絕對壓力型壓力傳感器的製作方法
2023-05-19 03:38:51 1
專利名稱：絕對壓力型壓力傳感器的製作方法
背景技術：
本發明涉及一種壓力傳感器，特別涉及一種能測量絕對壓力值的絕對壓力型壓力傳感器。
通常，多種形式的絕對壓力型壓力傳感器已經公知。在這些傳感器中，其中公開(未審查的)號為1998-90096的日本專利(參考文件1)和公開(未審查的)號為1999-83655的日本專利(參考文件2)公開了一種絕對壓力型壓力傳感器，在這種傳感器中，用一個膜把擴散半導體型壓力敏感片液密性地封裝起來，這樣封裝液體可以防止流體與傳感片的接觸。
另一公開(未審查的)號為1999-295174的日本專利(參考文件3)也公開了一種絕對壓力型壓力傳感器。這種壓力傳感器利用一個金屬壓力盒作為蓋子。這種壓力盒在傳感器片的應變片一側上形成一個參考壓力空間(真空空間)。傳感器片的與應變片相對的另一側面與被測流體接觸。另外，一個密封接頭或一個旁路電容器安裝到壓力盒上，以使導線連接到壓力盒上。從傳感器片傳出的電信號經由電線、線路板和導線傳至密封接頭或旁路電容器的引線，然後傳到終端。
另外，公開號為6351996的美國專利(參考文件4)也公開了另一種絕對壓力型壓力傳感器。這種傳感器有一個參考傳感空間，由於沒有採用金屬蓋，這種參考傳感空間構造起來比較簡單。實際上，這種參考壓力空間是由一個用樹脂封裝的預製模構成，導線框架和樹脂之間的粘結用來密封壓力參考空間。
然而，前述的幾種傳感器有以下幾個不足。在參考文件1和2公開的絕對壓力型壓力傳感器中，為防止空氣與封裝液體的混合，它需要在生產過程中，傳感應變片所在的空間在液體封裝前首先要抽成高度真空。這種方法使生產過程變得相當複雜，並且，如果密封膜被弄破，整個管道將被封裝液體汙染。
參考文件3所公開的絕對壓力型壓力傳感器構造複雜，並且需要多個電連接。另外，更多的電連接設置在用焊接形成的壓力盒內，這樣會使傳感器的安裝工作複雜。由於有多個電連接，這種傳感器的可靠性降低。
還有，參考文件4所公開的那種絕對壓力型壓力傳感器，由於用導線構架和樹脂之間的粘結來實現參考壓力空間的密封，所以其密封可靠性低。
考慮到以上不足，如圖9至11所示，本發明提供過一種能解決前述不足的絕對壓力型壓力傳感器。為清楚說明，應變片9形成在膜8的表面上，構成壓力測量裝置1的一部分，用焊接方法將密封接頭2耦合在壓力測量裝置周圍。用導線3來實現密封接頭的輸入/輸出端7與應變片9的電連接。這些連接好之後，一個金屬蓋4設置在壓力測量裝置1上並以真空的方式焊接到密封接頭2上。在測量裝置1的主體上形成一個流體引入口6。這種壓力傳感器提供的參考壓力空間5具有比較高的可靠性，參考壓力空間形成在蓋4和壓力測量裝置1之間。
然而，由於流體引入口6和輸入輸出端7在它們的方向上是一致的，沿著這個方向形成孔6並連接輸入/愉出端7，這樣就會使壓力傳感器的安裝有一個缺陷。
為實現上述目的，作為本發明的一個方面，提供一種絕對壓力型壓力傳感器，在這種傳感器中，設置一個具有帶有兩個表面的金屬膜的壓力測量裝置，兩個表面中的一個表面支持位於其上的應變片，另一表面與引入的被測流體接觸，這種傳感器包括一個金屬蓋，其設置成能提供一個面對著在金屬膜上的應變片的參考壓力空間；一個與應變片電連接的中繼板，其由層疊的陶瓷部件構成，層疊的陶瓷部件上具有用於連通中繼板兩表面的通孔和一個向外的伸出部分；分別面對中繼板的兩表面的兩個密封環，其中的一個密封環有與中繼板的一個側面和膜的圓周端部氣密性地連接的兩個圓周端部，另一個密封環有與中繼板的另一側面和蓋的圓周端部氣密性地連接的兩個圓周端部，因此形成了參考壓力空間；和一個與中繼板電連接的輸入/輸出端，為使輸入/輸出端向處伸展，其設置在中繼板的伸出部分上。優選地，中繼板的伸出部分伸出到兩個密封環的邊緣之外。
相應地，由於應變片設置在膜的與引入被測流體相背的面上，所以可以做到不與流體接觸就能測量流體壓力。另外，由於兩個密封環連接在中繼板的兩個表面上而形成一參考壓力空間，參考壓力空間就能保持很好的氣密性。這樣就能精確地測量出流體的絕對壓力。另外，由於輸入/輸出端連接到中繼板的伸出部件上，這樣傳感器的線路可以簡化，進而降低生產成本。
優選方式為，設置在中繼板上的線路部件通過中通孔與應變片電連接。由於採用中通孔來電連接中繼板和應變片，這樣也可以簡化傳感器的結構。
優選方式為，在中繼板的另一表面上做成一凹槽的腔室，腔室提供一個凹槽表面，在凹槽表面上設置線路部件。腔室的形成縮短了面對在中繼板上的蓋的表面(即腔室底)和應變片之間的距離，這樣也就縮短了通過中通孔的用於電連接的導線的長度。所以，傳感器的抗振性能增強，測量精度也相應提高。
還有，優選方式為，在中繼板上的面對蓋的線路部件位於比另一密封部件更靠裡的位置上，並且在中繼板上的面對膜的線路構圖與輸入/輸出端電連接。這種結構使得金屬蒸汽不會粘到中繼板上的線路上，金屬蒸汽是在真空空間內把蓋焊接到位於中繼板的蓋側表面上的密封環上時產生的。所以，這樣可以增強中繼板的絕緣性能，進而提高流體絕對壓力的測量精度。
順便提一種實施例，輸入/輸出端的伸出方向不同於壓力測量裝置的安裝方向。例如，使這兩個方向的夾角約為90度。所以，當這種壓力傳感器安裝到要測流體的所需位置時，輸入/輸出端才不會成為安裝操作的障礙。這樣才會使絕對壓力型壓力傳感器的安裝顯著簡化。
圖1是根據本發明第一實施方式的絕對壓力型壓力傳感器的平面圖。
圖2是圖1所示的絕對壓力型壓力傳感器沿垂直於傳感器的縱向方向切去蓋後的平面圖；圖3是沿圖1的III-III線的截面圖；圖4是沿圖1的IV-IV線的另一截面圖；圖5是根據本發明第二實施方式的絕對壓力型壓力傳感器的平面圖；圖6是圖5所示的絕對壓力型壓力傳感器沿垂直於傳感器的縱向方向切去蓋後的平面圖；圖7是沿圖5的VII-VII線的截面圖；圖8是沿圖5的VIII-VIII線的另一截面圖；圖9是傳統的絕對壓力型壓力傳感器的平面圖；圖10是圖9所示的傳統的絕對壓力型壓力傳感器移去蓋後的平面圖；圖11是沿圖9的XI-XI線的截面(第一實施方式)參照圖1至4，下面描述絕對壓力型壓力傳感器的第一實施方式。
這種絕對壓力型壓力傳感器具有一個壓力測量裝置11、一個金屬蓋13、一個中繼板14和一個輸入/輸出端15。
如圖3和4所示，在這些構件中，壓力測量裝置11具有一個帶有金屬膜10的圓筒部件11a，在金屬膜10的一個面上安裝應變片9(如圖10所示那樣)。安裝應變片的那一面位於與由圓筒部件11a的相對側的表面形成的流體引入口20相對的圓筒部件11a的側面上。設置金屬蓋13以形成包圍放在金屬膜10上的應變片9的參考壓力空間12。中繼板14不僅與應變片9電連接而且也與輸入/輸出入端15電連接。
如圖3所示，中繼板14由薄片陶瓷盤製成。在圖3中以圖畫的方式用鏈形雙點線表示了這種薄片陶瓷盤的邊界。正如圖3和4所示，一個圓盤狀的腔室16在中繼板14的一個面的中央區域形成一個凹陷。在腔室16的底部的中間部分預先確定的位置上開有多個通孔17，這樣可以使中繼板14的兩個面之間相通。
如圖2至圖4所示，在中繼板14的兩面分別設置有金屬密封環18和19。密封環18位於中繼板14的一個面上，並且位於中繼板14和圓筒部件11a之間，這樣密封環18可以氣密性地密封。另一密封環19位於中繼板14的另一個面上，並且位於中繼板14和蓋13之間，這樣密封環19可以氣密性能密封參考壓力空間12。密封環18和19被銅焊接到中繼板14的表面上。密封環18和19最好由鎳合金(Kovar註冊商標)、42-合金或其他材料構成，這些材料的溫度係數(例如線性膨長係數)接近構成中繼板14的陶瓷。
如圖3和4所示，壓力測量裝置11有一用作測量主體的圓筒部件11a，圓筒部件11a的一端用膜10封住。圓筒部件11a是通過對一個金屬坯進行切割或煅壓處理被整體塑造成一個部件。圓筒部件11a有一個引入液體並將液體引入到膜10的表面的流體引入口20。如上所述，為防止與液體的接觸，應變片9安置在與液體引入口20相對的膜10的另一側面上(參照圖10)。應變片9的圖案如圖10所示，它被製成薄層，這在圖3和4中被省略。
如圖3和4一般所示，金屬膜10的外部四周部分，即圓筒部件11a的外肩部分，製成能與金屬環18氣密性地連接，以使壓力測量裝置11完全與中繼板14連接。實際上，圓筒部件11a的外肩部分與密封環18相匹配，並且存在於其間的一個連接處21在其四周被完全焊結。這種焊接用更高熱密度的焊接方式來完成，以使壓力測量裝置11免於焊接所帶的高溫影響。這種焊接包括雷射焊、氬弧焊或其他焊結形式。
如圖2所示，在膜10上的應變片9經由墊24電連接到形成在與膜10相對一側的中繼板14上的表面上的電路。這在圖2中沒有示出。為實現這些連接，連接線22穿過中繼板14上的通孔17。由於用通孔17來實現中繼板14和應變片9的電連接，這樣構造出的絕對壓力型壓力傳感器結構簡單。
另外，在與膜10的相對一側中繼板14的表面上形成腔室16，這樣一來，在中繼板14上的電路與應變片9之間的距離與沒有腔室的結構相比會縮短。這種距離的縮短導至用於電連接的連接線22的縮短，這樣可以提高壓力傳感器的抗振性，進而提高壓力傳感器的可靠性。
如圖1至4所示，金屬蓋13形成為一圓筒部件13a，其一端被一端板13b封蓋，圓筒部件13a和端板13b用煅壓或其他工序形成為一個整體部件。圓筒部件13a的開口端與金屬密封環19相匹配，在它們中間形成的連接處23在其周邊被焊接。這種焊接使由蓋13封閉的空間保持氣密性，應變片9位於這個空間中。
由於這個用作參考壓力空間12的氣密空間需要製成真空，在真空腔室要進行焊接處理。特別是，連接完前述的連接線22後，金屬蓋13蓋在金屬密封環19上，然後放入真空腔室。在這種狀態下，在5×10-2託或更小(優選為1×10-3託或更小)的真空度下將電子通量輻射到連接處23的條件下，對連接處23的周邊進行電子束焊接以便密封，這樣焊接連接處23以將蓋13和密封環19連接起來。這樣，由金屬蓋13、中繼板14和金屬膜10所包圍的參考壓力空間12形成為真空空間。
另外，參考壓力空間12在長時間內需要保持相同的壓力。如果在空間12內的壓力發生變化，本傳感器的輸出壓力也相應變化。為避免這種情況，如樹脂的有機物質和如水分的氣化物質應儘可能地從參考壓力空間中去除。這樣，在進行前述的密封工作之前，蓋在金屬密封環19上的金屬蓋13應在高溫真空空間中烘乾以去除水分。最好在安裝傳感器之前也進行這種烘乾程序。
輸入/輸出端15連接到中繼板14的向外突出部分的下表面，這樣可以沿與中繼板14平行的方向伸展。這個突出部分位於向外超出密封環18和19的邊緣處。優選地，輸入/輸出端15由鎳合金(Kovar註冊商標)材料、42-合金和或其他的那些溫度係數(例如線性膨脹係數)接近構成中繼板14的陶瓷的合金。輸入/輸出端焊接到中繼板14上。儘管在圖中沒有示出，在中繼板14上的線路通過圖2所示的通孔和形成在中繼板14上的內部安裝空間可以連接到輸入/輸出端15上。
正如圖3所示，輸入/輸出端15在不同於壓力測量裝置的圓筒部件11a的方向上伸出。如圖3所示，這兩個不同方向的夾角大約為90度。相應地，在圓筒部件11a，也就是壓力測量裝置11要安裝至流體被測量的理想位置時，輸入/輸出端15才不會成為安裝操作的障礙。所以安裝絕對壓力型壓力傳感器的工作顯著簡化。
當在真空空間內進行前述的電子束焊接時，在連接處23上或其附近將產生金屬蒸汽。如果金屬蒸汽粘到中繼板14的線路上，這樣就可能降低線路的絕緣性能。所以，應該採取措施，使包括輸入輸出端15在內的所有線路不直接暴露在金屬蒸汽下。在本實施方式中，解決該問題是採用這樣一種結構在面對金屬蓋13的中繼板14的表面上的線路構圖位於比金屬密封環19更靠裡的位置，即位於參考壓力空間12內，並且輸入/輸出端15在面對金屬膜的中繼板14的另一面上與線路構圖電連接。這種結構可以避免金屬蒸汽粘到中繼板上的線路構圖上，也不會粘到連接部件輸入/輸出端15上，這樣可以保持中繼板14的高絕緣性。
下面將解釋根據本實施方式的絕對壓力型壓力傳感器的操作及其優點。
為測量壓力，壓力測量裝置11的圓筒部件11a固定安裝到理想的測量位置，例如在管道上的指定位置。
通過圓筒部件11a上的流體引入口20，把諸如氣體和液體的流體引入到壓力測量裝置11，然後到達膜10。當由於引入到流體引入口20的流體所產生的壓力接收使膜10發生彈性變形時，安裝在膜10後面的應變片9感應膜10產生的變形，並輸出一個根據這種變形大小而變化的電信號。
電信號經過連接線22、中繼板14和輸入/輸出端15而從傳感器傳出。
如上所述，絕對壓力型壓力傳感器利用了一個由薄片陶瓷部件構成的中繼板14和分別安置並粘接到中繼板14的兩個面上的金屬密封環18和19。為氣密性地圍封膜10的外圍圓周部分，一個金屬環18與金屬膜10連接；而為氣密性地圍封參考壓力空間12，另一金屬環19與金屬蓋13和中繼板14連接在一起。這樣，參考壓力空間12能長時間內保持更高的氣密性，所測的流體絕對壓力才能有很高的精度。
(第二實施方式)參照圖5至8，下面將描述根據本發明的第二實施方式的絕對壓力型壓力傳感器。
在這一實施方式中的絕對壓力型壓力傳感器裝配有一個不同於第一實施方式中的中繼板26。明確地說，中繼板26沒有如第一實施方式中的那樣在中繼板14上設置一個腔室。所以中繼板26的兩個表面是平的，這樣它的製造工序和第一實施方式中的中繼板14的製造工序相比就可以簡化。
其他部件和製作都與第一實施方式中的完全一致，所示的附圖標記也與第一實施方式中的相同，對其具體描述在這裡省略。
為完全起見，應當提及的是，到此所列舉的實施方式並不限定本發明的其他可能實施方式。本領域的技術人員可以根據已知技術組合成多種結構，或對其增補和修改，這些都沒脫離本發明的發明宗旨。
包括說明書、權利要求書、附圖和概述在內的於2000年5月17申請的日本專利2000-14207的全部內容以引用參考的方式結合在申請中。
權利要求
1.一種絕對壓力型壓力傳感器，其中設置一個帶有具有兩個表面的金屬膜的壓力測量裝置，兩個表面的其中之一用來支撐在其上放置的應變片，另一表面用於接觸引入待測的流體，這種傳感器包括一個金屬蓋，其設置成能提供一個面對著在金屬膜上的應變片的參考壓力空間；一個與應變片電連接的中繼板，其由層疊的陶瓷部件構成，在層疊的陶瓷部件上具有用於連通中繼板兩側的通孔和一個向外的伸出部分；分別面對中繼板的兩側面的兩個密封環，其中的一個密封環有與中繼板的一側面和膜的圓周端部氣密性地連接的兩個圓周端部，另一個密封環有與中繼板的另一側面和蓋的圓周端部氣密性地連接的兩個圓周端部，因此形成了參考壓力空間；和一個與中繼板電連接的輸入/輸出端，為使輸入/輸出端向處伸展，其設置在中繼板的伸出部分上。
2.根據權利要求1所述的絕對壓力型壓力傳感器，其特徵在於中繼板的伸出部分伸出在兩個密封環的邊緣之外。
3.根據權利要求2所述的絕對壓力型壓力傳感器，其特徵在於設置在中繼板上的線路部件通過中通孔與應變片電連接。
4.根據權利要求3所述的絕對壓力型壓力傳感器，其特徵在於在中繼板的另一側面上成一凹槽的腔室，腔室提供一個下凹的表面，在下凹的表面上設置線路部件。
5.根據權利要求2所述的絕對壓力型壓力傳感器，其特徵在於在中繼板上的面對蓋的線路部件位於比另一密封部件更靠裡的位置上，並且在中繼板上的面對膜的線路構圖與輸入/輸出端電連接。
6.根據權利求2所述的絕對壓力型壓力傳感器，其特徵在於輸入/輸出端的伸出方向不同於壓力測量裝置的安裝方向。
全文摘要
提供一種絕對壓力型壓力傳感器。這種傳感器有一個具有一金屬膜的壓力測量裝置。應變片設置在膜的表面上，膜的另一表面用於接收被測流體。這種傳感器包括一個蓋、一個中繼板、兩個密封環和一個輸入/輸出端。蓋形成一個參考壓力空間。中繼板與應變片電連接，它由一個層疊的陶瓷部件構成，層疊的陶瓷部件有用於連通其兩表面的通孔和向外的伸出部件。兩個密封環分別面向中繼板的兩個側面。其中的一個密封環將中繼板和膜氣密性地連接。另一密封環將中繼板和蓋氣密性地連接。輸出端電連接到中繼板並安裝在中繼板的伸出部件上。
文檔編號G01L9/04GK1459621SQ0314546
公開日2003年12月3日 申請日期2003年5月17日 優先權日2002年5月17日
發明者金子嘉一, 長坂宏 申請人:長野計器株式會社