CN1459621A - 绝对压力型压力传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种绝对压力型压力传感器。这种传感器有一个具有一金属膜的压力测量装置。应变片设置在膜的表面上，膜的另一表面用于接收被测流体。这种传感器包括一个盖、一个中继板、两个密封环和一个输入/输出端。盖形成一个参考压力空间。中继板与应变片电连接，它由一个层叠的陶瓷部件构成，层叠的陶瓷部件有用于连通其两表面的通孔和向外的伸出部件。两个密封环分别面向中继板的两个侧面。其中的一个密封环将中继板和膜气密性地连接。另一密封环将中继板和盖气密性地连接。输出端电连接到中继板并安装在中继板的伸出部件上。

Description

绝对压力型压力传感器
发明背景
本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种能测量绝对压力值的绝对压力型压力传感器。
通常，多种形式的绝对压力型压力传感器已经公知。在这些传感器中，其中公开(未审查的)号为1998-90096的日本专利(参考文件1)和公开(未审查的)号为1999-83655的日本专利(参考文件2)公开了一种绝对压力型压力传感器，在这种传感器中，用一个膜把扩散半导体型压力敏感片液密性地封装起来，这样封装液体可以防止流体与传感片的接触。
另一公开(未审查的)号为1999-295174的日本专利(参考文件3)也公开了一种绝对压力型压力传感器。这种压力传感器利用一个金属压力盒作为盖子。这种压力盒在传感器片的应变片一侧上形成一个参考压力空间(真空空间)。传感器片的与应变片相对的另一侧面与被测流体接触。另外，一个密封接头或一个旁路电容器安装到压力盒上，以使导线连接到压力盒上。从传感器片传出的电信号经由电线、线路板和导线传至密封接头或旁路电容器的引线，然后传到终端。
另外，公开号为6351996的美国专利(参考文件4)也公开了另一种绝对压力型压力传感器。这种传感器有一个参考传感空间，由于没有采用金属盖，这种参考传感空间构造起来比较简单。实际上，这种参考压力空间是由一个用树脂封装的预制模构成，导线框架和树脂之间的粘结用来密封压力参考空间。
然而，前述的几种传感器有以下几个不足。在参考文件1和2公开的绝对压力型压力传感器中，为防止空气与封装液体的混合，它需要在生产过程中，传感应变片所在的空间在液体封装前首先要抽成高度真空。这种方法使生产过程变得相当复杂，并且，如果密封膜被弄破，整个管道将被封装液体污染。
参考文件3所公开的绝对压力型压力传感器构造复杂，并且需要多个电连接。另外，更多的电连接设置在用焊接形成的压力盒内，这样会使传感器的安装工作复杂。由于有多个电连接，这种传感器的可靠性降低。
还有，参考文件4所公开的那种绝对压力型压力传感器，由于用导线构架和树脂之间的粘结来实现参考压力空间的密封，所以其密封可靠性低。
考虑到以上不足，如图9至11所示，本发明提供过一种能解决前述不足的绝对压力型压力传感器。为清楚说明，应变片9形成在膜8的表面上，构成压力测量装置1的一部分，用焊接方法将密封接头2耦合在压力测量装置周围。用导线3来实现密封接头的输入/输出端7与应变片9的电连接。这些连接好之后，一个金属盖4设置在压力测量装置1上并以真空的方式焊接到密封接头2上。在测量装置1的主体上形成一个流体引入口6。这种压力传感器提供的参考压力空间5具有比较高的可靠性，参考压力空间形成在盖4和压力测量装置1之间。
然而，由于流体引入口6和输入输出端7在它们的方向上是一致的，沿着这个方向形成孔6并连接输入/愉出端7，这样就会使压力传感器的安装有一个缺陷。
发明概述
本发明的传感器的制造考虑到了以上情况，所以，本发明的一个目的是在简化制造步骤的情况下，提供一个结构比较简单而且有很好密封效果的绝对压力型压力传感器，这样可使传感器方便安装、具有很高的可靠性和对待测量的流体的绝对压力有很高的测量精度。
为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种绝对压力型压力传感器，在这种传感器中，设置一个具有带有两个表面的金属膜的压力测量装置，两个表面中的一个表面支持位于其上的应变片，另一表面与引入的被测流体接触，这种传感器包括：一个金属盖，其设置成能提供一个面对着在金属膜上的应变片的参考压力空间；一个与应变片电连接的中继板，其由层叠的陶瓷部件构成，层叠的陶瓷部件上具有用于连通中继板两表面的通孔和一个向外的伸出部分；分别面对中继板的两表面的两个密封环，其中的一个密封环有与中继板的一个侧面和膜的圆周端部气密性地连接的两个圆周端部，另一个密封环有与中继板的另一侧面和盖的圆周端部气密性地连接的两个圆周端部，因此形成了参考压力空间；和一个与中继板电连接的输入/输出端，为使输入/输出端向处伸展，其设置在中继板的伸出部分上。优选地，中继板的伸出部分伸出到两个密封环的边缘之外。
相应地，由于应变片设置在膜的与引入被测流体相背的面上，所以可以做到不与流体接触就能测量流体压力。另外，由于两个密封环连接在中继板的两个表面上而形成一参考压力空间，参考压力空间就能保持很好的气密性。这样就能精确地测量出流体的绝对压力。另外，由于输入/输出端连接到中继板的伸出部件上，这样传感器的线路可以简化，进而降低生产成本。
优选方式为，设置在中继板上的线路部件通过中通孔与应变片电连接。由于采用中通孔来电连接中继板和应变片，这样也可以简化传感器的结构。
优选方式为，在中继板的另一表面上做成一凹槽的腔室，腔室提供一个凹槽表面，在凹槽表面上设置线路部件。腔室的形成缩短了面对在中继板上的盖的表面(即腔室底)和应变片之间的距离，这样也就缩短了通过中通孔的用于电连接的导线的长度。所以，传感器的抗振性能增强，测量精度也相应提高。
还有，优选方式为，在中继板上的面对盖的线路部件位于比另一密封部件更靠里的位置上，并且在中继板上的面对膜的线路构图与输入/输出端电连接。这种结构使得金属蒸汽不会粘到中继板上的线路上，金属蒸汽是在真空空间内把盖焊接到位于中继板的盖侧表面上的密封环上时产生的。所以，这样可以增强中继板的绝缘性能，进而提高流体绝对压力的测量精度。
顺便提一种实施例，输入/输出端的伸出方向不同于压力测量装置的安装方向。例如，使这两个方向的夹角约为90度。所以，当这种压力传感器安装到要测流体的所需位置时，输入/输出端才不会成为安装操作的障碍。这样才会使绝对压力型压力传感器的安装显著简化。
附图说明
参照如下相关附图，本发明的其他目的和各方面将从下面的描述和实施方式中得到清楚理解。
图1是根据本发明第一实施方式的绝对压力型压力传感器的平面图。
图2是图1所示的绝对压力型压力传感器沿垂直于传感器的纵向方向切去盖后的平面图；
图3是沿图1的III-III线的截面图；
图4是沿图1的IV-IV线的另一截面图；
图5是根据本发明第二实施方式的绝对压力型压力传感器的平面图；
图6是图5所示的绝对压力型压力传感器沿垂直于传感器的纵向方向切去盖后的平面图；
图7是沿图5的VII-VII线的截面图；
图8是沿图5的VIII-VIII线的另一截面图；
图9是传统的绝对压力型压力传感器的平面图；
图10是图9所示的传统的绝对压力型压力传感器移去盖后的平面图；
图11是沿图9的XI-XI线的截面图；
优选实施方式详述
参照相关附图，下面将对本发明的绝对压力型压力传感器的优选实施方式进行详述。
(第一实施方式)
参照图1至4，下面描述绝对压力型压力传感器的第一实施方式。
这种绝对压力型压力传感器具有一个压力测量装置11、一个金属盖13、一个中继板14和一个输入/输出端15。
如图3和4所示，在这些构件中，压力测量装置11具有一个带有金属膜10的圆筒部件11a，在金属膜10的一个面上安装应变片9(如图10所示那样)。安装应变片的那一面位于与由圆筒部件11a的相对侧的表面形成的流体引入口20相对的圆筒部件11a的侧面上。设置金属盖13以形成包围放在金属膜10上的应变片9的参考压力空间12。中继板14不仅与应变片9电连接而且也与输入/输出入端15电连接。
如图3所示，中继板14由薄片陶瓷盘制成。在图3中以图画的方式用链形双点线表示了这种薄片陶瓷盘的边界。正如图3和4所示，一个圆盘状的腔室16在中继板14的一个面的中央区域形成一个凹陷。在腔室16的底部的中间部分预先确定的位置上开有多个通孔17，这样可以使中继板14的两个面之间相通。
如图2至图4所示，在中继板14的两面分别设置有金属密封环18和19。密封环18位于中继板14的一个面上，并且位于中继板14和圆筒部件11a之间，这样密封环18可以气密性地密封。另一密封环19位于中继板14的另一个面上，并且位于中继板14和盖13之间，这样密封环19可以气密性能密封参考压力空间12。密封环18和19被铜焊接到中继板14的表面上。密封环18和19最好由镍合金(Kovar：注册商标)、42-合金或其他材料构成，这些材料的温度系数(例如线性膨长系数)接近构成中继板14的陶瓷。
如图3和4所示，压力测量装置11有一用作测量主体的圆筒部件11a，圆筒部件11a的一端用膜10封住。圆筒部件11a是通过对一个金属坯进行切割或煅压处理被整体塑造成一个部件。圆筒部件11a有一个引入液体并将液体引入到膜10的表面的流体引入口20。如上所述，为防止与液体的接触，应变片9安置在与液体引入口20相对的膜10的另一侧面上(参照图10)。应变片9的图案如图10所示，它被制成薄层，这在图3和4中被省略。
如图3和4一般所示，金属膜10的外部四周部分，即圆筒部件11a的外肩部分，制成能与金属环18气密性地连接，以使压力测量装置11完全与中继板14连接。实际上，圆筒部件11a的外肩部分与密封环18相匹配，并且存在于其间的一个连接处21在其四周被完全焊结。这种焊接用更高热密度的焊接方式来完成，以使压力测量装置11免于焊接所带的高温影响。这种焊接包括激光焊、氩弧焊或其他焊结形式。
如图2所示，在膜10上的应变片9经由垫24电连接到形成在与膜10相对一侧的中继板14上的表面上的电路。这在图2中没有示出。为实现这些连接，连接线22穿过中继板14上的通孔17。由于用通孔17来实现中继板14和应变片9的电连接，这样构造出的绝对压力型压力传感器结构简单。
另外，在与膜10的相对一侧中继板14的表面上形成腔室16，这样一来，在中继板14上的电路与应变片9之间的距离与没有腔室的结构相比会缩短。这种距离的缩短导至用于电连接的连接线22的缩短，这样可以提高压力传感器的抗振性，进而提高压力传感器的可靠性。
如图1至4所示，金属盖13形成为一圆筒部件13a，其一端被一端板13b封盖，圆筒部件13a和端板13b用煅压或其他工序形成为一个整体部件。圆筒部件13a的开口端与金属密封环19相匹配，在它们中间形成的连接处23在其周边被焊接。这种焊接使由盖13封闭的空间保持气密性，应变片9位于这个空间中。
由于这个用作参考压力空间12的气密空间需要制成真空，在真空腔室要进行焊接处理。特别是，连接完前述的连接线22后，金属盖13盖在金属密封环19上，然后放入真空腔室。在这种状态下，在5×10-2托或更小(优选为1×10-3托或更小)的真空度下将电子通量辐射到连接处23的条件下，对连接处23的周边进行电子束焊接以便密封，这样焊接连接处23以将盖13和密封环19连接起来。这样，由金属盖13、中继板14和金属膜10所包围的参考压力空间12形成为真空空间。
另外，参考压力空间12在长时间内需要保持相同的压力。如果在空间12内的压力发生变化，本传感器的输出压力也相应变化。为避免这种情况，如树脂的有机物质和如水分的气化物质应尽可能地从参考压力空间中去除。这样，在进行前述的密封工作之前，盖在金属密封环19上的金属盖13应在高温真空空间中烘干以去除水分。最好在安装传感器之前也进行这种烘干程序。
输入/输出端15连接到中继板14的向外突出部分的下表面，这样可以沿与中继板14平行的方向伸展。这个突出部分位于向外超出密封环18和19的边缘处。优选地，输入/输出端15由镍合金(Kovar：注册商标)材料、42-合金和或其他的那些温度系数(例如线性膨胀系数)接近构成中继板14的陶瓷的合金。输入/输出端焊接到中继板14上。尽管在图中没有示出，在中继板14上的线路通过图2所示的通孔和形成在中继板14上的内部安装空间可以连接到输入/输出端15上。
正如图3所示，输入/输出端15在不同于压力测量装置的圆筒部件11a的方向上伸出。如图3所示，这两个不同方向的夹角大约为90度。相应地，在圆筒部件11a，也就是压力测量装置11要安装至流体被测量的理想位置时，输入/输出端15才不会成为安装操作的障碍。所以安装绝对压力型压力传感器的工作显著简化。
当在真空空间内进行前述的电子束焊接时，在连接处23上或其附近将产生金属蒸汽。如果金属蒸汽粘到中继板14的线路上，这样就可能降低线路的绝缘性能。所以，应该采取措施，使包括输入输出端15在内的所有线路不直接暴露在金属蒸汽下。在本实施方式中，解决该问题是采用这样一种结构：在面对金属盖13的中继板14的表面上的线路构图位于比金属密封环19更靠里的位置，即位于参考压力空间12内，并且输入/输出端15在面对金属膜的中继板14的另一面上与线路构图电连接。这种结构可以避免金属蒸汽粘到中继板上的线路构图上，也不会粘到连接部件输入/输出端15上，这样可以保持中继板14的高绝缘性。
下面将解释根据本实施方式的绝对压力型压力传感器的操作及其优点。
为测量压力，压力测量装置11的圆筒部件11a固定安装到理想的测量位置，例如在管道上的指定位置。
通过圆筒部件11a上的流体引入口20，把诸如气体和液体的流体引入到压力测量装置11，然后到达膜10。当由于引入到流体引入口20的流体所产生的压力接收使膜10发生弹性变形时，安装在膜10后面的应变片9感应膜10产生的变形，并输出一个根据这种变形大小而变化的电信号。
电信号经过连接线22、中继板14和输入/输出端15而从传感器传出。
如上所述，绝对压力型压力传感器利用了一个由薄片陶瓷部件构成的中继板14和分别安置并粘接到中继板14的两个面上的金属密封环18和19。为气密性地围封膜10的外围圆周部分，一个金属环18与金属膜10连接；而为气密性地围封参考压力空间12，另一金属环19与金属盖13和中继板14连接在一起。这样，参考压力空间12能长时间内保持更高的气密性，所测的流体绝对压力才能有很高的精度。
(第二实施方式)
参照图5至8，下面将描述根据本发明的第二实施方式的绝对压力型压力传感器。
在这一实施方式中的绝对压力型压力传感器装配有一个不同于第一实施方式中的中继板26。明确地说，中继板26没有如第一实施方式中的那样在中继板14上设置一个腔室。所以中继板26的两个表面是平的，这样它的制造工序和第一实施方式中的中继板14的制造工序相比就可以简化。
其他部件和制作都与第一实施方式中的完全一致，所示的附图标记也与第一实施方式中的相同，对其具体描述在这里省略。
为完全起见，应当提及的是，到此所列举的实施方式并不限定本发明的其他可能实施方式。本领域的技术人员可以根据已知技术组合成多种结构，或对其增补和修改，这些都没脱离本发明的发明宗旨。
包括说明书、权利要求书、附图和概述在内的于2000年5月17申请的日本专利2000-14207的全部内容以引用参考的方式结合在申请中。

Claims (6)

1、一种绝对压力型压力传感器，其中设置一个带有具有两个表面的金属膜的压力测量装置，两个表面的其中之一用来支撑在其上放置的应变片，另一表面用于接触引入待测的流体，这种传感器包括：
一个金属盖，其设置成能提供一个面对着在金属膜上的应变片的参考压力空间；
一个与应变片电连接的中继板，其由层叠的陶瓷部件构成，在层叠的陶瓷部件上具有用于连通中继板两侧的通孔和一个向外的伸出部分；
分别面对中继板的两侧面的两个密封环，其中的一个密封环有与中继板的一侧面和膜的圆周端部气密性地连接的两个圆周端部，另一个密封环有与中继板的另一侧面和盖的圆周端部气密性地连接的两个圆周端部，因此形成了参考压力空间；和
一个与中继板电连接的输入/输出端，为使输入/输出端向处伸展，其设置在中继板的伸出部分上。
2、根据权利要求1所述的绝对压力型压力传感器，其特征在于中继板的伸出部分伸出在两个密封环的边缘之外。
3、根据权利要求2所述的绝对压力型压力传感器，其特征在于设置在中继板上的线路部件通过中通孔与应变片电连接。
4、根据权利要求3所述的绝对压力型压力传感器，其特征在于在中继板的另一侧面上成一凹槽的腔室，腔室提供一个下凹的表面，在下凹的表面上设置线路部件。
5、根据权利要求2所述的绝对压力型压力传感器，其特征在于在中继板上的面对盖的线路部件位于比另一密封部件更靠里的位置上，并且在中继板上的面对膜的线路构图与输入/输出端电连接。
6、根据权利求2所述的绝对压力型压力传感器，其特征在于输入/输出端的伸出方向不同于压力测量装置的安装方向。
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