CN85101132A - 具有基本上平整的测量模片过压止动器的压力传感器 - Google Patents

Abstract

用于探测压力的传感器，该传感器包含用于敏感压力的第一和第二压力腔以及中央止动器，该中央止动器包含两个基本上平整的表面，每一个这样的表面都同组成第一和第二压力腔的有关敏感膜片相配合。这两个腔用流体偶合在一起。每一个膜片分别响应压力P1或P2，本传感器具有简单的结构，适合测量压力差，计示压力或绝对压力。当所要探测的压力超过预定值时，有关的敏感膜片受到中央止动器相应的基本平整表面的支持。

Description

本发明涉及计示压力，绝对压力和压力差传感器。

有许多已知的有用传感器设计，例如美国专利第3，618，390和美国专利第4，398，194中所描述的。许多设计采用了经过预拉伸的膜片，就象390专利中所描述的那样，但大多数的膜片在微小压力或零压力差的作用下处于平展的状态，就象在自由状态时一样。同这种指导思想相反，本发明提供了一种敏感膜片，当它受到过载压力的作用时，该膜片处于平展状态。从下面所公开的发明中，可以看出这种传感器在制作上的简单性和组装上的简便性。

本发明提供了用于探测计示压力，绝对压力或很小压力差的非金属传感器。本传感器包括在其中安有中央止动器的外壳。该中央止动器具有基本上平整的第一表面和基本上平整的第二表面，它们分别同第一敏感膜片和第二敏感膜片结合在一起，从而形成了第一压力腔和第二压力腔。中央止动器包括通过它的通道装置，以便将第一腔和第二腔用流体偶合在一起，并用于将流体充入通道和腔中，使充入的流体的压强达到预定的数值，并将其密封起来。膜片向压力开放并产生响应该压力的偏移。膜片是用基本上无滞后的脆性非金属材料制作的，如硅（单晶或结晶体），蓝宝石或石英。该膜片安置在中央止动器上，以便当作用在一个膜片上的压力值超过了预定的最大值时，响应该过载压力的膜片能得到中央止动器相应的平整表面的牢固支持。

由于这种膜片被制作成平展状态的，并且由于当把膜片安装到传感器的中央止动器上时不需要进行预拉伸或预压，该膜片相对于中央止动器的独特配置使制作和组装变得非常容易。制作本传感器的材料具有很高的热传导性和非常低的非弹性机械特性，因此，本传感器具有优良的准确性和稳定性。为了在大范围温度变化的条件下进行压力测量。安置了温度传感器，用来测量传感器的温度，并且利用由此得来的温度数据来补偿读出电路系统的重复测量误差。从下面对本发明的最佳实施方案的描述还可以明白本发明的其他优点。

在附图中：

图1是根据本发明的传感器的侧视剖面图，该图显示了电容敏感装置和电路方块图。

图2是根据本发明的传感器的膜片部件的侧视剖面图。

图3是根据本发明的传感器的侧视剖面图，该图显示的是电路，方块图还显示了根据本发明的隔离膜和隔离腔。

在附图中，标号10总体地表示一个压力传感器，传感器10包括压力外壳11和读出电路12，在附图中对读出电路12的显示是原理性的。外壳11和读出电路12最好是安置在适当的外壳中。用适当材料制作的中央止动盘20包含穿过它的第一腔22和与第一腔22大致相垂直的第二腔24。附图中所显示的第一腔是一个单腔。然而，在需要的情况下，可以采用多个这样的腔。第二腔24从止动盘20的侧面向内伸延并在接合处26同第一腔相交，从而使第一腔22和第二腔24共同构成盘20内的流体通道27。如图所示，可以采用诸如螺钉或塞子的密封装置28把通道27的末端密封起来，也可以把夹断管同通道27连接起来，从而能够将适当的流体方便地注入通道27和相连的空腔（后面将对其进行描述）并将这些流体封闭在通道27和相连的空腔之中，这些流体可以是基本上不可压缩的液体，或是气体。

传感器10包括第一膜片部件30和第二膜片部件40。部件30和40最好同一种材料制成。第一膜片部件30包括第一膜片32和整体周边垫片34。

类似地，第二膜片结件40包括第二薄膜片42和整体周边垫片44。中央止动盘20和膜片部件30和40最好是用硅、石英、蓝宝石或其他适当材料制作的，这些材料最好是基本上无滞后的脆性材料。在由于外界所施加的压力而产生的挠曲应力的作用下，这些材料能显示出极好的弹性。最好采用机械，腐蚀或其他的已知方法来制作薄膜片32和42。参见图2，可以看到在自由状态下膜片部件30和40的膜片32和42是平展的。因此，膜片部件30和40的膜片32和42是易于制作的。

在图1所示的实施方案中，传感器的敏感装置是电容式的，在第一膜片32和第二膜片42各自的表面38和48上，分别附着上以诸如金属的材料构成的导电薄层36和46。用适当材料制作的薄层36和46可以采用溅射法或蒸气沉积法或类似的方法制作。在中央止动盘20的第一表面52上用类似方法附着上以适当材料制作的导电薄层53;在中央止动盘20的第二表面54上用类似方法附着上以适当材料制作的导电薄层55。用适当材料制作的导电薄层53和55的厚度为几微米的量级或者更小。为了保证膜片32和34的表面38和48以及止动盘20的第一和第二表面52和54基本上平整，可以用腐蚀或机械的方法加工这些表面，以使其具有线槽以容纳导电层，这样，当在其上附着了相应的导电材料层之后，这些膜片和表面在基本上是平整的。由于这些导电层很薄，所以在大多数生产情况下不必制作这样的槽。在有些情况下，可以先附着或生长诸如氧化物的非导电层，然后再附着上导电层。

随后，将第一膜片部件30和第二膜片部件40装配在中央止动盘20上（如图所示）。中央止动盘20和膜片部件30和40最好是圆柱状的，但也可以是其他适当的一般几何形状的，只要所有部件彼此之间能够配合就可以。当采用石英材料时，最好采用在其周边附近进行熔合的方法，把部件30、40同中央止动盘20连在56处（如图所示）;当采用硅或蓝宝石材料时，可以借助适当的焊接材料，例如玻璃或适合于硅焊接的金共晶体，把这些部件连接在56处，当采用玻璃焊接时，在中央止动盘20上制出线槽58可以有利于加强这种连接。由此，可以得到探测膜片32，42分别同中央止动盘的表面52，54之间的基本平滑的分界面。

当刚装到中央止动盘20上时，第一膜片32和第二膜片42的表面38和48分别大致地停靠在基本平整的第一表面52和基本上平整的第二表面54上。将适当的液体加压通过第二腔24充入通道27，并通过构成通道27的一部分的腔22。为保证充入的液体的均匀性，采用了标准的抽气技术以及随后的充入液体。第一膜片32和第二膜片42分别在充入的液体的作用下离开第一表面52和第二表面54。为了说明起见，在图1中夸大了膜片32和42在充入液体的作用下脱离中央止动盘20的表面52和54的向外偏移。实际上，膜片32和42分别脱离表面52和54的偏移量一般小于膜片32和42的厚度。注入的液体的体积是根据在最低的预计温度下所要测量的最大压力（计示压力，绝对压力或压力差）计算的。在充入了预定的体积之后，用将其安装在止动盘20上的方法或诸如熔合的适当方法将密封装置28固定，从而将液体封入由第一膜片部件30现在是凸状的表面38构成的第一空腔60，由第二膜片部件40现在是凸状的表面48构成的第二空腔62和通道27之中。空腔60和62通过通道27而彼此用流体偶合起来。一种向空腔60和62以及通道27中充入液体的方法是在充入液体的同时把所需的压力加到膜片32和42的外表面。当膜片32和42稍微偏离了各自位于表面52和54上的止动位置时，就可以固定密封装置。值得注意的是，可以通过在固定密封装盘28之前调整密封装置28的位置来实现对膜片32和42之下的液体体积的调整。另一种适当方法（未在图中显示）是把一根金属毛细管插入通道56并逐步将其向外抽出，直到膜片32和42之下的压强达到了期望的数值。

通过把外壳部件沿接合部分63安置在第一膜片部件30和第二膜片部件40的各侧，形成了外壳11。外壳部件按期望的方式同垫片34，44连接。如果外壳11是用石英制作的，这里的连接最好也是采用熔合法。当传感器10的所有部件都用石英制作并且都用熔合的方法进行连接时，热膨胀应力差实际上可以消除。

安装在外壳11上的温度传感器64通过引线65提供读出电路12的修正信息，以便修正由于大范围的温度变化而导致的重复测量误差，导致这些误差的原因可以是：流体的膨胀特性，当传感装置是电容时充入液体的介电性质的变化，弹性模量的变化和尺寸变化等等。这种修正导致了非常精确的读出，而达到这种精确的读出是由于本传感器的部件具有高度的弹性特性和机械稳定性。

外壳11备有第一压力孔66，第一压力孔66朝向提供压力P1的第一压力源;和朝向提供压力P2的第二压力源的第二压力孔68。值得注意的是压力孔66、68和有关的外壳11的部件以及相应的膜片30，40一起构成了第一压力腔70和第二压力腔72。因此，第一压力P1作用到第一膜片32上，而第二压力P2作用到第二膜片42上，压力孔66或68可被用来对相应的压力腔70，72进行抽真空和密封，也可向P1或P2开放（如图中所示）。因此，本传感器可用于绝对压力，计示压力或压力差的测量。

在图1所示的用来进行压力差测量的实施方案中，压力P1和P2分别作用在膜片32和42上。在施加于膜片每一边的压力之作用下，每个膜片都产生偏移。如果P2小于P1的话，由于压力P1而导致的膜片32向止动盘20的偏移使第一和第二空腔60，62中的流体趋向于使膜片42偏离表面54。从本质上说，在这样的实施方案中，膜片感应的是压力差（P1-P2）。

膜片32相对于表面52的偏移以第一电容（C1）的形式被测量出来，第一电容（C1）是由膜片32上的导电层36构成电容C1的一个电容器极板，由第一表面52上的导电层53构成电容C1的第二个电容器极板而构成。膜片42相对于表面54的偏移以第二电容（C2）的形式被测量出来，第二电容（C2）是由导电层46构成电容C2的一个电容器极板，以第二表面54上的导电层55构成电容C2的第二个极板而构成的。将适当的导线82、84、86、88分别连接到薄层36，薄层46，薄层53和薄层55，并连接到读出电路12，连接的方式可以是传统的方式，例如，以传统的方式在膜片部件30，40和中央止动盘20上从导电层36，46，53，55到传感器的周边蚀刻出路线并将导电物质附着在该路线上，再把引线按传统方式连接到其上。随后，如果需要的话，可以把适当的非导电层附着在这些路线上的导电物质之上。

随后，借助传统的电路系统，可以把压力或压力差（具体取决于传感器的结构）当作电容C1和C2的函数在读出电路12中计算出来。最好是用从探测膜片32，42组成的两个电容器传来的电容信号来测量压力，然而，如果愿意的话可以只测量一个膜片，也仍然可以实现通常的压力测量。从温度传感器64传来的电信号被用来在读出电路12中补偿温度引起的已知系统误差。尽管图1所示的以及所讨论的敏感装置是电容式敏感装置，但应当明确的是在不脱离本发明的范围的前提下，可以选择电感式，压阻式，压电式，声表面波敏感测量式，或光学式的敏感装置。按照需要，可以用传统方法将这些敏感装置安置在膜片32和42上。在不脱离本发明的范围的前提下，很容易在硅膜片上采用压阻路线。

图3显示了本发明的另一个最佳实施方案。外壳11包括制作在其外端表面上的凹槽90，92，隔离膜片94，96安置在凹槽90，92之上。隔离膜片94，96连同凹槽90，92，压力孔66，68膜环34和44和膜片部件30，40外侧分别包围了第二和第三隔离腔。在这些隔离腔中最好充入不可压缩的液体，这些液体可通过外壳11上带有适当密封装置98，100的孔95，97注入。这样的隔离器94，96分别向具有压力P1和P2的压力源开放。

当测量对感应膜片32，42有化学腐蚀性或其他影响的流体的压力时，就需要这种隔离器。隔离腔中充入的液体体积是预定的，以便在受到过载压力P1或P2时，第一膜片32或第二膜片42分别同第一表面52或第二表面54接触，从而保护有关的隔离膜片94，96和传感膜片32，42，使之不致在过载压力下受到损坏。为了得到最高的精度，隔离器应明显地比膜片32和42更易于发生偏移，为了达到这一点，通常（如图中所示的）将隔离膜片加工出波纹，采用更薄的材料，采用弹性模量更低的材料或采取更大的直径等等（以上这些都是相对膜片32和42而言的）。

在更进一步的最佳实施方案中，如果不用隔离膜，可以在膜片32，42朝向通道66和68的一侧表面和空腔70和72的其他内表面上附着上化学性质不活泼的适当材料，以防止其上发生化学腐蚀。

这里所描述的传感器可以经受住P1或P2或P1与P2同时的极度过载。对P1和P2二者之一的过载保护是通过用平整表面来支撑相应的膜片而达到的，而对P1和P2二者同时的过载保护是通过液体偶合实现的。在两种情况下，膜片32和42的偏移都被限制在传感器的设计范围之内。

Claims (15)

1、用于探测第一压力的量值的传感器，该传感器包含第一和第二压力腔，以便至少能探测第一压力的量值，该传感器包括：

外壳；

安装在外壳中的中央止动器，该中央止动器包含构成第一压力腔的部分的基本平整的第一表面和构成第二压力腔的部分的基本平整的第二表面；

安置在中央止动器装置上的第一敏感膜片装置，该第一敏感膜片装置向上述第一压力开放并感应上述第一压力，该第一敏感膜片装置连同第一表面包围了第一压力腔；

安置在中央止动器装置上的第二敏感膜片装置，该第二敏感膜片装置连同第二表面包围了第二压力腔；

设置在中央止动器装置中的通道装置，用来把第一压力腔同第二压力腔用流体偶合起来，以便当第一压力的量值超过了预定的量值时，第一敏感膜片得到中央止动器装置的第一表面的支持。

2、根据权利要求1的传感器，其中在第一压力腔，第二压力腔和通道装置中充满了基本上不可压缩的液体。

3、根据权利要求2的传感器，其中不可压缩的液体是按预定的压强充入的。

4、根据权利要求3的传感器，其中这种预定压强是最低预期温度下的最大预期压力的函数。

5、根据权利要求2、3或4的传感器，其中该传感器进一步包括第一传隔离器装置，该第一隔离器装置被安置在第一敏感膜片和第一压力之间并与之用流体偶合在一起，以便第一压力引起隔离器装置的偏移，而响应于这种偏移，流体偶合使第一敏感膜片发生响应第一压力的偏移。

6、根据权利要求2的传感器，该传感器进一步包括用于测量第一压力值同第二压力值之差的装置，由第二敏感膜片装置确定的开口，该开口朝向第二压力，因而第二膜片装置发生相应于第一和第二压力值之差的偏移，因而只有在第一和第二压力值之差超过预定值时，相应的第一膜片装置和第二膜片装置才得到中央止动器相应的第一表面和第二表面的支持。

7、根据权利要求6的传感器，该传感器进一步包括第一隔离腔装置和第二隔离腔装置，第一隔离腔装置和第二隔离腔装置分别同第一敏感膜片装置和第二敏感膜片装置用流体偶合，第一隔离腔装置响应第一压力，第二隔离腔装置响应第二压力，同第一隔离腔的流体偶合影响第一敏感膜片装置，同第二隔离腔的流体偶合影响第二敏感膜片装置，而作用在第一和第二隔离腔上的压力之差使第一和第二敏感膜片装置发生响应该压力差的偏移。

8、根据权利要求1的传感器，该传感器进一步包括敏感装置，该敏感装置用于探测至少一个上述膜片装置的偏移。

9、根据权利要求8的传感器，其中敏感装置包括一个电容器，该电容器是由第一表面的导电表面部分和第一膜片装置的导电表面部分所构成的第二电容器极板构成的。

10、根据权利要求4的传感器，进一步包括第一传感器和第二传感器。

11、根据权利要求8的传感器，其中敏感装置为第一电容器和第二电容器，第一电容器由第一表面和第一膜片装置的导电表面构成，用于测量第一电容值;第二电容器由第二表面和第二膜片装置的导电表面构成，用于测量第二电容值。

12、根据权利要求8的传感器，其中敏感装置可以是压阻、声波或光学传感器。

13、压力传感器，包括：

包含相反朝向的基本平整表面和外部周围边缘部分的盘;

第一膜片，该第一膜片的边缘密封地连接在盘的边缘部分上，该第一膜片覆盖在相反朝向的表面之一上，当连接到盘上时，第一膜片在开始时的形状使第一膜片处于基本上同这个表面相接触的状态。

第二膜片，该第二膜片在盘的另一表面上，该第二膜片的边缘密封地连接在盘的边缘部分上，该膜片覆盖着制作在盘中的流体通道，该流体通道在朝向相反的表面之间的一定区间内伸延，该区间是由第一和第二膜片的边界确定的。

充入基本上不可压缩的液体，从而使两个膜片脱离盘的相应表面，并充满通道;

覆盖在第一膜片上的外壳，该外壳包括将待测压力引入外壳的装置，将待测压力引入外壳使第一膜片向盘偏移，这种偏移受到了第二膜片的阻碍，而这种阻碍是通过膜片之间的不可压缩液体而产生的;

至少能够探测第一膜片的偏移的装置。

14、如权利要求8所述的传感器，其中每一个膜片都带有围绕其边缘的膜环，膜片连接在止动器部件同该膜环相配合的部分上。

15、如权利要求9所述的传感器，其中膜环向着背离盘的相应表面的方向伸延，外壳连接在至少第一膜片的膜环上。

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