电容式压力传感器的制造方法

电容式压力传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高温压力感测装置和一种方法。在一些实施方式中，公开了一种包括相对于温度的内在的零点输出和值域修正的高温压力传感器。此外，本发明公开了通过使用朝向高温压力传感器的远端部定位的中间电路来改进高温性能的方法以及减小压力传感器内的热感生应力的构型。公开的实施方式也详述了减小因压力传感器内的各种寄生电容而产生的信号损失以改进信号保真度和灵敏度的方法。
【专利说明】电容式压力传感器
【技术领域】
[0001]公开的实施方式大体上针对基于电容的压力传感器。
【背景技术】
[0002]塑料的挤压成型和注射成型广泛地用于生产用于众多产业和应用的部件。在制造这些不同的部件期间，重要的是，对系统内的熔化物的压力和温度进行测量以确保准确且可再生产的部件生产。如果熔化物压力太低，那么不足的成型填装、填充不足和其他的不期望的制造缺陷会出现。另外，如果成型压力过高，那么其会导致过多的溢料、材料脱模和可能的设备失灵。因而，通常将压力传感器并入到挤压机或注射成型系统内的一个或更多个位置中以监控挤压过程或注射过程。然而，聚合物熔化物温度范围取决于具体的聚合物而高达400°C或更高。因此，通常将适于用在高温环境下的压力传感器用于监控这些系统。此夕卜，高温压力传感器也用在各种其他应用中，包括但不限于对涡轮发动机、石油钻井、食品加工工作以及其他合适的应用进行压力监控。

【发明内容】

[0003]在一个实施方式中，压力传感器包括探测器本体，该探测器本体包括由具有第一热膨胀系数的第一材料所形成的压力可弯曲隔板端。隔板端包括至少部分地限定了电容器的第一部分的第一表面。压力传感器也包括由具有第二热膨胀系数的第二材料所形成的相对不可变形的部件。相对不可变形的部件包括与第一表面间隔开的第二表面。第二表面也至少部分地限定了电容器的第二部分。中间部件布置在使压力可弯曲隔板端与相对不可变形的部件彼此隔离的周围区域处。中间部件由具有第三热膨胀系数的第三材料形成。第三热膨胀系数小于第一热膨胀系数。
[0004]在另一个实施方式中，压力传感器包括探测器本体和压力可弯曲隔板端，该压力可弯曲隔板端由导电材料形成并且耦联至探测器本体。导电材料具有第一热膨胀系数。另夕卜，压力可弯曲隔板端具有至少限定了电容器的第一部分的第一表面。压力传感器也包括具有第二热膨胀系数的氧化铝盘，该第二热膨胀系数小于第一热膨胀系数。盘包括金属化层。金属化层与第一表面间隔开，使得金属化层至少部分地限定了电容器的第二部分。在探测器本体与氧化铝盘之间布置有弹簧。弹簧使氧化铝盘朝向压力可弯曲隔板端偏置。在氧化铝盘的周围区域处布置有环形垫片部件以将氧化铝盘与压力可弯曲隔板端隔离。环形垫片由具有第三热膨胀系数的第三材料形成。第三热膨胀系数小于第一热膨胀系数。
[0005]在又一个实施方式中，压力传感器包括中间电路，该中间电路产生与参考电容和感测电容之间的差值成比例的电压信号。
[0006]在另一个实施方式中，压力传感器包括探测器组件，该探测器组件包括:相对刚性的本体；远端部，该远端部具有电容式压力传感器，电容式压力传感器由于作用在电容式压力传感器上的压力能够产生感测电容；以及近端部，该近端部与远端部对置。在远端部处布置有中间电路外壳。在中间电路外壳内封装有电容性检测桥接电路。电容性检测桥接电路产生与参考电容和感测电容信号之间的差值成比例的电压信号。压力传感器也包括远程电路外壳。相对柔性的互连装置将远程电路外壳耦联至中间电路外壳。在远程电路外壳中布置有主电路。远程电路外壳通过相对柔性的互连装置连接至中间电路外壳。电容性检测桥接电路通过互连装置将电压信号传递至主电路。
[0007]在一个实施方式中，压力传感器包括探测器本体和布置在探测器本体的远端部处的电容式传感器。电容式传感器产生感测电容。压力传感器还包括关联电容，其中，由温度的变化所引起的感测电容的变化通过关联电容的相应变化来抵消。
[0008]在另一个实施方式中，制造压力传感器的方法包括:将具有第一电容性表面的压力可弯曲隔板罩设置在探测器本体上；将第一电容性表面电耦联至探测器本体；选择具有期望的介电常数的材料以及由该材料形成不可变形的部件；在不可变形的部件的一部分上形成第二电容性表面；将引线连接至第二电容性表面并且将不可变形的部件定位在探测器本体之内，其中，并联电容(shunt capacitance)限定在引线与探测器本体之间；以及通过将第二电容性表面与第一电容性表面间隔开而相对于压力可弯曲隔板罩设置不可变形的部件，使得第一表面和第二表面限定了具有感测电容的电容式传感器，其中，由温度的变化所引起的感测电容的变化通过并联电容的相应变化来抵消。
[0009]在一个实施方式中，压力传感器包括具有近端部和远端部的管状探测器本体。压力传感器也包括布置在探测器本体的远端部处的电容式传感器。引线电耦联至电容式传感器并且沿管状探测器本体的内部空间朝向近端部延伸。至少一个支承件由具有相对低的介电常数的材料形成并且布置在管状探测器本体内。至少一个支承件构造和设置成将引线支承在管状探测器本体内并且将引线与管状探测器本体的内壁间隔开。
[0010]在另一个实施方式中，压力传感器包括具有近端部和远端部的管状探测器本体。管状探测器本体包括形成在管状探测器本体的壁部中且从远端部延伸至近端部的通道。在探测器本体的远端部处布置有电容式传感器。引线电耦联至电容式传感器并且沿管状探测器本体的内部空间朝向近端部延伸。在管状探测器本体的远端部处布置有温度传感器，并且温度传感器引线布置在通道中以及连接至温度传感器。
[0011]应当理解的是，前述理念和下面所讨论的附加理念可以以任何合适的组合设置，因为本公开在这方面并不受限。
[0012]从在下文中结合附图的描述能够更充分地理解本教导的前述和其他的方面、实施方式和特征。
【专利附图】

【附图说明】
[0013]附图并不意在按比例绘制。出于清楚的目的，并非每个部件在每幅图中均会标注。在附图中:
[0014]图1是包含中间电路的压力传感器的示意图；
[0015]图2是包含中间电路和柔性互连装置的压力传感器的示意图；
[0016]图3是沿中间电路的图1的线3-3所截取的压力传感器的示意性的横截面图；
[0017]图3A是由图3中所描述的压力传感器的线3A包围的远端部的放大图；
[0018]图4是压力传感器的探测器本体的部段的一部分的示意性的横截面图；
[0019]图5是包括温度传感器引线通道的压力传感器的示意性的端视图；[0020]图5A是图5中所描述的压力传感器的横截面图；
[0021]图5B是图5A中所描述的包括温度传感器引线槽的压力传感器的横截面图；
[0022]图5C是包括温度传感器引线孔的压力传感器的横截面图；
[0023]图6是布置在压力传感器的探测器本体中的温度传感器通道中的温度传感器的示意性的横截面图；
[0024]图7是描述了电容式压力传感器在两个不同温度之间的零点输出和值域变化的图表；
[0025]图8是与压力传感器相关联的多个电容的示意图；
[0026]图9是压力传感器的远端部的示意图；
[0027]图10是示出了间隙相对于温度的变化的图表；
[0028]图11是从25°C至350°C的零点输出变化百分比相对于图9中的部件尺寸“L”的变化的图表；
[0029]图12是相同的压力传感器在不同温度下在具有图9中的不同的初始电容器间隙“g”时的输出值域的图表；以及
[0030]图13是示例性压力传感器的一部分的示意图。
【具体实施方式】
[0031]用于在挤压成型过程和注射成型过程期间对与聚合物熔化物相关联的压力进行监控的压力传感器受到取决于具体的聚合物的范围高达400°C或更高的升高的温度。本
【发明者】已经意识到:暴露于所述大的温度范围不仅由于高温影响而需要对输出温度信号进行修正，而且这些温度也对部件寿命具有不利影响。因此，本
【发明者】已经意识到:需要提供一种在能够精确地测量压力的同时也提供增加的可靠性和使用寿命的高温压力传感器探测器。另外，为了提供具有较大灵敏度的较高保真度的信号，本
【发明者】也已经意识到:需要减小压力传感器之内的总信号损失和干扰源。附加地，本
【发明者】已经意识到:需要在优化因压力而产生的电容变化的同时使压力传感器的总电容最小化并且对其进行控制。
[0032]本
【发明者】已经意识到:在电容式压力传感器与位于近端的主电路之间的引线受到对感测到的压力信号进行干扰的寄生电容(stray capacitances)。另外，信号在从测量的AC电容信号转变成DC信号之前从这些寄生电容受到较大扰动。因此，期望的是，尽可能接近电容压力传感器将电容压力信号转换成DC信号。然而，电路系统的位置由于使用期间位于探测器本体的远端部处的高温而受到限制。本
【发明者】已经意识到:通过提供一种能够在较高温度下连续地工作的中间电路，其能够用于在较接近位于远端的压力传感器的位置处将压力传感器信号从AC信号转换成DC信号，使得输出压力传感器信号不易于受到寄生电容的影响，从而引起较高的信号保真度并且压力传感器能够连续高温工作。
[0033]本
【发明者】也已经意识到:位于远端的电容式压力传感器的部件由于不同部件的热膨胀系数之间的不匹配而在升高的工作温度下受到热感生应力。这些热感生应力在其在易碎部件诸如陶瓷部件中感生时是特别需要关注的。同样地，将中间部件和/或涂层设置在压力传感器的具有不同热膨胀系数的部件之间以减小热感生应力并且防止部件的疲劳和/或破裂。中间部件和/或涂层减小在部件之间的热感生应力的一个方法在于使用具有与带有较高的热膨胀系数的材料的热膨胀系数相比较小的热膨胀系数的材料。由于中间部件和/或涂层具有中间的热膨胀系数，因此，由于具有不同热膨胀系数的部件之间的更平缓的过渡，每个部件均表现出减小的应力。作为上述方案的替代性方案或者除了上述方案之外，中间部件和/或涂层能够包括低摩擦系数的材料以减小由于否则在部件的分界面处产生的高摩擦而产生的在部件之间传递的热感生应力。
[0034]除了处理与感测压力相关联的高温工作问题之外，本
【发明者】已经意识到:也期望的是，进一步减小系统内的任何寄生电容以改进输出压力信号的保真度。同样地，期望的是，使在输出压力信号的引线与形成压力探测器的多个部件之间的并联电容最小化。例如，由于输出引线越靠近探测器本体的壁部，并联电容增加，因此期望的是，将输出引线同心地定位在探测器本体内并且使可由于引线的横向振动而发生的探测器本体内的输出引线的横向位移最小化。在一个实施方式中，使用由具有低介电常数和/或低热膨胀系数的材料制成的衬套和/或支承件以预定间隔支承引线以使引线相对于探测器本体的壁部的静态弯曲和/或动态弯曲最小化。在一些实施方式中，材料同时具有低介电常数和低热膨胀系数。并联电容的其他来源包括但不限于:输出引线与位于探测器本体内的其他部件、例如与用于对过程温度进行监控的温度传感器的引线相互作用。在这种实施方式中，并联电容与输出引线与温度传感器的引线之间的距离成比例。因而，期望的是，将感测部件的、例如温度传感器的引线定位成尽可能地远离输出引线以减小这些部件之间的电容的量值。在一个实施方式中，温度传感器的或其他部件的引线位于形成在探测器本体自身的壁部内的通道或凹槽中以使部件与输出引线远离并且改进输出信号的保真度。
[0035]尽管能够减小由于系统内(例如来自温度传感器)的寄生电容而通过部件在输出压力信号中所引起的干扰，但是本
【发明者】已经意识到:在一些实施方式中，由温度传感器所引起的干扰能够通过完全地消除对所述温度传感器的需要来避免。然而，温度传感器通常用于帮助补偿因温度变化引起的压力信号的值域(span)和零点输出的变化。因此，本
【发明者】已经意识到:将有益的是，提供一种能够内在地补偿由于温度变化引起的压力信号的值域和零点输出的变化中的一者或两者的压力传感器。零点输出中的热感生变化(例如，减小)能够通过具有在探测器内的并联电容的相应的相反变化(例如，增大)来补偿。更具体地，通过控制部件几何形状和选择具有特定的介电常数的温度系数的材料，并联电容的随着温度变化的比率能够匹配成抵消压力传感器的零点输出的热感生变化。除了补偿零点输出之外，值域相对于温度增加的变化也通过对传感器的电容性表面之间的间隙相对于温度增大的比率进行控制来补偿。与以上情况类似，间隙相对于温度增大的比率通过控制部件几何形状和选择具有特定热膨胀系数的材料来确定。因此，压力信号能够在不需要温度传感器的情况下补偿温度变化。因此，在不需要温度感测能力的实施方式中(如可由最终用户或其他的适当使用所需要)，能够从压力感测探测器中除去温度传感器，从而引起减小的复杂性并且附加地引起探测器本体内的减小的寄生电容以及信号保真度的相应增加。
[0036]为了简便起见，本公开对用于为高温聚合物熔化物感测压力的高温压力传感器进行了描述。然而，应当理解的是，本公开并不限于仅以高温聚合物熔化物的方式使用。相反，本文中所公开的高温压力传感器的实施方式能够使用在许多不同的高低温压力感测应用中。
[0037]现在转向图，图1描述了压力传感器探测器组件100的实施方式，该压力传感器探测器组件100设置成使组件的主电路系统与熔化物的或其他材料的被监控的热量隔离。探测器组件100包括探测器本体，该探测器本体具有远端部，该远端部包括压力传感器102。在本实施方式中，压力传感器102是电容式压力传感器，该电容式压力传感器包含耦联至电容感测桥接电路的压力可弯曲隔板。在一些例子中，桥接电路是二极管桥接电路，诸如在美国专利N0.3，883，812和N0.3，869，676中所公开的二极管桥接电路，美国专利N0.3，883，812和N0.3，869，676的公开内容在此通过参引并入本文中。探测器组件100通过包括螺纹连接装置104的任何合适的装置附接至被监控的系统。由于刚性探测器本体106内的空间限制以及在工作期间存在于刚性探测器本体的远端部处的高温，因此除了电容式传感器自身之外，传感器电子元件并不位于探测器本体内。因此，从位于远端的电容式压力传感器输出的信号是未放大的AC信号。该未放大的AC信号由于由存在于压力传感器探测器内的相对大的寄生电容产生的干扰而容易受到扰动。因此，期望的是，防护或放大信号以增加信号保真度。尽管能够对输出信号的引线进行防护，但是在一些替代性的实施方式中，能够高温工作的中间电路位于远离探测器的远端部的中间电路外壳内。在一些例子中，中间电路外壳位于探测器的近端部处。该中间电路用于在将信号传递至包含在主电路外壳Iio内的位于远处的主电路之前放大和/或转换信号。在一些实施方式中，大部分的探测器电路系统和信号处理在主电路内进行。因此，在至少一些实施方式中，中间电路仅包括能够在将输出信号传递至主电路以进行进一步处理之前对输出信号进行需要的工作的最小量的电路系统。
[0038]在中间电路外壳处于大于主电路的最大连续工作温度的温度下的实施方式中，期望的是，使主电路与中间电路外壳远离。因此，在一些实施方式中，如图2中所描述的，压力传感器探测器组件120包括互连装置122以使主电路与中间电路远离。互连装置122将从中间电路输出的压力信号传递至主电路。在一些实施方式中，互连装置122是柔性互连装置，诸如能够将输出压力传感器信号从中间电路传递至位于远处的主电路的柔性电路或电缆。根据针对中间电路外壳设计的工作温度，主电路外壳能够位于距中间电路外壳任何合适的距离处以在不受高温的负面影响的情况下确保其中所包含的电路系统的合适的连续工作。例如，中间电路外壳与主电路外壳之间的距离能够是中间电路外壳与压力传感器探测器组件的远端部之间的距离的至少两倍或至少四倍。替代性地或除了主电路位于远处之夕卜，主电路外壳和中间电路外壳可以包括主动冷却和/或被动冷却以将其中所包含的电路系统维持在合适的工作温度下。
[0039]如图3中所示出的，压力传感器探测器组件200在其远端部处包括电容式压力传感器202。电容感测桥接电路能够耦联至压力传感器以感测施加的压力并且输出与施加的压力相关的相应的电压信号。来自电容式压力传感器202的信号经由穿过刚性探测器本体212的引线204输出。如在图中所描述的，刚性探测器本体212呈管状形状，但是其他形状也是可能的。引线204由处于刚性探测器本体的孔内的衬套206支承。在一些实施方式中，衬套206是薄的石英盘，该石英盘设置成且适于将引线同心地支承在刚性探测器本体212内。引线204在穿过衬套206之后以传递的方式耦联至位于中间电路外壳208内的中间电路210。如图中所描述的，中间电路210包括印刷电路板，但是其他合适的构型也是可能的。如以上所指出的，压力传感器信号在传递至位于远处的主电路之前输出至中间电路。
[0040]在一些实施方式中，中间电路适于且构造成在大于主电路的温度下连续地工作。因此，在这种实施方式中，包含中间电路的中间电路外壳有利地位于距探测器组件的远端部的一定距离处，所述距离对应于中间电路的最大连续工作温度。替代性地，中间电路外壳能够位于对应于小于中间电路的最大连续工作温度的工作温度的较大距离处。在一个示例性实施方式中，中间电路的最大连续工作温度大约是150°C。在一个实施方式中，中间电路能够在超过大约125°C且小于大约150°C的温度下连续地工作。尽管描述了用于中间电路的特定的工作温度范围，但是本公开并不仅限于任何具体的温度范围。例如，在一些实施方式中，电路构造成在小于大约250°C的温度下工作。在这种实施方式中，中间电路能够在小于大约250°C的温度或电路能够连续地工作的任何其他合适的温度下连续地工作。
[0041]不受理论限制，指出的是，电容式压力传感器远离中间电路并且输出电容信号可受到沿着信号传递路径存在的寄生电容的影响，直到输出电容信号由中间电路处理。因此，在一些实施方式中，中间电路有利地包括二极管桥接电路以将AC电容信号转换成DC输出信号以用于随后传递至位于远处的主电路。在其他实施方式中，中间电路也包括用于放大信号的电路系统。剩下的电子元件诸如例如振荡器电路系统、输出信号调节电路系统、激励电路系统和需要提供输出给用户(界面)的最终调节的信号的附加电路系统位于远程电路外壳中的主电路中。
[0042]在一些实施方式中，压力传感器探测器和相应的中间电路暴露于一系列的工作温度。因此，在这种实施方式中，有利的是，由于通过在不同温度下工作中间电路引起的信号错误，为从中间电路输出的信号进行有效的温度补偿。因此，在一个实施方式中，温度传感器设置成测量中间电路外壳的温度。测量的温度随后输出至主电路以用于针对中间电路上的温度影响对输出信号进行修正。替代性地，在一些实施方式中，能够针对中间电路上的温度影响对输出信号进行修正的电路系统包括在中间电路中。根据具体的实施方式，中间电路和相关联的温度传感器布置在印刷电路板上。替代性地，中间电路能够包括形成在其中的温度感测电路，因为本公开并不限定于任何具体的温度传感器。与特定的构型无关地，在以上实施方式中，压力传感器监控中间电路的温度并且针对任何温度影响对输出信号进行修正。
[0043]图3A示出了电容式压力传感器202的放大图。电容式压力传感器包括位于探测器本体212的远端部上的压力可弯曲隔板罩250。压力可弯曲隔板罩250的远端部包括压力可弯曲隔板250a。压力可弯曲隔板250a由适合于用作电极的材料制成以形成电容式传感器的第一部分。替代性地，在压力可弯曲隔板250a由没有起电容式表面的作用的材料制成的实施方式中，金属化层可以沉积到压力可弯曲隔板250a的内表面上以起电容式表面的作用。此外，压力可弯曲隔板250a的外表面能够包括涂层、钝化层、阳极氧化层或其他合适的层以将需要的磨损性质、腐蚀性质、摩擦性质或其他需要的性质提供给压力可弯曲隔板外面。压力可弯曲隔板250a也电耦联至刚性探测器本体212，使得压力可弯曲隔板250a以电的且可工作的方式与中间电路210耦联以驱动电容式压力感测电路。除了压力可弯曲隔板之外，相对不可变形的部件、诸如陶瓷盘252在朝向压力可弯曲隔板250a定位且与压力可弯曲隔板250a间隔开的表面上包括电极254以形成电容式传感器的第二部分。陶瓷盘252支承电极254且使电极254与探测器本体电绝缘。电极254能够以任何合适的方式形成在陶瓷盘252的面向压力可弯曲隔板250a的表面上或附接至陶瓷盘252的面向压力可弯曲隔板250a的表面。例如,在一个实施方式中，电极254是沉积在陶瓷盘252的表面上的电镀金属层。替代性地，单独形成的电极能够接合至该表面，因为本公开并不限于电极形成的方式。为了提供需要的压力传感器输出，在陶瓷盘252上的电极254与压力可弯曲隔板250a通过预定的间隙256间隔开。由于在升高以及可变的温度下使用压力传感器，因此期望的是，由具有兼容的热膨胀系数的材料制造压力传感器部件以避免热感生应力。在不能够匹配热膨胀系数的情况下，如在下文中更详细地讨论的那样，能够将其他设计策略用于减轻热感生应力。
[0044]尽管以上描述的部件能够由材料的任意合适的组合制成，但是在一个实施方式中，部件由下面的材料制造。压力可弯曲隔板罩250和压力可弯曲隔板250a由镍基超合金、诸如UNS N07718制成。UNS N07718在大约400°C的参考温度下具有大约14.0X 1(T6/°C的热膨胀系数。通过陶瓷盘252实施的相应的相对不可变形的部件是高氧化铝含量的陶瓷，例如基于99.5%或更多氧化铝的陶瓷。包括99.5%氧化铝的陶瓷在大约300°C的参考温度下具有大约7.0X 10_6/°C的热膨胀系数和9.8+150ppm/°C的介电常数。衬套206由石英制成。石英在大约350°C的参考温度下具有大约5.5X10_7/°C (0.55 X 10_6/°C的热膨胀系数和
3.8+28ppm/°C的介电常数。中间部件由Fe/Ni/Co合金诸如UNS K94610和UNS N19909或钛合金诸如T1-6242制成。UNS K94610在大约400°C的参考温度下具有大约5.3X1(T6/°C的热膨胀系数。UNS N19909在大约400°C的参考温度下具有大约7.7X10_6/°C的热膨胀系数。T1-6242在大约315°C的参考温度下具有大约9.2X10_6/°C的热膨胀系数。探测器本体由17-4不锈钢制成。
[0045]包括压力可弯曲隔板250a和电极254的电容式压力传感器通过刚性探测器本体和引线266电耦联至中间电路。电极254经由引线引脚264电耦联至引线。在一些实施方式中，引线266和/或引线引脚264包括管状形状以增大这些部件的抗弯刚度和相应的横向振动频率。然而，在其他实施方式中，引线266和/或引线引脚264包括实心线。由于引线与刚性探测器本体的相对偏振，因此期望的是，将在这些部件之间的并联电容屏蔽或最小化。在一个实施方式中，通过将引线引脚264和引线266同心地设置在刚性探测器本体212内以在引线与刚性探测器本体的壁部之间形成环形间隙，使并联电容最小化。如在下文中更详细地描述的，环形间隙对应于提供电绝缘并且使在引线/引线引脚相对于刚性探测器本体的壁部之间的并联电容最小化的空气间隙。在另一个实施方式中，使用位于刚性探测器本体的内孔内的半刚性的同轴电缆将引线/引线引脚从刚性探测器本体屏蔽。
[0046]如先前所指出的，压力传感器探测器在可变温度环境中使用。由于在压力传感器探测器内的各种部件的热膨胀系数的差异，因此热感生应力可以存在。更具体地，由于这些部件之间的随着温度变化引起这些部件相对于彼此的膨胀和收缩的不同的热膨胀系数，热感生应力存在于陶瓷盘与压力可弯曲隔板罩之间的分界面处。根据部件的特定的构型和布置，这能够引起部件相对于彼此的偏移以及部件的可能的疲劳和破裂。
[0047]如果陶瓷盘相对于压力可弯曲隔板偏移其轴向位置，则间隙256将具有引起输出压力传感器信号变化的相应变化。减轻陶瓷盘相对于压力可弯曲隔板偏移的一个方法在于提供弹簧258，该弹簧258使陶瓷盘252朝向压力可弯曲隔板250轴向地偏置以确保陶瓷盘在整个工作温度范围(例如_40°C至400°C )下保持位于压力可弯曲隔板扩孔260的底部处。如在图中所描述的，弹簧258是C形环状弹簧，该C形环状弹簧轻微地压缩在组装系统中使得弹簧258将轴向定向的力施加于陶瓷盘的邻近表面以朝向压力可弯曲隔板偏置。尽管已经对C形环状弹簧进行了描述，但是能够使用任何合适的弹簧。弹簧的轴向刚度选择成在热膨胀和收缩期间向陶瓷盘提供相对恒定的力。不受理论限制，在一些实施方式中，弹簧构造且设置成避免将任何横向力施加于陶瓷盘以帮助减轻在陶瓷盘中产生任何径向拉力。为了在长期工作期间避免弹簧的高温弯曲设定(high temperature deflection setting),期望的是，提供高温弹簧合金，诸如UNS N07718镍基超合金。尽管将弹簧258描述为单独的部件，但是在一些实施方式中，将弹簧258集成到刚性探测器本体中用作保持陶瓷盘252或向陶瓷盘252施加力的柔性结构。
[0048]除了产生陶瓷盘的可能的轴向偏移之外，陶瓷盘与压力可弯曲隔板罩的相对收缩和膨胀在与由弹簧所提供的轴向力结合时，由于陶瓷盘与压力可弯曲隔板罩之间的分界面处的摩擦载荷而在陶瓷盘中引起径向拉伸应力。在本实施方式中，该摩擦载荷在陶瓷盘252接触扩孔260的框架的位置处出现。为了减小陶瓷盘的破裂和/或疲劳断裂的可能性，期望的是，包括布置在陶瓷盘与压力可弯曲隔板罩之间的中间部件。中间部件能够用于使陶瓷盘与压力可弯曲隔板罩隔离以减小传递的径向应力。如在图3A中所描述的，中间部件是定位在陶瓷盘与压力可弯曲隔板罩之间的环形垫片260。通常，中间部件具有小于压力可弯曲隔板罩的热膨胀系数的热膨胀系数。在一些实施方式中，中间部件的热膨胀系数在陶瓷盘的热膨胀系数与压力可弯曲隔板罩的热膨胀系数之间。在其他实施方式中，中间部件的热膨胀系数小于陶瓷盘的热膨胀系数。在又一个实施方式中，所述热膨胀系数基本上相似于陶瓷盘的热膨胀系数。不受理论限制，中间部件的热膨胀系数相对于压力可弯曲隔板罩的减小引起在陶瓷盘与压力可弯曲隔板罩之间传递的径向拉应力的减小。除了提供较低的热膨胀系数之外，中间部件也能够包括涂层或由具有低摩擦系数的材料制成以进一步减小在陶瓷盘与压力可弯曲隔板罩之间传递的径向应力。在其他实施方式中，中间部件也能够包括涂层或由为高硬度材料的材料制成。不受理论的限制，这种实施方式可以有助于防止陶瓷盘使中间部件变形，该变形将改变在相对的电容式表面之间的间隙，从而引起输出传感器信号的零点输出偏移。适于使用在中间部件中的材料的示例包括定膨胀合金和低膨胀合金诸如:铁-镍-钴合金诸如ASTM合金F-15 ;镍-铁合金诸如ASTM合金52以及ASTM合金48 ;钛及钛合金；以及其他合适的材料，因为材料并不限定于在本文中所公开的具体的合金和材料。
[0049]尽管中间部件已经被描述为与陶瓷盘和压力可弯曲隔板罩分离，但是中间部件可以实施为应用于陶瓷盘和/或压力可弯曲隔板罩中的任一者的涂层或表面光洁度(surface finish)。例如，在一个实施方式中，将具有中间的热膨胀系数以及低摩擦系数的涂层应用于压力可弯曲隔板罩的接触陶瓷盘的表面。替代性地，涂层能够应用于陶瓷盘，或者涂层能够应用于压力可弯曲隔板罩和陶瓷盘二者。
[0050]除了提供能够在升高的温度下连续地感测压力的坚固的部件和系统之外，也期望的是，减小与输出压力信号相关联的信号损失以改进信号的灵敏度和保真度。由于测量的灵敏度与电容式压力感测电路的总电容成反比例，因此期望的是，减小在探测器内的寄生电容以减小在电容式压力感测电路的总电容。如在图4中所示出的，减小信号损失的一个方法在于减小引线302相对于刚性探测器本体300的壁部的并联电容。在引线与刚性探测器本体之间的并联电容通过基本上对于引线的整个长度将引线大致维持在刚性探测器本体的中央来最小化。因而，环形空气间隙310将引线302与刚性探测器本体300的内壁隔离。由于空气的低介电常数，与包括具有较大的介电常数的固体材料的环形间隙相比较，在引线与刚性探测器本体之间产生的并联电容减小。除了将引线同心地设置在刚性探测器本体内之外，期望的是，使引线的横向振动最小化以使引线从同心位置的偏离最小化。因此，期望的是，引线具有在如针对特定应用所确定的预选的最小值之上的横向振动频率，使得在横向方向上的第一固有振动频率基本上大于在预定应用中的预期振动频率。
[0051]除了以上讨论的主要衬套之外，如在图4中所描述的，在一个实施方式中，引线302也通过使用支承引线302的支承件304而基本上同心地位于刚性探测器本体300中。然而，在将第二管诸如防护管或温度传感器固定管使用在刚性探测器本体内的实施方式中，支承件304位于第二管内。在描述的实施方式中，支承件是具有位于刚性探测器本体300的孔内的外周306的盘形部件。描述的支承件304也包括孔口 308，其中，引线穿过孔口 308并且由孔口 308支承。多个支承件沿着刚性探测器本体周期性地间隔开以使引线的静态弯曲最小化。另外，在支承件之间的间隔选择成提供在预选的最小振动频率之上的横向振动的固有频率。为了避免在引线与刚性探测器本体之间的并联电容不必要地增大，期望的是，由相对低介电常数的材料制造支承件。此外，为了防止支承件向内热膨胀且可能压紧引线以及将引线相对于刚性探测器本体就地锁定，期望的是，支承件由相对低热膨胀系数的材料制造。合适的材料包括但不限于石英、陶瓷和熔融石英。
[0052]在替代性的实施方式中，在引线302与刚性探测器本体300之间的并联电容通过使用位于引线与刚性探测器本体的壁部之间的防护套筒来减小。在防护构型中，将引线完全居中地保持在防护套筒内并不那么重要。
[0053]在一些实施方式中，期望的是，在探测器的远端压力感测端部中包括温度传感器以测量过程温度以考虑对过程温度的输出和/或信号进行温度补偿。合适的温度传感器包括但不限于热电偶、热敏电阻和其他合适的温度感测装置。然而，与特定的温度感测装置无关地，温度传感器引线将必需越过探测器本体的长度以输出温度。这些温度传感器引线和/或其金属护套的存在引起从电容式压力传感器引线的电容泄露。另外，温度传感器引线在探测器本体内的任何运动将改变电容式压力传感器引线与温度传感器引线之间的电容，从而引起在电容式压力信号输出中的不期望的偏移。
[0054]在一个实施方式中，温度传感器弓丨线远离引线402以减小电容泄露。如在图5至图5B中所描述的，通道形成在刚性探测器本体400的从其近端部延伸至其远端部的壁部中。温度传感器引线定位在通道中。通道能够是形成在刚性探测器本体的壁部中的能够保持温度传感器引线的凹槽404、孔405或任何其他合适的结构。由于通道形成在刚性探测器本体的壁部中，因此温度传感器引线定位成与如果它们位于探测器本体孔的内部部分内相比更远离引线402。该增加的距离引起在温度传感器引线与引线402之间的减小的电容。此夕卜，如在下文中更详细地讨论的那样，引线402能够与安排在通道中的温度传感器隔离。通道通过使用任何合适的方法而形成在刚性探测器本体400中，该合适的方法包括但不限于电火花加工、研磨或其他合适的加工过程。为了允许温度信号的输出，相应的通道406形成在探测器本体的基部414 (图5A)中并且切口 408形成在衬套416中。这些结构、通道406和出口 408与凹槽404基本上对齐。如在图中所描述的和在上文中更详细地讨论的那样，衬套416是位于探测器本体的基部414内的薄石英盘或其他合适的材料以将引线基本上同心地支承在探测器本体的中央中。
[0055]为了防止输出电容压力信号的偏移，期望的是，确保温度传感器保持在通道中。因此，在一些实施方式中，温度传感器引线钎焊、焊接或通过使用其他合适的附接方法附接至通道。然而，应当指出的是，在通道内的一个或更多个点处限制温度传感器的轴向运动由于温度传感器引线的热膨胀系数与刚性探测器本体的热膨胀系数的不匹配而引起增加的应力。因而，在一些实施方式中，允许温度传感器引线在通道内轴向地滑动。在这种实施方式中，如在包括凹槽404的图5A至图5B中所示出的，温度传感器固定管410设置在探测器本体的内孔内以将温度传感器引线保持在凹槽404内。除了将温度传感器引线保持在凹槽404内之外，温度传感器固定管410也能够用于防护引线402，以除了由将温度传感器引线移动到探测器本体孔的主要部分之外来减小并联电容之外进一步减小并联电容。如在图中所示出的，温度传感器固定管410与探测器本体400的中心孔轴向对齐并且压配合到探测器本体400的中心孔中，从而将温度传感器引线保持在通道中和温度传感器固定管的外径之外。替代性地，温度传感器固定管能够通过使用钎焊、焊接和装置、紧固件或任何其他合适的方法而固定在合适的位置。与特定的附接方法无关地，温度传感器固定管410在基本上保持成与引线402同心设置的同时将温度传感器引线保持在凹槽404内。图6示出了定位在凹槽404中且由温度传感器固定管410保持的温度传感器探测器412的示意图。如以上所描述的，温度传感器探测器412通过衬套416输出。
[0056]图7显示了针对两个不同温度的电容式压力传感器输出与压力的关系曲线的示例性图表。在描述的图表中，较低的温度对应线500并且较高的温度对应线502。由于由热膨胀产生的部件几何形状和材料性质相对于温度的变化以及介电常数相对于温度的变化，高温压力传感器输出与低温压力传感器输出彼此不同。偏移504是当温度从低温500上升到较高温度502时与零压力下的输出信号的变化相对应的压力传感器的零点输出偏移。不受理论限制，零点输出的偏移归因于压力传感器的电容相对于温度的变化。如在图中所示出的，在最大施加压力下的不同温度之间的输出信号的差异不仅仅归因于零点输出信号的偏移。这归因于在不同温度下传感器值域的偏移508。应当指出的是，在具体温度下的传感器值域通常对应于在最大压力下的全额输出减去在该温度下的零点输出。不受理论限制，将值域的变化看作对应于压力可弯曲隔板的随着温度增加而减小的弹性模量。这引起压力可弯曲隔板在较高温度下的增大的弯曲，从而引起针对给定压力的压力传感器信号的增加的变化。
[0057]应当理解的是，以上显示的图表仅是关于单个压力传感器装置的温度感生变化的说明性目的的示意图。因此，针对不同温度的传感器输出相对于压力的预期变化对于不同的压力传感器装置发生改变。因此，本公开包括显示出压力传感器输出相对于温度的变化的实施方式，该实施方式不同于图7中所公开的实施方式。
[0058]为了输出修正的压力信号，期望的是，在任何给定的温度下对零点输出偏移504和值域偏移508两者进行补偿。尽管能够通过使用温度传感器和在主电路处的相关联的温度修正算法来补偿其中一个影响，但是在一些实施方式中，期望的是，如在下文中更详细地描述的那样，通过部件设计和材料选择来补偿零点输出偏移和值域偏移中的一者或两者。因而，在不需要感测工作温度以用于通过外部电路系统的信号修正的情况下，压力传感器能够内在地补偿压力传感器性能相对于温度的偏移。因此，在一些实施方式中，能够消除对位于远端的温度传感器的需要，这除了整体上减小压力传感器的复杂性之外还有助于消除至少一个信号损失源(例如，在以上所描述的电容式压力传感器引线与温度传感器引线之间的寄生电容损失)。
[0059]如在图8中所示出的，电容式压力传感器600包括传感器电容602，该传感器电容602如在上文中更详细地描述的那样随着在压力可弯曲隔板上的电极朝向陶瓷盘的压力感生的弯曲而发生改变。另外，电容式压力传感器600也包括并联电容604a和604b。并联电容604a对应于在压力传感器的部件与探测器本体之间的、通过对应于陶瓷盘的相对刚性的部件的电容。并联电容604b对应于引线与探测器本体之间的、通过探测器本体的环形间隙的电容。压力传感器的总感测电容606是传感器电容602与并联电容604a和604b的并联组合。因此，输出压力信号通过传感器电容602或并联电容604a和604b中的任一者的变化而发生改变。
[0060]由于压力信号能够通过传感器电容或并联电容中的任一者的变化而发生改变，在一个实施方式中，因传感器电容相对于温度的改变而产生的零点输出偏移通过提供并联电容相对于温度的抵消变化来补偿。更具体地，在一些实施方式中，并联电容604的变化大致与传感器电容602的变化大小相等且方向相反。例如，在传感器电容随着温度增加而减小时，并联电容随着温度增加而增加。因而，在不需要例如通过使用温度传感器和相应的电路系统对温度变化进行补偿的情况下，总感测电容606在预定温度范围下大致相同。
[0061]如以上所指出的，电容式压力传感器的零点输出的偏移归因于压力传感器的电容的变化。关于图9描述了该影响，示出了压力传感器的远端部或感测端部。如在图9中所描述的，压力传感器700包括压力可弯曲隔板罩702和相对不可变形的部件，在该示例中为陶瓷盘704。压力可弯曲隔板罩702包括隔板703，压力可弯曲隔板罩702和陶瓷盘704分别包括第一电容性表面708a和第二电容性表面708b，该第一电容性表面708a和第二电容性表面708b对应于限定了电容式传感器的对置电极。陶瓷盘包括具有长度“L”的本体706a。陶瓷盘也包括从陶瓷盘的凸缘707延伸的突出部706b。突出部具有长度“P”。第二电容性表面708b布置在突出部706b上，使得第二电容性表面708b与第一电容性表面708a通过具有长度“g”的间隙710间隔开。在陶瓷盘本体706a上的凸缘707与电容性表面708a通过距离“gl”间隔开，该距离“gl”对应于扩孔712从肩部714至第一电容性表面708a的长度。不受理论限制，当温度增加时，由于突出部706b与扩孔712相比以较低的比率膨胀，在第一电容性表面与第二电容性表面之间的间隙增加。这归因于陶瓷盘与压力可弯曲隔板罩相比具有较低的热膨胀系数。应当指出的是，传感器电容以反比的方式与间隙长度“g”相关。因此，随着温度增加，传感器间隙增加，从而引起压力传感器电容的明显减小。
[0062]在一个实施方式中，通过更改陶瓷盘突出部长度“P”、在压力可弯曲隔板罩上的扩孔的长度“gl”以及为每个选择具有特定热膨胀系数的材料，控制间隙增加的比率。这种影响在图10中示出，图10针对0.045英寸(800)、0.040英寸(802)和0.035英寸(804)的不同的初始突出部长度描述了间隙“g”相对于增加的温度的变化的图表。在描述的示例中，“gl”也相对于“P”发生改变，使得每一个在25°C下均具有大约相同的初始间隙。如图中所描述的，间隙“g”的变化比率与初始突出部长度相关，使得增加初始突出部长度对应于增加间隙相对于温度的变化比率。
[0063]如以上所指出的，尽管能够控制压力传感器电容变化的比率，但是期望的是，压力传感器电容的减小通过并联电容的相应的增加来补偿。在一个实施方式中，陶瓷盘由具有随着温度增加的介电常数的材料制成。因此，与压力传感器的包括陶瓷盘的部分相关联的并联电容随着温度增加而增加。在这种实施方式中，陶瓷盘本体的长度、陶瓷盘本体的介电常数的温度系数和间隙增加的比率被选择成，使得总感测信号在预定的温度范围下大致相同，而无需温度测量以补偿所述温度变化。在一个示例中，预定的温度范围大约从_40°C至大约400°C。另外，陶瓷盘的介电常数的温度系数能够选择和/或设计成任何合适的值以均衡传感器电容相对于温度的预期变化。因而，通过选择初始间隙长度、压力可弯曲隔板罩的几何形状(诸如扩孔深度)、陶瓷盘本体长度和材料性质诸如介电常数的温度系数和热膨胀系数的合适的组合，能够提供压力传感器的内在补偿以用于零点输出的变化。
[0064]图11描述了确定陶瓷盘的合适的本体长度L以补偿压力传感器的零点输出变化的简化示例。陶瓷盘具有180ppm/°C的介电常数的温度系数。该图描述了外推线900，该外推线900对应于对于陶瓷盘本体的不同长度在25°C至350°C的温度范围下总感测信号的百分比变化。如图中所示出的，本体长度L增加直到并联电容相对于温度的变化能够补偿传感器电容相对于温度的变化为止。在该点上，两个影响彼此抵消并且输出基本上恒定的总感测信号。在当前示例中该情况发生的点对应于大约0.375英寸的本体长度。
[0065]尽管以上描述和示例针对补偿零点输出相对于温度的变化，如先前所指出的，但是还期望的是，补偿电容式压力传感器值域的变化。影响电容式压力传感器值域的参数的一些非限定性的示例包括但不限于:因热膨胀引起的间隙长度的变化以及压力可弯曲隔板的弹性模量相对于温度的变化。在图12中描述了这些参数及其对电容式压力传感器值域的抵抗影响的不例。该图表显不了输出电容式压力传感器信号与压力传感器的电容性表面之间的间隙长度的关系曲线。朝向图表的右面的定位的点对应于增加的初始间隙长度。这些初始间隙长度随后通过对应于施加于压力可弯曲隔板的压力的预选弯曲被压缩。
[0066]该图表描述了在较低的第一温度1000和较高的第二温度1002下来自压力传感器的输出信号。对应于较低温度1000的压力传感器包括在零压力(和对应的输出电容)下的初始间隙长度Zl和在受到最大弯曲时的初始全额输出FSl。压力传感器在较低温度1000下的输出信号具有第一值域SI。如果对于在较高温度1002下的压力传感器而言初始间隙长度是Z2，Z2对应于与较低温度相同的初始间隙长度Z1，那么，与在较低温度下的压力传感器相比，压力传感器在最大弯曲下具有较大的全额输出FS2以及相应较大的第二值域S2。值域的该变化改变了压力与输出信号之间的关系。因此，期望的是，补偿该值域变化。
[0067]不受理论限制，由于压力感测电容的非线性特性，值域被初始间隙长度强烈地影响。更具体地，由于输出信号与两个电容性表面之间的间隙长度成反比，压力传感器输出信号显示出随着增加的初始间隙长度而减小的斜率。因此，对于给定量的弯曲，较大的初始间隙长度对应于较小的压力传感器值域。能够将该影响与在较高温度下改变的压力传感器性能组合以对压力传感器的值域的偏移进行控制。例如，当在较高温度1002下工作时，如果初始间隙长度偏移到较大的初始间隙长度Z3，那么，在该较高温度下的全额输出FS3减小，因而引起相应的第三值域S3与值域S2相比的减小。在一些实施方式中，在较高温度下的初始间隙长度Z3选择成使得第三值域S3基本上与第一值域SI相同。因此，在这种实施方式中，电容式压力传感器输出值域在预定的温度范围下基本上是恒定的。例如，电容式压力传感器输出值域能够从大约25°C至大约350°C基本上是恒定的。下面在表格I中示出值域相对于增加的间隙长度的减小，这在为示例性的压力传感器假设0.00075英寸的固定的最大压力可弯曲隔板位移的情况下计算。[0068]表1
【权利要求】
1.一种压力传感器，包括: 管状的探测器本体，管状的所述探测器本体具有近端部和远端部； 电容式传感器，所述电容式传感器布置在所述探测器本体的所述远端部处； 引线，所述引线电耦联至所述电容式传感器并且沿着管状的所述探测器本体的内部空间朝向所述近端部延伸；以及 至少一个支承件，所述支承件由具有相对低的介电常数的材料形成并且布置在管状的所述探测器本体内，所述至少一个支承件构造且设置成将所述引线支承在管状的所述探测器本体内并且将所述引线与管状的所述探测器本体的内壁间隔开。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述至少一个支承件包括具有相对低的介电常数温度系数的材料。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述至少一个支承件包括具有相对低的热膨胀系数的材料。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述至少一个支承件包括从主要由石英、陶瓷和熔融石英所构成的组中选出的材料。
5.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述至少一个支承件包括盘形部件，所述盘形部件具有接合管状的所述探测器本体的所述内壁的外周并且具有孔口，其中，所述引线穿过所述孔口并且由所述孔口支承。
6.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述至少一个支承件将所述引线基本上同心地支承在管状的所述探测器本体内。
7.根据权利要求1所述的`压力传感器，其中，所述引线包括线状导体。
8.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述引线包括杆状导体或管状导体。
9.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述引线被防护。
10.根据权利要求6所述的压力传感器，其中，在所述引线与管状的所述探测器本体的所述内壁之间设置有环状空气间隙。
11.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，在所述引线与管状的所述探测器本体的所述内壁之间设置有空气间隙。
12.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述至少一个支承件包括沿着管状的所述探测器本体周期性地间隔开的多个支承件。
13.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，周期性地间隔开的所述支承件构造和设置成使所述引线的弯曲最小化并且增大所述引线的横向振动的固有频率。
14.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，管状的所述探测器本体包括通道，所述通道在管状的所述探测器本体的壁部中形成并且从所述远端部延伸至所述近端部，并且其中，所述压力传感器还包括温度传感器，所述温度传感器布置在管状的所述探测器本体的所述远端部处，其中，温度传感器引线布置在所述通道中并且连接至所述温度传感器。
15.根据权利要求14所述的压力传感器，其中，所述通道包括凹槽和孔之一。
16.根据权利要求14所述的压力传感器，其中，所述温度传感器包括热电偶。
17.根据权利要求15所述的压力传感器，所述压力传感器还包括布置在管状的所述探测器本体中的温度传感器固定管以将所述温度传感器引线保持在所述凹槽中。
18.根据权利要求17所述的压力传感器，其中，所述温度传感器固定管压配合在管状的所述探测器本体中。
19.一种压力传感器，包括: 管状的探测器本体，管状的所述探测器本体具有近端部和远端部，管状的所述探测器本体包括通道，所述通道在管状的所述探测器本体的壁部中形成并且从所述远端部延伸至所述近端部； 电容式传感器，所述电容式传感器布置在所述探测器本体的所述远端部处； 引线，所述引线电耦联至所述电容式传感器并且沿着管状的所述探测器本体的内部空间朝向所述近端部延伸；以及 温度传感器，所述温度传感器布置在管状的所述探测器本体的所述远端部处，其中，温度传感器引线布置在所述通道中并且连接至所述温度传感器。
20.根据权利要求19所述的压力传感器，其中，所述通道包括凹槽和孔之一。
21.根据权利要求19所述的压力传感器，其中，所述温度传感器包括热电偶。
22.根据权利要求20所述的压力传感器，所述压力传感器还包括布置在管状的所述探测器本体中的温度传感器引线管以将所述温度传感器引线保持在所述凹槽中。
23.根据权利要求22所述的压力传感器，其中，所述温度传感器引线管压配合在管状的所述探测器本体中。
【文档编号】G01L9/12GK103674404SQ201310407557
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月9日 优先权日:2012年9月7日
【发明者】莱奥·E·巴龙, 约翰·A·曹扎斯蒂, 弗朗西斯·A·加勒 申请人:丹尼斯科工具有限公司