CN1791789B - 压力传感器膜盒 - Google Patents

Abstract

一种可接合至流体隔离器的膜盒，包括：膜盒壁；隔离流体；膜盒壁中的压力传感器，包括传感器部件、电触点、耦合于电触点和传感器部件之间的电路轨迹、以及结合在一起的第一和第二层，传感器部件是设置于压力传感器外表面上的薄膜应变计部件，并且电路轨迹由与应变计部件的薄膜相同的薄膜材料形成；以及应力隔离部件，具有叠加在电触点上、并与膜盒壁中的穿通开口对准的贯通孔，并具有结合至压力传感器的第一部件表面和结合至内部密封表面的第二部件表面，传感器部件与应力隔离部件和电触点隔开，应力隔离部件限定了在压力传感器和压力传感器的装配环境之间的固态装配区域，位于应力隔离部件之外的压力传感器的一部分悬挂于流体中，并不经受施加任何装配应力。

Description

压力传感器膜盒

技术领域

本发明涉及一种压力传感器膜盒，特别是涉及一种可接合至流体隔离器的膜盒。

背景技术

压力传送器和其它压力传感设备包括传感构成流体中的压力的压力传感器。所述压力传感器提供引线上的电输出至产生标准电格式中的压力传送器(或压力设备)输出的电路。

期望具有基本上不受由于压力传感器周围的环境条件的误差影响的压力传感器的电输出。然而，在实践中，压力传感器与其环境的隔绝是困难的，并导致用于压力传感器的庞大和昂贵的装配结构。

通过来自它的装配、来自电引线以及来自表示温度梯度的过程流体的高温的传感器上的应力会引入误差。由于过程流体中的化学制品，通过传感器和它的引线的腐蚀或污物也会引入误差。由于从电引线至环境流动的偏差电流也会引入误差。该传感器包括用于连接至压力、连接至电引线，并用于装配成提供对传感器的机械支持的多重隔离结构。

装配和隔离压力传感器的低成本方式需要与高温、腐蚀或污染过程流体和电隔离条件相适合，并且这减小了多重隔离设备的成本和复杂性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种可接合至流体隔离器的膜盒，其应力隔离部件设置成提供单独机械界面区中的机械装配和电穿通，因此提供了一种能够以低成本方式装配和隔离的、适于高温、腐蚀性或污染的过程流体压力传感器。

根据本发明的一个方面，提供一种可接合至流体隔离器的膜盒，其包括：

膜盒壁，其具有可接合至流体隔离器的流体进口、穿通开口和围绕穿通开口的内部密封表面；

由膜盒壁容纳并耦合来自流体隔离器的压力的隔离流体；

膜盒壁中的压力传感器，所述压力传感器包括传感器部件、电触点、耦合于电触点和传感器部件之间的电路轨迹、以及结合在一起的第一和第二层，第二层成形为形成叠加在硅压力传感器内部的传感器空腔的隔膜，传感器部件是设置于压力传感器外表面上的薄膜应变计部件，并且电路轨迹由与应变计部件的薄膜相同的薄膜材料形成；以及

应力隔离部件，其具有叠加在电触点上、并与膜盒壁中的穿通开口对准的贯通孔，并具有结合至压力传感器的第一部件表面和结合至内部密封表面的第二部件表面，传感器部件与应力隔离部件和电触点隔开，所述应力隔离部件限定了在压力传感器和压力传感器的装配环境之间的固态装配区域，位于所述应力隔离部件之外的压力传感器的一部分悬挂于流体中，并不经受施加任何装配应力。

基于阅读下面的详细说明和相关附图的观察，特征化本发明的实施例的其它特征和优点将显而易见。

附图说明

图1说明了用于传感压力的膜盒的第一实施例的平面图；

图2说明了沿图1中的线2-2`的膜盒的横截面图；

图3说明了沿图1中的线3-3`的膜盒的横截面图；

图4说明了应力隔离部件的可替代实施例；

图5说明了不需要隔离流体的膜盒的第二实施例的横截面图；

图6说明了不需要隔离流体的膜盒的第三实施例的横截面图；

具体实施方式

在本发明中，压力传感器装配于周围膜盒壁中。膜盒壁用于分离压力传感器与周围环境，并用于保护传感器不受损害。传感器装配至应力隔离部件，并且应力隔离部件装配至膜盒壁。应力隔离部件将压力传感器与装配应力进行隔离。应力隔离部件具有与膜盒壁中的穿通开口对准的贯通孔。所述传感器具有与贯通孔对准的电触点。应力隔离部件的设置提供了单独机械界面区中的机械装配和电穿通，因此将传感器和它的环境之间界面的数量减少至仅仅是单独的界面区域。膜盒提供了以低成本方式装配和隔离的、适于高温、腐蚀性或污染的过程流体压力传感器。避免了使用具有玻璃金属密封的昂贵商业电穿通。所述装配可以提供需用于本征安全许可的压力传感器的电流隔离。挠曲电路或弹簧加载的销可以不需任何附加硬件就便利地直接连接至压力传感器上的电触点。由于仅仅一个单独的装配界面区域，传感器的其余物被悬挂，并且没有由于一个装配区域相对于另一装配区域的移动而引起的应力危险。

图1-3说明了耦合至流体隔离器22的膜盒20的第一实施例。现在参照图2，优选为硅油的隔离流体24从过程流体体26传递压力“P”至膜盒20中的压力传感器28。该设置允许通过压力传感器28传感过程压力P，并在同时允许允许压力传感器28不受与过程流体体26的化学接触的损害。隔离器22包括优选由圆形波纹状金属铂形成的容易弯曲的隔离器隔膜30。隔离器隔膜30优选焊接或锡焊于围缘处，并在适当的位置流体静力学地成形，以精确地配合它的装配表面上的波纹31。在一个优选实施例中，隔离器22是具有紧密和低成本优点的膜盒20的一体式部分。在另一优选实施例中，远离膜盒20地隔开隔离器22，并且通过毛细管32，隔离流体24接合于隔离器22和膜盒20之间。配备毛细管32的设置具有在过程流体26和压力传感器28之间提供提高的热隔离的优点。

膜盒20包括将压力传感器28封装在膜盒空腔36中的膜盒壁34，所述膜盒空腔36充满隔离流体24。膜盒壁34包括可接合于流体隔离器22的流体进口38。膜盒壁34也包括穿通开口40和围绕穿通开口40的内部密封表面42。

通过膜盒壁34容纳隔离流体24，并耦合从流体隔离器22至压力传感器28的压力，以用于进行传感。压力传感器28设置于膜盒壁34中。压力传感器28包括传感器部件44、与传感器部件44隔开的电触点46和耦合于电触点46和传感器部件44之间的电路轨迹49。传感器部件44优选是设置于压力传感器28外表面上的薄膜应变计部件，并且电路轨迹49优选由如应变计的相同薄膜材料形成。也可以使用扩散的应变计或其它已知类型的应变计。传感器部件44也可以是传感器28内部的电容传感器部件。

应力隔离部件48包括贯通孔50。应力隔离部件48具有结合至压力传感器28的第一部件表面52和结合至密封表面42的第二部件表面54。贯通孔50上层叠电触点46。在优选设置中，密封表面42如图所示地稍微凹入，以提供在焊接、焊锡或铜焊之前应力隔离部件48的精确定位。

压力传感器28仅装配在应力隔离部件48处，并且传感器28的其余物自由地悬挂于隔离流体24中。优选地，传感部件44与应力隔离部件48和触点46隔开，从而难于从装配或引线传送应力至传感部件44。减小了引线51上压力传感器输出中的误差。

在优选实施例中，压力传感器28由低机械滞后材料形成。可以便利地蚀刻成所期望形状的硅优选用于低机械滞后材料。然而，也可以使用比如蓝宝石、石英、流态硅土和陶瓷之类的其它低机械滞后材料。膜盒壁34优选由比如不锈钢之类的金属形成。

在一个优选实施例中，应力隔离部件48由其温度膨胀系数和传感器材料的温度膨胀系数基本上相同的材料形成。

在一个实施例中，应力隔离部件48由其温度膨胀系数为传感器材料和密封表面42的温度系数之间的中间值的材料形成。

在另一优选设置中，应力隔离部件48由其弹性模数比传感器材料低的材料形成。当由于温度升高密封表面42膨胀时，较低模数应力隔离材料弯曲或变形，以减小从密封表面42至传感器28应力的转移。

在又一优选设置中，应力隔离部件48由这样选择的材料形成，即这种材料具有与传感器材料匹配的温度系数并具有相对于传感器材料低的弹性模数。这些材料特征的每一个特征都有助于减小由于温度变化而导致的被转移至传感器的应力的变化。在一种优选实施例中，应力隔离材料包括被调配成匹配传感器的膨胀系数的、基于氮化硅的陶瓷材料。

应力隔离材料优选包括电绝缘材料，以避免至电路轨迹49的短路，并也使压力传感器28与膜盒壁34电流绝缘。

应力隔离部件48限定了在压力传感器28和它的装配环境之间的固态装配区域。位于应力隔离部件之外的压力传感器28的一部分悬挂于流体中，并不受任何施加装配应力的支配。因此通过应力隔离部件48的使用能够有效控制压力传感器28上的装配应力。

当应力隔离部件48由金属合金形成时，它优选是拉长的，并选择性地对其热处理或退火，以具有相对于传感器28的材料的较低弹性模数。应力隔离部件48可以由一叠金属垫圈或部件一起铜焊形成，同时改变了弹性模数和/或热膨胀系数。

图4(A)-(D)说明了应力隔离部件的各种实施例。如图4(A)所示，应力隔离部件100可以是拉长的，以减小至压力传感器28的装配应力的传输。如图4(B)所示，应力隔离部件102可以配备有加强肩104，以减小传输至压力传感器28的应力。如图4(C)所示，应力隔离部件106可以具有从临近压力传感器28的较厚区域100至临近密封表面42的较薄区域112成锥形的壁108。如图4(D)所示，应力隔离部件114可以包括由较低弹性模数材料、或不考虑它的弹性模数地而具有与传感器28材料的热膨胀系数相匹配的材料形成的第一层116。第一层116接合至第二层118，所述第二层临近密封表面42，该密封表面42由其热膨胀系数为在第一层116和膜盒壁上的密封表面42的热膨胀系数之间的中间值的材料形成。在图4(A)-(D)中描述的变形是应力隔离部件可以采用的多种形状的说明。锥形可以在与图4(C)中示出的相对方向上，并且可以取代肩而使用沟槽。应力隔离部件的形状中的其它变形对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。结合减小至压力传感器的应力传输，可以选择材料，以具有期望的弹性模数或温度膨胀系数。

在一个优选设置中，利用玻璃粉，压力传感器28可以结合至应力隔离部件48。在另一优选设置中，电路轨迹49布线于压力传感器28内部，并且利用焊接，将压力传感器28结合至应力隔离部件48。

通过铜焊或焊接材料或焊接，应力隔离部件48优选结合至膜盒壁34。膜盒壁优选包括通过焊接头60连接至圆盖58的圆杯56。在优选设置中，盖58包括薄部件，所述薄部件可弯曲，以通过允许隔离器隔膜30在波纹31上降到最低点，提供对压力传感器28的过压保护。

在图3中示出的另一优选设置中，膜盒壁34包括用于接收隔离流体24的可密封的开口62。在充满隔离流体24之后，通过填充管64或通过压可密封的开口62中的钢球可以密封可密封的开口62。可密封的开口62是任意的，并且封堵端可以可替代地包括在流体隔离器22中。

压力传感器优选包括结合在一起、并由硅形成的第一和第二层70、72(在图3中最佳示出)。层72成形为形成叠加在硅压力传感器28内部的传感器空腔76的隔膜74。隔膜74优选包括突入在过压条件下支持隔膜的传感器空腔76的过压停止部件78。

在另一优选设置中，膜盒壁34包括任意的通风口80(图3)，应力隔离部件48包括任意的通风穿通82，并且如图3所示，压力传感器28包括从传感器空腔76延伸至通风贯通孔82的任意通风通道84。具有任意通风开口80的设置允许传感不是绝对压力的表压。

从包括装配应力、引导应力、化学污染和偏差电流的它的环境来说，膜盒20紧凑、经济，并为压力传感器提供了高质量的隔离器，。

图5示出了不需要隔离流体的膜盒130的第二实施例的横截面图。在图5中所示的膜盒130类似于在图1-2中所示的膜盒20。与如用于图1-2中的参考数字相同的用于图5中的参考数字表示相同或类似的特征。在图5中，进口管32通过壁132，以传感远程位置处的压力P。在一个优选实施例中，在通风管中传感压力P，并且壁132是通风管的壁。

图6示出了不需要隔离流体的膜盒的第三实施例的横截面图。在图6中所示的膜盒140类似于在图5中所示的膜盒130。与如用于图5中的参考数字相同的用于图6中的参考数字表示相同或类似的特征。在图6中，相对于图5中的压力传感器28翻转压力传感器142。在图6中，如所示的，应力隔离部件在第一层70上，并且电触点46在第二层72上。图6中的设置提供了非常紧凑、低成本压力传感器和膜盒。

尽管参照优选实施例已经说明了本发明，本领域的普通技术人员可以认识到，不脱离本发明的范围，可以在形式和细节上进行变化。

Claims (20)

1.一种可接合至流体隔离器的膜盒，其包括：

膜盒壁，其具有可接合至流体隔离器的流体进口、穿通开口和围绕穿通开口的内部密封表面；

由膜盒壁容纳并耦合来自流体隔离器的压力的隔离流体；

膜盒壁中的压力传感器，所述压力传感器包括传感器部件、电触点、耦合于电触点和传感器部件之间的电路轨迹、以及结合在一起的第一和第二层，第二层成形为形成叠加在压力传感器内部的传感器空腔的隔膜，传感器部件是设置于压力传感器外表面上的薄膜应变计部件，并且电路轨迹由与所述应变计部件相同的薄膜材料形成；以及

应力隔离部件，其具有叠加在电触点上、并与膜盒壁中的穿通开口对准的贯通孔，并具有结合至压力传感器的第一部件表面和结合至内部密封表面的第二部件表面，传感器部件与应力隔离部件和电触点隔开，所述应力隔离部件限定了在压力传感器和压力传感器的装配环境之间的固态装配区域，位于所述应力隔离部件之外的所述压力传感器的一部分悬挂于所述流体中，并不经受施加任何装配应力。

2.如权利要求1所述的膜盒，其中膜盒壁由金属形成，并且应力隔离部件由其温度膨胀系数和压力传感器的温度膨胀系数基本上相同的应力隔离材料形成。

3.如权利要求2所述的膜盒，其中应力隔离材料包括基于氮化硅的陶瓷材料。

4.如权利要求2所述的膜盒，其中应力隔离材料包括电绝缘材料。

5.如权利要求1所述的膜盒，所述压力传感器为硅压力传感器，并且膜盒进一步包括结合第一部件表面至压力传感器的玻璃粉。

6.如权利要求1所述的膜盒，所述压力传感器为硅压力传感器，并且膜盒进一步包括结合第一部件表面至压力传感器的焊料。

7.如权利要求1所述的膜盒，所述压力传感器为硅压力传感器，并且膜盒进一步包括结合第一部件表面至压力传感器的铜焊材料。

8.如权利要求1所述的膜盒，所述压力传感器为硅压力传感器，并且膜盒进一步包括结合第二部件表面至膜盒壁的铜焊材料。

9.如权利要求1所述的膜盒，所述压力传感器为硅压力传感器，并且膜盒进一步包括连接第二部件表面至膜盒壁的焊接头。

10.如权利要求1所述的膜盒，其中膜盒壁包括盖、以及通过焊接头连接至盖的杯，所述盖包括薄部件，所述薄部件可弯曲，以提供对压力传感器的过压保护。

11.如权利要求1的膜盒，其中膜盒壁进一步包括用于接收隔离流体的可密封的开口。

12.如权利要求1所述的膜盒，其中隔离流体包括硅油。

13.如权利要求1所述的膜盒，其中隔膜包括在过压条件下突入支持隔膜的传感器空腔的过压停止部件。

14.如权利要求1所述的膜盒，其中膜盒壁包括通风开口，应力隔离部件包括通风贯通部分，并且压力传感器包括从传感器空腔延伸至通风贯通部分的通风通道。

15.如权利要求1所述的膜盒，其中应力隔离部件由金属合金形成时是拉长形成的。

16.如权利要求1所述的膜盒，其中应力隔离部件在临近压力传感器处具有与压力传感器的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数，并在临近内部密封表面处具有与内部密封表面的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数。

17.如权利要求16所述的膜盒，其中应力隔离部件由一叠金属垫圈一起铜焊形成。

18.如权利要求1所述的膜盒，其中应力隔离部件具有增强应力隔离的轮廓形状。

19.如权利要求18所述的膜盒，其中从下面的组中选择一种轮廓形状：加强肩、沟槽、从临近压力传感器的较厚区域至临近内部密封表面的较薄区域成锥形的锥形壁、以及从临近压力传感器的较薄区域至临近内部密封表面的较厚区域成锥形的锥形壁。

20.如权利要求1所述的膜盒，进一步包括：

接合压力至流体进口的进口部件。

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