CN1469995A - 压力测量单元 - Google Patents

Abstract

一种压力测量单元，带有基体(1，23，25)，在构成测量室(3，29，31)情况下与基体(1，23，25)连接的膜片(5，27)，该膜片在工作时发生取决于所要测量的压力(p，p1－p2)的偏移，由基体(1，23，25)的靠近膜片的表面构成的膜片床，其上涂覆至少一个电极(7，33，67)，该电极与涂覆在膜片(5，27)上的对应电极(9，35，69)共同构成电容器，其电容量为膜片(5，27)偏移的测量值，其中，电极(7，33，67)穿过基体(1，23，25)电连接；其中，测量室(3，29，31)在触点接通的区域内具有平整的表面，带有通过贯穿基体(1，23，25)的孔(11，57，71)的触针(13，59，73)，通过它电连接测量电容量的电极(7，33，67)，以及触针在膜片床一侧用焊料(19，57，75)焊接在孔(11，57，71)中，其中，触针(13，59，73)、焊料(19，57，75)和膜片床构成平整的表面。

Description

压力测量单元

本发明涉及电容式压力测量单元。

在压力测量技术中，例如使用绝对压力、相对压力和差压测量单元。在绝对压力测量单元中，所要测量的压力是绝对测定的，即作为与真空相比的压力差。采用相对压力测量单元，接收所要测量的压力为与基准压力，例如存在于传感器所处位置的压力相比的压力差形式。在大部分应用情况下，它是使用位置上的大气压力。因此，在绝对压力测量单元中，根据稳定的相对压力、真空压力测定所要测量的压力，在相对压力测量单元中，根据变化的相对压力，例如环境压力，测定所要测量的压力。差压测量单元测定处于第一个和第二个测量单元上的压力之间的差值。

市场上的压力测量单元带有

-基体，

-在构成测量室情况下与基体连接的膜片，

-该膜片在工作时发生偏移，该偏移取决于所要测量的压力，

-设置在测量室中基体靠近膜片一侧上的电极，

-该电极与安装在膜片上的对应电极共同构成电容器，其电容量为膜片偏移的测量值。

在这种压力测量单元中，电极或者通过膜片和基体之间的间隙，或者穿过基体进行电连接。在第一种情况下，将膜片和基体相互连接的填缝材料必须是电绝缘体。优先选择穿过基体触点接通，因为它不影响基体和膜片之间的连接，并因此可以密封和机械上稳定，还因为它在选择填缝材料时没有限制。

在传统的穿过基体的触点接通中，将金属触针插入贯穿基体的孔中，并在端侧例如利用冲头挤压。由此将触针机械定位，并形成与基体电极的电接触点。

这种方法在大多数应用情况下都能产生非常好的效果，并能快速和成本低廉地实现。然而，这种挤压的方法在有些应用中存在缺陷。

挤压只能取得较低的密封性。不能取得像例如在绝对压力测量单元中所要求的真空密封。因此，特别是在绝对压力测量单元中要求单独密封贯穿触点接通。

由于挤压，孔和金属触针区域内测量室的内表面不平整，并具有例如裂缝或者凹陷等空隙。

例如，如果内表面作为膜片床使用，在过载情况下膜片紧贴在上面，内表面中的这种不均匀性会出现问题。膜片床的不均匀性在过载情况下会产生膜片持续变化的后果，随后会导致严重的测量误差或者甚至导致压力测量单元完全脱落。

几何形状上的不均匀性，特别是裂缝，在电接触点的区域内可能会导致接触电阻升高并在接收测量值时产生与此相关的缺陷。

若测量室注入压力液体，会出现其他问题。在注入液体的压力测量单元中，最好使用非常小的液体容积，因为可以将温度造成的液体的热膨胀保持在尽可能小的程度上。对测量精度相当重要的是，注入液体的容积尽可能不变。要绝对避免凹陷、裂缝或者其他形状的空隙，随着时间的变化，未知量的液体容积会渗入其中。在差压测量单元中特别重要的是，不仅容积要尽可能不变，而且在差压测量单元的两部分中尽可能存在相同的液体量。不同液体量的后果是不同的温度历程，它直接影响测量精度。

本发明的目的在于，提供一种压力测量单元，其中，设置在测量室中基体上的电极穿过基体电连接；其中，测量室在触点接通的区域内具有平整的表面以及真空密封的和耐压的连接。

为此，本发明在压力测量单元中带有

-基体，

-在构成测量室情况下与基体连接的膜片，

-该膜片在工作时发生偏移，该偏移取决于所要测量的压力，

-由靠近膜片的基体表面构成的膜片床，

-其上涂覆至少一个电极，

-该电极与涂覆在膜片上的对应电极共同构成电容器，其电容量为膜片偏移的测量值，以及

-通过贯穿基体的孔的触针，

-通过它电连接测量电容量的电极，以及

-触针在膜片床一侧用焊料焊接在孔中，

-其中，触针、焊料和膜片床构成平整的表面。

依据一形成，基体和/或者膜片由陶瓷或者单晶体组成。

依据另一形成，触针由钽组成，焊料为活性焊料，特别是银-铜焊料。

依据另一形成，所要测量的压力工作时作用于膜片，并且在测量室中存在几乎0mbar的非常小的压力或者穿过基体传递的基准压力。

依据一其他形成，膜片设置在基体和另一基体之间，膜片和另一基体构成另一测量室，并在工作时在测量室中存在第一种压力，在另一测量室中存在第二种压力。膜片的偏移取决于与第一种和第二种压力的差值相应的所要测量的压力。

依据最后所述形成的另一形成，基体具有贯穿通过测量室的孔，压力小管引入孔中，通过压力小管在工作时传递测量室的第一种压力，另一基体具有贯穿通过测量室的孔，压力小管引入孔中，通过压力小管在工作时传递另一测量室的第二种压力。

此外，本发明在用于制造压力测量单元的一方法中存在

-触针插入孔内

-在基体和触针之间的膜片一侧加入焊料，

-焊接触针，

-研磨膜片床，

-将电极涂覆到平整的膜片床上，以及

-基体和膜片通过接缝彼此固定连接。

依据该方法的一形成，膜片借助于接缝与基体和另一基体连接，第一个压力小管焊接在基体中，第二个压力小管焊接在另一基体中。

现在，借助附图中所示的三个实施例详细介绍本发明及其其他优点。相同的元件在附图中具有相同的参考符号。其中：

图1示出依据本发明作为电容式绝对压力测量单元结构的压力测量单元的剖面；

图2示出依据本发明作为电容式相对压力测量单元结构的压力测量单元的剖面；以及

图3示出依据本发明作为电容式差压测量单元结构的压力测量单元的剖面。

图1示出依据本发明的压力测量单元的剖面。它具有圆柱形基体1和在构成测量室3情况下与基体1连接的圆片形膜片5。

膜片5和基体1由绝缘体组成，最好由陶瓷或者由单晶体组成，例如蓝宝石。它们通过接缝6借助于例如活性硬焊料，例如锆石-铁-钛-铍焊料，彼此在各自的外部环形边上连接。

在工作时，膜片5发生取决于所要测量的压力P的偏移。为此，例如压力P从外部作用于膜片5。这一点在图1中通过箭头标示。

基体1的靠近膜片的表面构成膜片床。膜片床上涂覆电极7，它与涂覆在膜片5上的对应电极9共同构成电容器，其电容量是膜片5偏移的测量值。

对应电极9在其外部边缘上与接缝6导电邻接，最好通过导电的接缝6接地或者连接在固定的基准电位上。

基体1具有贯穿孔11，触针13穿过其中。触针13由可导电的材料组成，并在膜片一侧用焊料14焊接在孔11内。例如钽特别适用于触针13，因为它是一种高熔度的可塑性材料。它耐几乎所有酸和碱，特别耐腐蚀。如果为膜片5和基体1使用氧化铝陶瓷，钽又呈现出另一优点：具有与氧化铝陶瓷非常类似的热膨胀系数。作为焊料，特别适用的是活性硬焊料，特别是银-铜焊料。因此，可以产生触针1 3和孔11之间的密封接合。

触针13、焊料14和膜片床依据本发明构成平整的表面。洁净平整的表面，例如经过研磨的表面具有的优点是产生均匀的接触面。这样的接触面实现与附加涂覆的电极7的平面连接，通过该连接产生良好导电的连接。

另一优点在于，通过在该位置上的平整表面形成总体平整的膜片床，膜片5在过载情况下可以毫无损害地紧贴在该膜片床上。因此，膜片5即使在例如40000kPa(400bar)的较高过载情况下仍能得到可靠承受，并且测量单元在过载衰减后继续完好地在其技术条件内工作。

通过触针13电连接测量电容量的电极7。为此，触针13的第一个末端与电极7导电连接。剩下的第二个末端从基体1中伸出，并在所示实施例中输送给设置在基体1上的电路15。电路15将电容器的电容量变化转变为电输出信号，例如转变为相应变化的电压。输出信号通过连接线17可供进一步处理和/或者计值。

为取得更高的密封性和改善机械稳定性，触针13在远离膜片床一侧上也可以用焊料19与孔11连接。它附加具有的优点是，不会向触针13的靠近膜片床的末端上并因此不会向与电极7的电触点上传递机械力。从外部作用的力通过用焊料19固定在远离膜片床的侧面上收集。

在触点接通区域内相互邻接的材料具有不同的热膨胀系数，并且压力测量单元可能会受到显著的温度变化，对于这种情况来说，更为有益的是，触针13只在一侧端面焊接，或者孔11在其整个长度上用焊料填充。后一种变通作法具有的优点是，以温度为条件的应力分布在整个长度上。

不言而喻，本发明并不局限于带有唯一电极的压力测量单元及其通过焊接触针依据本发明的连接上。不言而喻，可以具有多个电极，它们按照在所示实施例中介绍的方式电连接。

图1示出绝对压力测量单元。测量室3抽真空，以至于在测量室的内部存在几乎0mbar的非常小的压力，所要测量的压力p与测量室3内部的真空压力相关测定。

可以按照完全相似的方式构成基准压力测量单元。图2示出对此的实施例。与图1示出的绝对压力测量单元的不同之处仅在于，测量室3不抽真空。取代其的是在测量室3内存在穿过基体1传递的基准压力P_R。基准压力P_R例如是存在于测量单元周围的压力。例如它可以像图2示出的那样，通过贯穿基体1的孔21引入测量室3内。

通过首先将触针13在膜片床一侧的前端整平插入孔11，制造图1和2示出的压力测量单元。

在基体1和触针13之间的膜片床一侧和可能的话也在与膜片床相对的侧面上加入焊料14，19。随后，将触针13一侧或者两侧在真空下的炉内或者在保护气体气氛下焊接。

在下一个操作步骤中，研磨膜片床直至具有平整的并由于焊料14特别是无裂缝的表面。

涂覆电极7，例如溅射或者蒸镀在该平整的和特别是无裂缝的表面上。电极7最好同样由钽组成。然而，其他金属同样可以使用。

溅射或者蒸镀制造的电极非常精密，厚度小，例如为0.1μm。通过焊接触针13获得的平整表面在这种很小层厚情况下特别具有优点，因为它在很小层厚的情况下也能提供良好的电接触表面。

采用同样的方法也可以使膜片5具有对应电极9，并在最后的操作步骤中完成膜片5和基体1之间的接缝6。为此，将填缝材料，例如上述的锆石-铁-钛-铍活性硬焊料涂覆在基体1边缘上的环形片状的表面，并将膜片5置于其上。基体1和膜片5通过接缝在真空下的炉内或者在保护气体气氛下彼此固定连接。

图3示出依据本发明压力测量单元的另一实施例。这里涉及差压测量单元。它具有基体23和另一基体25。在基体23和另一基体25之间设置膜片27。膜片27在构成测量室29情况下与基体23连接，并在构成另一测量室31情况下与另一基体25连接。

膜片27，基体23和另一基体25由绝缘体，最好由陶瓷或者单晶体，例如蓝宝石组成。基体23，25分别通过接缝32，34，例如借助活性硬焊料，例如锆石-铁-钛-铍焊料，在各自的外部环形边上与膜片27连接。

在工作时，测量室29内存在第一种压力p1，在另一测量室31内存在第二种压力p2。膜片27的偏移取决于与第一种和第二种压力p1，p2的差值相应的所要测量的压力。

为输送压力，基体23具有贯穿通过测量室29的孔37，压力小管39引入孔中。通过压力小管39在工作时输送测量室29的第一种压力p1。类似的是，另一基体25为输送压力具有贯穿通过测量室31的孔41，压力小管43引入孔中。通过压力小管43在工作时输送另一测量室31的第二种压力p2。

压力小管39，43在所示的实施例中各自与压力中间件45，47连接。压力中间件45，47分别具有各自覆盖室53，55的分离膜片49，51。第一种压力p1和第二种压力p2分别从外部向分离膜片49和第二个分离膜片51施加作用。室53，55，压力小管39，43和测量室29，31注入在相当程度上不可压缩的液体，例如硅酮油。通过该液体，从外部作用于分离膜片49，51的第一种和第二种压力p1，p2传递到膜片27的各一侧上。

与前述压力测量单元完全一样，这里也将电容器作为电-机转换器使用。在该压力测量单元中，在由基体23的靠近膜片的表面构成的膜片床上，也涂覆电极33，该电极与涂覆在膜片27上的对应电极35共同构成电容器，其电容量为膜片27偏移的测量值。对应电极35通过邻接在其上的接缝32与基准电位，例如接地导电连接。

图3差压测量单元的左半部分，带有基体23，膜片27，电极33和对应电极35，原理上与图1和2示出的测量单元相仿。然而，测量室29如已经提及的那样，注入液体并连接在压力中间件45上。

与前面的实施例完全一样的是，这里也具有穿过贯穿基体23的孔57的触针59，通过其电连接测量电容量的电极33。触针59在膜片床一侧用焊料61焊接在孔57内，并且触针59，焊料61和膜片床构成平整的，例如研磨的表面。

最好差压测量单元的右半部分与左半部分结构相同，并具有涂覆在基体25靠近膜片表面上的电极67，它与涂覆在膜片27上的对应电极69共同构成电容器，其电容量为膜片27偏移的测量值。对应电极69通过邻接在其上的接缝34与基准电位，例如接地导电连接。与左侧完全一样的是，在右侧上也具有穿过贯穿基体25的孔71的触针73，通过其电连接测量电容量的电极67。触针73在膜片床一侧用焊料75焊接在孔71内，并且触针73，焊料75和膜片床构成平整的，例如研磨的表面。

除了上述优点外，图3示出的实施例中的平整的表面还具有额外优点，即不存在会有不确定量液体渗入的空隙。准确恒等的、尽可能小的和在两半部分中尽可能相同的液体容积，是取得高测量精度的重要前提条件。

与上述实施例同样类似的是，触针59，73也可以在远离膜片床侧面上借助于焊料62焊接在基体23内或借助于焊料77焊接在基体25内。然而，在大部分应用中，靠近膜片床单侧焊接足够。

触针59与电路63连接，电路测定电容器的瞬时电容量，并转换成电输出信号，输出信号通过连接线65可供进一步处理和/或者计值。

与此相仿，触针73与电路79连接，电路测定电容器的瞬时电容量，并转换成电输出信号，输出信号通过连接线81可供进一步处理和/或者计值。

最好构成两个电容量的差值，并从中推断出影响压力测量单元的压差。

图3中介绍的差压测量单元的制造方法基本上与前述的制造方法相符。因此，下面仅详细介绍一下不同之处。

不同之处主要在于，膜片27借助于接缝与基体23和另一基体25连接。它可以一步操作完成。最好在该操作中也将第一个压力小管39和第二个压力小管43分别焊接在基体23和另一基体25中。

压力小管39，43例如由不锈钢构成，并例如用活性硬焊料，例如银-铜焊料焊接在基体23，25中。也可以选择为压力小管39，43使用更高级的材料。例如使用钽或者铁-镍-钴合金，例如以商品名称Kovar或者Vacon可以买到的那样。

首先将焊料加入膜片27与第一个和第二个基体23，25之间以及孔37，41内。然后引入压力小管39，43，并将测量单元送入炉内，在真空或者保护气体气氛下进行焊接。

当然，本发明并不局限于带有唯一电极的压力测量单元上。在所述的所有实施例中，为接收测量值和例如为校准目的，也可以使用各自两个或者多个电极来取代单个电极7，33，67。这些电极然后同样设置在各自的基体1，23，25上，并且各电极分别按照前述方式借助于焊接在相应孔中的触针连接。

Claims (8)

1.一种压力测量单元，带有

基体(1，23，25)，

在构成测量室(3，29，31)情况下与基体(1，23，25)连接的膜片(5，27)，

该膜片在工作时发生取决于所要测量的压力(p，p1-p2)的偏移，

由基体(1，23，25)的靠近膜片的表面构成的膜片床，

其上涂覆至少一个电极(7，33，67)，

该电极与涂覆在膜片(5，27)上的对应电极(9，35，69)共同构成电容器，其电容量为膜片(5，27)偏移的测量值，以及

通过贯穿基体(1，23，25)的孔(11，57，71)的触针(13，59，73)，

通过它电连接测量电容量的电极(7，33，67)，以及

触针在膜片床一侧用焊料(19，57，75)焊接在孔(11，57，71)中，

其中，触针(13，59，73)、焊料(19，57，75)和膜片床构成平整的表面。

2.按权利要求1所述的压力测量单元，其中，基体(1，23，25)和/或者膜片(5，27)由陶瓷或者单晶体组成。

3.按权利要求1所述的压力测量单元，其中，触针(13，59，73)由钽组成，焊料为活性硬焊料，特别是银-铜焊料。

4.按权利要求1所述的压力测量单元，其中，所要测量的压力(P)工作时作用于膜片(5，27)；其中，在测量室(3)中存在几乎0mbar的非常小的压力或者穿过基体(1)传递的基准压力(P_R)。

5.按权利要求1所述的压力测量单元，其中，

膜片(27)设置在基体(23)和另一基体(25)之间，

膜片(27)和另一基体(25)构成另一测量室(31)，

工作时在测量室(29)中存在第一种压力(p1)，

工作时在另一测量室(31)中存在第二种压力(p2)，

其中，膜片(27)的偏移取决于与第一种和第二种压力的差值(p1-p2)相应的所要测量的压力。

6.按权利要求5所述的压力测量单元，其中，

基体(23)具有贯穿通过测量室(29)的孔(37)，

压力小管(39)引入孔中，通过压力小管在工作时传递测量室(29)的第一种压力(p1)，

另一基体(25)具有贯穿通过测量室(31)的孔(41)，

压力小管(43)引入孔中，通过压力小管在工作时传递另一测量室(31)的第二种压力(p2)。

7.一种用于制造按前述权利要求之一所述的压力测量单元的方法，其中，

触针(13，59，73)插入孔(11，57，71)内，

在基体(1，23，25)和触针(11，57，73)之间的膜片一侧加入焊料(14，61，75)，

焊接触针(11，57，73)，

研磨膜片床，

将电极(7，33，67)涂覆到平整的膜片床上，以及

基体(1，23，25)和膜片(5，27)通过接缝彼此固定连接。

8.按权利要求6和7所述的制造压力测量单元的方法，其中，

膜片(27)借助于接缝(34)与基体(23)和另一基体(25)连接，

第一个压力小管(39)焊接在基体(23)中，第二个压力小管(43)焊接在另一基体(25)中。

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