隔离的引线表面。

附图说明

图1示出了适于具有压力传感器密封壳的闭合机动的工业压力传输系统的一个典型的工业环境；

图2示出了具有压力传感器密封壳的闭合机动的工业差分压力传输系统的一个实施例；

图3示出了在一个典型的涡轮发动机设备中使用的压力传感器密封壳的一个实施例；

图4示出了在两个层片中均具有一条通道的压力传感器的层片的装配与分解图；

图5示出了图4中的压力传感器的第一层片；

图6示出了图4中的压力传感器的第二层片；

图7示出了一个压力传感器密封壳的铜焊接头的正面剖视图；

图8示出了一个压力传感器密封壳的铜焊接头的顶面剖视图；

图9示出了安装在一个变送设备机体内的压力传感器密封壳的正面剖视图；

图10示出了只在一个层片上具有通道的压力传感器的层片的装配图与分解图。

具体实施方式

在图1中，以20示出了一个工业压力传感器的典型环境。在图1中，示出了与控制系统32电气连接的可调变量变送器，如在所处理的流体的输送管线23中的流量表22，储藏罐28上液位变量变送器24，26，以及处理管线31中的总孔道流量表30。所配备的可调变量变送器可用于对与处理厂中的流体，如在化工产品，纸浆，石油产品，天然气，医药，食品，以及其他流体的处理厂中的浆料，液体，蒸气以及气体相关的一个或几个可调变量进行监控。所监控的可调变量可以是压力，温度，流量，液面，PH，传导率，浊度，密度，浓度，化学成分，或其他的流体参数。可调变量变送器包括一个或多个传感器，根据处理厂设备的需要，既可置于变送器之内，也可置于变送器之外。

可调变量变送器生成一个或多个变送器输出信号，表示所检测的可调变量。变送器输出信号经通信总线34长距离传输至一个控制器或指示器。在典型的流体处理厂中，通信总线34可以是为与一个控制器，一个控制系统或者一个数字显示装置连接的变送器，或者字段总线连接部件，一个HART协议通信部件或者一个光纤连接部件供电的一个4-20mA的电流回路。在由双线回路供电的变送器中必须使用低压电源，以保证在易爆气体中的真正安全。

在图1中，总孔道流量表30包括一个压力变送器36，沿通信总线34与其连接。液面变送器24，26也包括压力变送器。控制系统32可以编程，以向操作人员显示处理状态，而且可以编程对处理状态进行检测并且通过输出设备，比如说向压力转换器38和控制阀40输出一个电流来对处理进行控制。

在图1中，压力变送器24，26与36均有压力传感器，暴露于各种管道与储藏罐中的可能具有腐蚀性的处理液中。压力变送器24，26与36中的压力传感器的配置中包括钽质的互连件。

在图2中，大概地给出了压力变送器50的部件分解图。变送器50包括一个用于接受差分压力的法兰盘52，两个独立的压力传感器密封壳54(未示出)，和一个电子器件56。变送器50用螺栓固定到适配器58上。法兰盘适配器58与和法兰盘适配器的连接器60或其他的连接硬件的冲击管连接。每个独立的压力传感器密封壳54包括一个传感器以及配套的流体隔离部件与应力隔离件。

图3示出了供一个涡轮发动机设备64使用的压力传感器密封壳62。该涡轮发动机包括涡轮发动机叶片，比如说在涡轮发动机机壳68内旋转的叶片66。涡轮发动机机壳68上设置了一个安装孔70，以供检测涡轮发动机内的压力之用。一个基座72把传感器密封壳62与涡轮机壳68隔开。基座72把压力传感器密封壳62与涡轮机壳隔开，以便为压力传感器密封壳62提供一个低温环境。通过基座72的通道74使涡轮机壳内的加压气体与压力检测密封壳62耦合。一个压力传感器74被置于压力检测密封壳62中。压力传感器74包括具有一个暴露于加压气体中的整体性盲端的一个整体性梁架。压力传感器74还包括隔离的传感器引线78，穿过梁架中的密封开口80，，通过引线82与电子转换电路(未示出)连接。

在图3中，一个涡轮发动机压力探测器的隔离业经改进。该探测器包括一个安装基座，该基座有一个用于装至涡轮发动机壳上的第一端，和一个与第一端隔开的第二端，并有一个安装孔，其形状适于接纳一个压力传感器。

在图4中，以装配图90以及分解图92示出了一个压力传感器。压力传感器94有一个梁架形的压力传感器壳体，由均为单晶体蓝宝石的第一层片96和第二层片98构成。第一层片96与第二层片98通过直接压结工艺而结合在一起。由于直接压结，镜面抛光的蓝宝石表面相互接触，并且无需任何中间的结合材料或烧结而结合。直接压结法，在Petitjean等人的美国5,024,098号专利，Kimura等人的美国5,349,492号专利，Aoshima的美国5,013,380号专利，Aoshima的美国5,201,977号专利，瑞士专利(Auslegeshrift)632,891G，以及Podvigalkina的法国2,246,506号专利中，均给予了描述。单晶体蓝宝石的使用提供了无滞后现象的压力传感器壳体。单晶体蓝宝石的使用还使直接压结的应用成为可能。由于直接压结，就不存在易受腐蚀的或者是含有对温度敏感的残留应力的中间结合材料。

在图4中，梁架94围绕着中央通道102形成梁壁100。梁架94有一个第一端104和一个反向正对的第二端106，第一端104有一个或多个膜片105，用于流体增压。梁壁100在两端之间有一个外梁架安装表面108。中央通道102的第一宽度110在第一端104附近，而第二宽度112在安装表面108附近，但要比第一宽度110窄。第一宽度110为可偏转的传感膜105提供了一个表面，而较窄的第二宽度112用于加强梁架的中央部分，以降低不希望的安装应力或引线应力向传感膜的传递。

在图5中，示出了压力传感器密封壳120的局部的正视剖面图。隔离板122有一个贯通的安装孔124，梁架94即通过该安装孔124进行安装。铜焊接头126密闭地把外梁架安装表面108与安装孔124连接起来。这种密封安装使第二端106与104端的流体增压隔离。该布局提供了两类隔离。铜焊基座提供了一个流体屏障，这样，增压的流体就不会抵达第二端的电气接触垫片，从而使接触垫片免受增压流体的腐蚀。电气接触垫片与膜片位于梁架形传感器壳体相对的两端，这就在它们之间提供了所要求的机械隔离，因而，由电气引线施加的任何力在其抵达传感膜之前均被大大削弱。

在图6中，沿着图5的直线6-6的一个局部剖视图对铜焊接头126作出了图解。该铜焊接头完全是环绕着传感器壳体而设置的，从而实现了密封。而传感器本身，由于是对单晶体蓝宝石层片直接压结而成的，就成为了单个的，整体的，无缝的壳体，这样，就不存在流体通过铜焊接头而渗漏的路径。

在图7至8中，示出了在中央通道102中设置的传导膜。压力传感膜130，132设在第一端104的可因压力而偏转的膜片105上。压力传感膜130，132形成压力传感电容，该电容可因传感器104端的增压而产生偏移。传感器引线134，136从压力传感膜130，132延伸至电气接触垫片138，140。导体134借助于142，144处的生长型电气接触器使一个层片与另一个层片连接。生长型电气接触器包括可生长材料如钽金属的积淀层。安装传感器后，该传感器被加热，钽金属生长进而跨接层片间的空隙以至形成互连。导体139可为传感电路提供电气屏障。

梁架94在第二端106上有一个凹口150。该凹口150在中央通道上使用电气接触垫片138，140的地方形成一个隔离的引线表面152。该凹口显示出一个具有接触垫片的中央通道表面。由于这种布局，就没有必要执行困难的从通道伸出到梁架外端的引线的安装任务。使用期间，梁架外端上的接触垫片很容易受到损坏，而电气接触垫片设在该凹口中就在一定程度上为膜片提供了保护，使其免受划伤。因此也就不必设置外露的电气电路。

单晶体蓝宝石是为传感器壳体优选的材料。单晶体蓝宝石机械性能优良并且耐腐蚀。而且，单晶体蓝宝石可以直接压结。利用单晶体蓝宝石直接压结工艺时，相配套的表面必须非常平，洁净，并且相互充分接触，这样才能实现直接压结。直接压结可免除粘接材料的使用。直接压结还可以免除因高温处理如陶瓷烧结形成的高水平的残留应力。

铜焊接头126最好主要用金与锗制成，以便具有对与单晶体蓝宝石的焊接的良好的相容性。如有必要，可在蓝宝石上积淀金属化层，以便更好连接。隔离板最好主要由与金和锗制成的铜焊接头相容的46号合金构成。

压力传感器密封壳最好包括设置在凹口中的一个密封件107，在通道中密闭出一个高质量的真空，以形成一个独立的压力传感器密封壳。铜焊接头的熔点比该密封件的熔点低，并且该密封件最好是玻璃烧结物。电气接触垫片138，140的隔离在压力循环变化期间有助于降低滞后作用。

温度传感器137最好置于通道的宽度较窄的部位。该温度传感器用于对压力传感器的温度进行检测，使附在压力传感器上的一个电路能够进行温度的平衡。电气接触垫片与传感膜的隔离在温度循环变化期间有助于降低滞后作用。

该传感器密封壳可以利用一组加工工序来制造。梁架是由单晶体蓝宝石层片直接压结构成的。该梁架具有环绕中央通道的梁壁。梁架的第一端是封闭的或为盲端，适于流体的增压。在相反的第二端上提供了一个凹口，该凹口在中央通道上形成一个隔离的引线表面。梁壁在两端之间有一个外梁架安装表面，如有必要可加以金属化，以改善连接。中央通道的第一宽度在第一端附近，第二宽度在该安装表面附近，第二宽度比第一宽度要窄。贯穿隔离板形成一个安装孔。梁架通过该安装孔进行安装。

对铜焊接头进行铜焊，使外梁架安装表面与该安装孔连接。铜焊接头把中央通道上的隔离引线与流体增加密封地隔离开来。

一个传导膜置于中央通道中，包括邻近第一端的一个可偏转的膜片或几个膜片上的压力传感膜，和从压力传感区伸向中央通道隔离引线表面上的电气接触垫片的一个传感器引线部分。

隔离板可以作为具有一个贯通的安装孔的隔离杯来制作，梁架通过该孔进行安装，该杯具有围绕着梁架的第一端而延伸的侧壁，保护梁架免受操作的损坏。

单晶体蓝宝石梁架最好在一个晶片上多梁架地成批制作。

变送设备中的电子电路56可与电气接触垫片耦合，并提供一个变送设备输出信号，表示所测得的压力。

该变送设备最好是如图2中所示的差分变送器，并包括一个如上所述的第一压力传感器的密封壳，以及用于对第二压力进行检测的一个第二传感装置，该第二传感装置包括一个由直接压结的单晶体蓝宝石层片制成的第二梁架，第二隔离杯，第二传导膜，第二铜焊接头，以及第二电气接触垫片，第二电气接触垫片也与电子电路56耦合。差分压力变送设备对一个压力差进行检测，并生成一个代表差分压力的输出信号。

在图9中，以剖面图的方式示出了在一个压力变送设备的壳体162中安装的压力传感器密封壳160。压力传感器密封壳160包括一个如上所述的梁架形的压力传感器164以及一个铜焊到压力传感器164上的隔离杯166。一个配套的法兰盘168通过一个O形环170与压力传感器密封壳160隔离。压力传感器密封壳160最好有一个隔离膜片172并被充以隔离液174以便为传感器提供一个附加的与隔离的保护层。处理流体的压力P是通过一个带有丝扣的部件176施加的。

在图10中示出了压力传感器的另一个实施例，与在图4中所示的实施例相似。在图4中，通道是由两个层片形成的，而在图10中，通道只由这两个层片中的一个层片形成。在图10中使用的参数就是在图4中使用的参数，用以标定相似的或相同的部位。在图10中，层片98的上面未形成凹槽，而且基本上是平的。

在图11中，示出了压力传感器200的分解图，图11所示的实施例是在图4中所示的实施例的替代。在图11中，由于增加了在230，232处所示的支撑方台，用以代替梁壁厚度的增加以缩窄或降低通道的宽度，因而，中央通道的宽度被缩窄或降低。从其他方面来看，传感器200的布局与在图4中所示的传感器90相似。层片214与216是由可以直接压结的材料比如铝构成的。在图11中，层片214与216是按照其装配与直接压结之前的样子进行描绘的。直接压结之后，层片214与216成为一个单一的构件，一个整体构成的梁架。第一层片214有一个刻蚀而成的第一腔室222，由外框220围绕，而第二层片216有一个刻蚀而成的第二腔室224并且延伸到外框220的外面，在第二腔室224与外框220之间形成一个开口208。第一整体方台230位于层片214的腔室222中的盲端与隔离端之间。第二方台232位于层片216的腔室224中的盲端与隔离端106之间。一经装配，第一方台230即与第二方台232对齐，并且方台230，232被整体地结合在一起，形成一个使通道变窄的整体的支撑。以后，当传感器200与隔离杯连接时，该整体的支撑即与隔离杯的连接表面对齐，以提供额外的支撑。

第三与第四方台234与236的位置距隔离端更近。装配时，方台234与236相互间并不接触。方台234与236在其面对的表面上有着导电的晶粒生长材料如钽的平层。方台234与236允许腔室比晶粒生长所能延伸到的距离更深。层片214与216的直接压结完成之后，传感器200受热，导致方台234与236上的导电的晶粒生长材料生长并完成两个方台234与236间的电气连结。这一电气连接在直接压结之后完成，以便不会对层片214与216之间的紧密接触造成影响。

每个层片214与216中存在一个通道，由于相互配对的表面之间精确的对准，就使传感器的安装得以简化。由于为离开通道的引线留有一个开口，因此，该引线就不会对精确对准造成干扰。直接压结完成后，就象在图4中用于传感器的一样，要使用一个密封件。该密封件以及在234，236上的金属晶粒生长的互连与盲端的压力传感区适当地离开，因此，当存在温度变化时，导电的晶粒生长材料的不同的温度膨胀系数以及与层片214，216有关的该密封件就不会对盲端的感测造成不利影响。

传感器200中的金属膜形成电容器板，这些金属膜被有选择地使用，以形成穿过密封件与外部电子电路连接的密封的馈通引线或导体。

虽然已参照优选的实施例对本发明进行了描述，但是本技术领域的专业人士将会理解，在不背离本发明的精神与范围的前提下，可以在形式上以及细节上做出改变。

Claims (16)

1.隔离状况经过改进的一个压力传感器密封壳，包括：

一个用直接压结的单晶体蓝宝石层片制成的梁架形状的压力传感器壳体，该梁架围绕一个中央通道形成一个梁壁，该梁架具有一个第一端，该端有一个用于流体增压的膜片，还有一个在相反方向的第二端，梁壁在两端之间有一个外梁架安装表面；中央通道的第一宽度在第一端附近，而第二宽度在安装表面附近，并且要比第一宽度窄；

一个隔离板，具有一个贯通的安装孔，梁架即通过该安装孔进行安装；

一个铜焊接头，用于密封地把外梁架安装表面与安装孔连接起来，并密封地把第二端与流体增压隔离；

置于中央通道中的传导膜，包括膜片上的压力传感膜部分，以及从压力传感部分伸向电气接触垫片的传感器引线部分，梁架在第二端有一个凹口，该凹口在中央通道上电气接触垫片使用的地方形成一个隔离的引线表面。

2.根据权利要求1所述的压力传感器密封壳，其中的铜焊接头基本上是用金与锗制成的。

3.根据权利要求1所述的压力传感器密封壳，其中的隔离板主要是由46号合金制成的，而铜焊接头主要是用金与锗制成的。

4.根据权利要求1所述的压力传感器密封壳，还包括置于凹口中的一个密封件，并且铜焊接头的熔点低于密封件的熔点。

5.根据权利要求1所述的压力传感器密封壳，其中电气接触垫片的隔离在压力循环变化期间可降低滞后作用。

6.根据权利要求1所述的压力传感器密封壳，还包括一个置于通道的宽度较窄的部位的温度传感器。

7.根据权利要求6所述的压力传感器密封壳，其中的电气接触垫片的隔离在压力循环变化期间可降低滞后作用。

8.制作隔离状况经过改进的压力传感器密封壳的方法，包括：

用直接压结的单晶体蓝宝石层片制作一个梁架，该梁架围绕一条中央通道具有一个梁壁，梁架的第一端适于流体增压，在相反方向的第二端有一个凹口，该凹口在中央通道上形成一个隔离的引线表面，梁壁在两端之间有一个外梁架安装表面；

制作一个中央通道，其第一宽度在第一端附近，第二宽度在安装表面附近，且比第一宽度要窄；

制作贯穿一个隔离板的一个安装孔，并利用该安装孔安装梁架；

对铜焊接头进行焊接，以把外梁架安装表面与该安装孔连接起来，该铜焊接头密封地把中央通道上的隔离引线与流体增压隔离开来；

积淀置于中央通道中的一个传导膜，包括邻近第一端的一个压力传感膜部分，以及从压力感测部分伸向中央通道上的隔离的引线表面上的电气接触垫片的一个传感器引线部分。

9.隔离状况经过改进的一个压力传感器密封壳，包括：

一个用直接压结的单晶体蓝宝石层片制成的梁架，该梁架围绕一条中央通道形成一个梁壁，该梁架具有一个包括适于流体增压的一个膜片的第一端，该梁架还有一个位于相反方向的第二端，梁壁在两端之间有一个外梁架安装表面；中央通道的第一宽度在第一端附近，而第二宽度在安装表面附近，并且比第一宽度要窄；

具有一个贯通的安装孔的一个隔离杯，梁架即通过该安装孔进行安装；

一个铜焊接头，用于密封地把外梁架安装表面与该安装孔连接起来，并密封地把中央通道上的隔离的引线表面与流体增压隔离；

置于中央通道中的传导膜，包括邻近第一端的一个压力传感膜，以及从压力感测部分伸向电气接触垫片的一个传感器引线部分，梁架在第二端上有一个凹口，该凹口在中央通道上电气接触垫片使用的部位形成一个隔离的引线表面。

10.根据权利要求9所述的压力传感器密封壳，其中的梁架是成批制作的。

11.根据权利要求9所述的压力传感器密封壳，还包括：注入隔离杯的隔离流体；以及具有与隔离杯隔离的边框的一个隔离膜片，该隔离膜片用于使处理流体与增压的隔离流体隔离。

12.隔离状况经过改进的一个压力变送器，包括：用直接压结的单晶体蓝宝石层片制成的一个梁架，该梁架围绕一条中央通道形成一个梁壁，该梁架具有一个包括适于流体增压的一个膜片的第一端，该梁架还有一个位于相反方向的第二端，梁壁在两端之间有一个外梁架安装表面；中央通道的第一宽度在第一端附近，而第二宽度在安装表面附近，且比第一宽度要窄；

具有一个贯通的安装孔的一个隔离杯，梁架即通过该安装孔进行安装；

一个铜焊接头，用于密封地把外梁架安装表面与安装壁连接起来，并且密封地把中央通道上的隔离的引线表面与流体增压隔离；

置于中央通道中的传导膜，包括邻近第一端的一个压力传感膜，以及从压力感测部分伸向电气接触垫片的一个传感器引线部分，梁架在第二端上有一个凹口，该凹口在中央通道上电气接触垫片使用的部位形成一个隔离的引线表面；；

与电气接触垫片耦合的一个电子电路，提供表示所感测的压力的一个变送器输出信号。

13.根据权利要求12所述的压力变送器，其中的梁架是成批制作的。

14.根据权利要求12所述的变送器，还包括：

置于隔离杯中的隔离流体，以及对隔离杯中的隔离流体进行密封的隔离膜。

15.根据权利要求12所述的变送器，还包括：

用于感测第二压力的一个第二感测装置，该第二感测装置包括用直接压结的单晶体蓝宝石层片制作的一个第二梁架，第二隔离杯，第二传导膜，第二铜焊接头与第二电气接触垫片，第二电气接触垫片与电子电路耦合，变送器对压力差进行感测并生成表示差分压力的一个输出信号。

16.隔离状况经过改进的一个涡轮发动机压力探测器，包括：

一个安装基座，具有一个用于安装到一个涡轮发动机机壳上的第一端，并有一个与第一端隔开的第二端，而且有一个适于接纳一个压力传感器的安装孔；

一个用直接压结的单晶体蓝宝石层片制成的梁架，该梁架围绕一条中央通道形成一个梁壁，该梁架具有一个包括适于流体增压的一个膜片的第一端，该梁架还有一个方向相反的第二端，梁壁在两端之间有一个安装在安装孔内的外梁架安装表面，中央通道的第一宽度在第一端附近，而第二宽度在安装表面附近，且比第一宽度要窄；

一个铜焊接头用于密封地把外梁架安装表面与该安装孔进行连接，密封地把中央通道上的隔离的引线表面与流体增压隔离；

置于中央通道中的传导膜，包括一个邻近第一端的压力感测膜部分和一个从压力感测部分伸向电气接触垫片的传感器引线部分，凹口在中央通道上电气接触垫片使用的部位形成一个隔离的引线表面。

Images