CN213932937U - 压力传感器组件及具有其的过程控制测量系统 - Google Patents

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Abstract

一种压力传感器组件及具有其的过程控制测量系统，所述压力传感器组件包括压力传感器，所述压力传感器具有支撑结构和蓝宝石隔离构件，所述蓝宝石隔离构件联接到所述支撑结构并且形成所述蓝宝石隔离构件的第一表面与所述支撑结构之间的区域。所述蓝宝石隔离构件的第二表面被定位成与来自或联接到过程的流体接合。电引线联接到多晶硅应变仪图案，所述多晶硅应变仪图案定位在所述蓝宝石隔离构件的所述第一表面上的所述区域中，并且所述多晶硅应变仪图案被配置为在所述蓝宝石隔离构件响应于所述压力而偏转时生成指示所述流体的所述压力的电信号。

Description

压力传感器组件及具有其的过程控制测量系统
技术领域
本公开的实施方案涉及工业过程变送器，并且更具体地，涉及用于此类变送器中的压力传感器组件。
背景技术
工业过程现场设备(诸如过程变送器)用于工业过程控制和监测系统中，以监测工业过程变量并将过程变量的测量值传送回例如化学、石油、天然气、制药或其他流体加工厂中的控制室。术语“过程变量”是指物质的物理或化学状态或能量的转换。过程变量的示例包括压力、温度、流量、电导率、pH和其他属性。
压力变送器和其他压力感测现场设备或仪器包括感测压力(诸如过程流体的压力)的压力传感器。压力传感器提供指示所感测的压力的电输出。所感测的压力可由压力变送器的电路处理和/或被传送到外部控制单元。
某些压力变送器依靠薄(.001-.002″)金属膜片将过程流体与压力传感器隔离，其中工厂安装的填充流体将来自过程的压力信号传输到电子压力传感器。这些系统可能不是很适合过程具有研磨性的应用，或者过程(例如，卫生过程)在隔离膜片失效的情况下不能冒潜在的过程污染风险的应用。这些填充系统还冒着扩散气体和/或真空影响流体完整性的风险。
一些压力变送器通过“无油”(无填充流体)设计解决了这些问题，这些设计将氧化铝陶瓷隔离与集成电容感测结合在一起。这些产品使用氧化铝陶瓷作为过程隔离膜片并且形成集成电容传感器的一部分。这些压力变送器虽然提供“无油”特征部，但与类似的金属隔离的流体填充设备相比，可能存在缺点，包括精度、范围度、稳定性和过压能力降低。这些限制中的某些限制是氧化铝材料固有的，氧化铝材料既是传感器系统中的隔离元件又是压力传感器偏转元件。此外，隔离/传感器陶瓷具有易于发生撞击/裂纹扩展失效的颗粒性质。而且，当配置用于仪表测量时，周围大气进入这些类型中的一些类型的压力变送器中的电容检测腔，这会导致性能问题，因为“空气”电介质可能是潮湿/冷凝的和/或以其他方式被污染，从而产生测量误差。
发明内容
本公开的实施方案整体涉及压力传感器组件以及生产所述压力传感器组件的方法。压力传感器组件的一个实施方案包括形成腔的集管，其中所述集管提供通向所述腔的流体通道。压力传感器定位在所述腔中并且被配置为感测所述流体通道内的流体的压力。所述压力传感器包括支撑结构和蓝宝石隔离构件，所述蓝宝石隔离构件粘结或联接到所述支撑结构以形成所述蓝宝石隔离构件的第一表面与所述支撑结构之间的区域。在示例性实施方案中，所述蓝宝石隔离构件是单晶蓝宝石元件。而且，在一些示例性实施方案中，所述支撑结构由具有与所述蓝宝石隔离构件相似的膨胀特性的材料(诸如蓝宝石或Al2O3)形成。所述蓝宝石隔离构件的第二表面被定位成与所述流体通道内的流体接合。电引线可以延伸穿过所述支撑结构。多晶硅应变仪图案定位在所述蓝宝石隔离构件的所述第一表面上的所述区域中并且联接到所述电引线。所述多晶硅应变仪图案(其可以形成为惠斯登电桥)被配置为在所述蓝宝石隔离构件响应于所述压力而偏转时生成指示所述流体通道内的所述流体的所述压力的电信号。
在示例性实施方案中，形成在所述蓝宝石隔离构件的所述第一表面与所述支撑结构之间的所述区域包含参考压力。所述参考压力可以是真空压力。在其他实施方案中，所述压力传感器被配置为表压传感器并且包括穿过所述支撑结构的参考通风口，以将形成在所述蓝宝石隔离构件的所述第一表面与所述支撑结构之间的所述区域连接到大气压力。
在一些示例性实施方案中，所述压力传感器组件包括几何突起，所述几何突起在形成在所述蓝宝石隔离构件的所述第一表面与所述支撑结构之间的所述区域内联接到所述支撑结构或与所述支撑结构一起形成，以在过压条件下限制所述蓝宝石隔离构件的偏转。
在一些示例性实施方案中，所述压力传感器组件包括温度传感器，所述温度传感器定位在所述蓝宝石隔离构件的所述第二表面上并且被配置为测量过程温度以补偿过程温度瞬变。
在另一个实施方案中，提供了一种生产压力传感器组件的方法。所述方法包括在蓝宝石隔离构件的第一表面上形成多晶硅应变仪图案，并且将所述蓝宝石隔离构件粘结到支撑结构以形成所述蓝宝石隔离构件的所述第一表面与所述支撑结构之间的区域，其中所述多晶硅应变仪图案形成在所述区域内。然后将所述压力传感器定位在集管的腔内，使得所述蓝宝石隔离构件的第二表面被定位成与穿过所述集管的流体通道内的流体接合。
在另一个实施方案中，一种过程控制测量系统包括壳体以及定位在所述壳体内的集管，其中所述集管包括腔以及通向所述腔的流体通道。压力传感器定位在所述腔中并且被配置为感测穿过所述流体通道的过程流体的压力。所述压力传感器包括支撑结构以及由单晶蓝宝石元件形成的蓝宝石隔离构件，所述蓝宝石隔离构件联接到所述支撑结构以形成所述蓝宝石隔离构件的第一表面与所述支撑结构之间的区域。所述蓝宝石隔离构件的第二表面被定位成与所述流体通道内的流体接合，使得所述蓝宝石隔离构件被来自所述流体通道内的所述流体的压力偏转。电引线延伸穿过所述支撑结构并且联接到多晶硅应变仪图案，所述多晶硅应变仪图案定位在所述蓝宝石隔离构件的所述第一表面上的所述区域中。所述多晶硅应变仪图案被配置为在所述蓝宝石隔离构件响应于所述压力而偏转时生成指示所述流体通道内的所述流体的所述压力的电信号。在一些实施方案中，所述区域内的所述支撑结构上的几何突起在过压条件下限制所述蓝宝石隔离构件的偏转。
提供本发明内容以简化形式介绍一些概念，这些概念在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题不限于解决背景技术中指出的任何或所有缺点的实施方式。
附图说明
图1是根据本公开的实施方案的过程控制或测量系统中的压力变送器的示例的局部剖面剖视图。
图2是根据本公开的实施方案的图1的压力变送器的一部分的剖视图。
图3是根据本公开的实施方案的用于测量绝对压力的压力传感器组件的一部分的简化剖视图。
图4-1是根据本发明的实施方案的用于测量表压的替代压力传感器组件的一部分的简化剖视图。
图4-2是图4-1的压力传感器组件的一部分的视图并且示出了过压保护止动件或特征部。
具体实施方式
下文参考附图更充分地描述本公开的实施方案。使用相同或相似附图标记标识的元件是指相同或相似元件。为了简化图示，某些元件可能未在每个图中示出。
然而，本公开的各种实施方案可以许多不同的形式来体现，并且不应被解释为限于本文阐述的具体实施方案。相反，提供这些实施方案使得本公开将是透彻和完整的，并且这些实施方案将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。
图1是根据本公开的实施方案的包括压力变送器102的过程控制或测量系统100的示例的局部剖面剖视图。图2是图1的变送器102的一部分的剖视图。系统100可用于材料(例如，过程介质)的处理中，以将材料从价值较低的状态转变为价值更高且更有用的产品，诸如石油、化学品、纸张、食品等。例如，系统100可用于执行卫生过程或其他类型的工业过程的设施中。
压力变送器102可包括壳体104，该壳体可通过过程联接件108联接到工业过程106。壳体104和过程联接件108可由不锈钢或另一种合适的材料形成。变送器102包括压力传感器组件110，该压力传感器组件附接到壳体104和/或容纳在该壳体内。组件110包括根据本文所述的一个或多个实施方案形成的压力传感器或压力传感器芯片112(以下称为“压力传感器”)，用于测量过程的压力。压力传感器组件110可包括集管114以及将压力传感器112连接到集管114的基座116，如图2中最佳所示。
过程联接件108可连接到管道118，该管道连接到过程106并且包含压力P下的过程材料(例如，流体)，该压力将由压力传感器112测量。压力P通过流体通道122被传送到压力传感器112，该流体通道延伸穿过压力变送器部件(在一些实施方案中包括过程联接件和集管114)，并且延伸到包含压力传感器的腔144中。压力传感器112(其实施方案参考图3、4-1和4-2更详细讨论)包括传感器元件，该传感器元件具有指示所施加的压力P的电参数。测量电路124可通过合适的电连接件126检测和处理传感器元件的电参数以建立用于所感测的压力P的值。测量电路124可连接到变送器102的接线盒127，该接线盒具有通信电路128，用于通过过程控制回路132将与所感测的压力P有关的信息(诸如压力P的值)传送到外部计算机控制单元130，如图1所示。
压力变送器102可包括通道，用于诸如通过壳体104中的通风口135将传感器112连接到环境压力或空气，如图2所示。该通道可延伸穿过基座116。
在一些实施方案中，过程控制回路132包括物理通信链路(诸如两线控制回路，如图1所示)和/或无线通信链路。控制单元130或另一个外部计算设备与压力变送器102之间的通信可根据常规的模拟和/或数字通信协议在控制回路132上执行。在一些实施方案中，两线控制回路132包括4-20毫安控制回路，其中所测量的压力值可由流过两线控制回路132的回路电流的水平表示。示例性数字通信协议包括诸如根据
Figure BDA0002851161850000041
通信标准将数字信号调制到两线控制回路132的模拟电流水平上。也可采用其他纯数字技术，包括FieldBus和Profibus通信协议。
过程控制回路132的示例性无线版本包括例如无线网状网络协议，诸如
Figure BDA0002851161850000051
(IEC 62591)或ISA 100.11a(IEC 62734)，或者另一种无线通信协议，诸如WiFi、LoRa、Sigfox、BLE或任何其他合适的协议。
可从任何合适的电源向压力变送器102供应电力。例如，压力变送器102可完全由流过控制回路132的电流供电。也可利用一个或多个电源来为压力变送器102供电，诸如内部或外部电池。也可使用发电机(例如，太阳能电池板、风力发电机等)来为压力变送器供电或为压力变送器102使用的电源充电。
现在参考图3，示出了具有压力传感器212的压力传感器组件210。组件210和压力传感器212是上文讨论的压力传感器组件110和压力传感器112的第一示例性实施方案。压力传感器212包括支撑结构220，在示例性实施方案中，该支撑结构可以由例如蓝宝石或Al2O3形成。穿过支撑结构提供信号引线通道222，以将信号引线224路由到电连接件126，并在测量电路124中建立所感测的压力P的值。蓝宝石隔离构件226(其被配置为响应于过程材料的压力P而偏转)通过气密粘结材料228将附接或联接到支撑结构220。蓝宝石隔离构件226、气密粘结部228和支撑结构220形成压力传感器212内的真空参考区域230，以提供绝对压力测量结果。多晶硅层应变仪图案232形成在区域230内的蓝宝石隔离构件226上，该多晶硅层应变仪图案联接到信号引线224以响应于蓝宝石隔离构件226的偏转而在引线上产生电信号。在一些实施方案中，多晶硅电阻层图案可以形成为惠斯登电桥。还示出了压力传感器组件210的过程密封件234，可以包括该过程密封件以在变送器表面与蓝宝石隔离构件226之间提供密封，以防止过程流体经过传感器组件。在一些实施方案中，蓝宝石蚀刻表面236可以形成在蓝宝石隔离构件226上，但是并非在所有实施方案中都需要。
现在参考图4-1，示出了表压(GP)传感器组件310，该传感器组件是图3所示的压力传感器组件210的一种版本。压力传感器组件310具有压力传感器312，该压力传感器是上文讨论的压力传感器112的第二示例性实施方案。压力传感器312具有与压力传感器212相同或相似的特征，包括可以例如由蓝宝石或Al2O3形成的支撑结构320，其中穿过支撑结构提供信号引线通道322，以将信号引线324路由到电连接件126并在测量电路124中建立所感测的压力P的值。蓝宝石隔离构件326通过气密粘结材料328附接或联接到支撑结构320。蓝宝石隔离构件326、气密粘结部328和支撑结构320形成压力传感器312内的真空参考区域330。在压力传感器312的实施方案中，提供了参考通风口340，该参考通风口将区域230连接到大气压力。多晶硅层应变仪图案332形成在区域330内的蓝宝石隔离构件326上，该多晶硅层应变仪图案联接到信号引线324以响应于蓝宝石隔离构件326的偏转而在引线上产生电信号。还示出了压力传感器组件310的过程密封件334，可以包括该过程密封件以在变送器表面与蓝宝石隔离构件326之间提供密封，以防止过程流体经过传感器组件。在一些实施方案中，蓝宝石蚀刻表面336可以形成在蓝宝石隔离构件326上，但是同样并非在所有实施方案中都需要。
图4-2更详细地示出了压力传感器组件310的一部分342。如图4-2所示，可以在区域330内包括过压保护特征部344，以在严重过压条件下限制隔离构件326的偏转。通过充当限制隔离构件326的偏转的止动件，隔离构件或膜片上的应力也受到限制，以防止压力传感器312的损坏和磨损。
当蓝宝石隔离件226/326在压力下偏转时，位于隔离件背面上的多晶硅应变仪图案232/332(以及温度感测电阻238/338)会检测到该偏转。多晶硅以及相关的隔离膜层的优点在于，与镍铬合金层的大约2mv/v相比，可以实现高达18mv/v的信号电平。因此，高信号可以实现更高的精度、范围缩小和稳定性能。该信号还与现有的应变仪信号处理和变送器电子器件兼容。与电容结构相比，使用电阻元件(和保护层)会降低检测电路对GP传感器版本(在下文讨论并在图4-1和4-2中示出)中使用的大气参考的灵敏度。
蓝宝石的强度和多晶硅电阻惠斯登电桥的高信号电平将允许更高的电平保护以防过压。通过在组件中采用偏转止动件(诸如过压保护特征部344)，可以进一步增强这种稳健性。虽然仅参考压力传感器组件310示出了过保护止动件，但是必须理解，此类止动件也可以包括在压力传感器组件210中。所公开的压力传感器的特征部(包括蓝宝石隔离构件226/326和过压保护特征部344)可以允许所公开的压力变送器以最大工作压力(MWP)的五倍或更高的压力工作，而常规的“无油”设计通常被限制为MWP的1.5倍。
在一些实施方案中，可以在晶片级上对蓝宝石、电阻膜和隔离膜以及背衬结构的制造进行处理，以适应经过验证的均匀批处理。此外，激光切割蓝宝石方面的新进展允许将组件“切”成最终的圆形，而不会造成损坏。估计的传感器直径介于0.5到1.0英寸之间，可以实现小形状因数和低成本。
尽管已经参考优选实施方案描述了本公开的实施方案，但是本领域技术人员将认识到，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下在形式和细节上进行改变。本公开的实施方案包括本文所述的一个或多个实施方案的组合。

Claims (13)

1.一种压力传感器组件，其特征在于，所述压力传感器组件包括：
形成腔的集管，所述压力传感器组件包括通向所述腔的流体通道；
压力传感器，所述压力传感器定位在所述腔中并且被配置为感测所述流体通道内的流体的压力，所述压力传感器包括：
支撑结构；
蓝宝石隔离构件，所述蓝宝石隔离构件联接到所述支撑结构并且形成所述蓝宝石隔离构件的第一表面与所述支撑结构之间的区域，所述蓝宝石隔离构件的第二表面被定位成与所述流体通道内的流体接合；
电引线；以及
多晶硅应变仪图案，所述多晶硅应变仪图案定位在所述蓝宝石隔离构件的所述第一表面上的所述区域中并且联接到所述电引线，其中所述多晶硅应变仪图案被配置为在所述蓝宝石隔离构件响应于所述压力而偏转时生成指示所述流体通道内的所述流体的所述压力的电信号。
2.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于，所述蓝宝石隔离构件是单晶蓝宝石元件。
3.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于，形成在所述蓝宝石隔离构件的所述第一表面与所述支撑结构之间的所述区域包含参考压力。
4.根据权利要求3所述的压力传感器组件，其特征在于，所述参考压力是形成在所述蓝宝石隔离构件的所述第一表面与所述支撑结构之间的所述区域中的真空压力。
5.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于，所述压力传感器被配置为表压传感器并且包括穿过所述支撑结构的参考通风口，以将形成在所述蓝宝石隔离构件的所述第一表面与所述支撑结构之间的所述区域连接到大气压力。
6.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于，所述蓝宝石隔离构件使用粘结材料粘结到所述支撑结构。
7.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于，还包括几何突起，所述几何突起在形成在所述蓝宝石隔离构件的所述第一表面之间的所述区域内联接到所述支撑结构，以在过压条件下限制所述蓝宝石隔离构件的偏转。
8.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器定位在所述蓝宝石隔离构件的所述第二表面上并且被配置为测量过程温度以补偿过程温度瞬变。
9.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于，所述多晶硅应变仪图案被配置为惠斯登电桥。
10.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于，所述支撑结构包括蓝宝石或Al2O3。
11.一种过程控制测量系统，其特征在于，所述过程控制测量系统包括：
壳体；
定位在所述壳体内的集管，所述集管包括腔，并且压力传感器组件包括通向所述腔的流体通道；
压力传感器，所述压力传感器定位在所述腔中并且被配置为感测穿过所述流体通道的过程流体的压力，所述压力传感器包括：
支撑结构；
由单晶蓝宝石元件形成的蓝宝石隔离构件，所述蓝宝石隔离构件联接到所述支撑结构并且形成所述蓝宝石隔离构件的第一表面与所述支撑结构之间的区域，所述蓝宝石隔离构件的第二表面被定位成与所述流体通道内的流体接合，所述蓝宝石隔离构件被配置为被来自所述流体通道内的所述流体的压力偏转；
延伸穿过所述支撑结构的电引线；以及
多晶硅应变仪图案，所述多晶硅应变仪图案定位在所述蓝宝石隔离构件的所述第一表面上的所述区域中并且联接到所述电引线，其中所述多晶硅应变仪图案被配置为在所述蓝宝石隔离构件响应于所述压力而偏转时生成指示所述流体通道内的所述流体的所述压力的电信号。
12.根据权利要求11所述的过程控制测量系统，其特征在于，所述支撑结构包括所述区域内的所述支撑结构上的几何突起，以在过压条件下限制所述蓝宝石隔离构件的偏转。
13.根据权利要求12所述的过程控制测量系统，其特征在于，还包括穿过所述支撑结构并将所述区域连接到大气压力的参考通风口。
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