專利名稱:差壓傳感器的制作方法
本發(fā)明是一個差壓傳感器，其壓力檢測片是用脆性材料制做的，并有防護措施;使其不致被過壓損壞;外面裝有套架，在很大的靜態(tài)線壓范圍內(nèi)，均能方便使用。
美國專利No.4，572，000也是一種壓力傳感器，其脆性材料檢測片受到過壓時就變成平坦狀態(tài)而靠在平坦的承托片上。在該專利中，檢測片在初始壓力作用下從承托片向外凸出，經(jīng)過加工處理后，受到最大壓力時，變得非常平坦而且?？吭诔型衅?。
其他一些先有裝置應用的脆性材料檢測片具有起支承作用的凸邊，可以運用電容性檢測的方法實現(xiàn)傳感作用，也可以通過裝在檢測片上的應變電阻片實現(xiàn)傳感作用。
本發(fā)明是用硅片作為壓力檢測片的一種壓力檢測盒，檢測片安置在平坦的承托面之間，具有凹進的表面。當壓力差為零時，每個凹面對向著一個承托面。凹進面是在檢測片處于變形狀態(tài)時經(jīng)過精細加工而制成的，故當需要檢測的壓力將檢測片推向承托面時，對向著承托面的檢測片表面將會變得平坦，而且完全頂靠在承托面上。由于這種完全的頂靠，就免除了產(chǎn)生使脆性材料制作的檢測片遭受破壞的過應力。檢測片的制作，最好采用硅、蘭寶石、鍺或者其他半導體或適當?shù)奶沾刹牧稀?br>在與承托面相對的硅片表面上怎么制做凹口的問題，可以通過結(jié)構(gòu)設計的方法來解決，而不需要在承托面上加工或制作一層表面。承托面最好用玻璃來制作。當采用電容性檢測方法時，可在玻璃面上沉積一層金屬電容器板。
檢測片凹面的制作最好采用批量制作，就是在一塊硅片上制作好幾塊檢測片，然后將承托片粘結(jié)上去。粘結(jié)完成之后，再將硅片與承托片切開，便作成了單個的壓力檢測盒。
制作檢測片的表面時，先對檢測片施加壓力，使其變形，然后在此壓力繼續(xù)存在的情況下，將另一側(cè)的表面磨平磨光。將壓力去除之后，一個完全符合要求的凹口就在磨光的表面上形成了。
在檢測面的另一面，即與有凹口相反的一面，可以用同樣的方法再制作一個凹口。這種檢測片可以用兩塊硅片來制作，每塊上制作一個凹口，或稱半檢測片。將兩塊半檢測片的內(nèi)表面粘結(jié)在一起，便作成一個有兩個向外凹口的檢測元件，在其兩面再加上承托片。
另一個制作方法是采用兩塊硅片，各含半個檢測片，加上壓力，使兩個半檢測片均向外突出。在壓力繼續(xù)保持和凸出形狀不變的情況下，將兩塊硅片的外表面粘結(jié)在一起。粘結(jié)材料是會凝固的。當其凝固之后，就使受壓變形的檢測片保持著變形狀態(tài)，即使壓力去除之后，也不會恢復原形。然后再將承托片粘結(jié)在硅片的兩面。
無論哪種形式的檢測片，都是用來檢測差值壓力。檢測片的一側(cè)如果受到壓力，則向承托片的表面運動，當其靠上承托面時，就變得甚為平坦，因而就受到全面的承托而與太大的過壓相抗衡。
這個壓力檢測盒夾持在套夾之間。套夾是一個整體結(jié)構(gòu)，其材料的熱膨脹系數(shù)與壓力檢測盒的熱膨脹系數(shù)是一致的，故能將壓力檢測盒夾持在一起，而且在盒子的全部圓面上保持著均勻的壓力。這個夾持結(jié)構(gòu)內(nèi)也有一條孔道，使壓力能夠進入檢測元件。再者，當待測的壓力的靜態(tài)條件不同時，檢測片的間隔可能發(fā)生變化，對夾持結(jié)構(gòu)或套夾形狀進行適當選擇，便可對這種間隔變化進行機械補償。對電容性傳感器來說，這種補償技術(shù)是很有用的。靜態(tài)壓力是檢測片兩個側(cè)面所受壓力的平均值。在多數(shù)情況下，當被檢測的差壓低達每平方英寸一磅時，差壓傳感器線路上的靜態(tài)壓力可能達到每平方英寸幾百甚至幾千磅。所以傳感器無論是靜態(tài)線壓力在高值或低值范圍內(nèi)變化時都能應用。正確選定傳感器套夾的夾持位置以及對影響傳感器變形的密封區(qū)域進行調(diào)整，這樣就能補償差值靜態(tài)線壓力。這種差值靜態(tài)線壓力又能對檢測片的剛性產(chǎn)生影響，并進而影響當一個給定的差值壓力作用在檢測片上時所發(fā)生的變形響應。因為靜態(tài)力能使形成一個電容板的檢測器表面與形成另一塊電容器板的承托面之間的間隔有所增大，故當靜態(tài)壓力升高時，改變這些表面就會使其分開。將壓力檢測盒夾持在套夾之內(nèi)，檢測片的徑向壓力便會降低，同時也就有可能進行補償。
各種傳感器都可以用批量制作來進行，這樣可使制作費用有所降低。從批量加工法可以看出，在加工過程中，可以在一硅片上制作好幾個檢測片，將起承托作用的玻璃盤或硅片加以粘結(jié)，在加工過程結(jié)束之后，將硅片切開，便得出好幾個傳感器。
圖1是本發(fā)明的壓力傳感器的總體圖，圖上表示出傳感器壓力檢測盒的安裝位置。
圖2是圖1所示裝置安裝在套夾之內(nèi)的情況，圖上表示出隔離片向壓力檢測盒傳送壓力的情況。
圖3是檢測片和承托片的剖面圖，圖上表示出批量制作法的初始步驟，不過只畫出一個測壓盒。
圖4是圖3所示剖面圖的進一步加工。
圖5是加工完成了的傳感器測壓盒或半個測壓盒，其檢測片的表面按本發(fā)明的要求所制成。
圖6是制成了的壓力檢測元件的進一步觀察，這是將兩個如圖所示的半個測壓盒粘結(jié)在一起的情況。
圖7是一塊檢測片和承托片的剖面圖，二者構(gòu)成半個測壓盒，是本發(fā)明的第二種結(jié)構(gòu)形式。
圖8是由如圖7所示的檢測片與承托片構(gòu)成的兩個檢測元件組成一個完整的壓力檢測盒的剖面圖。
圖9是制造本發(fā)明壓力傳感器檢測盒時，采用改進式典型批量制作法的剖視說明圖。
圖10是圖9所示裝置進一步加工時的剖面圖。
圖11是將作好的一部份檢測片安置在承托片上的情況說明圖。
圖12是本發(fā)明改進式結(jié)構(gòu)中的檢測片進一步加工圖。
圖13是具有兩塊檢測片的一塊硅片完成圖12所示加工之后的情況。
圖14是裝好第二塊承托片后的兩個測壓盒的剖視圖。
圖15是一個壓力檢測元件的剖視圖，圖上顯示了夾緊方式和外面的套夾。
圖16是采用改進式夾緊套夾的局部剖視圖。
圖1是一個含有檢測片的差壓傳感器測壓盒，用10表示，安置在第一圓柱體11與第二圓柱體12之間。兩個圓柱體均由玻璃(例如硼硅酸耐熱玻璃)或其他適當?shù)牟牧现瞥伞Ｔ趫A柱體里面，沿中心線開有一條孔道，以便將兩個壓力P1(如箭頭14所示)和P2(如箭頭15所示)傳到壓力盒中。壓力盒10夾持在圓柱體11與12之間，如圖2所示。夾持器兩端有端蓋和固定框20和21，由螺栓22夾緊，使圓柱體11和12壓緊測壓盒10。圖2上還簡略地繪示了第一隔離片24和第二隔離片30，其用途是使兩個壓力分別通過圓柱體11和12的中心孔道傳送給測壓盒10，這樣就使得測壓盒的膜片不會受到待測壓力的直接作用。
將壓力進行隔離，這是一項成熟了的技術(shù)。從圖上可以看出，隔離器24含有一塊隔離片25。隔離片25在隔離器24上圍成一個空腔26，空腔內(nèi)裝有不可壓縮的流體，例如硅油，以將壓力通過管道27傳入圓柱體11的中心孔道，進而傳送給測壓盒10的檢測片，下面對此將有圖示。隔離片25直接承受壓力P1(圖2上也用箭頭14表示)的作用。從圖上還可看出，隔離器30含有一塊隔離片31，此片安置在托架32上，形成一個空腔33，腔內(nèi)裝入不可壓縮的流體，并且填滿管道34，從而通入圓柱體12的中心孔道，壓向測壓盒10的另一側(cè)。這樣一來，壓力P2(由箭頭15表示)也就作用到隔離片31上。兩個壓力P1與P2之間的差值便可由傳感器的測壓盒10檢測出來。
圖3到圖6說明傳感器測壓盒的制造方法。這里采用了一塊容易變形的壓力檢測片，用的是脆性材料，例如硅或其他半導體。圖6所示是完全制成了的測壓盒10，是放大了的圖形。必須指出，這里的各個圖形并不符合實際裝置的真實尺寸，而且也不是按比例繪制的。
為了能在圖上顯示清楚，對于各種片子的厚度及空腔與凹口的深度都作了放大。
測壓盒10是通過許多工序而制成的。先將一塊硅片進行加工，做成若干塊檢測片，圖上只詳細地畫出了一塊檢測片。
將硅片40進行蝕刻，在恰當?shù)奈恢蒙献鞒霭伎?2(如圖所示示)。由于開出了凹口42，便形成了很薄的容易變形的檢測片43，由凸邊44加以承托。當一系列工序結(jié)束之后，將各個測壓盒切開時也就從硅片上切成了凸邊。圖3用實線描繪了半個壓力盒的邊沿。
硅片40安置在玻璃盤45的端面上，玻璃盤用硼硅玻璃，例如硼硅酸耐熱玻璃制成。玻璃盤45上開有孔道46，其位置應選擇恰當，使其與硅片40上的凹口42正好配合準確。玻璃盤45經(jīng)過金屬鍍膜處理，使得在凹口42的范圍內(nèi)形成一層很薄的金屬表面，這就構(gòu)成電容器板47，以對檢測片的變形進行電容性檢測?？椎?6的內(nèi)表面上也敷有一層金屬膜46A，并與玻璃盤另一面的金屬層48相連接。這樣一來，當傳感器的測壓盒制作成功時，電容器板47上的電氣連接線便等于與另一面也接通了?？椎纼?nèi)的金屬膜46A將使電容器板47上的電信號能更好地通向相應的金屬膜48，從而又與另一連接線49接通。這樣一來，整個檢測元件便與由玻璃盤45形成的剛性托盤的承托面50有了十分完善的配合。
硅片與玻璃盤通過陽極接合處理或其他技術(shù)措施而接合在一起，于是檢測片凸邊44與玻璃盤接合處便形成了嚴密的結(jié)合，從而形成了凹口或空腔42，并且只有穿過孔道46才有一個出口。
圖4所示是制造測壓盒的下一道工序。將壓力(如箭頭51所示)加到孔道46上(玻璃盤內(nèi)的各條孔道立即全部升壓)，與空腔42相配合的處于初始位置的檢測片43便向外凸出，其形狀自然也就發(fā)生了變化，如圖上曲線43A和虛線43B所示。外加的壓力如果不變，則薄片或檢測片43將始終保持于向外凸出的狀態(tài)而不縮回。由虛線43B所表示的凸出部份經(jīng)研磨加工而除去，便作成了平坦的表面43C。壓力不變時，此表面便是整個硅片的全部表面。
由箭頭51所表示的外加壓力去除之后，容易變形的檢測片43得以松弛而變成圖5所示的形狀，43C就變成了凹入的表面，而表面43A便恢復為初始狀態(tài)時的很平坦的表面。因為由虛線43B所表示的硅材料已經(jīng)除掉，所以當再度施加壓力時，變了形的檢測片中心部份的凸出表面43C就變成了翻轉(zhuǎn)過來的外凸圖形。
由上可知，在一塊硅片及與之相接的一塊玻璃盤上可以同時制成若干個半測壓盒，圖上由10A表示。用另一塊硅片和玻璃盤以相同的方式作成第二個半測壓盒。將兩塊含半測壓盒(分別為10A和10B)的硅片緊靠在一起，使二者的表面43C相對接，便最后作成了傳感器的整個測壓盒，如圖6所示。在兩塊硅片相靠的縫隙內(nèi)加入一層熔化了的玻璃或其他粘結(jié)材料，圖上用56表示。
向兩塊玻璃盤的孔道46時送入相等的壓力，兩個表面43C便回復到原來的平坦狀態(tài)，如圖4所示。從圖6可以看出，兩個表面43C之間加上玻璃熔接材料56時，此二表面保持平坦而且互相平行。兩塊硅片40用適當?shù)膴A具(圖上未畫出)夾持在一起。將兩個表面互相對接，并且在接縫處加入玻璃熔接材料，再從外面施加一個壓力F，將硅片夾緊。壓力加到檢測片上，檢測片的外殼罩著了孔道46的出口。從壓力源57和58發(fā)出兩個相等的可調(diào)壓力，使檢測片變形，因而使得對接著的兩個外表面43C在粘結(jié)作用實現(xiàn)之前，在全部檢測片上都處于平坦狀態(tài)。當兩個表面43C保持于平坦狀態(tài)時，玻璃熔接材料便將兩個對接表面粘結(jié)在一起。因此，在粘結(jié)作用尚未完成之前，兩個力源57和58(用一個力源也可以)發(fā)出的可調(diào)壓力是很重要的。
在粘結(jié)材料已經(jīng)定型以后，檢測片43所受到的來自力源57和58的壓力就可以撤消。粘結(jié)材料56把兩塊硅檢測片43粘結(jié)在一起，給每個壓力盒形成一個單一的完整檢測片，如圖上的63所示。此檢測片有了兩個表面43A，處于凹進狀態(tài)，分別對向著兩個平坦的承托面50。凹進狀態(tài)對應于檢測片63的變形情況。在粘結(jié)作用發(fā)生效力之后，確定使檢測片43發(fā)生彎曲變形所需的壓力時，必須考慮到，這時的單一檢測片63已經(jīng)有了雙倍的厚度。檢測片的凹進部份面對著空腔42邊沿和檢測片中心的一個淺坑。
按上述工藝作成之后，再將硅片與玻璃盤切開，做成單個的傳感器測壓盒10。在圖6所示的測壓盒中，與承托面50有間隔的檢測片是被夸大了。不過當測壓盒一側(cè)的壓力達到極其高的數(shù)值時，另一側(cè)的表面43A將會凸向承托面并靠在該承托面上，就此形成了電容器板47。檢測片63也就靠在了平坦的承托面上，而在額定過壓的作用下，兩個表面43都是平坦的。檢測片63內(nèi)所產(chǎn)生的應力不會超過容許應力，檢測片63的全部表面都會充分地受到承托。
為了看得清楚一些以便進行解說，在圖3-6上，檢測片的形狀和變化情況都作了很大的夸大，不過檢測片的制作過程和所講述的情況卻是一致的，結(jié)果是兩個檢測片各有一個凹進的表面對向著承托面50。在受到預定壓力的作用時，就檢測片的變化來說，兩個凹面是相同的。因此，當此種壓力加到檢測片63的另一表面時，與相應承托面50相對的表面43C將會與承托面非常平行并且平坦地?？吭诔型忻嫔希蚨c承托面相接觸。檢測片與承托面接觸在一起就使得檢測片63在受到過壓作用時不會產(chǎn)生過大的應力。
由力源57和58產(chǎn)生的由箭頭表示的壓力應當選定為適當?shù)闹?，使得檢測片63所產(chǎn)生的變形比最大可用壓力所引起的變形只略微大一點。這樣作的結(jié)果是表面43C的凹進形狀就很恰當，檢測片63便可在預定的整個壓力范圍內(nèi)使用;不過在臨到遭受過壓應力之前，檢測片63將會變得很平坦，而且與相應的承托面50相接觸。再者，檢測片表面與承托面之間的間隔在圖上也作了夸張。兩塊電容器板47和檢測片的中心部份的導電性能都非常良好，足可用于電容性檢測。
圖7和圖8所示的是一種改進式的測壓盒。圖7是半個測壓盒，也是用硅片40和玻璃盤45制做的，制作過程相同于對圖3所作的敘述。半測壓盒含有一塊由適當玻璃制作的承托片75和一塊由硅片40制成的檢測片76。此檢測片上有一個容易變形的壓力檢測部份77，其制作方法是通過蝕刻作出一個凹口78。為了對檢測片進行全面承托，制作了凸邊79。承托片75上有一塊電容器板82，還有一條孔道83，通向檢測片77之下的空腔78?？椎?3的內(nèi)表面上敷有一層金屬膜，玻璃盤75的另一側(cè)面上也敷有一層金屬膜84，以形成電容器板82。
在本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)中，玻璃承托片75和硅檢測片76是在凸邊79上粘結(jié)在一起的。在單個半測壓盒(如圖7所示)分出之前，將硅片進行打磨，將圖7上虛線所含部份85的材料除去，使檢測片部份77的厚度縮小到需要的程度。
兩塊硅片和玻璃盤都具有數(shù)個如圖7所示的半測壓盒，將二者準確地貼合在一起，二者之間的界面上敷上一層粘結(jié)材料。兩個相同的半測壓盒粘結(jié)完成之后，情況有如圖8的87A和87B所示。兩塊硅片和兩塊玻璃盤用夾具夾緊，半壓力盒87A和87B分別受到力源89和90通過孔道83傳來的壓力，使壓力檢測片77向外凸出，并將粘結(jié)層91壓緊。此處作為粘結(jié)層的是有彈性或流動性的材料，例如處于熔融狀態(tài)的玻璃原料或凝結(jié)之后可以定形的彈性材料。F力用來將兩塊硅片和玻璃盤夾緊，這時在兩個半壓力盒87A和87B之間敷有粘結(jié)材料91。力源89和90所發(fā)出的壓力(可以調(diào)整為同等大小)可以保持在需要的水平上。
因為兩塊壓力檢測片77是彼此獨立而不互相依靠的，所以二者就互相對頂著向外凸出。材料91發(fā)生流動以適應這種凸出或變形，然后就穩(wěn)定下來，變成堅固狀態(tài)，將檢測片元件76與檢測片變形部份77并在一起，使其保持于變形的狀態(tài)，從而形成一個單一的壓力檢測片93，如圖8所示。
兩個表面77C呈凹進形狀，對向著承托片75的平坦表面。選擇適當?shù)膲毫?，可使凹進形狀保持于需要的狀態(tài)。在使用時，如果兩個半壓力盒上面受到的壓力互不相等，假定力源90施加于半測壓盒87B的壓力有所降低，而壓力89則上升而超過了需要的數(shù)值，這樣就產(chǎn)生了壓力的差值，此差值可能達到這樣的水平，即檢測片93發(fā)生很大的變形，使半測壓盒87B的表面77C可能靠在87B的承托片75的表面上。表面77C被承托片75所承托，當其完全靠在承托片上時，本身也就變得很平坦。這樣一來，檢測片93受到過壓時，就會在其整個表面范圍內(nèi)受到充分的承托，這時各個表面的情況如圖上所示。
檢測元件93是由粘結(jié)在一起的兩個檢測片變形部份77構(gòu)成的，所以在將兩個部份77粘合之前，選定壓力89和90以使77變形時，應當考慮到檢測元件的堅硬性已經(jīng)有了增強。
應當指出，檢測片上測出的壓力差值可能相當小，但通過隔離片的總的靜態(tài)線壓力(如圖1和2中的P1和P2)可能相當高，在實際應用時，可能達到好幾千個psi(每平方英寸數(shù)千磅)。
從圖8可以看出，測壓盒87具有一個單一的(但是合成的)檢測片，上面裝有分別來自電容器板82和檢測片變形部份77的引線94和95。這個檢測片的導電性相當強，或者至少可以說，其導電部份足以對變形進行電容性檢測。電容器板和檢測片變形部份將送出電容信號以指示電容器板82與鄰近的檢測片變形部份表面之間的間隔。已經(jīng)有很好的電路可以用于這個目的。當兩個半測壓盒檢測片的變形部份77被絕緣粘結(jié)層分開時，兩條引線95可以用來分別指示兩個半測壓盒對電容器板82(位于檢測片變形部份77之下)的電容。
再者，兩個檢測部份形成了一個單一的檢測元件93，可以檢測出兩個對立面上所受壓力的差值。與兩個承托片75相對的兩個表面采取了特定的形狀，可以與檢測元件93受到給定壓力而發(fā)生的變形相一致。當檢測元件93遭受到過壓時，與承托片75相對的檢測片表面將會變得很平坦。
圖10所示是一種改進式的傳感器壓力盒，在圖9-14上作了連續(xù)的說明。在本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)中，仍然采用了前述的制造工序，不過制造的步驟稍有不同。
參看圖9，在硅片100的適當位置上作出凹口或空腔101，使得薄檢測片102能與凹口相適應。凹口帶著凸邊103，此凸邊環(huán)繞著檢測片。將半測壓盒從硅片上切開時(如虛線104所示)，凸邊103也相應分開。沿104線切開，便作成了檢測元件105，其凸邊便從變形檢測部份102的周圍將其承托。從平面圖上看，檢測部份實際上可以是方正的，也可以是圓形的。
一塊硅片100上可以做出好幾個檢測部份102。硅片安置在金屬工具板110上，此板開有相當大的孔道111。每個孔道111都對準硅片上的一個空腔101。在硅片與金屬板之間的表面上涂上一層蠟以保證有良好的密封。在金屬板的表面115上設置一條集合進氣管116，此管用密封劑116A加以密封，以保證力源116B發(fā)出的壓力通過孔道111進入每個空腔101，使各個檢測片都能向外凸出，如圖9上虛線102B所示。金屬工具板、硅片和集合進氣管用夾具固定在一起。當空腔101內(nèi)的壓力維持不變時，將硅片100的外表面磨平磨光。箭頭117所示的硅片厚度約為12.5密耳。當力源116B產(chǎn)生的壓力解除之后，檢測片部份102將采取如圖10所示的形狀，其上部表面有若干凹口102A，每個凹口都形成一個較薄的檢測部份。將表面102D進行研磨以減少空腔102A的深度，而且有了光滑平面也便于與玻璃粘合。在進行研磨操作時，由外面送入壓力，使凹進形狀完全適應于檢測片的變形。對于10psi(1psi＝0.68大氣壓)的差壓傳感器來說，來自力源116B的壓力變化范圍通常在50psi范圍之內(nèi)。將表面102D磨平磨光之后，硅片100的118所示厚度約為11.5密耳。將硅片與金屬工具片110分開，將磨光了的表面102D粘結(jié)在玻璃盤120上，按圖11的虛線104切開后，便得出單個的測壓盒。玻璃盤120即為這些測壓盒的托片。各個測壓盒均用121表示。凹面102A跨越著玻璃盤120內(nèi)的孔道122。此孔道出口的周圍是玻璃盤表面上與硅片相對的淺凹口122A。有了這個淺凹口，硅片與玻璃粘合時，就不會粘合在檢測片范圍之內(nèi)，不過粘結(jié)作用將凸邊103的表面102D與玻璃盤120粘到了一起。這樣一來，每個102A表面之下的空腔124都變成了一個嚴密的壓力腔。
下一步，將硅片100上作好的兩個凹口101之間的凸邊部份103磨去，兩個凹口101便被消除。這樣一來，由硅片100和玻璃盤120所構(gòu)成的元件便變成如圖12所示的形狀，即硅片100具有一個平坦的外表面126，因而硅片的厚度便大大地減小，如圖上125所示，例如總厚度可能在5.3密耳范圍之內(nèi)。這時，空腔124上面檢測片部份102的最小厚度約為4.8密耳。
將由硅片100和玻璃盤120所粘結(jié)成的元件作進一步加工。通過集合進氣管116向兩個孔道122送入壓力，使很薄的檢測片部份102向外凸出，如圖12上虛線102E所示。當空腔124內(nèi)的壓力保持不變時，將表面126磨平磨光。在加工達到需要厚度后，先封住玻璃盤120內(nèi)的孔道122，這時的壓力比在第一步驟中所用壓力要小些，因為這時的檢測片部份已經(jīng)薄了一些。
在孔道122和空腔124內(nèi)的壓力消除之后，已變形的檢測片部份102就回復到原來的位置。這樣就在檢測片102上與102A相對的另一面上留下了幾個凹進表面102C。當可變形的檢測片受到壓力時，表面102C也是完全適應于變了形的檢測器形狀。從圖13上可以看出，對表面126也將進行研磨，使其厚度達到4.9密耳左右，圖上由128指示。二氧化鋁可以用來作為研磨劑。
這樣一來，可變形檢測片102兩側(cè)都有了若干凹進的表面，從而降低了中心部份的厚度。
在制作傳感器測壓盒一連串工序的最后一個步驟，是將第二塊玻璃盤131粘合到硅片100的126表面上。第二塊玻璃盤131也有幾條孔道132通向每一個表面102C。當131粘結(jié)完成之后，可以看出，在硅片上在與空腔124相對應的另一面將會具有空腔134。在孔道132出口的周圍，有淺凹口132A，這就保證了表面102C不至于粘合到玻璃盤131上。
然后將傳感器的幾個測壓盒沿135虛線切開，便得到由玻璃盤131和121組成的單個玻璃托片，檢測元件105便夾在當中。檢測元件105含有可變形部份102，此部份由凸邊103給以承托。
為磨平凸出表面而采用的壓力應調(diào)整到不僅僅是將凸出表面壓平。研磨力的大小應按照作用在檢測面上的壓力來調(diào)整，這樣得出的單純的力即為合適。如果作用于檢測片的壓力介質(zhì)是液體，而且是以適當?shù)膲毫ο薅?密封)在適當?shù)奈恢蒙希瑒t對于研磨力的大小就不必多加考慮，因為液體不會容許檢測片變得平坦。
沿135線切開，測壓盒136就變成了方形，而且與測壓盒10很相似。壓力盒136也可以放置在圓柱體11和12之間用來檢測差值壓力，如圖1所示。
再者，變了形的檢測片表面102A和102C的凹面分別對向著承托片121和131，故當受到差值壓力的作用時，例如作用到空腔134之內(nèi)并且達到了最大的預期過壓時，表面102A將會變得很平坦，并且靠在承托片121的對應面上。
如果空腔124內(nèi)的壓力大于最大容許壓力，而且大過了空腔134內(nèi)壓力的超越情況，這時表面102C將會變得平坦而靠在托片131上，于是就出現(xiàn)了反向作用的情況。由檢測片的變形而實現(xiàn)的檢測作用就可以按照需要來選定。從圖上可以看出，表面102A具有應變片137，用于檢測這種變形。102A和102C兩個表面都可能具有這種應變片，或者在玻璃承托片上沉積電容器板，必要時便可進行電容性檢測。
圖15是一種套夾，用于對圖10所示傳感器的測壓盒進行夾持。雖然前面各圖所示的其他壓力盒都分別編號，但測壓盒10在本發(fā)明中是具有代表性的。測壓盒固定在圓柱體11和12之間，兩個測壓盒被夾持為一個剛性的整體。下面將要說明，這種安裝方法能夠使檢測片在受到不同的靜態(tài)線壓力時產(chǎn)生的應力差得到補償。
圖15和16是實際結(jié)構(gòu)的示例圖，其比例尺寸與其他各圖是不一致的。各圖也都不是按比例尺寸繪制的，為的是能看得清楚一些和便于進行解釋。應當知道，傳感器測壓盒10的尺寸(面積)大約是0.2平方英寸(0.45×0.45英寸平方)，而圖15所示的傳感器元件的總長度可能還不到1英寸。為了看得清楚，將圖放大。
在初始設計的套夾中，傳感器10是安裝在兩個圓柱體11和12之間，如圖1所示。圖2的情況與圖1相似。通過端蓋150和152，分別裝有輸入壓力管27和34，兩條管道都是以密封連接方式與玻璃圓柱體11和12里面的孔道相配合。壓力完全是通過玻璃圓柱體而傳送的。輸入壓力管采用了適當?shù)拿芊饧?，圖上用151和153表示。
在本發(fā)明的第一種結(jié)構(gòu)中，需要進行檢測的壓力通過玻璃圓柱體11和12以及承托面50內(nèi)的孔道46加于傳感器測壓盒10的兩個相對的側(cè)面。
在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，玻璃圓柱體11和12將傳感器測壓盒10夾緊，在測壓盒周圍采取密封措施，并加上承托環(huán)155。在壓力盒相對的兩個側(cè)面都有承托環(huán)，這樣就使夾緊力Fc得到加強。密封環(huán)155在測壓盒10的兩個外表面與相應的圓柱體11和12的終端之間構(gòu)成了很薄的小空隙156和157。管道27和34內(nèi)的壓力分別送入測壓盒兩側(cè)小空隙156和157之內(nèi)，因而也作用在玻璃承托片50上面(采用其他形式測壓盒時，作用也是如此)。承托面50與相應的圓柱體之間的空隙是足夠地小，故當受到過大的差壓時，玻璃承托片將會擠壓在相鄰圓柱體11或12的端面上，從而保證了即使很大的過壓也不會引起損傷。
用硼硅酸耐熱玻璃制成的圓柱體11和12與玻璃承托片50具有相同的熱膨脹系數(shù)，故在各種不同的溫度條件下，情況都是穩(wěn)定的。
端蓋150對于圓柱體11是通過貝勒維爾彈簧160而發(fā)生作用的。端蓋152通過密封片162而起作用，將起夾持作用的圓柱體與測壓盒保持在適當位置上。夾持作用應調(diào)整到適當?shù)乃?，使傳感器測壓盒在使用時處于壓緊狀態(tài)。
夾緊螺栓163用來將端蓋150和152夾在一起，并供給必要的夾緊力量。在一個玻璃圓柱體上裝一塊半導體小片164，小片上接有引線165，構(gòu)成電容性檢測電路，與傳感器相耦合。
圖16是一種改進式的傳感器，這里采用了終端密封蓋子150A和152A。兩個蓋子均與套管170焊接在一起，兩端各有一個密封焊點171。在焊接之前，對套管170加上一定的壓力作為預行負載。進行焊接時，繼續(xù)保持這一壓力，以便在焊接完成之后以及套管170上的壓大解除之后，兩端的蓋子仍能緊緊地壓在圓柱體11和12上面。測壓盒在使用過程中應當是壓緊的。在端蓋150A和152A上進行了圓環(huán)焊接171，就使得頂端處于良好的密封狀態(tài)。
從圖16上可以看到，玻璃圓柱體11和12承托著測壓盒10的玻璃盤50，通過與玻璃盤50相連接的玻璃料173對玻璃盤50進行全面承托，從而保證使來自管道170(或其他夾緊元件)的夾緊力全面分布在測壓盒10的兩側(cè)相對表面上。與此相似，在玻璃圓柱體12的端面上進行了全面的銅焊接處174，以使圓柱體12處于穩(wěn)定位置。
管道170上裝有電氣引線175，以便將電信號從半導體小片176傳送給玻璃圓柱體，這又組成了電容性檢測電路。半導體小片上接有來自測壓盒10的連接線177。壓力盒上的連接線與小片176的連接是用普通的常規(guī)方法連接的。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測流體中差值壓力的傳感器，并含有差壓顯示器，結(jié)構(gòu)元件為1)一對引入元件，每個均有小孔，從引入?yún)^(qū)通向十分平坦的承托面，用于將流體壓力從引入?yún)^(qū)引至承托面；2)壓力檢測片，用于檢測壓力，具有外沿凸邊，以密封方式粘結(jié)于承托面，將孔道圍繞起來；還具有一個變形區(qū)域，以凸邊為周界，可由壓力引起變形。變形區(qū)域含有一塊向外凸出的表面，當變形區(qū)域處于靜止狀態(tài)時，每個外凸表面上都有一個凹口；3)檢測元件，安置在傳感器里面，用于檢測變形區(qū)內(nèi)的變形情況，并將測得的壓力在外面顯示出來。
2.一種如權(quán)利要求
1所述的傳感器，其中有一個變形區(qū)，當其由過壓引起變形時，便由承托面予以承托。
3.一種如權(quán)利要求
1所述的傳感器，其中檢測元件是一個安置在檢測片上的應變電阻片。
4.一種如權(quán)利要求
1所敘述的傳感器，其中檢測元件是一個含有固定電容器板的電容性元件。電容器板安置在一個承托面上，與變形區(qū)異電部分相連接，因而可對壓力進行電容性指示。
5.一種如權(quán)利要求
3所述的傳感器，再加上下列各件1)一對柔軟的隔離片，密封連接在環(huán)繞孔道的引入?yún)^(qū)上，用以將檢測元件與流體隔開;2)極難壓縮的介質(zhì)流體，充滿于隔離片與檢測片之間，用以使壓力從隔離片傳送給檢測片。
6.一種如權(quán)利要求
1所述的傳感器，其中含有一對半測壓盒。每個半測壓盒含有半個檢測元件和一個帶凹口的表面;兩個半壓力盒粘結(jié)在一起構(gòu)成一個完整的壓力檢測元件。
7.一種如權(quán)利要求
6所述的傳感器，其中每個半壓力盒的凹面都是用檢測片向外凸出的方法制成的。片子向外凸出形成一個隆包，將此隆包除去，磨平，磨光，片子便回復到原始位置。
8.一種如權(quán)利要求
1所述的傳感器，含有引入片。此引入片又含有承托面和檢測片，這就構(gòu)成了壓力傳感器的測壓盒;還有夾持壓力盒的夾具，以便對壓力進行檢測，這里有靠在傳感器兩個對立面的夾持塊。夾持塊的熱膨脹系數(shù)與承托片的是基本一致的。
9.一種如權(quán)利要求
8所述的傳感器，含有夾持元件，用來將裝配塊與傳感器夾緊，裝配塊則將夾持力傳送給與檢測片凸邊嚴密配合的承托面。
10.壓力檢測片的結(jié)構(gòu)，內(nèi)容有1)檢測片，含有變形部份和支承變形部份的邊沿部份;2)上述檢測片，至少在一個表面上有一個凹面。凹面的制作方法是在檢測片的另一面施加壓力，使檢測片向另一面凸出。在所加壓力不變的情況下將凸出部份的材料除去，使該處變?yōu)槠教沟谋砻?。然后將外加壓力撤除，受壓表面便回復到原來的狀態(tài)，這樣就在表面上形成了一個凹口。
11.一種如權(quán)利要求
10所述的檢測片。在制作凹進表面時，施加于檢測片承托面上的壓力應選擇為適當?shù)拇笮?，就是要使其等于檢測片工作時可能會承受到的最大差值壓力。這樣一來，當檢測片的反面遭受到預定的過份壓力時，這個凹面就能夠變得十分平坦。
專利摘要
一種用于檢測差壓值的傳感器具有一塊用脆性材料制成的檢測片，檢測片的兩面裝有托片。當托片所受到的差壓值為零時，檢測片的表面含有一個凹口，而當檢測片受到一定壓力時，便從一個方向靠向托面。這時的檢測片就變得很平坦而頂靠在托片上。對檢測片造型時，可施加一定的壓力，使其彎曲變形，然后將加壓的另一面磨平。去壓后，檢測片處于松弛狀態(tài)，在凸出而又被磨平的面上留下了一個形狀完全符合要求的凹口。檢測片另一側(cè)的表面上可以用相似的方法進行加工，或者用兩塊檢測片經(jīng)加工后粘結(jié)在一起。
文檔編號G01L13/00GK87104418SQ87104418
公開日1988年2月24日 申請日期1987年6月26日
發(fā)明者湯馬斯A·克納什特, 羅格L·弗里克, 斯蒂文M·布魯斯霍夫 申請人:羅斯蒙公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan