使用近最終形狀的燒結陶瓷的壓力傳感器的製作方法

2023-12-05 21:14:51

專利名稱：使用近最終形狀的燒結陶瓷的壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓力傳感器。尤其是，本發明涉及一種電容壓力傳感 器，其具有由燒結陶瓷製成的燒製成近最終形狀的單元體和膜片部件，以 使昂貴的機械加工操作最小化。
背景技術：
電容壓力傳感器已經在工業過程、航天以及其它控制和監測系統中找 到廣泛的用途。電容式壓力感測單元可以被構造成感測絕對壓力、表壓、 差壓、或這些壓力的結合。
在一些情況下，電容壓力傳感器用於測量那些可能腐蝕傳感器的金屬 零件的流體的壓力。用於解決此問題的一種技術是使用隔離膜片將壓力傳 感器與過程流體分開。然後油填充物將壓力傳感器耦合到隔離膜片，從而 施加到隔離膜片的壓力通過油填充物傳遞到電容壓力傳感器的膜片。然 而，這種隔離技術會在壓力測量中引入誤差。
電容壓力傳感器已經由諸如金屬、玻璃、藍寶石和矽的多種材料製造 而成。需要繼續對電容壓力傳感器(尤其是差壓傳感器)進行改進，以提 供更小的傳感器，所述更小的傳感器使用油填充物的體積更消，而且製造 成本更低。

發明內容
壓力傳感器對單元體和膜片使用近最終形狀的燒結陶瓷。此應用的理 想材料是顯示出低楊氏模量具有高斷裂韌度的燒結陶瓷。諸如壓力管和電 連接器的金屬零件可以在燒制它們之前或之後加入到燒結陶瓷部件內。


圖l是由兩個燒結陶瓷單元半和燒結的陶瓷中心膜片形成的差壓單元 的剖視圖；以及圖2是包括並排布置的兩個燒結陶瓷單元半的差壓單元的剖視圖，其 中每一個單元半具有單獨的燒結陶瓷膜片。
具體實施例方式
圖1是由單元半12和14與膜片16形成的差壓傳感器10的剖視圖。單元 半12和14與膜片16由近最終形狀的燒結陶瓷形成。
在圖l中所示的實施例中，單元半12和膜片16形成第一室18，而單元 半14和膜片16限定第二室20。金屬管22延伸穿過單元半12，以將壓力下的 流體提供給室18。類似地，金屬管24延伸穿過單元半14以提供到室20的流 體連接。單元半通過釺焊接合ll連接。在室18的壁上的電容板26與在膜片 16的暴露到室18的面上的板28形成第一電容器C1。在室20的壁上的板30與 膜片16的面向室20的面上的板32形成第二電容器C2。
當燒制陶瓷部件時，可以將諸如管22和24的金屬零件釺焊到所述陶瓷 部件內，或者在燒制陶瓷部件之後，可以添加金屬零件。類似地，在燒制 陶瓷材料期間或在燒制陶瓷材料之後，可以將電連接器蒸加(braise)到 陶瓷材料內。圖1示出了導線34，其在膜片16上的板28和32與傳感器10外 部之間提供連接，導線34可以插入單元半14中的蝕刻通道內，可以保持在 適當的位置並用玻璃粉密封。這也可以是陶瓷部件的燒制過程的一部分。 導線36在板26與傳感器10外部之間提供連接。導線38在板30與傳感器10外
部之間提供連接。
取決於室18內的填充流體與室20內的填充流體之間的壓力差，膜片16
將偏轉而改變第一和第二電容器的相對電容。信號處理電路(未示出)將 電容C1和C2轉化成表示差壓的測量值。
溫度傳感器40可以連接到壓力傳感器10。溫度傳感器40可以是厚膜熱 電偶或類似器件。引線42和44將溫度傳感器40連接到信號處理電路。如本 文所示，溫度傳感器40附於壓力傳感器10的外側。溫度傳感器40還可以用 在內表面上。
使用燒結陶瓷作為形成單元半12和14以及膜片16的材料具有顯著的 優點。首先，可以使用可成形為近最終形狀(近淨形)的製造方法製造部 件。陶瓷部件在生坯狀態下從壓制、鑄型或模製的粉形成為期望的形狀。
7然後通過燒制(在爐內加熱)，或者通過使用微波能量使陶瓷部件密實。 所得到的燒結陶瓷部件基本上具有最終產品的完成形狀和尺寸。因為使用 可成型為近最終形狀的方法完成製造，所以只需要表面精加工(g卩，磨削)， 以獲得期望的物理尺寸。
雖然釺焊被示為單元半12與14之間的連接，但是熔接粘接提供了一種
可以得到更緊密公差的技術。在熔接粘接中，單元半12和14被夾在一起，
從而每個部件的陶瓷材料與另一部件內的材料熔接。為了在壓力下保持熔 接粘接，可以將收縮速率大於陶瓷材料的收縮速率的金屬夾鉗放在兩個部 件被粘接的區域上。當結構冷卻到室溫時，夾鉗在壓力下保持熔接粘接。
優選的燒結陶瓷的一個示例是由Surmet Corporation, Burlington, Massachusetts生產的商品名為ALON⑧的氮氧化鋁尖晶石，一種氮氧化鋁的 透明形式。ALON⑧己經發展做為一種新型的透明防護件。例如，在美國專 利No.4， 520, 116中說明了此透明防護件。適於壓力傳感器應用的其它陶瓷 包括其它氮氧化鋁尖晶石、鋁酸鎂尖晶石、氧化鋁以及釔穩定、部分穩定 氧化鋯(PSZ)。燒結陶瓷壓力傳感器膜片的優選的機械特性是斷裂韌度超 過大約l. 5MPam—'，卩彈性模量小於大約350GPa (50. 8X 106磅每平方英寸)。 通過在模內擠壓或鑄型或通過使用快速原型法/無固體外形製造方法，將 含有瑋當粘合劑的粉形成為模型，這些和其它氧化物陶瓷可成形為近最終 形狀。在形成之後，使用通常接受的陶瓷處理作業來燒制零件，以達到最 終的密實的近最終形狀。也可以使用隔離擠壓而壓實未燒制的生坯模型。 可以單獨燒制這些零件，並通過釺焊熔接將零件組裝到一起，或者在燒制 之前，可以在一次操作下使它們在生坯狀態下金屬化並被燒制，同時沉積 所有電引線和電容電極。在特定情況下，可以使用微波能量處理零件。
圖2示出了差壓傳感器50，其具有並排結構，而不是如圖l中所示的背 靠背結構。差壓傳感器50包括單元半52和54以及膜片56和58，它們形成兩 個並排獨立的電容器傳感器單元。金屬管60連接室62和64。
室62的壁上的電容器板66和膜片56的內壁上的電容器板68形成第一 電容器C1。導線67在電容器板66與傳感器50外部之間提供連接。導線69在 電容器板68與傳感器50外部之間提供連接。
類似地，室64的內壁上的電容器板70和膜片58的內壁上的電容器板72形成第二電容器C2。導線71在電容器板70與傳感器50外部之間提供連接。 導線73在電容器板72與傳感器50外部之間提供連接。
0型環74和76在膜片56和58與板78之間提供密封。在板78與每個膜片 56和58之間引入流體。流體可以是從隔離膜片傳遞壓力的填充流體，或者 可以是過程流體本身。
諸如電容器板66、 68、 70和72的金屬部件沒有被暴露到施加壓力以偏 轉膜片56和58的流體。因此，差壓傳感器50的並排結構提供了不用隔離膜 片的選擇。
0型環74和76安裝到膜片56和58的外表面內的槽內。這些槽在生陶瓷 的成形過程期間形成在膜片56和58內。
近最終形狀的燒結陶瓷壓力傳感器還允許溫度傳感器的製造作為制 造過程的一部分。金屬溫度傳感器材料可以被金屬化(metalize)到圖l 的單元半12或14或圖2的單元半52和54的內表面或外表面上。通過在金屬 化步驟中形成溫度傳感器，可以不用昂貴的單獨零件。
圖2中所示的並排結構還提供了允許測量管線壓力和差壓兩者的潛 力。可以實現這一點，同時整個傳感器的尺寸減小，並且可選擇不需要隔 離膜片和油填充物的結構。
本發明很適於批量製造，但不需要複雜的機械加工，或不需要與半導 體型批量製造相關聯的外來設備、化學製品、和專業安全要求。
雖然已經參照優選的實施例說明了本發明，但是本領域的技術人員將 認識到在不偏離本發明的精神和保護範圍的情況下可以在形式和細節上 做改變。
權利要求
1. 一種傳感器，包括傳感器主體和安裝到所述傳感器主體的可偏轉部件，所述可偏轉部件響應於要感測的參數，其特徵在於，所述傳感器主體和所述可偏轉部件由燒結陶瓷形成。
2. 根據權利要求l所述的傳感器，其中，所述要感測的參數是壓力，其中，所述可偏轉部件限定至少一個壓力感測室。
3. 根據權利要求2所述的傳感器，其中，所述傳感器包括電容差壓傳 感器，其中，所述可偏轉部件包括位於第一室與第二室之間的中心膜片， 且所述中心膜片能夠作為所述第一和第二室內的流體壓力的函數進行偏 轉。
4. 根據權利要求3所述的傳感器，其中，所述第一和第二室填充有將 壓力分別傳遞給所述第一和第二室的流體。
5. 根據權利要求l所述的傳感器，其中，所述傳感器主體包括具有室 的第一部和具有室的第二部；其中，所述第一部延伸入並連接所述第二部；以及其中，所述可偏轉部件安裝在所述第一部室和所述第二部室之間。
6. 根據權利要求5所述的傳感器，其中，所述具有室的第一部、所述 具有室的第二部和所述可偏轉部件由近最終形狀的燒結陶瓷形成。
7. 根據權利要求l所述的傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括尖晶石化 合物。
8. 根據權利要求7所述的傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括氮氧化鋁。
9. 根據權利要求l所述的傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括釔穩定、 部分穩定氧化鋯。
10. 根據權利要求l所述的傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括氧化鋁。
11. 根據權利要求l所述的傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括彈性模 量小於大約350MPa(50.1Xl(^磅每平方英寸)且斷裂韌度大於大約1.5MPa m'^的陶瓷材料。
12. 根據權利要求l所述的傳感器，其中，金屬溫度傳感器固定到所 述傳感器主體的表面。
13. 根據權利要求l所述的傳感器，其中，所述傳感器主體包括差壓傳感器的第一部和差壓傳感器的第二部，所述第二部與所述第一部分離並 且通過金屬管連接。
14. 根據權利要求13所述的傳感器，其中，所述第一部和所述第二部 中的每一個包括填充有填充流體並與過程流體隔離的室。
15. —種壓力傳感器，包括 第一室；位於所述第一室附近的第一膜片，所述第一膜片和所述第一室由近最 終形狀的燒結陶瓷形成。
16. 根據權利要求15所述的壓力傳感器，還包括 電容，其作為所述膜片的偏轉的函數而變化。
17. 根據權利要求15所述的壓力傳感器，還包括由近最終形狀的燒結陶瓷形成的第二室； 其中所述第一膜片位於所述第一室與所述第二室之間。
18. 根據權利要求17所述的壓力傳感器，還包括-電極，其連接到所述膜片和所述第一和第二室，以提供作為所述膜片 的偏轉的函數而變化的電容。
19. 根據權利要求15所述的傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括尖晶石化合物。
20. 根據權利要求19所述的壓力傳感器，其中，所述尖晶石化合物為 氮氧化鋁。
21. 根據權利要求15所述的傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括釔穩定、 部分穩定氧化鋯。
22. 根據權利要求15所述的傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括氧化鋁。
23. 根據權利要求15所述的傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括彈性模 量小於大約350GPa(50.1 X 106磅每平方英寸)且斷裂韌度大於1.5MPa m—1/2的陶瓷材料。
24. 根據權利要求14所述的傳感器，還包括連接到所述第一室的金屬 溫度傳感器。
25. —種壓力傳感器，包括傳感器主體；膜片，其被所述傳感器主體支撐，並且能夠作為流體壓力的函數進行偏轉，且所述傳感器主體和所述膜片由近最終形狀的燒結陶瓷形成；以及 裝置，用於基於所述膜片的偏轉產生表示感測壓力的輸出。
26. 根據權利要求25所述的壓力傳感器，其中，所述用於產生輸出的 裝置響應於作為所述膜片的偏轉的函數而變化的電容。
27. 根據權利要求25所述的壓力傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括尖 晶石化合物。
28. 根據權利要求25所述的傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括氮氧化鋁。
29. 根據權利要求25所述的傳感器，其中，所述陶瓷包括鋁酸鎂尖晶 石、氧化鋁和釔穩定、部分穩定氧化鋯。
30. 根據權利要求25所述的壓力傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括彈 性模量小於大於30GPa (50.1乂106磅每平方英寸)且斷裂韌度大於1.5MPa m—1/2的陶瓷材料。
31. —種形成壓力傳感器的方法，所述方法包括以下步驟 近最終形狀形成燒結陶瓷的傳感器主體和膜片； 將所述傳感器主體和所述膜片機械加工到最終尺寸；和 組裝所述傳感器主體和所述膜片，以形成所述傳感器。
32. 根據權利要求31所述的方法，其中，通過將金屬化的表面釺焊在 一起而組裝所述傳感器。
33. 根據權利要求31所述的方法，其中，在組裝之前，將電導線、電 容器和溫度傳感器樣型施加到所述陶瓷零件。
34. 根據權利要求31所述的方法，其中，形成步驟包括將陶瓷粉形成最終被燒製成近最終形狀的模型的鑄型、擠壓或快速原型成形其中之一。
35. 根據權利要求31所述的傳感器，其中，所述傳感器主體和所述膜 片在燒制之前組裝，然後被一起燒制以製造形成所述傳感器。
36. 根據權利要求31所述的方法，其中，所述燒結陶瓷包括尖晶石化合物。
37. 根據權利要求31所述的方法，其中，所述尖晶石化合物包括氮氧化鋁。
38. 根據權利要求31所述的傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括釔穩定、 部分穩定氧化鋯。
39. 根據權利要求31所述的傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括氧化鋁。
40. 根據權利要求31所述的傳感器，其中，所述燒結陶瓷包括彈性模 量小於大約30GPa (50.1X10、旁每平方英寸)且斷裂韌度大於1.5MPam—1/2 的陶瓷材料。
全文摘要
本發明公開了一種電容壓力傳感器，其形成有由近最終形狀的燒結陶瓷製成的傳感器主體和膜片。在一種結構中，差壓傳感器具有兩個燒結陶瓷單元半，而內部燒結陶瓷膜片位於兩個單元半之間。在另一種結構中，兩個並排的燒結陶瓷單元半具有單獨的燒結陶瓷膜片，並且兩個單元半的室由金屬管連接。
文檔編號G01L13/02GK101479586SQ200780023499
公開日2009年7月8日 申請日期2007年4月24日 優先權日2006年4月25日
發明者卡爾·R·甘森, 弗雷德·C·西特勒 申請人:羅斯蒙德公司