專利名稱：具有高剛性模量支撐塊的壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及檢測液體壓力的壓力傳感器。
由易碎材料構成的分批裝配壓差傳感器從例如Knecht等人的美國專利4，833，920(PCT公布號為WO88/00335)中就可以了解到。一般說來，硅層中是檢測隔板，硅層粘附在玻璃基準板上，玻璃基準板上還淀積著金屬電容電極。隔板層和基準層構成一體，然后夾在支撐圓柱體之間，它們減小施加強的輸送管壓力時基準板發(fā)生彎曲的傾向。傳感器與電路相連，它檢測電容極板和隔板間的壓敏電容量，并提供一個代表壓力的輸出。
除了被檢測的壓力，環(huán)境條件也能使隔板或基準板產(chǎn)生所不希望的偏離。這種所不希望的偏離限制了這種傳感器的精度范圍。用作隔板、基準板材料、或夾層結構的溫度膨脹系數(shù)的不一致，都會引起隔板產(chǎn)生所不希望的偏離，或引起導致傳感器破損的應力。輸送管壓力造成的基準板的凸脹會對壓差的測量帶來不利影響。隔板和支撐層之間，或支撐層和與隔離物連接的導管之間的粘合和封接力會限制安全地加到傳感器上的上限壓力，或導致隨溫度、壓力或二者一起變化的不可重復或滯后型錯誤。
人們希望擴大對壓差和輸送管壓力、和溫度的測量范圍，然而，傳感器中所用材料、幾何結構和粘合材料的限制繼續(xù)影響著性能。因此需要有一種壓力傳感器，它將粘附在一起的材料相結合，在整個所選擇的輸送管壓力、壓差和溫度范圍內，提供所需的精度。
本發(fā)明中，一層金屬薄膜將隔板層的半導體粘合區(qū)粘合到一塊高剛性模量支撐塊的陶瓷粘合區(qū)上，支撐塊的溫度膨脹系數(shù)與隔板的一致。這種結構把隔板層中的壓力檢測隔板與不需要的應力隔開，提高了傳感器的精度。
隔板層有一個被層邊緣粘合的層面。該層面露出半導體粘合區(qū)，它圍繞著形成在隔板層中的檢測隔板。連接裝置把液體壓力傳給檢測隔板，使其發(fā)生偏移。檢測裝置與檢測隔板相連，用來檢測偏移量，并提供代表壓力的輸出。支撐塊具有由支撐塊邊緣粘合的第一、第二支撐塊面，第一支撐塊面露出陶瓷粘合區(qū)，對著半導體粘合區(qū)。薄膜層由位于對面的半導體粘合區(qū)和陶瓷粘合區(qū)之間的金屬薄膜構成。薄膜層將半導體粘合區(qū)粘合到陶瓷粘合區(qū)上。


圖1是本發(fā)明的包括一個傳感器的壓力變送器的下部外殼的剖面圖;
圖2是支撐塊的前視圖;
圖3是圖2所示支撐塊的側視剖面圖;
圖4是隔板層的前視圖;
圖5是本發(fā)明的一種傳感器的剖面圖;
圖6是上面帶有金屬噴鍍層的隔板層的部分剖面圖;
圖7是本發(fā)明的一種傳感器的部分剖面圖;
圖8是本發(fā)明的一種傳感器的剖面圖;
圖9是本發(fā)明的一種傳感器的部分剖面圖。
圖1展示了壓力變送器的下部外殼20。在下部外殼20中，兩個液體隔離器22、24承受加在變送器上的壓力P1和P2。下部外殼20中的通路26、28將隔離器22、24與壓力傳感器30相連。不可壓縮的液體如硅油32流滿隔離器22、24和通路26、28，將壓力傳送到液壓傳感器30。液壓傳感器30檢測壓力，并向連接器34提供一個表示壓力的電輸出。上部外殼(未示出，它擰在下部外殼的螺紋36上)中的變送器電路接收傳感器30的電輸出，并將它轉換成一個能傳送長距離的如4-20mA的輸出，或一個數(shù)字輸出。
在圖2和圖3中，所示的支撐塊40具有外邊套42，包圍位于相反兩側的平面44、46。中心通路或孔48在平面44、46之間穿過。支撐塊40粘附在隔板層50(示于圖4)上，用以支撐隔板層。支撐塊40的厚度T最好在3.8mm(0.15英寸)至10.2mm(0.40英寸)的范圍內。選擇支撐塊的厚度T，使其為與之相粘附的隔板層厚度的10-40倍，這取決于傳感器的上限壓力。厚度T最好超過隔板層厚度的15倍。支撐塊40由陶瓷材料構成，選擇其具有高的剛性，剛性模量為大約每平方英寸四千五百萬磅，它是硅剛性的2.5倍。一種用作支撐結構的優(yōu)選的高模量陶瓷材料為“SRBSN”或“SSN”，這是由美國康涅狄格州New Canaan的ESK Engineered Ceramics，Wacker Chemicals USA Inc.提供的。這種高模量陶瓷材料呈現(xiàn)出整體密封性，能夠通過密封過程，如燒結密封和活性金屬釬焊，與其它材料形成氣密封接。這種高模量陶瓷材料也是電絕緣的。電絕緣性使傳感器的帶電部分，如導線、電容器極板，與支撐結構表面緊密接觸，而不必在支撐結構和固定支撐結構的金屬部部件之間增加另外的電絕緣材料。SRBSN的溫度膨脹系數(shù)與硅非常接近。這使得支撐塊40能非常堅固地基本不變形地固定在隔板層50上，而不用增加、減小不同溫度膨脹系數(shù)的材料的相鄰表面之間的應力的中間層或彈性材料。膨脹特性的一致減小了在一個很寬的溫度范圍內的可重復和不可重復的熱誤差。由于壓力和溫度變化引起的傳感器輸出的滯后現(xiàn)象也極大地減少了。精選的陶瓷材料在一塊單個的材料塊中將所要求的特性集中于一身，避免了為得到需要的電絕緣性、粘合性、溫度系數(shù)、密封性和剛性，而將許多不同材料層疊在一起所帶來的問題。由溫度變化、輸送管壓力、壓差和固定引起的所不希望的應力的影響受到了控制，并且傳感器的構造簡單，這是因為所要求的特性都集中在一塊單個的材料中的緣故。
圖4展示了隔板層50。隔板層50有一個包圍層面54的外邊緣52。與該層面相反的是第二層面56(圖4中未示出)，類似于層面54。薄膜金屬層58有選擇地噴鍍在外邊緣52和中心隔板60之間的層面56的平整表面上。隔板60有一個被環(huán)形槽64包圍的凹面62。隔板層50的外邊緣52有基本與支撐塊44的外邊套42相同的大小，為了顯示細節(jié)，圖4與圖2和圖3中的比例不同。
圖5展示了一個傳感器體70，由隔板層50和兩塊支撐塊40構成。圓形電容器極板47由噴鍍在支撐塊40的面46上的金屬噴鍍層構成。隔板層50和支撐塊如圖5所示互相接觸，然后整個放在約560℃-700℃的溫度中加熱。金屬噴鍍層58的厚度可與支撐塊的面46的表面粗糙度相比。最好金屬噴鍍層是大約0.5至2.0微米的鋁。金屬噴鍍層58在這樣的高溫下與支撐塊的面46粘合。粘合強度能阻止當傳感器加壓時支撐塊與傳感器體70分離，并且還圍繞隔板60形成液體密封。圖5中，每個支撐塊40的中心孔48涂有金屬噴鍍層72，形成每個支撐塊的面44、46間的電通路或密封饋送。圓筒形延伸體74、76通過活性金屬釬焊78密封地固定在支撐塊44上。活性金屬釬焊78在壓力下抵抗分離力，形成加壓密封，并且還提供了從金屬噴鍍層72至導電接頭80的電連接。隔板50由摻雜硅半導體材料構成，通過金屬線路84與導電接頭82電連接。
圖5中，金屬套筒86、88通過銅焊縫90、92和圓筒形延伸體74、76相接。金屬套筒86、88與下部變送器體20(圖1)中的通路26、28相連，向隔板60傳送隔離器液體，一般是硅油。圓筒形延伸體在為電容器極板形成的饋送連接(即金屬噴鍍層72和銅焊縫78)和金屬變送器體20之間形成電絕緣。金屬套筒86、88和陶瓷做的圓筒形延伸體74、76的溫度膨脹系數(shù)很難一致，這是因為當銅焊之后部件收縮時，銅焊縫90、92被加壓。把直徑大些的金屬延伸體74固定在直徑小些的陶瓷圓筒74、76的外圍，能避免陶瓷材料中過大的張力。
圖6中更詳細地展示了隔板50的部分結構。金屬噴鍍層58有選擇地噴鍍在平整的外部表面上。隔板62的表面是凹的，并被任意的槽64包圍。金屬噴鍍層58和電容器極板47的厚度可以調整，以便在電容器極板47和隔板50之間形成所要求的空間。
在圖7、8、9中，展示了可替換的電的和壓力的饋送結構。圖7中，支撐塊40A上切出一個圓形溝，用于消除銅焊在支撐塊40A上的金屬連接頭86間的應力。分開的饋送孔102、104為電容器極板47和隔板50提供饋送連接。金屬噴鍍層106、108鍍在孔102、104中，以完成電連接。金屬接頭80、82被銅焊在支撐塊40A上，以密封孔102、104。
圖8中，展示了一個傳感器體110，它僅包括一塊單獨的支撐塊40B，而不是像圖7中所示的那樣，有兩塊支撐塊。傳感器體110是一個表壓傳感器，有一個銅焊在上面的改進的金屬套筒，用來與隔離器(未示出)相連。
圖9中，展示了一個帶有銅焊在上面的方形陶瓷塊115的傳感器體112，該陶瓷塊用來密封相關的電容器極板的電饋送通路。圖9中，導管114通過銅焊縫116在孔118的內徑側與支撐塊40C相連，以便從隔離器向壓力檢測隔板提供液體。
圖7、8、9中所示的各種變形可適用于例如圖5所示的傳感器體70，本發(fā)明適合于各種應用和處理設備。
雖然以上結合最佳實施例對本發(fā)明進行了說明，但是本領域的技術人員應認識到，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可對本發(fā)明做形式上的和細節(jié)上的修改。
權利要求
1.一種液壓傳感器，其特征在于包括具有一個由層邊緣粘合的層面的隔板層，層面露出一個半導體粘合區(qū)，該區(qū)域包圍在隔板層中形成的檢測隔板；將液壓傳送至檢測隔板使之偏移的裝置；與檢測隔板相連、檢測其偏移量、并提供一個代表壓力的輸出的裝置；具有第一、第二支撐塊面并由一個支撐塊邊套固定的支撐塊，第一支撐塊面露出一個面對半導體粘合區(qū)的陶瓷粘合區(qū)；以及由噴鍍在相對的半導體和陶瓷粘合區(qū)之間的金屬薄膜構成的薄膜層，該薄膜層將半導體粘合區(qū)粘合到陶瓷粘合區(qū)上。
2.權利要求1的傳感器，其中支撐塊由脆性材料構成，該材料的彈性系數(shù)實質上要高于隔板層的彈性系數(shù)。
3.權利要求2的傳感器，其中用于檢測偏移量的裝置包括置于支撐塊第一面上的導體，與隔板形成容性耦合。
4.權利要求的傳感器，其中構成檢測偏移的裝置的電饋送導體穿過壓力通路。
5.權利要求4的傳感器，其中傳送壓力的裝置還包括一個其中充滿隔離器液體的隔離器，該隔離器包括一個隔離器和將隔離器液體從隔離器隔板輸送到檢測隔板的金屬導管。
6.權利要求5的傳感器，還包括密閉地將壓力從金屬導管傳送至壓力通路的陶瓷導管，陶瓷導管使應力隔開。
7.權利要求6的傳感器，其中陶瓷導管將金屬導管與電饋送裝置電絕緣。
8.權利要求5的傳感器，其中在第一陶瓷塊的第二面切出一個圓形槽，使應力隔開。
9.權利要求5的傳感器，其中支撐塊由陶瓷材料構成，該材料的溫度膨脹系數(shù)與隔板層的溫度膨脹系數(shù)基本一致。
10.一種液壓傳感器，其特征在于包括具有一個由層邊緣粘合的層面的隔板導，層面露出一個半導體粘合區(qū)，該區(qū)域包圍在隔板層中形成的檢測隔板;將液壓傳送至檢測隔板使之偏移的裝置;與檢測隔板相連、檢測其偏移量、并提供一個代表壓力的輸出的裝置;由粘合在半導體粘合區(qū)的金屬薄膜構成的薄膜層;以及具有第一、第二支撐塊面并由一個支撐塊邊套固定的支撐塊，第一支撐塊面露出一個與半導體粘合區(qū)粘合的陶瓷粘合區(qū)。
11.權利要求10的傳感器，其中支撐塊在其第一和第二面之間的厚度至少為隔板層厚度的15倍，最多為40倍。
12.權利要求11的傳感器，其中支撐塊由電絕緣的燒結材料構成，該材料的彈性系數(shù)實質上要高于隔板層的彈性系數(shù)。
全文摘要
一層金屬薄膜將隔板層的半導體粘合區(qū)與高剛性模量支撐塊的陶瓷粘合區(qū)粘合在一起。該結構使壓力檢測隔板與不希望的應力隔開，提高了傳感器精度。穿過支撐塊的通路將液壓傳至檢測隔板，使其偏移。支撐塊上的隔板和電容器極板間的容性耦合對偏移量作出反應，并輸出一個代表壓力的輸出信號。
文檔編號G01L9/12GK1066922SQ9210214
公開日1992年12月9日 申請日期1992年3月28日 優(yōu)先權日1991年3月29日
發(fā)明者大衛(wèi)·A·布魯?shù)? 布萊恩·J·比紹夫, 伯奈特·L·魯維杰 申請人:羅斯蒙德公司