CN1806162B - 防潮压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种压力传感器，包括：测量单元，其具有基体(1)、沿其边缘与基体连接的测量膜(2)、以及用于生成依赖于测量膜的形变的电子量的装置(3，4)；电路(5)，用于检测电子量；和膜盒(10)，其具有膜盒体(8)和封闭元件(9)，膜盒沿接合位置与该封闭元件密封地封闭；其中膜盒(10)包围电路(5)，以保护其免受潮湿影响；并且其中膜盒的接合位置(5)与基体(1)机械解耦。接合位置的机械解耦意味着例如至少压力测量单元在外壳(16)中的轴向支撑不被允许通过接合位置而传递。尽管将膜盒布置在基体上，与压力相关的以及与温度相关的基体变形对膜盒的接合位置没有任何影响。

Description

防潮压力传感器

本发明涉及一种压力传感器。这里所用的“压力传感器”包括绝对压力传感器和相对压力传感器，前者测量被测介质测量相对于真空的绝对压力，后者测量被测介质中的压力和当前大气压力之间的差。通常，压力传感器包括压力测量单元，该压力测量单元由基体和测量膜构成，其中在测量膜和基体之间形成压力腔。依赖于压力的测量膜形变是压力的量度，并且其以合适的方式转换为电子量或初级信号。为了处理初级信号或电子量，通常优选地紧邻初级信号源，例如在基体的远离压力腔的后侧面上提供电子电路，例如混合电路。尽管电子电路布置在传感器外壳内以不受灰尘等的影响，但是它仍然暴露于环境空气中。在这种情况中，特别是在实际操作条件中波动的空气湿度被证实是难以操纵的故障源，因为它能够导致电子电路甚至连接线的特性改变并继而导致测量信号恶化。尽管这些恶化小并且对于标准应用是可接受的，但是在精确传感器的情况中，必须解决它们。于是，努力通过封装电子电路而将潮湿的影响最小化。为此，本申请人的未公开的国际专利申请No.PCT/EP02/14787公开了一种陶瓷电容相对压力传感器，其具有装配在并连接至压力传感器的远离测量膜的后侧端面的陶瓷罐，以形成腔，其中腔中包围的混合电路被保护不受潮湿的影响。然而，由于以下原因，可以改进这个概念。

尽管罐被粘合，但是潮湿仍然能够到达罐内部，因为有机材料不能提供令人满意的长期保护，这例如在R.K.Traeger，New Initiatives，Sandia Laboratories，Albuquerque，NM，USA的题为“Hermeticity ofPolymeric Lid Sealants”的报告中有所说明。另外，在上述应用的压力传感器的情况中的罐在基体的整个后侧面上延伸。于是，压力测量单元与过程压力相对抗的轴向支撑必须通过罐，特别地通过罐和基体之间的接合位置。利用包围的混合电路，无法实现足够坚固的平面硬钎焊连接，因为它们所需的温度对于混合电路太高。为了将罐与基体接合而使用软焊连接能够导致滞后现象，因为接合位置易受由于压力振动和温度波动而引起的塑性变形。

因此，本发明的目的是提供一种压力传感器，其具有对于电子电路或电子信号路径的持久潮湿保护。

根据本发明的用于测量介质压力的压力传感器包括：测量单元；和圆柱形的外壳，其中测量单元在O形环和螺纹环及支持环之间被轴向夹钳在圆柱形的外壳中。测量单元具有包括陶瓷材料的基体、可加载待测压力且沿其边缘与基体连接的测量膜、以及用于将依赖于压力的测量膜形变转换为电子量的装置。压力传感器还包括：电子电路，用于检测电子量；和具有膜盒体和封闭元件的膜盒，膜盒沿接合位置与封闭元件密封地封闭，其中膜盒包围电路，以保护电路免受潮湿影响，其中膜盒布置在基体的远离测量膜的后端面上，其中膜盒的接合位置与基体机械解耦，从而将压力测量单元固定在传感器外壳中的夹钳力不影响膜盒的膜盒体和盖之间的接合位置。

压力测量单元的基体可以是晶体或陶瓷基体，当前优选陶瓷基体，特别是刚玉陶瓷基体。

检测的电子量可以是例如在测量膜和基体上的电极之间的电容，或者可以是例如依赖于形变的电阻。

接合位置的机械解耦意味着例如至少压力传感器的轴向支撑不被允许通过接合位置而传递。为此，在基体上布置膜盒，与压力相关的以及与温度相关的基体变形对膜盒的接合位置没有任何影响。这意味着基体不能用作膜盒的封闭元件。

膜盒可以特别地具有陶瓷膜盒体和陶瓷封闭元件。在这种情况中，能够例如通过焊接在贯穿膜盒体的孔中的触针实现所需的电引线。在这种情况中，接合位置可以具有焊料。膜盒体和封闭元件的热膨胀系数应当相互偏离尽可能小，并且优选地相等。这可以特别地通过使用相同材料而实现。在当前优选的实施例中，膜盒体和封闭元件包括刚玉。当电路，特别是混合电路布置在刚玉支架上时，是特别有利的。

另外，膜盒可以包括金属膜盒体和金属封闭元件。在这种情况中，能够例如通过由玻璃密封在贯穿膜盒体的孔中的触针实现所需的电引线。在这种情况中，接合位置可以具有焊料或焊接接合。在当前优选的实施例中，膜盒体和封闭元件包括科瓦铁镍钴合金(Kovar)。这种材料选择同样适用于使用刚玉支架上的混合电路的情况中，因为科瓦铁镍钴合金和刚玉具有大致相同的热膨胀系数。

另外，适合使用具有由玻璃制成的膜盒体和封闭元件的密封膜盒。

膜盒可以例如由连接线支持，电路经由该连接线检测电子量，并且该连接线在基体的后侧端面和膜盒之间延伸。在本发明的另一实施例中，膜盒可以额外地经由一个或多个突起而位于基体的后侧端面上。另外，至少一个突起可以固定至该端面。

封装例如得到绝对压力传感器的零点稳定性的显著改进。于是，相对空气湿度在30℃从30％到95％的增加导致零点漂移为传感器量程的约0.001％～0.02％。大部分测试的传感器具有约0.002％的零点漂移。相比较，没有封装的情况中，零点漂移大约是量程的0.1％～0.2％。

为了进一步改进防潮，可以令压力传感器或基体和膜盒的选择的暴露表面疏水。这特别是基体和膜盒之间的连接线以及它们的环境。为了疏水化，可以是例如利用来自溶液的硅烷的浸渍或者是气相疏水化。关于疏水材料和疏水化方法的细节，参考本申请人更早的申请，即，欧洲专利申请EP 1 061 351 A1和国际专利申请PCT/EP02/14443。

连接线彼此越接近，表面和连接线的疏水化的效果越重要。另外，当例如柔性电缆中的导线彼此由空气而不是聚合物隔离时，这一方面意味着更大的介电常数，另一方面意味着存在其它冷凝表面，疏水化的意义进一步增加。

通过额外的疏水化，例如当相对湿度在30℃从30％增至95％时，具有封装的电子装置的传感器的零点误差从0.02％减小至0.007％。

为了进一步减小残余潮湿对于连接线的杂散电容以及从而对于检测的电子量的影响，连接线可以由合适的屏蔽包围。然而，控制测量显示这种屏蔽仅仅带来了轻微的进一步改进。

根据所附权利要求、以下对于实施例的说明以及附图，可以看出本发明的具体方面，附图中：

图1是本发明的压力传感器的纵截面。

图1所示的压力传感器包括测量单元，其具有基体1和测量膜2，后者固定至基体形成压力腔。在测量操作期间，测量膜2在其远离基体1的面上可加载被测压力。在相对压力传感器的情况中，压力腔通过压力腔开口与大气压力相通；然而在绝对压力腔的情况中，腔被压密地密封并抽真空。测量膜的形变可以基于通用测量原理，例如根据电容、电阻或谐振方法而检测。在所示实施例的情况中，确定在基体1端面上的第一电极4和测量膜面向压力腔的表面上的第二电极3之间的电容。电极经由电引线和与其相连的导体6连接至混合电路5。

混合电路5布置在膜盒10中，膜盒10布置在基体的远离测量膜2的后端面11上。膜盒10包括金属膜盒体8和盖9，盖优选地与膜盒体8的材料相同。在当前的优选实施例中，混合电路5包括刚玉支架，科瓦铁镍钴合金特别适合作为膜盒体8和盖9的材料。盖9通过环形焊缝与膜盒体8相连，其中混合电路密封在膜盒中。用于接触混合电路所必需的电引线包括触针，其由玻璃密封在贯穿膜盒体8的孔中。正如已经提到的，电容器电极3、4连接至混合电路。这个接触经由导体6实现，所述导体焊接或钎焊至电引线的触针。混合电路还使用接口7，经由该接口从上位单元向混合电路供电并且向/从该上位单元传递/接收信号。信号通信既可以是模拟的也可以是数字的。上位单元可以是例如变换器模块，传感器与其连接。变换器模块包括另外的电路，其例如用于调节经由接口7接收的信号并且用于代表传感器的测量值的信号的通信。通信可以根据一种已知协议而发生，例如4～20mA、HART、FoundationFieldbus或Profibus。

在一种实施例中，膜盒具有安置在膜盒体远离基体1的底面上的接线柱13。接线柱13与基体1的后端面11上的互补座12接合，使得膜盒10的位置是参考基体而限定的。接线柱还限定了膜盒底面与基体1后端面11之间的间隔。以这种方式，膜盒10在很大程度上与基体机械及热解耦。

机械解耦还具有以下效果，即，夹钳力不影响膜盒10的膜盒体8和盖9之间的接合位置，其中压力测量单元由该夹钳力固定在传感器外壳中。在所说明的实施例的情况中，传感器在螺纹环15和支持环(未显示)及O形环14之间轴向夹钳在基本圆柱形的外壳16中。通过夹钳力，弯曲力矩引入基体1。这些弯曲力矩可以导致基体的后端面11的形变。由于膜盒10与基体1之间的机械解耦，这个形变对于接合位置没有影响并且从而对于膜盒10的长期密封没有影响。另外，膜盒或膜盒元件以及基体之间的膨胀差异完全不影响基体，从而压力测量值也不会受到影响。

Claims (8)

1.用于测量介质压力的压力传感器，包括：

测量单元，和

圆柱形的外壳(16)，

其中所述测量单元在O形环(14)和螺纹环(15)及支持环之间被轴向夹钳在所述圆柱形的外壳(16)中，

所述测量单元具有：

基体(1)，其中所述基体是陶瓷基体，

测量膜(2)，其可加载待测压力并且沿其边缘与基体连接，和

至少一个装置(3，4)，用于将测量膜(2)依赖于压力的形变转换为电子量；

电子电路(5)，用于检测电子量；和

膜盒(10)

所述膜盒具有膜盒体(8)和封闭元件(9)，膜盒(10)沿接合位置与该封闭元件密封地封闭，

其中所述膜盒包围所述电路以保护其免受潮湿影响，以及

其中所述膜盒布置在所述基体的后端面(11)上，所述后端面远离所述测量膜(2)，其中所述膜盒(10)位于所述外壳(16)内；

其中所述膜盒(10)的接合位置与基体(1)机械解耦，从而将测量单元固定在所述圆柱形的外壳中的夹钳力不影响膜盒(10)的膜盒体(8)和封闭元件(9)之间的接合位置。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述基体是刚玉陶瓷基体。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其中电子量是

在测量膜(2)上和在基体(1)上的电极之间的电容，或者依赖于形变的电阻。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，其中膜盒(10)包括陶瓷或金属材料。

5.根据权利要求1所述的压力传感器，其中膜盒(10)由在所述膜盒和所述测量单元之间延伸的电子连接线(6，7)支持。

6.根据前述任一权利要求所述的压力传感器，其中膜盒(10)具有至少一个突起(13)，通过该突起保持在所述基体后端面(11)和膜盒(10)之间的一定距离。

7.根据权利要求6所述的压力传感器，其中至少一个突起(13)与所述基体上的互补座(12)接合。

8.根据权利要求1-5之一所述的压力传感器，其中所述测量单元和所述膜盒的表面部分是疏水的。