專利名稱：具有包括非晶材料的膜的壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用柔性膜的壓力傳感器。所述膜與傳輸裝置協(xié)作，其中所述傳輸裝 置允許根據(jù)所述膜的形變來提供表示壓力的數(shù)值。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中已知一種潛水表，其包括具有壓力傳感器的表殼，其中所述壓力傳 感器包括膜和傳輸裝置。所述膜能夠在外部壓力的作用下機械地形變，因此而作用于傳輸 裝置。該裝置于是傳輸表示壓力的所述形變運動，以例如使其放大，從而顯示由傳感器所檢 測到的壓力的數(shù)值。通常，該傳感器的膜由晶體材料制成，例如由銅和鈹構(gòu)成的合金(Cu-Be)。每種材料由其表征其抗形變強度、也被稱為彈性模量的楊氏模量E(通常以單位 GI^a來表示)表征。另外，每種材料還由其彈性極限(通常以單位GI^a來表示)表征，其 中所述彈性極限表示一應(yīng)力，超過該應(yīng)力之后材料就塑性地形變。因此，對于給定的厚度， 能夠通過對每種材料確定其彈性極限和其楊氏模量的比值σ e/E來比較各材料，其中所述 比值表示每種材料的彈性形變。因此，該比值越大，材料的彈性形變就越大。然而，在現(xiàn)有 技術(shù)中使用的晶體材料(例如=Cu-Be合金)，其楊氏模量等于130GPa，其彈性極限ο e—般 為lGPa，得出小的σ ε/Ε比值，即約為0. 007。這些由晶體合金制成的膜因此具有有限的彈 性形變。在壓力傳感器的膜的情況下，這意味著有限的測量范圍。此外，由于該彈性極限低，當(dāng)膜變形的時候，膜在小的應(yīng)力下就接近其塑性形變區(qū) 域，存在膜不能恢復(fù)其初始形狀的風(fēng)險。為了避免這種形變，實施對膜的形變的限制，即膜 的運動幅度被有意地限制。因此可以理解的是，需要放大傳輸運動。這因此導(dǎo)致對壓力傳 感器有害的、并附帶地對壓力值的顯示有害的噪音。另外，考慮到結(jié)晶貴金屬的不足的機械性能，使用這些金屬來制造這種壓力傳感 器的膜或者鐘表件的其他任何工作元件是不可考慮的。事實上，這些貴金屬尤其具有小的 彈性極限，對于Au、Pt、Pd和Ag的合金來說約為0. 5GPa，對比于在壓力膜的制造中所通常 使用的晶體合金的約為lGPa。鑒于這些貴金屬的約為120Gpa的彈性模量，得到約為0. 004 的σε/Ε比值。然而，對于制造上述的這種膜，需要高的。e/E比值。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員不被鼓勵使用這些貴金屬來制造這種膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，其通過提出一種相對于所施加的最大應(yīng)力具有安全 裕度、但也具有更大的形變幅度可能性的更可靠的膜來彌補上述的現(xiàn)有技術(shù)的缺陷?？商?代地，本發(fā)明提出一種在更小尺寸下允許同等形變幅度的膜。為此，本發(fā)明涉及上述壓力傳感器，其膜11由至少部分非晶的材料制成，以優(yōu)化 所述傳感器的尺寸，其特征在于所述材料包括至少一種金屬元素，該金屬元素為貴金屬類 型，或者為包含在包括金、鉬、鈀、錸、釕、銠、銀、銥或鋨的清單中的合金之一。
該傳感器的有利實施例是從屬權(quán)利要求2至8的主題。出人意料地，呈非晶形態(tài)的貴金屬具有高的σ e/E比值，允許制造如根據(jù)本發(fā)明的 膜的元件。根據(jù)本發(fā)明的膜的第一優(yōu)點在于，該膜具有更有利的彈性特征。事實上，在非晶材 料的情況下，％/E比值由于彈性極限％的升高而增大。這樣，該材料的如下定義的應(yīng)力 因此增大，即超過所述應(yīng)力材料就不能重新回到其初始形狀。該比值的提高因此允 許更大的形變。這允許根據(jù)是希望增大膜的測量范圍還是希望對于同等的測量范圍減小所 述膜的大小來優(yōu)化膜的尺寸。這些非晶材料的另一優(yōu)點在于，其開創(chuàng)了允許以更大的精度來制作形狀復(fù)雜的部 件的成形新前景。事實上，非晶金屬在每種合金特有的給定溫度區(qū)間[Tx-Tg]中具有在變 軟的同時保持非晶形態(tài)的特殊特征(其中，Tx:結(jié)晶溫度；Tg:玻璃化轉(zhuǎn)變溫度)。因此，能 夠在相對小的應(yīng)力和不高的溫度下使非晶金屬成形。因此，由于合金的粘度大大地減小，并 且合金因此貼合模具的所有細節(jié)，所以這允許很精確地再現(xiàn)細微的幾何構(gòu)造。另外，本發(fā)明還涉及一種手表，其特征在于，所述手表包括壓力傳感器，該壓力傳 感器的膜符合上述說明。該手表的一個有利的實施例是從屬權(quán)利要求10的主題。


在以下對于僅示例性地而非限制性地給出的、并由附圖示出的至少一個本發(fā)明的 實施例的詳細描述中，根據(jù)本發(fā)明的手表的目的、優(yōu)點和特征將變得更顯而易見。在這些附 圖中-圖1以剖面圖示意地示出了包括根據(jù)本發(fā)明的膜的手表；-圖2以剖面圖示意地示出了在其受到外部壓力時的包括根據(jù)本發(fā)明的膜的手 表；-圖3示意地示出了根據(jù)本發(fā)明的膜的一個優(yōu)選實施例；-圖4示出了包括根據(jù)所述優(yōu)選實施例的膜的手表；以及-圖5示出了晶體材料和非晶材料的形變曲線。
具體實施例方式圖1和圖2以剖面圖示出了潛水表1，其包括中框(Carrure)2，在所述中框上固定 了承載手表1的玻璃4的玻璃框(lunette) 3。在玻璃4下面布置有同樣固定在中框2上的 顯示裝置5。手表1由以密封的方式固定在中間件8上的底殼7閉合，因此形成表殼，其中所述 中間件本身以密封的方式固定在中框2上。手表還包括優(yōu)選地位于該表殼21內(nèi)部的壓力 傳感器6。壓力傳感器6包括傳輸裝置10以及膜11，其中所述膜被安裝為形成密封腔9。膜 11位于手表1的表殼21的內(nèi)部，并且在其周緣處固定在支撐件12上。這允許保證膜11的 良好形變。在該示例中，支撐件12固定在中間件8上。為了膜11與外部環(huán)境接觸，設(shè)置成 表殼21的底殼7鉆有多個孔13。如果膜11兩側(cè)的壓力不相等，如在圖2中所示，這些孔 13允許使膜形變。
另外，可以設(shè)置成表殼21的底殼7設(shè)有可拆卸的蓋14，所述蓋能夠通過卡合固定， 以在不要求測量壓力的時候封住孔13。這允許保護壓力傳感器6。為了壓力傳感器6的運行，傳輸裝置10與所述膜11 一起使用。這樣，在密封腔9 和外部環(huán)境之間的壓力差的作用下，膜11將或多或少地形變。事實上，如果外部壓力大于 在密封腔9的內(nèi)部的壓力，則如在圖2中可見，膜11會形變成縮小密封腔9的容積。膜11的該形變會作用于傳輸裝置10，該傳輸裝置會檢測膜11相對于其初始位置 的位置。初始位置優(yōu)選地是膜11兩側(cè)的壓力相等時的位置。一旦進行了檢測，傳輸裝置10 將例如通過機械運動來傳輸膜11的該形變。于是，由裝置10所傳輸?shù)谋硎緣毫Φ脑撨\動能夠可能地被放大，然后被顯示裝置 5使用。顯示裝置5將使用用于將表示形變、因此表示壓力的該運動轉(zhuǎn)換為深度值的裝置。 然后，該裝置5將顯示由所述壓力傳感器6所測量的深度。當(dāng)然，可以設(shè)置成壓力的檢測通 過其他任何裝置(例如壓電效應(yīng)換能器)來實現(xiàn)。另外，可以考慮使用壓力的其他功能， 例如高度表或天氣功能。傳感器6的元件于是根據(jù)預(yù)先確定的要求說明書(cahier des charges)來校準(zhǔn)， 其中所述要求說明書限定對于膜11的行程所希望的測量范圍。所希望的測量范圍表示期 望能夠檢測和顯示的壓力的最大值，例如100米的深度。膜11的行程限定所述膜11能夠 產(chǎn)生的最大形變。這樣，根據(jù)這兩個數(shù)值，膜11的特征于是被確定。所述膜由其尺寸(在 本示例的圓形膜11的情況下為直徑和厚度)和構(gòu)成該膜的材料來表征。根據(jù)本發(fā)明，有利地，膜11包括非晶或部分非晶的材料。特別地，使用金屬玻璃， 即非晶金屬合金，來制造膜11。事實上，這些非晶金屬合金在形變方面的優(yōu)點源自以下事實當(dāng)制造這些合金時， 構(gòu)成該非晶材料的原子不像晶體材料的情況那樣按照特定的結(jié)構(gòu)來排列布置。因此，即使 晶體材料和非晶材料的楊氏模量E是相等的，彈性極限Qe也是不同的。事實上，如圖5所 示，非晶材料的不同之處在于，它的彈性極限是晶體材料的彈性極限的大約兩倍。該圖 示出了非晶材料(虛線)和晶體材料的應(yīng)力ο隨形變ε變化的曲線。這允許非晶材料能 夠在達到彈性極限％之前承受更大的應(yīng)力。首先，該由非晶材料制成的膜11因此允許相對于由晶體材料制成的膜11而言改 善壓力傳感器6的可靠性。事實上，彈性極限Qea更大，這使得塑性區(qū)域更遠，從而降低了 使所述膜塑性地形變的風(fēng)險。此外，該彈性地支持更大應(yīng)力的能力允許考慮更大的測量范圍。此外，有利地，觀察到，對于在中心施加的相同應(yīng)力，由非晶材料制成的膜11還允 許優(yōu)化其尺寸設(shè)計，以覆蓋同等的行程。事實上，膜11的尺寸改變其形變。因此，如果直徑 增大，那么膜11的理論行程增大。此外，如果厚度增大，膜11的理論行程減小。有利地，在 彈性極限增大的情況下，能夠施加在膜11上而不發(fā)生塑性形變的應(yīng)力增大。因此，通過減 小其直徑和其厚度來保持相同的運動幅度變得可能。至于材料本身，可以首先認為，ο e/E比值越大，傳感器越有效。有利地，。e/E比 值大于0. 01的材料是最適于制造壓力傳感器的膜11的材料。還能夠明確，除了 σ e/E比 值之外，E的數(shù)值還能夠被選擇為大于一定的極限，這是為了使得壓力傳感器能夠被包含在 可以接受的容積中。優(yōu)選地，該極限固定在50GPa。
然后，可以考慮一定數(shù)量的特征。這樣，可以認為，抗腐蝕特征和無磁性特征尤 其對于潛水表是有利的。于是可以列舉能夠被使用的非晶材料的示例。因此，作為示 例，楊氏模量E為105GPa并且彈性極限為oe = 1. 9GPa的&41Til4Cul2NilOBe23具 有等于0.018的oe/E比值，而楊氏模量E為98GPa并且彈性極限為ο e = 1. 4GPa的 Pt57. 5Cul4. 7Ni5. 3P22. 3 具有等于 0. 014 的 σ e/E 比值。當(dāng)然，還存在其他可能有利的特征，例如合金的變應(yīng)原方面(aspect allergene) 0 事實上，能夠注意到，無論是晶體材料還是非晶材料，其經(jīng)常使用包括變應(yīng)原元素的合金。 例如，這種類型的合金包括鈷、鈹或者鎳。因此，根據(jù)本發(fā)明的膜11的變型可以用不包括這 些變應(yīng)原元素的合金來制造。還能夠設(shè)置成存在變應(yīng)原元素，但是這些變應(yīng)原元素不引起 變態(tài)反應(yīng)。為此，能夠設(shè)置成包含這些變應(yīng)原元素的膜11在膜11遭受腐蝕的時候不釋放 這些變應(yīng)原元素。根據(jù)本發(fā)明的另一個變型，能夠設(shè)置成膜11用貴金屬來制造。實際上，在晶體狀 態(tài)下，例如金或鉬的貴金屬材料太軟而不允許制造柔性而且耐用的膜11。但是，一旦它們 呈金屬玻璃形態(tài)，即處于非晶狀態(tài)下，這些貴金屬就會具有這樣的特征，即該特征使得在呈 現(xiàn)華貴和美麗外觀的同時這些貴金屬可以用于制造壓力傳感器的膜11。優(yōu)選地，鉬850(Pt 850)和金750(Au 750)是要用于制造所述膜11的貴金屬。當(dāng)然，能夠使用其他貴金屬，例 如鈀、錸、釕、銠、銀、銥和鋨。還能夠注意到，非晶金屬合金具有易于成形性。事實上，非晶金屬在每種合金特有 的給定溫度區(qū)間(Tx-Tg)內(nèi)具有在變軟的同時保持非晶的特殊特征。因此，能夠在相對小 的應(yīng)力和不太高的溫度下使這些合金成形。該方法包括非晶預(yù)制件的熱成形。該預(yù)制件通過在爐子中融化構(gòu)成非晶合金的金 屬元素來獲得。該融化在控制下進行，以獲得盡可能低的合金的氧污染。一旦這些元素融 化，它們就以半成品(例如尺寸和膜11接近的盤)的形式進行澆鑄，然后快速地冷卻，以保 留非晶狀態(tài)。一旦預(yù)制件制造完成，就進行熱成形，以獲得最終件。該熱成形通過在包括于 Tg和Tx之間的溫度區(qū)間內(nèi)持續(xù)確定時間的壓制來實現(xiàn)，以保留完全或部分非晶的結(jié)構(gòu)。這 是為了保留非晶金屬特有的彈性特性而進行的。因此，膜11的最終成形的各步驟如下a)將具有膜11的負形的模具加熱到所選擇的溫度；b)在熱模具之間引入由非晶金屬制成的盤；c)在模具上施加閉合力，以將這些模具的幾何構(gòu)造復(fù)制到由非晶金屬制成的盤 上；d)在所選擇的最大時間內(nèi)等待；e)打開模具；f)將膜11快速地冷卻到溫度Tg以下；以及g)將膜11從模具中取出。這種成形方式允許很精確地再現(xiàn)細微的幾何構(gòu)造，因為合金的粘度大大地減小， 合金因此貼合模具的所有細節(jié)。該方法的優(yōu)點在于，沒有固化收縮，這允許得到在比注塑法 更低的溫度下所實現(xiàn)的更精確的部件。當(dāng)然，其他類型的成形法也是可以的，例如注塑成形法。該方法在于，將通過在爐 子中融化金屬元素所得到的合金模制成任意部件(例如棒)的形狀，該部件處于晶體狀態(tài)或非晶狀態(tài)下，這并不重要。然后，該任意形狀的由合金制成的部件重新融化，以被噴注到 具有最終件的形狀的模具中。一旦模具被充滿，其就被快速地冷卻，直至小于Tg的溫度，以 避免合金的結(jié)晶，從而獲得由非晶或半非晶金屬制成的膜11。這樣，因此能夠根據(jù)所希望的幾何構(gòu)造來使膜11成形。例如，能夠使膜11的截面 成型，以像其厚度或其直徑一樣地修改其特性。作為示例，能夠模制膜11，以獲得如在圖3 和圖4中所示的正弦形截面。這種形狀允許增大膜11的面積，而且也增大其剛度。膜11 因此更難形變。有利地，截面的這種布置還允許根據(jù)壓力使材料的彈性形變線性化。該線 性化有助于簡化用于將膜11的形變轉(zhuǎn)換為壓力值的裝置。可以理解的是，在不超出由所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明范圍的情況下，能夠?qū)ι?述的本發(fā)明的各種實施例進行對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的各種修改和/或改進 和/或組合。例如，膜具有不同的形狀。
權(quán)利要求
1.一種壓力傳感器(6)，包括柔性膜(11)，其中所述膜與傳輸裝置(10)協(xié)作，所述傳輸 裝置允許根據(jù)所述膜(11)的形變來提供表示壓力的數(shù)值，所述膜(11)由至少部分非晶的 金屬合金制成，以優(yōu)化所述傳感器的尺寸；所述壓力傳感器的特征在于，所述金屬合金包括 至少一種貴重類型的、包括在包含金、鉬、鈀、錸、釕、銠、銀、銥或鋨的列表中的元素。
2.如權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其特征在于，所述膜(11)由完全非晶的材料制成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的壓力傳感器，其特征在于，所述材料的彈性極限和楊氏模量 的比值大于0.01。
4.如權(quán)利要求3所述的壓力傳感器，其特征在于，所述材料具有大于50GPa的楊氏模量。
5.如上述權(quán)利要求中任一項所述的壓力傳感器，其特征在于，所述材料不釋放變應(yīng)原元素。
6.如上述權(quán)利要求中任一項所述的壓力傳感器，其特征在于，所述膜(11)大致為盤狀 的，并且通過其周邊固定在所述傳感器(6)上。
7.如上述權(quán)利要求中任一項所述的壓力傳感器，其特征在于，所述膜(11)具有非直線 的截面，以增大其形變面積。
8.如權(quán)利要求7所述的壓力傳感器，其特征在于，所述膜(11)包括至少一個正弦部分。
9.一種手表，其特征在于，所述手表包括如權(quán)利要求1至8中任一項所述的壓力傳感器(6)。
10.如權(quán)利要求9所述的手表，其特征在于，所述手表另外包括用于將所述表示壓力的 數(shù)值轉(zhuǎn)換為深度值的裝置，允許所述手表執(zhí)行深度計功能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓力傳感器(6)。所述壓力傳感器(6)包括與傳輸裝置(10)協(xié)作的柔性膜(11)，其中所述傳輸裝置允許根據(jù)所述膜(11)的形變來提供表示壓力的數(shù)值。所述膜(11)由至少部分非晶的材料制成，以優(yōu)化所述傳感器(6)的尺寸。
文檔編號G01L7/08GK102084232SQ200980125156
公開日2011年6月1日 申請日期2009年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月29日
發(fā)明者F·梅伊蘭, J·格魯普, Y·溫克勒 申請人:斯沃奇集團研究及開發(fā)有限公司