壓力測量單元的製作方法
2023-09-21 06:50:40
專利名稱：壓力測量單元的製作方法
技術領域：
本發明涉及電容式壓力測量單元。
在壓力測量技術中，例如使用絕對壓力、相對壓力和差壓測量單元。在絕對壓力測量單元中，所要測量的壓力是絕對測定的，即作為與真空相比的壓力差。採用相對壓力測量單元，接收所要測量的壓力為與基準壓力，例如存在於傳感器所處位置的壓力相比的壓力差形式。在大部分應用情況下，它是使用位置上的大氣壓力。因此，在絕對壓力測量單元中，根據穩定的相對壓力、真空壓力測定所要測量的壓力，在相對壓力測量單元中，根據變化的相對壓力，例如環境壓力，測定所要測量的壓力。差壓測量單元測定處於第一個和第二個測量單元上的壓力之間的差值。
市場上的壓力測量單元帶有-基體，-在構成測量室情況下與基體連接的膜片，-該膜片在工作時發生偏移，該偏移取決於所要測量的壓力，-設置在測量室中基體靠近膜片一側上的電極，-該電極與安裝在膜片上的對應電極共同構成電容器，其電容量為膜片偏移的測量值。
在這種壓力測量單元中，電極或者通過膜片和基體之間的間隙，或者穿過基體進行電連接。在第一種情況下，將膜片和基體相互連接的填縫材料必須是電絕緣體。優先選擇穿過基體觸點接通，因為它不影響基體和膜片之間的連接，並因此可以密封和機械上穩定，還因為它在選擇填縫材料時沒有限制。
在傳統的穿過基體的觸點接通中，將金屬觸針插入貫穿基體的孔中，並在端側例如利用衝頭擠壓。由此將觸針機械定位，並形成與基體電極的電接觸點。
這種方法在大多數應用情況下都能產生非常好的效果，並能快速和成本低廉地實現。然而，這種擠壓的方法在有些應用中存在缺陷。
擠壓只能取得較低的密封性。不能取得像例如在絕對壓力測量單元中所要求的真空密封。因此，特別是在絕對壓力測量單元中要求單獨密封貫穿觸點接通。
由於擠壓，孔和金屬觸針區域內測量室的內表面不平整，並具有例如裂縫或者凹陷等空隙。
例如，如果內表面作為膜片床使用，在過載情況下膜片緊貼在上面，內表面中的這種不均勻性會出現問題。膜片床的不均勻性在過載情況下會產生膜片持續變化的後果，隨後會導致嚴重的測量誤差或者甚至導致壓力測量單元完全脫落。
幾何形狀上的不均勻性，特別是裂縫，在電接觸點的區域內可能會導致接觸電阻升高並在接收測量值時產生與此相關的缺陷。
若測量室注入壓力液體，會出現其他問題。在注入液體的壓力測量單元中，最好使用非常小的液體容積，因為可以將溫度造成的液體的熱膨脹保持在儘可能小的程度上。對測量精度相當重要的是，注入液體的容積儘可能不變。要絕對避免凹陷、裂縫或者其他形狀的空隙，隨著時間的變化，未知量的液體容積會滲入其中。在差壓測量單元中特別重要的是，不僅容積要儘可能不變，而且在差壓測量單元的兩部分中儘可能存在相同的液體量。不同液體量的後果是不同的溫度歷程，它直接影響測量精度。
本發明的目的在於，提供一種壓力測量單元，其中，設置在測量室中基體上的電極穿過基體電連接；其中，測量室在觸點接通的區域內具有平整的表面以及真空密封的和耐壓的連接。
為此，本發明在壓力測量單元中帶有-基體，-在構成測量室情況下與基體連接的膜片，-該膜片在工作時發生偏移，該偏移取決於所要測量的壓力，-由靠近膜片的基體表面構成的膜片床，-其上塗覆至少一個電極，-該電極與塗覆在膜片上的對應電極共同構成電容器，其電容量為膜片偏移的測量值，以及-通過貫穿基體的孔的觸針，-通過它電連接測量電容量的電極，以及-觸針在膜片床一側用焊料焊接在孔中，-其中，觸針、焊料和膜片床構成平整的表面。
依據一形成，基體和/或者膜片由陶瓷或者單晶體組成。
依據另一形成，觸針由鉭組成，焊料為活性焊料，特別是銀-銅焊料。
依據另一形成，所要測量的壓力工作時作用於膜片，並且在測量室中存在幾乎0mbar的非常小的壓力或者穿過基體傳遞的基準壓力。
依據一其他形成，膜片設置在基體和另一基體之間，膜片和另一基體構成另一測量室，並在工作時在測量室中存在第一種壓力，在另一測量室中存在第二種壓力。膜片的偏移取決於與第一種和第二種壓力的差值相應的所要測量的壓力。
依據最後所述形成的另一形成，基體具有貫穿通過測量室的孔，壓力小管引入孔中，通過壓力小管在工作時傳遞測量室的第一種壓力，另一基體具有貫穿通過測量室的孔，壓力小管引入孔中，通過壓力小管在工作時傳遞另一測量室的第二種壓力。
此外，本發明在用於製造壓力測量單元的一方法中存在-觸針插入孔內-在基體和觸針之間的膜片一側加入焊料，-焊接觸針，-研磨膜片床，-將電極塗覆到平整的膜片床上，以及-基體和膜片通過接縫彼此固定連接。
依據該方法的一形成，膜片藉助於接縫與基體和另一基體連接，第一個壓力小管焊接在基體中，第二個壓力小管焊接在另一基體中。
現在，藉助附圖中所示的三個實施例詳細介紹本發明及其其他優點。相同的元件在附圖中具有相同的參考符號。其中
圖1示出依據本發明作為電容式絕對壓力測量單元結構的壓力測量單元的剖面；圖2示出依據本發明作為電容式相對壓力測量單元結構的壓力測量單元的剖面；以及圖3示出依據本發明作為電容式差壓測量單元結構的壓力測量單元的剖面。
圖1示出依據本發明的壓力測量單元的剖面。它具有圓柱形基體1和在構成測量室3情況下與基體1連接的圓片形膜片5。
膜片5和基體1由絕緣體組成，最好由陶瓷或者由單晶體組成，例如藍寶石。它們通過接縫6藉助於例如活性硬焊料，例如鋯石-鐵-鈦-鈹焊料，彼此在各自的外部環形邊上連接。
在工作時，膜片5發生取決於所要測量的壓力P的偏移。為此，例如壓力P從外部作用於膜片5。這一點在圖1中通過箭頭標示。
基體1的靠近膜片的表面構成膜片床。膜片床上塗覆電極7，它與塗覆在膜片5上的對應電極9共同構成電容器，其電容量是膜片5偏移的測量值。
對應電極9在其外部邊緣上與接縫6導電鄰接，最好通過導電的接縫6接地或者連接在固定的基準電位上。
基體1具有貫穿孔11，觸針13穿過其中。觸針13由可導電的材料組成，並在膜片一側用焊料14焊接在孔11內。例如鉭特別適用於觸針13，因為它是一種高熔度的可塑性材料。它耐幾乎所有酸和鹼，特別耐腐蝕。如果為膜片5和基體1使用氧化鋁陶瓷，鉭又呈現出另一優點具有與氧化鋁陶瓷非常類似的熱膨脹係數。作為焊料，特別適用的是活性硬焊料，特別是銀-銅焊料。因此，可以產生觸針1 3和孔11之間的密封接合。
觸針13、焊料14和膜片床依據本發明構成平整的表面。潔淨平整的表面，例如經過研磨的表面具有的優點是產生均勻的接觸面。這樣的接觸面實現與附加塗覆的電極7的平面連接，通過該連接產生良好導電的連接。
另一優點在於，通過在該位置上的平整表面形成總體平整的膜片床，膜片5在過載情況下可以毫無損害地緊貼在該膜片床上。因此，膜片5即使在例如40000kPa(400bar)的較高過載情況下仍能得到可靠承受，並且測量單元在過載衰減後繼續完好地在其技術條件內工作。
通過觸針13電連接測量電容量的電極7。為此，觸針13的第一個末端與電極7導電連接。剩下的第二個末端從基體1中伸出，並在所示實施例中輸送給設置在基體1上的電路15。電路15將電容器的電容量變化轉變為電輸出信號，例如轉變為相應變化的電壓。輸出信號通過連接線17可供進一步處理和/或者計值。
為取得更高的密封性和改善機械穩定性，觸針13在遠離膜片床一側上也可以用焊料19與孔11連接。它附加具有的優點是，不會向觸針13的靠近膜片床的末端上並因此不會向與電極7的電觸點上傳遞機械力。從外部作用的力通過用焊料19固定在遠離膜片床的側面上收集。
在觸點接通區域內相互鄰接的材料具有不同的熱膨脹係數，並且壓力測量單元可能會受到顯著的溫度變化，對於這種情況來說，更為有益的是，觸針13隻在一側端面焊接，或者孔11在其整個長度上用焊料填充。後一種變通作法具有的優點是，以溫度為條件的應力分布在整個長度上。
不言而喻，本發明並不局限於帶有唯一電極的壓力測量單元及其通過焊接觸針依據本發明的連接上。不言而喻，可以具有多個電極，它們按照在所示實施例中介紹的方式電連接。
圖1示出絕對壓力測量單元。測量室3抽真空，以至於在測量室的內部存在幾乎0mbar的非常小的壓力，所要測量的壓力p與測量室3內部的真空壓力相關測定。
可以按照完全相似的方式構成基準壓力測量單元。圖2示出對此的實施例。與圖1示出的絕對壓力測量單元的不同之處僅在於，測量室3不抽真空。取代其的是在測量室3內存在穿過基體1傳遞的基準壓力PR。基準壓力PR例如是存在於測量單元周圍的壓力。例如它可以像圖2示出的那樣，通過貫穿基體1的孔21引入測量室3內。
通過首先將觸針13在膜片床一側的前端整平插入孔11，製造圖1和2示出的壓力測量單元。
在基體1和觸針13之間的膜片床一側和可能的話也在與膜片床相對的側面上加入焊料14，19。隨後，將觸針13一側或者兩側在真空下的爐內或者在保護氣體氣氛下焊接。
在下一個操作步驟中，研磨膜片床直至具有平整的並由於焊料14特別是無裂縫的表面。
塗覆電極7，例如濺射或者蒸鍍在該平整的和特別是無裂縫的表面上。電極7最好同樣由鉭組成。然而，其他金屬同樣可以使用。
濺射或者蒸鍍製造的電極非常精密，厚度小，例如為0.1μm。通過焊接觸針13獲得的平整表面在這種很小層厚情況下特別具有優點，因為它在很小層厚的情況下也能提供良好的電接觸表面。
採用同樣的方法也可以使膜片5具有對應電極9，並在最後的操作步驟中完成膜片5和基體1之間的接縫6。為此，將填縫材料，例如上述的鋯石-鐵-鈦-鈹活性硬焊料塗覆在基體1邊緣上的環形片狀的表面，並將膜片5置於其上。基體1和膜片5通過接縫在真空下的爐內或者在保護氣體氣氛下彼此固定連接。
圖3示出依據本發明壓力測量單元的另一實施例。這裡涉及差壓測量單元。它具有基體23和另一基體25。在基體23和另一基體25之間設置膜片27。膜片27在構成測量室29情況下與基體23連接，並在構成另一測量室31情況下與另一基體25連接。
膜片27，基體23和另一基體25由絕緣體，最好由陶瓷或者單晶體，例如藍寶石組成。基體23，25分別通過接縫32，34，例如藉助活性硬焊料，例如鋯石-鐵-鈦-鈹焊料，在各自的外部環形邊上與膜片27連接。
在工作時，測量室29內存在第一種壓力p1，在另一測量室31內存在第二種壓力p2。膜片27的偏移取決於與第一種和第二種壓力p1，p2的差值相應的所要測量的壓力。
為輸送壓力，基體23具有貫穿通過測量室29的孔37，壓力小管39引入孔中。通過壓力小管39在工作時輸送測量室29的第一種壓力p1。類似的是，另一基體25為輸送壓力具有貫穿通過測量室31的孔41，壓力小管43引入孔中。通過壓力小管43在工作時輸送另一測量室31的第二種壓力p2。
壓力小管39，43在所示的實施例中各自與壓力中間件45，47連接。壓力中間件45，47分別具有各自覆蓋室53，55的分離膜片49，51。第一種壓力p1和第二種壓力p2分別從外部向分離膜片49和第二個分離膜片51施加作用。室53，55，壓力小管39，43和測量室29，31注入在相當程度上不可壓縮的液體，例如矽酮油。通過該液體，從外部作用於分離膜片49，51的第一種和第二種壓力p1，p2傳遞到膜片27的各一側上。
與前述壓力測量單元完全一樣，這裡也將電容器作為電-機轉換器使用。在該壓力測量單元中，在由基體23的靠近膜片的表面構成的膜片床上，也塗覆電極33，該電極與塗覆在膜片27上的對應電極35共同構成電容器，其電容量為膜片27偏移的測量值。對應電極35通過鄰接在其上的接縫32與基準電位，例如接地導電連接。
圖3差壓測量單元的左半部分，帶有基體23，膜片27，電極33和對應電極35，原理上與圖1和2示出的測量單元相仿。然而，測量室29如已經提及的那樣，注入液體並連接在壓力中間件45上。
與前面的實施例完全一樣的是，這裡也具有穿過貫穿基體23的孔57的觸針59，通過其電連接測量電容量的電極33。觸針59在膜片床一側用焊料61焊接在孔57內，並且觸針59，焊料61和膜片床構成平整的，例如研磨的表面。
最好差壓測量單元的右半部分與左半部分結構相同，並具有塗覆在基體25靠近膜片表面上的電極67，它與塗覆在膜片27上的對應電極69共同構成電容器，其電容量為膜片27偏移的測量值。對應電極69通過鄰接在其上的接縫34與基準電位，例如接地導電連接。與左側完全一樣的是，在右側上也具有穿過貫穿基體25的孔71的觸針73，通過其電連接測量電容量的電極67。觸針73在膜片床一側用焊料75焊接在孔71內，並且觸針73，焊料75和膜片床構成平整的，例如研磨的表面。
除了上述優點外，圖3示出的實施例中的平整的表面還具有額外優點，即不存在會有不確定量液體滲入的空隙。準確恆等的、儘可能小的和在兩半部分中儘可能相同的液體容積，是取得高測量精度的重要前提條件。
與上述實施例同樣類似的是，觸針59，73也可以在遠離膜片床側面上藉助於焊料62焊接在基體23內或藉助於焊料77焊接在基體25內。然而，在大部分應用中，靠近膜片床單側焊接足夠。
觸針59與電路63連接，電路測定電容器的瞬時電容量，並轉換成電輸出信號，輸出信號通過連接線65可供進一步處理和/或者計值。
與此相仿，觸針73與電路79連接，電路測定電容器的瞬時電容量，並轉換成電輸出信號，輸出信號通過連接線81可供進一步處理和/或者計值。
最好構成兩個電容量的差值，並從中推斷出影響壓力測量單元的壓差。
圖3中介紹的差壓測量單元的製造方法基本上與前述的製造方法相符。因此，下面僅詳細介紹一下不同之處。
不同之處主要在於，膜片27藉助於接縫與基體23和另一基體25連接。它可以一步操作完成。最好在該操作中也將第一個壓力小管39和第二個壓力小管43分別焊接在基體23和另一基體25中。
壓力小管39，43例如由不鏽鋼構成，並例如用活性硬焊料，例如銀-銅焊料焊接在基體23，25中。也可以選擇為壓力小管39，43使用更高級的材料。例如使用鉭或者鐵-鎳-鈷合金，例如以商品名稱Kovar或者Vacon可以買到的那樣。
首先將焊料加入膜片27與第一個和第二個基體23，25之間以及孔37，41內。然後引入壓力小管39，43，並將測量單元送入爐內，在真空或者保護氣體氣氛下進行焊接。
當然，本發明並不局限於帶有唯一電極的壓力測量單元上。在所述的所有實施例中，為接收測量值和例如為校準目的，也可以使用各自兩個或者多個電極來取代單個電極7，33，67。這些電極然後同樣設置在各自的基體1，23，25上，並且各電極分別按照前述方式藉助於焊接在相應孔中的觸針連接。
權利要求
1.一種壓力測量單元，帶有基體(1，23，25)，在構成測量室(3，29，31)情況下與基體(1，23，25)連接的膜片(5，27)，該膜片在工作時發生取決於所要測量的壓力(p，p1-p2)的偏移，由基體(1，23，25)的靠近膜片的表面構成的膜片床，其上塗覆至少一個電極(7，33，67)，該電極與塗覆在膜片(5，27)上的對應電極(9，35，69)共同構成電容器，其電容量為膜片(5，27)偏移的測量值，以及通過貫穿基體(1，23，25)的孔(11，57，71)的觸針(13，59，73)，通過它電連接測量電容量的電極(7，33，67)，以及觸針在膜片床一側用焊料(19，57，75)焊接在孔(11，57，71)中，其中，觸針(13，59，73)、焊料(19，57，75)和膜片床構成平整的表面。
2.按權利要求1所述的壓力測量單元，其中，基體(1，23，25)和/或者膜片(5，27)由陶瓷或者單晶體組成。
3.按權利要求1所述的壓力測量單元，其中，觸針(13，59，73)由鉭組成，焊料為活性硬焊料，特別是銀-銅焊料。
4.按權利要求1所述的壓力測量單元，其中，所要測量的壓力(P)工作時作用於膜片(5，27)；其中，在測量室(3)中存在幾乎0mbar的非常小的壓力或者穿過基體(1)傳遞的基準壓力(PR)。
5.按權利要求1所述的壓力測量單元，其中，膜片(27)設置在基體(23)和另一基體(25)之間，膜片(27)和另一基體(25)構成另一測量室(31)，工作時在測量室(29)中存在第一種壓力(p1)，工作時在另一測量室(31)中存在第二種壓力(p2)，其中，膜片(27)的偏移取決於與第一種和第二種壓力的差值(p1-p2)相應的所要測量的壓力。
6.按權利要求5所述的壓力測量單元，其中，基體(23)具有貫穿通過測量室(29)的孔(37)，壓力小管(39)引入孔中，通過壓力小管在工作時傳遞測量室(29)的第一種壓力(p1)，另一基體(25)具有貫穿通過測量室(31)的孔(41)，壓力小管(43)引入孔中，通過壓力小管在工作時傳遞另一測量室(31)的第二種壓力(p2)。
7.一種用於製造按前述權利要求之一所述的壓力測量單元的方法，其中，觸針(13，59，73)插入孔(11，57，71)內，在基體(1，23，25)和觸針(11，57，73)之間的膜片一側加入焊料(14，61，75)，焊接觸針(11，57，73)，研磨膜片床，將電極(7，33，67)塗覆到平整的膜片床上，以及基體(1，23，25)和膜片(5，27)通過接縫彼此固定連接。
8.按權利要求6和7所述的製造壓力測量單元的方法，其中，膜片(27)藉助於接縫(34)與基體(23)和另一基體(25)連接，第一個壓力小管(39)焊接在基體(23)中，第二個壓力小管(43)焊接在另一基體(25)中。
全文摘要
一種壓力測量單元，帶有基體(1，23，25)，在構成測量室(3，29，31)情況下與基體(1，23，25)連接的膜片(5，27)，該膜片在工作時發生取決於所要測量的壓力(p，p1－p2)的偏移，由基體(1，23，25)的靠近膜片的表面構成的膜片床，其上塗覆至少一個電極(7，33，67)，該電極與塗覆在膜片(5，27)上的對應電極(9，35，69)共同構成電容器，其電容量為膜片(5，27)偏移的測量值，其中，電極(7，33，67)穿過基體(1，23，25)電連接；其中，測量室(3，29，31)在觸點接通的區域內具有平整的表面，帶有通過貫穿基體(1，23，25)的孔(11，57，71)的觸針(13，59，73)，通過它電連接測量電容量的電極(7，33，67)，以及觸針在膜片床一側用焊料(19，57，75)焊接在孔(11，57，71)中，其中，觸針(13，59，73)、焊料(19，57，75)和膜片床構成平整的表面。
文檔編號G01L13/00GK1469995SQ01817610
公開日2004年1月21日 申請日期2001年9月15日 優先權日2000年10月19日
發明者卡爾·海因茨·班霍爾策, 卡爾·弗勒格爾, 弗蘭克·黑格納, 貝恩德·羅斯科普夫, 安格利卡·安德烈斯, 羅斯科普夫, 黑格納, 卡 安德烈斯, 卡爾 海因茨 班霍爾策, 弗勒格爾 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司