CN1831504A - 密封压力传感装置 - Google Patents

Abstract

所示压力传感装置(10，40)具有被接收在于六面体外壳(16)中形成的腔室内的陶瓷电容传感元件(12)。六面体外壳具有与凹槽腔室(16d)相通的液体通道(16c)，该凹槽腔室形成在由环形平台肩部(16e)限定的底壁中。薄的柔性金属膜(18)沿着平台肩部密封地连接到的底壁。具有与传感元件(12)的热膨胀系数和弹性模量相匹配的热膨胀系数和弹性模量的可固化粘性树脂，例如聚亚安酯，被浇注在传感元件(12)和金属膜(18)之间，当固化时形成粘接所述两部件的层，以产生有效监测负液压和正液压的传感器。在一个实施例中，环用于在侧面限定层20，在第二实施例中，每个绝缘体套筒(44)和接收压力传感元件(12)的遮护罩套筒(42)都具有开口端，该开口端具有于侧面限定层20的向内延伸唇缘(44b，42b)。

Description

密封压力传感装置

相关申请

本申请根据35U.S.C.Section 119(e)(1)要求2005年1月26日申请的美国临时申请No.60/647,226的优先权。

技术领域

本发明大体涉及条件响应式传感器，尤其涉及液压响应式电容传感器。

背景技术

转让给本发明受让人的美国专利No.4,875,135中示出的一种已知的压力传感器，其主题通过参引被包括在此，其包括电容压力传感器，该电容压力传感器具有与陶瓷基底紧密间隔、密封、叠加地安装的薄陶瓷膜。在膜和基底的各自相对表面上淀积金属涂层，以便用作以预定的彼此紧密间隔的方式排列从而形成电容的电容极板。连接到电容极板上的传感器端子设置在传感器基底的相对表面上，并将连接到传感器端子的信号调整电路安装在传感器上。将电绝缘材料的连接器本体装配在电子电路上，并将其固定在金属外壳中，该外壳具有接收传感器的空腔。该金属外壳形成有用于连接被监测的液压源的孔口，并且柔性O形环围绕该孔口安装在该金属外壳中，同时传感器偏压在O形环上，以便形成流体密封并限定流体接收凹口，薄膜暴露在该凹口内的流体中。在这种布置中，该膜响应施加到该膜上的压力变化而移动，从而根据所施加压力的变化而改变电容的电容值，并且该电路提供相应于所施加压力的电输出信号。

尽管已描述类型的传感器已非常成功，但是仍存在着某些流体对用于O型环的弹性体材料具有腐蚀性。通过举例，具有氨的流体和具有某些添加剂的汽车用流体与典型的弹性体材料是不相容的。

通常在腔室中放置传感元件，并以柔性的膜密封该腔室，该腔室中填充有相对不可压缩的油以用作压力传递液体。该方法可用于感应被感测液体的状态，例如压力，其中该液体对传感元件是有腐蚀性的。然而，这却代表了在制造合适的包装时需要多个处理步骤的相对昂贵的解决办法，这些处理步骤包括抽空腔室并回填油，以及提供与所测液体的压力相适应的密封。

转让给本发明受让人的美国专利No.6,273,927中示出的另一种压力传感器，其主题通过参引被包括在此，其包括电容压力传感器，该电容压力传感器具有：受到所施加压力的第一表面，以提供随施加的液压而改变的电容值；外壳，该外壳具有由底壁和从底壁向上延伸的侧壁所限定的传感器接收腔，该底壁形成有液压接收凹槽；形成在外壳内与该凹槽连通的液压孔口；单独的薄柔性金属膜，其流体密封地固定到限定该凹槽的底壁上；接收于传感器接收腔内的传感器，其第一表面叠加在底壁上，合成材料的薄层设置在电容压力传感器的第一表面和金属膜的中间并直接与两者接触，作为压力传递元件。

传感器是密封装置，其中被感测的介质与传感元件封离。虽然已经证实这是成功的传感器设计，但是在某些情况中，尤其是在低于大气压力的应用中，可能有精度的问题，并且需要精确控制装置的装配。

发明内容

本发明的目的是提供一种密封压力传感器，其在低于大气压范围的应用中具有高可靠性。本发明的另一目的是提供一种可靠的并且制造成本低的压力传感器。而本发明的又一目的是提供一种具有电容传感元件的密封压力传感装置，其中电容传感元件的信号调整电路与装置的外壳电绝缘。

简单说，根据本发明，圆筒形电容压力传感器具有金属六面体(hexport)外壳，该外壳形成有具有与压力孔口流体连通的凹槽部分的底壁。柔性薄金属膜密封地连接到限定凹槽部分的底壁上，并且圆筒状的壁部件向上延伸以限定压力感应元件接收腔室。将一种可固化的、柔性的、粘性的液体树脂浇注到形成于金属膜和压力感应元件之间的空间，过多的液体树脂从所述元件之间的有限空间中挤出，并且使得液体树脂在原处固化以形成粘接金属膜和压力感应元件的柔性层。

在第一优选实施例中，采用具有选择厚度的塑料环限定金属膜和压力传感元件之间的空间。该环形成有液体通道，该液体通道在该环的内径和外径之间延伸。变形片沿相反方向从环体上纵向延伸，以便当压力传感元件插入到腔室中时使环位于中心，并在卷曲过程开始时使该环间隔在金属膜上方少许，为的是增大来自于限定空间的液体流动，直到随着剩余的过量液体流过环内的通道，在外壳壁部件的自由端卷曲至连接器本体的基底上时下部的变形片被挤压。连接器本体优选形成有用于将压力传感元件定位在中心的导向片和安装到压力传感元件与压力传感侧相反一侧上的电子电路模块。

在第二优选实施例中，通常圆筒形的电磁兼容(EMC)遮护罩套筒滑动地接收压力传感元件，该压力传感元件紧靠在该套筒的内端处向内延伸的环形唇缘安装，且具有暴露的压力接收面表面。卷曲片从套筒的相对端延伸，并在压力传感元件上方卷曲且卷曲到电子电路模块的导电接触垫片上。通常圆筒形的绝缘套筒在内端处具有类似的、一般扩及同空间(coextensive)的环形唇缘，该绝缘套筒插入到外壳的腔室中。将液体粘性树脂分配到由唇缘形成的遮护罩中的开口内，然后带有安装在其上的EMC遮护罩的压力传感元件插入外壳腔室内。绝缘体形成有多个环绕绝缘体外周间隔开的沿着整个绝缘体的长度纵向延伸的通道，并且该通道与绝缘体内部自由端中相应的径向延伸槽口液体连通。如在第一实施例中，变形片从绝缘体内端纵向延伸以在最初使绝缘体与金属膜之间稍微间隔开，直到当外壳壁部件的自由端在连接器基底上方卷曲时卷曲操作使变形片变平，从而集合并固定这几个组件。

附图说明

在以下优选实施例的详述中呈现了本发明新颖和改进的液压传感装置的其它目的、优点和细节，其详细描述参考附图，其中：

图1表示根据本发明第一优选实施例制作的密封压力传感装置的横截面的正视图；

图2是图1的简化分解透视图；

图3是图2所示的环部件的放大透视图；

图4是图2所示的连接器部件的放大透视图；

图5是根据本发明第二优选实施例制作的传感器的分解透视图；

图6是装配好的图5传感器沿其纵向轴线截取的正视截面视图；

图6(a)是图6分解出的放大部分，其表示图7遮护罩卷曲到安装在电容传感元件上的电子仪器的接触片上的部分；

图7是用于图5传感器的EMC遮护罩的透视图；以及

图8是用于图5传感器的绝缘体的透视图；

优选实施例详述

参考附图1至4，标号10代表根据本发明第一优选实施例制作的改进的传感器，其被示出包括电容压力传感元件或传感器12，电容压力传感元件或传感器12包括由氧化铝等形成的陶瓷基底12a以及紧密间隔、密封、叠加地安装在基底上的类似材料的膜12b。在用作电容极板的基底和膜的相对内表面上淀积薄金属涂层(未示出)。电导线以已知方式从涂层延伸向上穿过基底，用于连接到将要论述的调整电子仪器14。压力传感元件12接收于形成在六面体外壳16中的腔室内，六面体外壳16由适合的材料例如不锈钢形成。六面体外壳16具有基底部分，该基底部分优选形成有以六边形布置的、纵向延伸的平面16a，以利于采用螺纹连接部分16b安装。液体接收通道16c通过连接部分16b延伸至在底壁16g中的凹陷的下部腔室16d，底壁16g形成有周向延伸的环形平台肩部16e。根据本发明，由合适的金属例如不锈钢形成的薄柔性金属膜18布置在平台16e上，并通过焊接、铜焊等密封安装于平台16e上。出于以下将讨论的原因，优选有点弹性的例如弹性体的塑料粘性材料19的中间层20与环形部件21设置在膜12b和膜18之间。

六面体外壳16形成有通常圆筒形的侧壁16f。侧壁16f可在16h处变细，以便于卷曲连接到连接器24上。连接器24由适合的电绝缘材料形成，并具有基底，该基底形成有环形肩部24a和凹槽，该凹槽接收传统信号调整电子仪器14，例如以上提到的且在上面参考的美国专利No.4,875,135中公开的电子仪器。连接器24安装传感器端子26(其中两个端子在图1中示出)，用于连接调整电子仪器14。变细的壁部分16h卷曲在连接器的外周肩部24a上方，以完成传感器装置的装配，以下将作更详细的解释。

由金属膜18提供的密封消除了传统的O型环带来的与一些感测液体相兼容的问题。金属膜18设计得在量具内相对地薄并因此合理地适应，以便当经受被测液压时能够与传感元件直接接触。然而，如果没有中间层20，那么这种设计会导致不可接受的滞后和误差等级。

根据本发明的优选实施例，中间层20由布置成位于金属膜18的顶部的环形部件21制成。环形部件21优选由塑料制成，其壁高“t”通常约为0.020英寸(见图3)，其具有从内径到外径穿过环形部件形成的切开槽口21b，优选约为壁高“t”的一半。随着突片部件21a延伸离开金属膜该突片部件21a沿相反的方向纵向延伸，以用于在传感器装置的装配和卷曲操作过程中正确定位传感元件12。

液体形式的粘性材料19在装置10的装配过程中设置在膜18的顶部上并置于由环形部件21限定的空间内，使得在把所有部件保持在一起的卷曲操作之后，粘性材料将填充环形部件内的空间，并在原处固化以形成厚度大致等于“t”的具有环形部件21的固体材料层。过量的粘性材料在卷曲环形部件中的槽口21b的过程中流动到环形部件外的开口空间区域。一旦固化完成，环和固化的粘性材料形成具有预定高度“t”的中间层20。粘性材料19优选是具有合适地选择的热膨胀系数以及弹性模量的弹性体材料，以与传感元件12一起工作和/或匹配传感元件12，该传感元件12为例如聚亚安酯等，该粘性材料19，例如STYCAST(Emerson & Cuming的商标)U 2516 HTR，柔性、充填聚亚安酯的铸造树脂。尤其对于下述在大气压下的应用来说，粘接到金属膜18和传感元件上的具有所选高度的中间层最小化了现有技术装置的任何滞后效应和测量误差。

如上所述，环形部件21的突片部件21a需要从所述环形部件21沿相反方向纵向延伸，同时面向所述金属膜的装置用作过渡的间隔变形部件。即，如上所述，在卷曲之前这些部件将环形部件稍微地间隔在金属膜上方，并使得过量液体的较多部分在卷曲操作开始时流出由环形部件内径限定的空间，然后这些部件变形使得环形部件本体与金属膜接合，同时剩余的过量液体通过槽口21b被挤出由环形部件限定的空间。因此，如图3所示，由于突片21a在相反的纵向上的相同结构和环形部件的相反纵向侧上的槽口21b的设置，环形部件可沿两个相反的方向中任一方向插入到由侧壁16f形成的腔室中，因此简化了该装置的装配。

如图4所示，连接器24通常在功能和设计方面与以上提及的这里引入作为参考的美国专利No.6,272,927中描述的连接器部件相似。然而，本发明的连接器部件24另外具有纵向的、向下延伸的导向片部件24b以用于在卷曲操作过程中正确定位传感元件12和调整电子仪器14，该卷曲操作完成传感器的最终装配。而且，连接器24形成有绕基底部分24a定位的排出孔24c，以使得在卷曲操作和粘性材料的固化过程中气体能够从传感器内部逸出。没有这种排出孔，粘合剂会形成渗水结构，该渗水结构会损害传感器精度。

现在转到图5-8所示的第二优选实施例，密封压力传感器40对需要提供电子仪器与金属六面体外壳电绝缘的应用特别有效。例如，在某些应用中，象沿着管道传播的雷击(lighting strike)感应电压，其中管道中连接着传感器的六面体外壳，或沿着管道传播的反相驱动电噪声，都需要提供这种绝缘。

压力传感器40具有端部开口的金属EMC遮护罩42，该遮护罩42环绕电容压力传感元件的外周设置，并卷曲到设在传感元件与压力响应表面相对的表面上的电路模块上。电容压力传感元件12和接收于其上的遮护罩42滑动地接收于通常圆柱形的管状绝缘体44内，绝缘体44已经设置在六面体外壳的压力传感元件接收腔室中，从而提供遮护罩和六面体外壳16的圆柱侧壁16f之间的电绝缘。还选择绝缘体的材料和厚度以将传感元件与高电压隔离。

如在第一实施例中，在传感元件和金属膜之间设有开口空间，其填充有合适的可固化粘性材料，例如与上述传感器10实施例相关的聚氨脂19。使得粘性材料可以在原处固化，以提供能接合传感元件和金属膜的相对柔性的材料。

更具体的是，EMC遮护罩42为合适材料(例如304不锈钢)的套筒的形式，该合适材料的套筒具有通常圆柱形侧壁42a，该圆柱形侧壁42a形成有在一端径向向内延伸的环形唇缘42b，并且在相对端处具有纵向相对延伸(卷曲之前)的第一和第二卷曲片42c。选择套筒42的内径以便紧密接收传感器的传感元件12。

信号调整电子仪器14设有两个直径相对的电接触片14a，该电接触片14a具有合适的高电导率表面材料，它从电子仪器基片上径向向外延伸，并被支撑在电容传感元件的外缘上。

在遮护罩套筒内接收压力传感元件12，遮护罩套筒与唇缘42b接合，并且卷曲所述片42c以与接触片14a接合。

由合适的电绝缘材料(例如PBT塑料)制成的绝缘体44以套筒形状形成，该套筒内径被选择为紧密地接收遮护罩42，该套筒在其第一端具有径向向内延伸的唇缘44b，当其被安装在绝缘体内时该唇缘44b与遮护罩的唇缘42b通常是扩及同空间的。多个纵向延伸的凹槽液体流通通路或通道44c形成在绝缘体的外侧壁44a内，该外侧壁44a关于绝缘体的外周间隔开并沿着绝缘体的整个长度延伸。此外，放射状延伸的液体流体通道或槽口44d在第一端穿过壁44a和唇缘44b形成并与各自通道44c连通。过渡的间隔变形片44e也从绝缘体的第一端纵向延伸，并与环形部件21的下部片21a(即在金属膜表面上方间隔环形部件的那些片)具有相同的功能。变形片44e通过卷曲操作的初始状态在金属膜18上方间隔遮护罩套筒44，因此从将讨论的开口区域增大过量粘性材料的流动。

在装配过程中，将绝缘体套筒44插入由圆柱形壁16f形成的腔室中。选定量的可固化、粘性的液体材料例如用在上述第一实施例中的聚亚安酯材料19被分配到绝缘套筒的底部(唇缘端部)，该绝缘套筒具有定向为垂直位置的六面体外壳16，如图1所示。然后将安装到传感元件12上的遮护罩插入到绝缘套筒内，并且将六面体外壳在16h处变细的壁卷曲到连接体24’的基底24a’上，因此减小了体积并迫使过量的粘性液体流出由唇缘42b、44b、金属膜18和传感元件12限定的空间。材料在片44e之间的绝缘体套筒44的第一端下流动，并流经直通槽口44d流入通道44c。通过与金属膜啮合的套筒第一端将片44e压扁或变平，并且通过槽口44d挤出剩余的过量液体。随后对装置进行热浸透操作，以在原处固化粘合剂，形成粘接传感元件和金属膜18的层20，使得传感器有效感应负压和正压。

由绝缘体44占据的空间取代在外壳室内的空气，将它减少到最小值。结果，下降到六面体外壳的室内的连接体24’的运动不会导致相当多的空气流过通道44c和槽口44d，并进入液体19，否则会危害传感器性能。因此，传感器10的实施例的连接体24中的排出孔24c是不需要的，并且不包括在连接体24’内。同样，连接体24的导向片24b不在图5-8的实施例中使用。

六面体外壳16、金属膜18和其它也在图1-4的实施例中采用的组件的描述在此不再重复，但可参考其上面的详述。

然而，需要注意的是，在图5和6中示出了可替换的六面体外壳结构，其中外壳16的六边形平面16a’通常延伸到外壳的下端，而连接螺纹16b’在液体接收通道16c内形成为阴螺纹而不是象图1的实施例的阳螺纹。

应当理解；尽管通过解释本发明已描述了具体实施例，但是本发明包括所有落入权利要求书的范围之内的修改和等价物。

Claims (12)

1、在具有带压力响应表面的陶瓷电容元件的液压传感器中，该方法包括以下步骤：形成具有带凹槽的底壁的外壳；将柔性金属膜以与底壁流体密封的关系在凹槽上方安装在底壁上；采用具有选定厚度以限定开口区域、并且具有从开口区域内延伸至开口区域外的流通通道的元件；设置该元件与金属膜接合；将足够量的可固化、柔性粘性液体树脂分配到开口区域内以填充开口区域内的空间；将陶瓷电容元件插入具有面对底壁的压力响应表面的外壳；移动陶瓷电容元件与限定开口区域的所述元件接合，以便密封由该元件、陶瓷电容元件和金属膜限定的空间，以及使任何过量的液体粘性树脂移动通过流通通道；并在外壳内原地固化粘性树脂。

2、根据权利要求1的方法，其中可固化、柔性粘性树脂为聚亚安酯，其具有与陶瓷电容元件的热系数和弹性模量合适地匹配的热系数和弹性模量。

3、根据权利要求2的方法，其中限定开口空间的所述元件为环形塑料部件。

4、根据权利要求2的方法，其中限定开口空间的所述元件为与EMC遮护罩套筒的环形唇缘串联的绝缘体套筒的环形唇缘，陶瓷电容元件被接收在该EMC遮护罩套筒中，并且该EMC遮护罩套筒依次被接收在绝缘体套筒中，同时所述两个套筒被接收在外壳的腔室中。

5、一种液压传感器，包括：通常圆筒形电容压力传感元件，其具有选定直径并具有第一压力响应表面，还具有设置在第二相对表面的传感器端子；连接器本体，其中具有连接体器端子，该连接器中形成有凹槽；设在凹槽中的信号调整电子仪器，其与传感器端子和连接器端子电连接，用于提供对应于所施加压力的电信号；外壳，其具有压力传感元件接收腔室，该接收腔室由底壁和从底壁向上延伸至自由端的圆筒形侧壁限定，该底壁形成有液体接收凹槽；形成在外壳内与凹槽连通的液压孔口；薄的柔性金属膜，其固定在底壁上并流体密封地支撑在限定凹槽的底壁的肩部上；具有内径和外径的环，该内径小于传感元件的所选直径，并且该环具有选定的厚度，且形成有从其内径至其外径延伸穿过该环的液体通道，该环与底壁的肩部对准地定位在金属膜上，所述接收在传感元件接收腔室中的传感元件与该环接合同时第一表面对着所述底壁；以及柔性粘性树脂层，其填充由金属膜、传感元件和环限定的空间，并且被粘接到金属膜和传感元件的表面上，并且外壳侧壁的自由端卷曲在连接器本体上。

6、根据权利要求5的液压传感器，还包括从所述环向上延伸的纵向延伸突片，以引导环相对于传感元件的定位。

7、根据权利要求5的液压传感器，还包括从所述环向下延伸的过渡纵向延伸突片，以在完成卷曲步骤之前将该环间隔在金属膜表面的上方。

8、根据权利要求5的液压传感器，其中所述排出孔限定在延伸到所述外壳的腔室中的连接器中，以使得气体可以在装配和固化程序过程中排出。

9、根据权利要求5的液压传感器，还包括从连接器向下延伸的导向片，以在装配时定位传感元件和信号调整电子仪器。

10、一种液压传感器，包括：通常圆筒形的电容压力传感元件，其具有选定直径并具有第一压力响应表面，还具有设置在第二相对表面的传感器端子；连接器本体，其中具有连接器端子，该连接器中形成有凹槽；设在凹槽中的信号调整电子仪器，其与传感器端子和连接器端子电连接，用于提供对应于所施加压力的电信号；外壳，其具有压力传感元件接收腔室，该接收腔室由底壁和从底壁向上延伸至自由端的圆筒形侧壁限定，该底壁形成有液体接收凹槽；形成在外壳内与凹槽连通的液压孔口；薄的柔性金属膜，其固定在底壁上并流体密封地支撑在限定凹槽的底壁肩部上；由合适金属材料制成的圆筒形EMC遮护罩套筒，其具有形成以紧密地接收圆筒形压力传感元件的第一和第二端，该遮护罩具有能容纳压力传感元件的高度，并具有在第一端处径向向内延伸的唇缘以与传感元件接合，该遮护罩具有从第二端延伸的突片以与信号调整电子仪器的选定部分卷曲接合；电绝缘材料的圆筒形绝缘体套筒，该套筒被形成以紧密地接收压力传感元件和安装在该压力传感元件上的EMC遮护罩，绝缘体具有形成有径向向内延伸唇缘的一个端部，该径向向内延伸唇缘用于接合遮护罩的唇缘，并且通常与该遮护罩的唇缘是扩及同空间的；间隔开的纵向延伸的流通通道，其形成在该绝缘体的外侧壁表面中，压力传感元件、遮护罩和绝缘体设置在外壳内，绝缘体的唇缘接合金属膜，遮护罩和绝缘体的唇缘限定了压力传感元件的第一表面和金属膜之间的开口，并且固化的粘性树脂填充该开口中的空间，并被粘接到压力传感元件的第一表面和金属膜上。

11、一种根据权利要求10的液压传感器，其中固化的粘性树脂为聚亚安酯，其具有与陶瓷电容元件的热系数和弹性模量合适地匹配的热系数和弹性模量。

12、一种根据权利要求11的液压传感器，其中绝缘体的所述的一个端部形成有穿过绝缘体壁并且与各自的纵向延伸流通通道连通的流体流通槽口。

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