具有温度补偿的传感器的制作方法

文档序号:6142040来源:国知局
专利名称:具有温度补偿的传感器的制作方法
背景技术
本发明涉及具有静电极和振膜的电容压力传感器,且尤其涉及能够补偿由于受热引起的灵敏度和初始电容的变化的电容压力传感器。
电容压力传感器通常包含固定元件,其具有刚性的平坦的导电表面,用来形成基本上平行的平板电容器的一个极板;和可变形导电部件,例如金属箔膜,其形成电容器的另一个极板。通常地,膜片的边缘受到支撑,具有可振动的中心部分而且安置在基本上平行于且正对于固定极板的位置上。因为这种传感器通常采用平行板电容器的形式,传感器的特征电容与位于膜片的中心部分和固定元件的导电表面之间的间距d成反比。为了提供跨越膜的压差,膜一边的区域是密封的或由空气作用地与对面的区域隔离开。
实际上,通过选择膜的几何和物理特性,以便在感兴趣的特定范围内的跨越膜的压差引起膜中心部分的预定位移量。这些压差引起的位移量导致两个电容器极板之间的间距d相应地变化,并且因此导致传感器产生电容变化。为了得到相对高的灵敏度,这种传感器需要相对于较小的间距变化得到较大的电容变化。为了获取这种从元件到元件的灵敏度,标称间距尺寸需要非常小,并且通常需要它们的组成部分制造得非常紧逼公差,以建立需要的尺寸关系。另外,结构和材料必须在可以使用的温度范围内保持那些关系。
一种类型的压力传感器(“张力膜传感器”)包含外围受到传感器的凹面壳体部件的边缘支持的张力膜,膜相对较薄而且它在与膜的压差灵敏度直接相关的半径方向的张力作用下保持状态。另一种类型(“挠曲膜传感器”)通常具有相似的结构,但是膜相对较厚并且没有保持在拉紧状态中。压差关系取决于膜的抗弯刚度。这两种类型通常被配置成相应于跨越膜的压力变化产生电容变化。在两种类型的传感器中,膜和壳体部件理想地是由具有同样热膨胀系数的材料构成。然而,实际上那种情况是不存在的。因此,温度的变化导致膜和壳体部件以不同速率膨胀或收缩,因而影响传感器的输出。对于张力膜传感器,有两种影响传感器精度的效应。第一个效应是由于温度变化而引起的敏感元件的灵敏度变化。灵敏度是传感器校准曲线的斜率。对于具有张力膜的电容型压力传感器,灵敏度与每单位压力下膜的移位有关。第二个效应是由于温度变化引起的敏感元件“零点”的变化。“零点”是传感器在零压力或某个其它基准压力下的输出。对于电容传感器,“零点”与当压力为零或某个其它指定压力时的初始电容值有关。初始电容与初始间距、电极面积及其它因素诸如穿过绝缘材料的泄漏电容有关。对于挠曲膜传感器,只存在“零点变化”效应。灵敏度伴随温度的变化通常由膜材料的弹性模量的变化引起并且通常不会太大。


图1表示传感器在两个不同温度T1和T2下的示例性的校准曲线。如图所示对每一个温度,输出相对于压力是充分线性的,灵敏度在T1时等于S1而在T2时等于S2,导出温度引起的传感器“灵敏度变化”等于S2-S1。例如图1,在压力等于零的情况下,输出中有一个差值“Z”,代表温度引起的传感器“零点变化”。希望在一个传感器的整个温度工作范围内没有灵敏度和零点变化。
因此,本发明的一个目的是提供改进的压力传感器。
而本发明的另一个目的是,提供相对不算昂贵而且易于制造的改进的压力传感器。
本发明的再一个目的是提供一种改进的压力传感器,用于补偿由于受热引起的灵敏度变化的。
本发明的再一个目的是提供一种改进的压力传感器,用于补偿由于受热引起的在预定的(或零点)环境压力下的传感器输出中的变化。
发明概述本发明涉及改进的电容压力传感器,适宜利用低成本、易制造的结构进行高精确度的压力测量。这种传感器包含导电膜或具有导电部分的膜,膜在它的外围受到凹面壳体部件的外围边缘的支持。在张力膜传感器中,膜是张紧的由此张力是从膜延伸的中心传感轴放射状地向外的,膜的一些部分随着压力变化沿着这个传感轴移动。在挠曲膜传感器中,膜受到支承使得膜随着压力沿着传感轴弯曲或变形。在这两种类型中,在壳体部件之内且受到膜的第一侧限制的区域构成了一个腔室,能够与壳体部件的外部区域由空气作用地隔离。电极装置能够与底部元件刚性地固定在一起,以便于建立与导电膜相对的且以标称间距间隔均匀地与导电膜分离的导电表面。电极的传导表面最好是平面的,但允许有稍微的不同,例如,略微具有凹面从而与使用中的膜的预期最大偏差相匹配。外部区域的压力相对于第一个腔室的压力可以确认为在该压力下的电容和在一些预定初始压力下的电容的函数。
本发明是以“双金属”原理为基础,用以补偿由于温度变化而引起的传感器输出的变化。依照该原理,两个具有不同的膨胀系数的平圆盘当合并到一起的时候成为双金属元件。如果在一定的温度下是平的,当温度变化时将变成凸状扭曲的。弯曲变化的方向和大小取决于A.两个圆盘的相对几何结构(大小、形状、面积)。
B.两种材料的膨胀系数以及其它物理属性的相对值。
C.温度变化的符号和幅值。
双金属原理示意在图2中。该原理不仅仅适用于两个平圆盘;它还适用于初始形状为半球型的零件。而且,圆盘不一定必须是实心的;它们可以是垫圈形状如环形元件。
依照本发明所述,双金属元件安置在传感器中,以弥补“灵敏度变化”效应(主要是针对张力膜传感器)和“零点变化”效应(既针对张力膜传感器又针对挠曲膜传感器),因此校准曲线(诸如图1所示)对于不同的温度最好地只有一个输出-压力曲线。一方面,电容压力传感器包含第一凹面壳体部件,其沿着中心轴伸展,而且包含设置在基本上垂直于中心轴的第一平面中的外围缘边。第一凹面壳体部件由具有第一热膨胀系数的材料构成。该电容压力传感器还包含一个膜,其覆盖第一凹面壳体部件的外围缘边,并且具有固定地连接到外围边缘上的第一侧。膜和第一凹面壳体部件组成第一腔室,其能够受到密封或者由空气作用地与压力传感器外部区域隔离。该电容压力传感器进一步包含热补偿元件,固定地连接到第一凹面壳体部件上,以补偿由于温度变化引起的第一凹面壳体部件的热膨胀或收缩。热补偿元件的热膨胀系数基本上不同于第一凹面壳体部件的热膨胀系数,以便建立如上文所述的双金属元件。
双金属热补偿元件可被固定地连接到第一凹面壳体部件的内表面或外表面上,取决于相对的导热系数和需要补偿的方向。假如热补偿元件固定地连接到第一凹面壳体部件的内表面上,对于一个所希望的热补偿方向,热补偿元件的热膨胀系数基本上应大于第一凹面壳体部件的热膨胀系数。在这种情况中,当温度上升时,膜的张力因双金属元件而增加,以弥补由于例如膜和壳体的系数配合不符等所有其它效果而由温度引起的张力的减少。假如热补偿元件固定地连接到第一凹面壳体部件的外表面上,热补偿元件的热膨胀系数基本上最好小于第一凹面壳体部件的热膨胀系数,以获取相同的随着温度增加的压力的补偿增加。热补偿元件可设置成相对于中心轴充分地对称。对于具有相反的相关温度系数的配置,该配置可以颠倒。
电容压力传感器可进一步包含第二凹面壳体部件,其固定地连接到膜的第一凹面壳体部件相对的一侧上。第二凹面壳体部件还可包含热补偿元件。该热补偿元件可固定地连接到第二凹面壳体部件的内表面或外表面上。该热补偿元件可设置成相对于中心轴充分地对称。
附图简要说明当结合附图一起阅读下面的说明时,可更充分地理解本发明前述和其它发明目的、各种特征、以及发明本身,其中图1表示传感器在两个温度T1和T2下的示例性的校准曲线;图2说明应用于本发明中的双金属补偿原理;图3表示依照本发明所述的张力膜电容压力传感器的剖面图;图4表示依照本发明可选择的实施例所述的张力膜电容压力传感器的剖面图;图5表示依照本发明可选择的实施例所述的张力膜电容压力传感器的剖面图;图6表示依照本发明另一个实施例所述的“半壳式”张力膜电容压力传感器的剖面图;图7表示依照本发明可选择的实施例所述的电容压力传感器的剖面图;图8表示依照本发明可选择的实施例所述的电容压力传感器的剖面图;图9表示依照本发明可选择的实施例所述的电容压力传感器的剖面图;和图10表示依照另一个可选择的实施例所述的电容传感器的剖面图。
优选实施例的详细说明下面说明的本发明的实施例对于为张力膜和挠曲膜电容传感器提供温度补偿特别有效;但是,本发明还可用于其它的传感器,在这些传感器中敏感元件的物理特性和/或几何结构随着温度而变化。例如,能够利用本发明来补偿几何结构很重要的光敏元件(例如在衍射光栅偏置敏感元件)中的随温度而定的位置变化。
特别是对于具有张力膜的电容敏感元件的灵敏度的温度补偿,敏感元件的灵敏度与膜的初始张力直接相关。当膜高度张紧时,由给定压力引起的膜的给定点上的挠曲将变小,并且灵敏度将低于膜轻轻张拉时的情况。
初始张力和灵敏度可随着温度而改变。这是由于一些诸如壳体材料和膜材料的膨胀系数配合不符的原因造成的。膜材料的“弹性模量”随着温度的变化还可引起灵敏度相对于温度的附加的变化。例如,假设壳体材料具有比膜材料小的膨胀系数,随着温度的上升,膜将变得张紧度较小并且灵敏度将变高。依照本发明所述,为了补偿上述例子中的灵敏度变化,可在壳体的内部安置具有较大膨胀系数(与壳体材料相比)的补偿元件。或者,做为选择可在壳体的外部安置具有较小膨胀系数(与壳体材料相比)的补偿元件。在两种青况中,壳体的弯曲将会减小(即更扁平)引起张力增加,从而补偿由于上面提过的其它原因引起的灵敏度减小。选择使用哪一种方式要依据合适膨胀系数的材料的可用性和许多其它考虑因素,诸如材料和被检测压力的工作流体的可混用性。对于膜盒式传感器,补偿材料既可用于膜片的一侧也可分配在膜片的两侧上。此处提及的方案主要地对施用压力的主要反力来源于膜的初始张力的张力膜有效。它对其它类型的膜例如反力来源于膜的抗弯刚度的厚而平的膜效用不大。
特别是对于具有张力膜或任何其它类型膜的电容敏感元件的“零点”温度补偿,初始电容的改变可以起源于多种原因,例如基于轴线方向内的电极装置的不同材料的膨胀差造成的初始间隔的改变,绝缘材料介电常数的改变,和电极的面积相对于温度的的改变。当然,除了温度引起的几何结构的变化,也可以用通过本发明形成的几何结构的改变来补偿其它变化(例如随温度而变化的泄漏电容)。
可利用双金属原理补偿随温度而改变的初始电容净总量。假定敏感元件的初始电容随温度增大而增长,为了补偿这种效应,可以把具有较大膨胀系数的(相对于电极材料的膨胀系数)补偿元件放置到电极的膜一侧上。随着温度增大,电极将变得拱曲,凸面面向着膜,因此使初始电容减小。做为选择,可以把具有较小膨胀系数的(相对于电极材料的膨胀系数)补偿元件放置到电极的远离膜的一侧以得到同样的结果。选择使用哪一种方式要依据合适膨胀系数的材料的可用性和许多其它的考虑因素,诸如材料和有待检测压力的工作流体的相容性。这个对温度引起的“零点”变化进行补偿的方案适用于电容式敏感元件,无论其是张力式的还是其它种类。而且,这种“零点”补偿不影响上述的灵敏度的补偿。
双金属补偿元件可以是名义上平面的(在基准温度下)而且随着基准温度的改变而变得拱曲,或者可以在基准温度下是拱曲的而随着温度的改变而拱曲变小。最好地,双金属补偿元件通过硬钎焊构成(以确保紧密接触),但也可以使用其它连接方法。
图3表示依照本发明所述的张力膜电容压力传感器110。电容压力传感器110包含围绕中心轴线112配置的凹面下壳体元件120,围绕中心轴线112配置的凹面上壳体部件130和配置在第一平面114上的膜140。下壳体部件120的外围缘边和上壳体部件130的外围缘边最好通过焊接145可靠地固定在膜140的围缘的对边侧,从而膜覆盖了下壳体部件120和上壳体部件130中的每个外围缘边。得到的压力传感器包含两个彼此由空气作用地分隔的腔室C1和C2。下壳体部件120和上壳体部件130各自包含一个压力孔P1和P2,压力孔允许通过分别向每个腔室C1和C2作用流体(液体或气体)进行压力输送。这两个腔室可通过安装到压力孔P1和P2上的连接器分别地增压,以建立膜两侧的压差。做为选择,任一个腔室增压到预定的压力(通常地真空)并且进行密封,从而为了确保密封后的腔室用作基准压力以实现相对压力的测量。
电容压力传感器可有多种类型的膜。例如,美国专利第4,434,203号(转让给了本发明的受让人),披露了可在采用本发明的电容压力传感器中使用的各种类型的膜。在其中,膜是受到上和/或下壳体部件的外围缘边张力支承,适宜于测量小的压差。
电容压力传感器还可包含电极150,其固定在下壳体部件120上但通过绝缘材料154与下壳体部件120电绝缘。作为举例,绝缘体154可以是玻璃陶瓷或塑料材质。电极150和膜140一起构成了平行板电容器。膜140包含一个相对于电极150可替换的部分,根据相对于另一个腔室C1中压力的腔室C2中的压力变化。膜140可以是导电的或者有一部分是导电的。压力的变化可以定义为由电极150和膜140构成的平行板电容器的电容变化的函数。
在张力膜传感器的优选实施例中,下壳体部件120和上壳体部件130由诸如300系列不锈钢的材料制成并且具有已知的热膨胀系数。膜140最好由具有厚度范围在0.0002到0.030英寸的冷轧不锈钢制成。所示电极150构造为一个单独的元件并且通过如美国专利第5,442,962号(转让给本发明的受让人,通过引用合并在本发明中)所披露的软钎焊或粘合剂152刚性地固定到下壳体部件120上。该连接可以是玻璃封口或软钎焊,或者其它本领域已知形式。
依照本发明所述,热补偿元件160可以可靠地固定在上壳体部件130的内表面134上,形成双金属元件。最好地,热补偿元件160由热膨胀系数与上壳体部件130的热膨胀系数差距相当大的材料制成。热补偿元件160用于补偿上壳体部件130相对于膜的热膨胀或收缩的差,该差可导致膜的张力变化,而膜的张力变化会改变电容压力传感器的灵敏度或精确度。
作为一个示例,当上壳体部件130膨胀时,固定在上壳体部件130的内凹表面134上的热补偿元件160具有一个较小的热膨胀系数,膨胀较小并且因此限制了上壳体部件130的内凹表面134相对于上壳体部件130的外表面132的膨胀。外部表面132和内表面134之间的膨胀差影响凹面上壳体部件130外围缘边的膨胀,并且对由膜的与传感器壳体相比较小的热膨胀引起的膜张力的增加进行补偿。
在优选实施例中,热补偿元件160固定到凹面上壳体部件130的基本上平坦的底部136上。最好地,热补偿元件160外形和所附着的凹面壳体部件(120或130)外形一致。因此例如,热补偿元件160可为圆形环带以适应如图3-6所示圆形的电容压力传感器。热补偿元件160可采取具有与压力孔P2对准的中心开孔的平垫圈形式。热补偿元件160可通过任何有效手段诸如硬钎焊、软钎焊或粘合固定到凹面上壳体部件130上。
图4表示依照本发明可选择的一个实施例所述的电容压力传感器210。电容压力传感器210与图3所示的相似,并且包含围绕中心轴线212配置的凹面下壳体部件220,围绕中心轴线212配置的凹面上壳体部件230和配置在第一平面214上的膜240。下壳体部件220的外围缘边和上壳体部件230的外围缘边最好通过焊接245可靠地固定在膜240的围缘的对边侧,从而膜覆盖了下壳体部件220和上壳体部件230的每个外围缘边。电容压力传感器还可包含电极250,其固定在下壳体部件220上但通过绝缘材料254和下壳体部件220电绝缘。得到的压力传感器包含两个彼此由空气作用地分隔的腔室C1和C2。下壳体部件220和上壳体部件230各自包含一个压力孔P1和P2,压力孔允许通过分别向每个腔室C1和C2作用流体进行压力输送。这两个腔室可通过安装到压力孔P1和P2上的连接器分别地增压,以建立膜两侧的压差。做为选择,任一个腔室增压到预定的压力(或真空)并且进行密封,从而确保密封后的腔室用作基准压力以实现相对压力的测量。
依照本发明这个实施例所述,热补偿元件260可以可靠地固定在上壳体部件230的外表面232上。最好地,热补偿元件260由热膨胀系数与上壳体部件230的热膨胀系数差距相当大的的材料制成。由上壳体部件230和膜的热膨胀或收缩的差导致的膜240的张力变化会引起电容压力传感器灵敏度的改变,热补偿元件260用于补偿上述膜的张力变化。
在这个示例中,元件260的温度系数大于上壳体部件230的,当上壳体部件230膨胀时,热补偿元件260固定在上壳体部件230的外部凹表面232上,具有一个较大的热膨胀系数,膨胀较大并且因此增加了上壳体部件130的外部凹表面232相对于上壳体部件230的内表面234的膨胀。外表面232和内表面234之间的膨胀差影响凹面上壳体部件230外围缘边的膨胀,并且补偿了由上壳体部件230和膜的热膨胀或收缩的差导致的膜张力的变化,膜张力的变化会引起电容压力传感器灵敏度的改变。
图5表示依照本发明另一个实施例所述的电容压力传感器310。电容压力传感器310与图3和4中所示的相似,并且包含围绕中心轴线312配置的凹面下壳体部件320,围绕中心轴线312配置的凹面上壳体部件330和配置在第一平面314上的膜340。下壳体部件320的外围缘边和上壳体部件330的外围缘边最好通过焊接345可靠地固定在膜340的围缘的对边侧,使得膜覆盖了下壳体部件320和上壳体部件330的每个外围缘边。电容压力传感器还可包含电极350,其固定在下壳体部件320上但通过绝缘材料354和下壳体部件320电绝缘。得到的压力传感器包含两个彼此由空气作用地分隔的腔室C1和C2。下壳体部件320和上壳体部件330各自包含一个压力孔P1和P2,压力孔允许通过分别向每个腔室C1和C2作用空气或其它气体进行压力输送。
依照本发明该实施例所述,凹面上壳体部件330包含基本上平坦的底部336和相对于平坦的底部336的平面的倾角大于0度但不大于90度的倾斜角部分338。倾斜部分338从平坦的底部336延伸到外围缘边339。在这个实施例中,热补偿元件360固定在上壳体部件330的倾斜部分338上。最好地,热补偿元件360成型为圆锥形和所附着的倾斜部分338外形一致,例如图5所示的截头锥体的外表面。
图6表示其中只有一个腔室的“半壳式”实施例。该实施例以和上述实施例相似的方式工作。
在上面描述的各种实施例中,补偿元件表示在壳体部件的特定位置上。然而,这些(或相似的)补偿元件可固定在壳体部件的任意位置上,在这些位置上作为结果而发生的双金属效应将引起所需要的对温度引起的膜张力变化的补偿。
图7-9表示利用双金属补偿原理实现对温度引起的传感器“零点变化”进行补偿的本发明实施例。在图7-9中的补偿结构同样可用于图3-6张力膜传感器的结构中。图7-9中的每个结构都会影响所示电容敏感元件的电容器极板的“拱曲”。使用者可选择拱曲的方向和大小,取决于为补偿感兴趣的效应如泄漏电容必需的所希望的几何结构变化。当然,“零点”的双金属补偿原理对于其它传感器也是有用的,例如电容性的(如泄漏电容)、光学的、电感性的(如漏电感)或者几何结构变化可以补偿温度引起的参数变化的任意结构。
图7表示依照本发明可选择的实施例所述的电容压力传感器410。电容压力传感器410与前述附图所示的相似,并且包含围绕中心轴线412配置的凹面下壳体部件420,围绕中心轴线412配置的凹面上壳体部件430和配置在第一平面414上的膜440。下壳体部件420的外围缘边和上壳体部件430的外围缘边最好通过焊接445可靠地固定在膜440的围缘的对边侧,使得膜覆盖了下壳体部件420和上壳体部件430中的每个外围缘边。电容压力传感器410还可包含电极450,其固定在下壳体部件420上但通过绝缘材料454和下壳体部件420相互电绝缘。得到的压力传感器包含两个彼此由空气作用地分隔的腔室C1和C2。下壳体部件420和上壳体部件430各自包含一个压力孔P1和P2,压力孔允许通过分别向每个腔室C1和C2作用液体或气体进行压力输送。这两个腔室可通过安装在压力孔P1和P2上的连接器分别地增压以建立膜两侧的压差。做为选择,任一个腔室增压到预定的压力或真空并且进行密封从而确保密封的腔室用作基准压力以实现相对的压力测量。
依照本发明这个实施例所述,热补偿元件456可以可靠地固定在电极450的下表面。最好地,热补偿元件456由热膨胀系数与电极450的热膨胀系数差距相当大的材料制成。热补偿元件456用于使电极变得略微拱曲(当温度变化时)以补偿由于间距g改变造成的初始电容变化,间距g是由电极支持元件455和大部分壳体的热膨胀或收缩的差或者诸如绝缘材料介电常数随温度的变化的其它原因引起的。
举个例子,元件456具有与元件450相比较小的温度系数,当电极450随着温度的增加而膨胀时,固定在电极450下表面上的热补偿元件456,具有一个较小的热膨胀系数,膨胀较小并且导致电极450的上表面变得略微凹拱,增大了组成平行板电容器的电极的有效空气间距。空气间距的增大和电容的减少补偿了导致初始电容增加的其它原因。这些原因的其中一个是电极支持元件455和使电极放置得离膜更近些的壳体之间的膨胀差异。通过选择合适的材料以及改变补偿元件456的包括外径、内径和材料厚度的几何结构,可以控制补偿的大小和正负。
电极外形从一个平坦表面到一个拱曲表面的改变可以造成输出信号相对于输入压力的一定的非线性。温度影响通常特别小以至于多数情况下它可以忽略不计。在许多特殊应用中,可以使用如图8所示的环形电极。理论分析和实际检测表明朝向膜片的电极的环形表面可以基本上减小上述的非线性。
图8表示依照本发明可选择的实施例所述的电容压力传感器510。电容压力传感器510与前述附图所示的相似,并且包含围绕中心轴线512配置的凹面下壳体部件520,围绕中心轴线512配置的凹面上壳体部件530和配置在第一平面514上的膜540。下壳体部件520的外围缘边和上壳体部件530的外围缘边最好通过焊接545可靠地固定在膜540的围缘的对边侧,使得膜覆盖了下壳体部件520和上壳体部件530中的每个外围缘边。电容压力传感器510还可包含电极550,其固定在下壳体部件520上但通过绝缘材料554与下壳体部件520相互电绝缘。得到的压力传感器包含两个彼此由空气作用地分隔的腔室C1和C2。下壳体部件520和上壳体部件530各自包含一个压力孔P1和P2,压力孔允许通过分别向每个腔室C1和C2施加流体来进行压力输送。这两个腔室可通过安装在压力孔P1和P2上的连接器分别增压以建立膜两侧的压差。做为选择,任一个腔室增压到预定的压力(或真空)并且进行密封从而确保密封的腔室用作基准压力以实现相对的压力测量。
依照本发明这个实施例所述,热补偿元件556固定在电极550的上表面上。最好地,热补偿元件556由热膨胀系数与电极550的热膨胀系数差距相当大的材料制成。热补偿元件556的热膨胀系数大于元件550的热膨胀系数,热补偿元件556用于使电极变得略微凸状向上拱曲(当温度增加时),以补偿由于间距g改变造成的初始电容变化,间距g是由电极支持元件555相对于传感器壳体部件520的热膨胀或收缩的差引起的。
当电极550膨胀时,固定在电极550上表面上的热补偿元件556,具有较大的热膨胀系数,膨胀较大并且导致电极550变得略微向上凸状拱曲,增大了组成平行板电容器的电极的有效间距。空气间距的增大补偿了电极支持元件555和使电极放置得离膜更近些的壳体526的膨胀差异。通过选择合适的材料以及改变补偿元件556的包括外径、内径和材料厚度的几何结构,可以控制补偿的大小和正负。
图9表示依照本发明另一个可选择的实施例所述的电容压力传感器610。电容压力传感器610与前述附图所示相似,并且包含围绕中心轴线612配置的凹面下壳体部件620,围绕中心轴线612配置的凹面上壳体部件630和配置在第一平面614上的膜640。下壳体部件620的外围缘边和上壳体部件630的外围缘边最好通过焊接645可靠地固定在膜640的围缘的对边侧上,使得膜覆盖了下壳体部件620和上壳体部件630中的每个外围缘边。电容压力传感器610还可包含电极650,其固定在下壳体部件620上但通过绝缘材料654和下壳体部件620电绝缘。得到的压力传感器包含两个彼此由空气作用地分隔的腔室C1和C2。下壳体部件620和上壳体部件630各自包含一个压力孔P1和P2,压力孔允许通过分别向每个腔室C1和C2施加液体或气体来进行压力输送。这两个腔室可通过安装在压力孔P1和P2的连接器分别增压以建立膜两侧的压差。做为选择,任一个腔室增压到预定的压力或真空并且进行密封从而确保密封的腔室用作基准压力以实现相对的压力测量。
依照本发明这个实施例所述,通过使用套管基本上减少了电极支持元件655的有效长度,套管和凹面下壳体部件620由同样或相似材料制成并且通过硬钎焊、软钎焊或任何其它可靠的方法连接到一块。可通过使用和图7和8中所示相似的双金属的相互作用进一步消除剩余的热膨胀影响。
图9表示用于补偿初始电容变化的图7和8中所示结构的替换结构。电极650可配置为包含一个偏移的或凹入的中心部分。电极热补偿元件具有圆盘或垫圈的形状,由具有不同的热膨胀系数的材料制成,可用硬钎焊、软钎焊或其它手段固定到中心部分上。图9还表示了固定到下壳体部件620上用于补偿灵敏度变化的热补偿元件660。
当电极650膨胀时,固定在电极650上表面的热补偿元件656,具有一个较大的热膨胀系数,膨胀较大并且导致电极650变得略微凹状向上地拱曲,增大了组成平行板电容器的电极的有效空气间距。间距的增大补偿了电极支持元件655和使电极放置得离膜更近些的壳体之间的膨胀差异。通过选择合适的材料以及改变补偿元件656的包括外径、内径和材料厚度的几何结构,可以控制补偿的大小和正负。
最好地,热补偿元件的热膨胀量和热膨胀系数基于如下考虑进行选择需要的电容压力传感器的工作温度范围,构成压力传感器的凹面壳体部件和膜的热膨胀系数和构造几何形状。
图10表示了具有常见的温度补偿构造的电容传感器。该传感器相似于图9所示的,它的与图9中相应元件相似的元件用相同的但用“′”的附图标记表示。图10的传感器610′与图9中相应元件相似的元件用相同但用“′”的附图标记表示,传感器610′具有分别固定在的环形补偿元件E1、E2、E3和E4上壳体部件630′的外表面和内表面上和下壳体部件620′的外表面和内表面上,固定在电极650′的上表面和下表面上的传感器610′具有环形补偿元件F1和F2。依照上文教导,根据传感器的结构和材料有选择地决定是否采用元件E1-E4和F1-f2和相关的温度系数。图7-10所示传感器总的外形不同于图3-6所示的。前一组的壳体构成外形接近半球形可得到最大刚度。假如由于“管路压力”(即与传感器壳体外部压力有关的压强P1和P2)的变化导致最小的传感器壳体形变是重要的,则这个特征是需要的。图3-6所示传感器总的外形具有非常紧凑的优点。这里描述的温度补偿发明适用于这两种设计类型。
除了上面描述的传感器110、210、310、410、510、610和610′,包含电容检测装置的电子电路(未示出),例如美国专利第4,054,833号披露的,可以整体地包括有每个传感器。电路可安置在受到底部元件30或外壳支承的印制线路板上。电路通过支持元件经电路板延伸的弹簧触点连接到电极150、250、350、450、550、650和650′上。
只要不背离其中的精神或本质特征,本发明可以以其它特定形式实施。本发明实施例因此被认为是示例性的而不是限制性的,本发明的范围由附加的权利要求书而不是前面的说明书指出,并且在本权利要求的等价物的内涵和外延之中的所有改变都被认为包含在其中。
权利要求
1.一种电容压力传感器,包括第一凹面壳体部件围绕中心轴线延伸并具有安置在第一平面上的外围缘边,所述第一平面基本上垂直于所述中心轴线,所述第一凹面壳体部件具有第一热膨胀系数;具有导电性的、可替换部分的膜,所述膜的外围部分固定地接合到所述第一凹面壳体部件的外围缘边上,借此至少所述膜的一部分是基本上安置在所述第一平面上,并且和所述第一壳体部件组成了第一腔室;电极,安置在所述第一腔室中并且以距所述第一平面的预定距离接近膜的导电部分,所述电极具有第二热膨胀系数;和热补偿装置,接合在所述第一凹面壳体部件和所述电极中的至少一个上,以补偿温度引起的所述传感器的特性的变化,所述热补偿装置的热膨胀系数与所述第一壳体部件和所述电极中的所述被接合的一个的热膨胀系数有相当大差距。
2.如权利要求1所述的一种电容压力传感器,其中所述热补偿装置固定地接合到所述第一凹面壳体部件。
3.如权利要求2所述的一种电容压力传感器,其中所述热补偿装置固定地接合到所述第一凹面壳体部件的内表面上,并且所述热补偿装置的热膨胀系数与所述第一热膨胀系数有相当大差距。
4.如权利要求3所述的一种电容压力传感器,其中所述温度补偿装置的所述热膨胀系数大于所述第一热膨胀系数。
5.如权利要求3所述的一种电容压力传感器,其中所述温度补偿装置的所述热膨胀系数小于所述第一热膨胀系数。
6.如权利要求2所述的一种电容压力传感器,其中所述热补偿装置固定地接合到所述第一凹面壳体部件的外表面,并且所述热补偿装置具有与所述第一热膨胀系数有相当大差距的热膨胀系数。
7.如权利要求6所述的一种电容压力传感器,其中所述温度补偿装置的所述热膨胀系数大于所述第一热膨胀系数。
8.如权利要求6所述的一种电容压力传感器,其中所述温度补偿装置的所述热膨胀系数小于所述第一热膨胀系数。
9.如权利要求1所述的一种电容压力传感器,其中所述热补偿装置相对于基准轴对称并且相对于所述中心轴线对称地安置。
10.如权利要求9所述的一种电容压力传感器,其中所述热补偿装置包括固定地接合到所述第一凹面壳体部件上的圆盘。
11.如权利要求10所述的一种电容压力传感器,其中所述圆盘包含一个中心定位的圆形开口。
12.如权利要求1所述的一种电容压力传感器,其中所述电极接合到所述第一凹面壳体部件上。
13.如权利要求12所述的一种电容压力传感器,其中所述电极有一个面朝着所述膜的顶表面和一个背离所述膜的底表面,并且所述热补偿装置包括固定地接合到所述电极的圆盘,用以补偿相应于温度变化的膜和电极之间的电容变化,所述圆盘具有和所述第二热膨胀系数有相当大差距的热膨胀系数。
14.如权利要求13所述的一种电容压力传感器,其中所述热补偿装置固定地接合到所述电极的所述顶表面上,并且所述热补偿装置具有和所述第二热膨胀系数有相当大差距的热膨胀系数。
15.如权利要求14所述的一种电容压力传感器,其中所述温度补偿装置的所述热膨胀系数大于所述第二热膨胀系数。
16.如权利要求14所述的一种电容压力传感器,其中所述温度补偿装置的所述热膨胀系数小于所述第二热膨胀系数。
17.如权利要求13所述的一种电容压力传感器,其中所述热补偿装置固定地接合到所述电极的所述底表面上,并且所述热补偿装置具有和所述第二热膨胀系数有相当大差距的热膨胀系数。
18.如权利要求17所述的一种电容压力传感器,其中所述温度补偿装置的所述热膨胀系数大于所述第二热膨胀系数。
19.如权利要求17所述的一种电容压力传感器,其中所述温度补偿装置的所述热膨胀系数小于所述第二热膨胀系数。
20.如权利要求19所述的一种电容压力传感器,其中所述圆盘包含一个中心定位的圆形开口。
21.如权利要求1所述的一种电容压力传感器,还包括围绕所述中心轴线延伸和具有安置在第一平面上的外围缘边的第二凹面壳体部件,并且其中所述第一凹面壳体部件和所述第二凹面壳体部件的所述外围缘边接合在一起,使得所述膜和所述第二壳体部件构成第二腔室,所述第二壳体部件具有第三热膨胀系数。
22.如权利要求12所述的一种电容压力传感器,所述电容压力传感器还包含固定地接合到所述第二凹面壳体部件上的附加的热补偿装置,用以补偿温度引起的所述传感器特性的变化。所述附加的热补偿装置具有和所述第三热膨胀系数有相当大差距的热膨胀系数。
23.如权利要求22所述的一种电容压力传感器,其中所述热补偿装置固定地接合到第二凹面壳体部件的内表面上,并且所述热补偿装置具有和所述第三热膨胀系数有相当大差距的热膨胀系数。
24.如权利要求23所述的一种电容压力传感器,其中所述温度补偿装置的所述热膨胀系数大于所述第三热膨胀系数。
25.如权利要求23所述的一种电容压力传感器,其中所述温度补偿装置的所述热膨胀系数小于所述第三热膨胀系数。
26.如权利要求22所述的一种电容压力传感器,其中所述热补偿装置固定地接合到所述第二凹面壳体部件的外表面上,并且所述热补偿装置具有和所述第三热膨胀系数有相当大差距的热膨胀系数。
27.如权利要求26所述的一种电容压力传感器,其中所述温度补偿装置的所述热膨胀系数大于所述第三热膨胀系数。
28.如权利要求26所述的一种电容压力传感器,其中所述温度补偿装置的所述热膨胀系数小于所述第三热膨胀系数。
29.一种电容压力传感器,包括第一凹面壳体部件,围绕中心轴线延伸和具有安置在第一平面上的外围缘边,所述第一平面基本上垂直于所述中心轴线,所述第一凹面壳体部件具有第一热膨胀系数;第二凹面壳体部件,围绕中心轴线延伸和具有安置在第一平面上的外围缘边,所述第二凹面壳体部件具有第二热膨胀系数;具有导电性的、可替换的部分的膜,所述膜的外围部分的第一侧固定地接合到所述第一凹面壳体部件的外围缘边上,借此所述膜的至少一部分是基本上安置在所述第一平面上并且和所述第一壳体部件组成了第一腔室,并且所述膜的外围部分的第二侧固定地接合到所述第二凹面壳体部件的外围缘边上,借此所述膜的至少一部分是基本上安置在所述第一平面上并且和所述第二壳体部件组成了第二腔室;电极,安置在所述第一腔室中并且以距所述第一平面的预定距离接近膜的导电部分,所述电极具有第三热膨胀系数;和一个或多个热补偿元件,固定地接合在所述第一凹面壳体部件、所述第二凹面壳体部件和所述电极中的至少一个上,用以补偿温度引起的所述传感器的特性的变化,所述热补偿元件具有和相应被接合的所述第一壳体部件、所述第二凹面壳体部件和所述电极的热膨胀系数有相当大差距的热膨胀系数。
30.如权利要求29所述的一种电容压力传感器,其中所述热补偿元件固定地接合在所述第一、第二凹面壳体部件中的一个或两者的内表面上,并且所述热补偿元件具有和所述第一热膨胀系数或第二热膨胀系数或两者有相当大差距的热膨胀系数。
31.如权利要求29所述的一种电容压力传感器,其中所述热补偿元件固定地接合在所述第一、第二凹面壳体部件中的一个或两者的外表面上,并且所述热补偿元件具有和所述第一热膨胀系数或第二热膨胀系数有相当大差距的热膨胀系数。
32.如权利要求29所述的一种电容压力传感器,还包括固定地接合到所述电极的电极热补偿元件,用以补偿由于响应温度变化的电极的热膨胀或收缩引起的膜和电极之间的电容变化,所述电极热补偿元件具有与所述第三热膨胀系数有相当大差距的热膨胀系数。
33.一种电容压力传感器,包括第一凹面壳体部件,围绕中心轴线延伸和具有安置在第一平面上的外围缘边,所述第一平面基本上垂直于所述中心轴线,所述第一凹面壳体部件具有第一热膨胀系数;具有导电性的、可替换的中心部分的膜,所述膜的外围部分固定地接合到所述第一凹面壳体部件的外围缘边上,借此所述膜的至少一部分是基本上安置在所述第一平面上并且和所述第一壳体部件组成了第一腔室;电极,接合到所述第一凹面壳体部件并且具有基本上平坦表面的、安置在所述第一腔室中并且以距所述第一平面的预定距离接近膜的导电部分的,所述电极具有第二热膨胀系数;和至少一个热补偿元件,接合在所述电极,用以补偿温度引起的所述传感器的特性的变化,所述热补偿元件具有和所述第二热膨胀系数有相当大差距的热膨胀系数。
全文摘要
一种电容压力传感器(110)包含导电膜(140)和热补偿元件,后者具有和压力传感器内其它元件不同的热膨胀系数。
文档编号G01L19/04GK1334919SQ99815731
公开日2002年2月6日 申请日期1999年11月10日 优先权日1999年1月22日
发明者S·Y·李 申请人:塞特拉系统有限公司
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