压力传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种压力传感器，所述压力传感器能够在低温下使用，特别是，能够在?70℃以下的温度下使用，所述压力传感器包括：实心金属传感器主体(1)，所述实心金属传感器主体(1)具有前区域(3)和与所述前区域(3)邻接的基部(5)，所述前区域(3)具有比所述基部(5)更大的横截面积，并且所述前区域(3)具有外边缘(11)，所述外边缘(11)能够借助于紧固装置夹紧以将所述压力传感器安装在使用位置处；凹部(7)，所述凹部(7)设置在所述前区域(3)中并且朝所述前区域(3)的背向所述基部(5)的前侧敞开；金属测量隔膜(9、9ˊ)，在测量操作期间，待测量的压力(p)从外部被施加到所述金属测量隔膜(9、9ˊ)，并且取决于所述压力，所述金属测量隔膜(9、9ˊ)能够弹性地变形，所述金属测量隔膜(9、9ˊ)布置在所述传感器主体(1)的前侧上，从外部封堵所述凹部(7)，所述金属测量隔膜(9、9ˊ)由与所述传感器主体(1)相同的金属组成，并且与所述前区域(3)的外边缘(11)隔开；以及机电变送器，所述机电变送器用于借助于测量来检测所述测量隔膜(9、9ˊ)的与压力有关的变形，所述机电变送器具有至少一个测量元件(55、57)，所述至少一个测量元件(55、57)借助于绝缘元件(51、53)与所述测量隔膜(9、9ˊ)和所述传感器主体(1)电绝缘。
【专利说明】
压力传感器
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种压力传感器和一种装备有压力传感器的压力测量装置。
【背景技术】
[0002]在工业测量技术的几乎所有领域中的压力测量装置中使用压力传感器来以计量方式检测待测量的压力。
[0003]为此目的，如今常常使用所谓的半导体传感器，诸如基于硅的压力传感器芯片。然而，这些压力传感器是机械敏感的。由于这个原因，它们不能直接暴露于待测量压力的介质。替代地，膜片密封被设置在压力传感器的上游和将待测量的压力传输至压力传感器。隔膜密封件填充有诸如油的压力传输流体。因为压力传输流体在低温下冻结，所以仅能够在远高于所使用流体的凝固点的温度下使用这些压力传感器。因此，这些压力传感器的使用被限制为以下应用:其中仅产生取决于流体选择的最低温度以上一一通常为-70°C以上--的温度。
[0004]在特殊应用中，诸如，在用于天然气的液化的系统中以及液化天然气的运输中，产生在-70°C以下的极低温度。在这些情况下，能够产生低至_165°C的温度。
[0005]因此，从根本上说，为了测量在-70°C以下的温度下的压力，仅考虑可以在不使用压力传输流体的情况下操作的压力传感器一一常常被称为干燥传感器。
[0006]干燥压力传感器的示例是具有陶瓷测量隔膜的陶瓷压力传感器，陶瓷测量隔膜布置在筒状陶瓷基体上、在离所述基体一定距离处并且具有与所述基体相同的直径。陶瓷压力传感器具有如下优点:陶瓷测量隔膜能够直接暴露于介质。在这方面，陶瓷对于压力计量方面的应用具有特别有利的化学和机械性质。陶瓷压力传感器必须安装在使用位置处。为此，它们被有规律地插入到传感器壳体中，传感器壳体装备有工艺连接件，并且其中测量隔膜的外边缘和基体夹紧在轴向方向上，即，平行于与测量隔膜垂直的表面。为了避免压力传感器内(特别地，在测量隔膜的区域中)的机械变形，压力传感器通过插入中间弹性体被夹紧到传感器壳体中。然而，弹性体在所提及低温下产生故障。因此，使用这些陶瓷压力传感器也被限制于在_70°C以上的温度。
[0007]在DE 10 2006 035 230 Al中描述了干燥压力传感器的另一个示例。该压力传感器包括蓝宝石载体，压阻式硅传感器安装在蓝宝石载体中并且与压阻式硅传感器互连以形成电阻桥。蓝宝石载体被安装在用作测量隔膜的钛板的内表面上。在测量操作期间，直接将待测量的压力施加到钛板外部，并且使用硅传感器以计量方式检测板的与压力有关的弯曲。钛板平齐安装在由钛制成的隔膜载体中，该隔膜载体进而被插入到支架中，该支架由不锈钢制成并且平齐安装在由不锈钢制成的工艺连接件中。隔膜载体被用来吸收可能由于由钛制成的测量隔膜和由不锈钢制成的支架以及由不锈钢制成的工艺连接件的不同的热膨胀系数产生的应力。为此目的，隔膜载体包括在面向压力传感器的内部的内表面上的周向环形凹部。因此，甚至在快速温度变化情况下，隔膜载体也能够保护测量隔膜免受变形。然而，载体仅仅在它本身仍然具有由于凹部导致的足够弹性来吸收因不同的热膨胀引起的力的情况下才能够如此。温度越低，这些力就越大。同时，温度越低，钛的弹性越低。因此，使用隔膜载体的温度越低，隔膜载体能够吸收的这些力就越来越少。
[0008]利用干燥压力传感器，在使用位置处对压力传感器或测量隔膜的尽可能无变形的安装在低温下造成显著的问题。
[0009]本发明的任务是提供能够在低温下(特别是在-70°C以下的温度下)使用的压力传感器以及装备有压力传感器的压力测量装置。
【发明内容】
[0010]为此，本发明包括压力传感器，该压力传感器包括:
[0011]-实心金属传感器主体，该实心金属传感器主体具有前区域和与该前区域邻接的基部，
[0012]—该实心金属传感器主体的该前区域具有比该基部大的横截面积，并且
[0013]—该实心金属传感器主体的该前区域具有外边缘，该外边缘能够借助于紧固装置夹紧以将该压力传感器安装在使用位置处，
[0014]-凹部，该凹部设置在该前区域中并且朝该前区域的背向该基部的前侧敞开，
[0015]-金属测量隔膜，在测量操作期间，待测量的压力从外部被施加到该金属测量隔膜，并且取决于该压力，该金属测量隔膜能够弹性地变形，该金属测量隔膜布置在该传感器主体的前侧上，朝外部封堵该凹部，
[0016]—该金属测量隔膜由与该传感器主体相同的金属组成，并且
[0017]—该金属测量隔膜与该前区域的外边缘隔开，以及
[0018]-机电变送器，该机电变送器用于以计量方式检测该测量隔膜的与压力有关的变形，该机电变送器具有至少一个测量元件，该至少一个测量元件借助于绝缘元件与该测量隔膜和该传感器主体电绝缘。
[0019]根据第一发展，从四周围绕测量隔膜的凹槽在测量隔膜和外边缘之间设置在传感器主体的前侧上。
[0020]根据第二发展，前区域在外边缘的前侧上包括金属切割密封环的金属密封唇，所述密封唇从四周围绕测量隔膜、与测量隔膜隔开并且向外突出。
[0021]根据第三发展，测量隔膜由在包括-70°C以下的温度并且能够使用压力传感器的温度范围内，特别是在从-165°C至-70°C的温度范围内，具有大于或等于10%的膨胀百分比的金属组成，特别是由钛、钽、钛合金或钽合金组成。
[0022]根据本发明的实施例或第三发展，绝缘元件由在包括-70°C以下的温度并且能够使用压力传感器的温度范围内，特别是在从-165°C至-70°C的温度范围内，具有与测量隔膜和传感器主体的金属的热膨胀系数相适应的热膨胀系数的材料组成，特别是由陶瓷或蓝宝石组成。
[0023]根据本发明的第一变型，
[0024]-绝缘元件是体材料，其被插入到凹部中，并且特别是借助于活性硬焊料接合被锚固在凹部中，并且绝缘元件的前侧面向测量隔膜、与测量隔膜平行并且与测量隔膜隔开，并且
[0025]-测量元件之一是安装到绝缘元件的前侧的测量电极，所述测量电极与用作对电极的测量隔膜一起形成电容器，所述电容器的容量取决于测量隔膜的与压力有关的弯曲。
[0026]根据第一变型的一个实施例，
[0027]-绝缘元件在其面对测量隔膜的前侧上具有波形剖面，该波形剖面形成测量隔膜的隔膜床并且由与测量隔膜的中心同心地布置的波形组成，并且
[0028]-测量隔膜被设计为波形隔膜，该波形隔膜具有与绝缘元件的波形剖面相同形状并且特别是通过在隔膜床上压印测量隔膜而产生的波形剖面。
[0029]根据本发明的第二变型，
[0030]-绝缘元件是布置在测量隔膜的面向凹部的内部的内表面上并且与测量隔膜叠层地接合的盘，并且
[0031]-测量元件是在绝缘元件的背向测量隔膜的一侧上被插入到绝缘元件中的传感器，特别是压阻式硅传感器。
[0032]根据第二变型的优选实施例，
[0033]-绝缘元件由蓝宝石组成，并且
[0034]-绝缘元件和测量隔膜的叠层接合是硬焊料接合。
[0035]根据本发明的第四发展，
[0036]-连接到测量元件中的至少一个的至少一个触点设置在绝缘元件的背向测量隔膜的一侧上，
[0037]-连接线连接到每个触点，
[0038]-在传感器主体中为每条连接线设置孔，所述孔贯通基部并且在凹部中终止，
[0039]-由绝缘材料，特别是由陶瓷或蓝宝石制成的小导管被插入到每个孔中并且衬入孔，并且
[0040]-每条连接线被馈送通过小导管中的一个。
[0041]根据第四发展的一个实施例，连接线中的每一条借助于焊接或键合连接到相关联的触点。
[0042]根据第五发展，机电变送器经至少一条连接线连接到布置在离测量隔膜一定距离处的电子部件，特别是装备有加热器的电子部件。
[0043]此外，本发明包括具有根据本发明的压力传感器的压力测量装置，该压力测量装置具有:
[0044]-连接元件，特别是连接管、连接件或连接凸缘，
[0045]--所述连接元件具有暴露测量隔膜的中央凹口，以及
[0046]-紧固装置，所述紧固装置用于将压力传感器附接到连接元件，
[0047]—所述紧固装置排他地抵靠在压力传感器的前区域的外边缘上，并且所述紧固装置特别是排他地在边缘上施加力，所述力平行于与测量隔膜正交的表面作用。
[0048]此外，本发明包括根据本发明的具有根据第二发展的压力传感器的压力测量装置的实施例，其中
[0049]-连接元件在与密封唇相对的区域中具有金属密封轮廓，所述金属密封轮廓与传感器主体的密封唇互补，
[0050]-金属密封件，特别是在外部涂敷有聚四氟乙烯的涂层的密封件，由比密封唇和密封轮廓的金属更具韧性的金属制成，特别是由金或铜制成，并且布置在密封唇和密封轮廓之间，并且
[0051]-紧固装置包括套筒，所述套筒从背向测量隔膜的一侧滑动到压力传感器上并且借助于螺纹连接而连接到连接元件。
[0052]而且，本发明包括根据本发明的压力测量装置的替代实施例，其中
[0053]-连接元件在其与外边缘相对的前侧上包括环形周向凹槽，以及
[0054]-环形周向密封弹簧，特别是，具有C形状截面轮廓的密封弹簧，由弹性金属制成，特别是由在外部上涂敷有聚四氟乙烯涂层的金属制成，被插入到凹槽中，以及
[0055]-紧固装置包括套筒，所述套筒从背向测量隔膜的一侧滑动到压力传感器上并且借助于螺纹连接而连接到连接元件。
[0056]根据本发明的压力传感器提供如下优点:测量隔膜和传感器主体由相同的金属制成，并且压力传感器可以通过轴向夹紧实心传感器主体的前区域的外边缘而被安装在使用位置处，所述外边缘与测量隔膜隔开。以这种方式，可以在低温下(特别是，在-165°C至-70°C的范围内的温度下)使用压力传感器，不会出现作为在因夹紧压力传感器而引起的在测量隔膜的区域中的变形的结果而导致的在这些温度下的测量受损。
【附图说明】
[0057]现在将使用附图中的图详细地解释本发明及其优点，附图示出实施例的三个示例。在这些图中，相同的元件由相同的附图标记指示。
[0058]图1示出:具有压力传感器的压力测量装置，该压力传感器具有电容性机电变送器；
[0059]图2示出:图1的具有压力传感器的另一个压力测量装置，并且
[0060]图3示出:具有压力传感器的压力测量装置，该压力传感器具有压阻式机电变送器。
【具体实施方式】
[0061]图1示出穿过具有根据本发明的压力传感器的压力测量装置的分解图的截面。压力传感器包括实心金属传感器主体I，该实心金属传感器主体I具有前区域3和基部5，基部5与前区域3邻接并且与压力传感器的纵向轴线平行。前区域3具有盘的基本形状，压力传感器的纵向轴线穿过前区域3的中心。
[0062]在传感器主体I的前区域3中设置有凹部7，凹部7朝前区域3的背向基部5的前侧敞开并且与传感器主体I的前侧平齐。
[0063]在压力传感器的前侧上布置有金属测量隔膜9，取决于压力，金属测量隔膜9能够弹性地变形，并且金属测量隔膜9完全覆盖凹部7并且朝外部关闭凹部7。在此处，测量隔膜9的外边缘(其在外部封闭凹部7)通过接合(例如，电子束焊接)连接到传感器主体I的前侧。
[0064]为了使测量隔膜9甚至在_70°C以下的低温下(特别是，在_165°C至_70°C的温度范围内)也能够弹性地变形到充分的程度，使用在该温度范围内具有充分高的弹性、充分高的屈服强度、和充分高的膨胀百分比的金属。膨胀百分比ε表示主体在拉伸应力下产生的相对于其初始长度的长度变化的比例，并且因此是将以计量方式检测到的测量隔膜9的弯曲的决定性变量。
[0065]鉴于指定金属的弹性模量和屈服强度随降低的温度而增加，并且在这方面并不是关键的，膨胀百分比ε随降低的温度而减小。优选地，使用在压力传感器将被使用的温度范围内具有大于或等于10%的膨胀百分比ε的金属。
[0066]在这方面，奥氏体不锈钢、钛、钛合金、以及钽和钽合金作为测量隔膜9的材料是适当的。优选地，测量隔膜9由钛或钛合金组成。
[0067]优选的金属是具有2级纯度的钛(2级钛)。2级钛在大于或等于_165°C的温度下具有大于或等于18%的膨胀百分比ε。具有15mm的直径和0.4mm的比较大的厚度的、由2级钛制成的测量隔膜经历弹性弯曲，其中当在-165°C下施加lMPa(10巴)的压力时，测量隔膜的中央挠曲大于ΙΟμπι。因为会已经以计量方式检测到大约几个微米(特别是，大于2μπι)的数量级的隔膜挠度，所以能够容易地以计量方式检测这个数量级的弯曲。
[0068]为了避免由不同的热膨胀系数引起的测量隔膜9的变形，实心传感器主体I由与测量隔膜9相同的金属组成。以这种方式，即使压力传感器经过非常宽的温度范围，在测量隔膜9和传感器主体I之间也没有因热膨胀产生的变形。
[0069]此外，相同材料之间的接合具有较高的质量，并且遍及温度范围比不同材料之间的接合更具机械抵抗力。
[0070]在测量操作期间，将待测量的压力P施加于测量隔膜9的背向凹部7的外侧，并且借助于机电变送器检测测量隔膜9的与压力有关的变形。为此，压力传感器安装在使用位置处，使得甚至在低温下，特别是，在-70°C以下的温度下，在测量隔膜9的区域中也不会产生损害测量的变形。
[0071]为此目的，实心传感器主体I的前区域3具有比与前区域3邻接的基部5显著更大的横截面积，并且前区域3包括外边缘11，在图中以双箭头示出，外边缘11与测量隔膜9隔开。
[0072]这具有如下效果:通过排他地夹紧前区域3的外边缘11，压力传感器能够在使用位置处借助于紧固装置安装在压力测量装置中，外边缘11与测量隔膜9隔开。为此目的，紧固装置被设计成使得它排他地作用在外边缘11上并且在外边缘11上施加力，该力优选排他地与垂直于测量隔膜9的表面平行地作用。
[0073]由紧固装置施加在压力传感器上的力因此被限制于前区域3的外边缘11，外边缘11与测量隔膜9隔开。这提供对测量隔膜9抵抗变形的有效保护。在这样做时，测量隔膜9和前区域3的夹紧的外边缘11之间的空间距离已经导致机械去耦合。较厚的前区域3，并且此夕卜，边缘11与测量隔膜9隔开都是更加有效的。
[0074]测量隔膜9与压力传感器的外边缘11的机械夹紧的去耦合能够甚至进一步通过提供凹槽13来加以改进，在前区域3的前侧上，凹槽13从四周外部围绕测量隔膜9。
[0075]以这种方式，能够在-70°C的温度下使用根据本发明的压力传感器，不会出现作为通过夹紧压力传感器引起的测量隔膜9的变形的结果而导致的在这些温度下的测量受损。
[0076]为了实现在低温下借助于紧固装置耐压密闭地夹紧压力传感器的外边缘11，由金属切割密封环形成的金属密封唇15设置在传感器主体I的前区域3的外边缘11的前侧上，所述密封唇优选向外突出，与压力传感器的纵向轴线平行。密封唇15从四周围绕测量隔膜9并且与测量隔膜9隔开。
[0077]压力测量装置包括连接元件17，特别是，连接管、连接件、或连接凸缘，压力传感器借助于紧固装置安装在连接元件17上。连接元件17具有中央凹口 19，中央凹口 19暴露测量隔膜9，并且在测量操作期间，待测量的压力p经中央凹口 19施加到测量隔膜9。此外，连接元件17具有金属密封轮廓21，金属密封轮廓21在其与密封唇15相对的前侧上与传感器主体I的密封唇15互补。为此目的，密封唇15和互补的密封轮廓21可以具有像在用于切割环密封件的真空技术中所使用的轮廓的轮廓。在传感器主体I的密封唇15与连接元件13的互补的密封轮廓21之间插有金属密封件23，金属密封件23由比密封唇15和密封轮廓21的金属的更具韧性的金属制成。特别是，适合于该目的的是由金或铜制成的密封件23。为了改进切割密封环在极低温度下的密封效果，密封件23优选设置在涂敷有聚四氟乙烯的外部上。
[0078]紧固装置被设计成使得，它抵靠连接元件17挤压传感器主体I的前区域3的外边缘
11。这具有如下效果:密封唇15和密封轮廓21切入夹紧在它们之间的金属密封件23。
[0079]适合于作为排他地作用在传感器主体I的外边缘11上的紧固装置特别是是套筒25，套筒25从背向测量隔膜9的一侧滑动到压力传感器上，并且在安装状态下，套筒25抵靠在前区域3的外边缘11的背向测量隔膜9的后侧的外边缘上并且能够例如借助于螺纹连接(在此处由双箭头指示)连接到连接元件17。套筒25是例如螺纹连接到连接元件17的外螺纹27的套筒螺母。该变型在图1的左半部分中示出。为了保护传感器主体I抵抗通过螺接过程施加的回转力，套筒螺母优选具有插件29，插件29直接抵靠在传感器主体I上，并且具有内螺纹的衬套31放置在插件29上。插件29优选由与传感器主体I相同的金属组成。优选地，衬套31和连接元件17的与在安装状态下的传感器主体I邻接的至少一个区域也由该金属组成。因此，排除了由不同的热膨胀系数引起的横跨温度范围产生的变形。
[0080]套筒25具有中央孔33，基部5穿过中央孔33，并且中央孔33的横截面积大到足以让套筒25在安装状态下排他地抵靠在前区域3的外边缘11上。
[0081]可替代地，连接元件17能够装备有套筒螺母35，套筒螺母35具有内螺纹37并且螺纹连接到套筒39上，套筒39从背向测量隔膜9的一侧滑动到传感器主体I上并且具有外螺纹。该变型在图1的压力测量装置的右半部分中示出。套筒39—一正如插件29—一从背向测量隔膜9的一侧滑动到传感器主体I上并且还具有中央孔33，基部5穿过中央孔33，并且中央孔33的横截面积大到足以使套筒39在安装状态下排他地抵靠在前区域3的外边缘11上。
[0082]可替代地，套筒和连接元件还能够被设计为凸缘，凸缘借助于贯通它们的外边缘的螺栓螺钉螺接在一起。
[0083]代替借助于图1的测量装置中所示的切割密封环的耐压密闭紧固，也可以使用适合于在低温下使用的其它密封原理。这种情况的一个示例在图2中示出。图2中所示的测量装置包括压力传感器，该压力传感器与图1中所示的压力传感器的不同之处仅在于，它不具有密封唇。图2所示的压力测量装置还包括连接元件17’，连接元件17’包括中央凹口 19，该中央凹口 19暴露测量隔膜9并且压力传感器借助于紧固装置被安装在该中央凹口 19上。连接元件17’在其与前区域3的外边缘11相对的前侧上具有环形周向凹槽41，由弹性金属制成的环形周向密封弹簧43被插入到该环形周向凹槽41中。密封弹簧43具有例如c形截面轮廓，并且在非压缩状态下从凹槽41突出。正如图1的密封件23，密封弹簧43也优选设置在涂敷有聚四氟乙烯的外部上。
[0084]在此处，紧固装置也被设计成使得，它抵靠连接元件17’挤压传感器主体I的前区域3的外边缘11，连接元件17’与垂直于测量隔膜9的表面平行。外边缘11的面对连接元件17 ’的平面前侧由此压靠密封弹簧43 ο密封弹簧43由此被张紧并且具有其密封效果。为了在尽可能宽的温度范围内具有最佳密封效果，密封弹簧43优选地由具有与连接元件17 ’和传感器主体I的热膨胀系数完全相同或至少非常类似的热膨胀系数的金属组成。优选地，连接元件17 ’的包括凹槽41的区域、传感器主体1、和密封弹簧43由钛或钛合金组成。
[0085]在此处，紧固装置还包括套筒45，该套筒45在安装状态下排他地抵靠在前区域3的外边缘11上，并且该套筒45能够借助于螺纹连接(在此处由双箭头指示)与连接元件17’相连。与图1中所示的示例性实施例相反，套筒45和连接元件17 ’在此处被设计成凸缘的形状。因此，螺纹连接在此处由螺栓螺钉(在图2中未示出)形成，套筒45和连接元件17’借助于所述螺栓螺钉螺纹连接在一起。为此目的，套筒45以及连接元件17’具有连续的孔47、49，所述连续的孔47、49布置在它们的外边缘上并且螺栓螺钉在安装状态下穿过所述连续的孔47、
49。可替代地，连接元件17’和套筒45的连接还能够借助于图1中所示的螺纹连接来实现。
[0086]在测量操作期间，测量隔膜9经连接元件17或17’暴露于待测量的压力p。该压力P造成测量隔膜9的与压力有关的弹性变形，这种与压力有关的弹性变形借助于机电变送器以计量方式检测并且被转换成电信号。
[0087]在图1和图2中所示的示例性实施例中，电容性机电变送器被提供用于该目的。图3示出替代示例性实施例，其中提供了装备有膨胀测量元件的变送器。
[0088]在两种情况下，变送器包括绝缘元件51、53和至少一个电绝缘测量元件55、57，所述至少一个电绝缘测量元件55、57通过绝缘元件51、53与金属测量隔膜9、9’和经纯金属接合导电连接到金属测量隔膜9、9 ’的传感器主体I绝缘。绝缘元件51或53由如下电绝缘材料组成:在能够使用压力传感器的温度范围内，所述电绝缘材料的热膨胀系数适于传感器主体I和测量隔膜9、9’的热膨胀系数。为此，选择如下材料:该材料的热膨胀系数在这些温度下与所述金属的热膨胀系数尽可能类似。与钛或钽以及钛或钽合金相联系，陶瓷和蓝宝石作为用于传感器主体I和测量隔膜9的材料适合于该目的。
[0089]钛、钽、以及钛合金和钽合金在-165°C至-70°C的范围内的温度下具有大约8x10 一 V°(:的数量级的热膨胀系数。蓝宝石在该温度范围内具有大约6x10—6/°C的数量级的热膨胀系数。
[0090]优选使用由云母结晶和硼硅玻璃制成的玻璃陶瓷作为陶瓷。在该方面的示例是由EuropTec公司提供的商标名称为MACOR的玻璃陶瓷，这些玻璃陶瓷包含二氧化硅、氧化镁、氧化铝、氧化钾、氧化硼和氟。这些玻璃陶瓷在_200°C至_25°C的温度范围内具有在7.4x10—6/°C的范围内的热膨胀系数，并且此外具有如下优点:它们能够通过机加工以低制造公差生产，由于它们无孔隙、能够用金属涂敷、并且能够被硬焊接的事实，它们具有高表面质量，不排放任何气体。
[0091]蓝宝石和陶瓷是机械稳定的并且甚至-70°C以下的温度下(特别是在_165°C至-70°C的范围内的温度下)也提供良好的电绝缘。
[0092]通过使用钛、钽、以及钛合金或钽合金用于与由蓝宝石或陶瓷制成的绝缘元件51、53相联系的传感器主体I和测量隔膜9，可以在低至-165°C的温度范围内使用压力传感器。
[0093]此外，也能够使用蓝宝石或陶瓷作为也与由奥氏体不锈钢制成的传感器主体I和测量隔膜9相联系的绝缘元件51或53的材料。然而，奥氏体不锈钢具有大约16x10—6/°C的数量级的热膨胀系数，因而在此处具有比其它指定的金属显著更坏的适应性，这限制能够使用压力传感器的温度范围的下界。因为钽和钽合金比钛和钛合金更昂贵，所以测量隔膜9、9’和传感器主体I优选地由钛或钛合金组成并且与由蓝宝石或陶瓷制成的绝缘元件51、53相联系地加以使用。
[0094]在图1中所示的电容性变送器中，绝缘元件51是体材料，其被插入到凹部7中并且锚固在背向测量隔膜9的后侧处。该体材料具有面对测量隔膜9的前侧，与测量隔膜9平行，并且与测量隔膜9隔开。为此，锚固在后侧上的绝缘元件51具有小于凹部7的高度的高度。
[0095]锚固优选地借助于由绝缘元件37的后侧的、面对基部5的外边缘与凹部7的底部区域产生的接合59进行，所述底部区域与绝缘元件37相对并且由传感器主体I形成。特别是，三元活性硬焊料接合适合于接合金属，特别是是钛和陶瓷、或蓝宝石。为此目的，优选使用包括Zr-Ni合金和钛的三元活性硬焊料。例如在EP O 490 807 BI中描述了这样的活性硬焊料。
[0096]绝缘元件51优选地在其面向基部5的后侧上沿着封闭外边缘包括周向凹部，由活性硬焊料制成的焊接环被插入到所述凹部中。焊接环连同绝缘元件51被插入到凹部7中，焊接环因此在此直接接触凹部7的底部区域，并且被焊接在凹部7的底部区域。
[0097I电容性变送器的测量元件55是电极，这些电极布置在绝缘元件51的面向测量隔膜9的前侧上。这些电极由于它们与测量隔膜9的距离而与测量隔膜9电绝缘，并且通过绝缘元件51与传感器主体I电绝缘。测量元件5 5中的一个是测量电极，其连同测量隔膜9用作对电极，形成具有取决于与测量隔膜9的压力有关的弯曲的容量的电容器。附加电极(在此处未示出)，诸如参考电极，也可以设置在绝缘元件51上。测量电极是例如比如通过作为金属涂层溅射到绝缘元件51的前侧上而应用的电极。优选地，电极由金属组成，其热膨胀系数尽可能类似于绝缘元件51的热膨胀系数。因为取决于传感器主体I的金属的热膨胀系数来选择绝缘元件51的材料，所以电极优选由与传感器主体I相同的金属组成，优选由钛组成。
[0098]测量元件55的电连接经接触销61发生，接触销61馈通绝缘元件51并且将每个测量元件55与布置在绝缘元件51的背向测量隔膜9的后侧上的相关联的触点63相连接。接触销61可以是例如钛或钽销。钽的热膨胀系数非常类似于钛的以及绝缘元件51的热膨胀系数。
[0099]每个触点63经电连接线65连接到电子部件67，该电子部件67布置在离测量隔膜9一定距离处，基于通过变送器计量地检测的测量隔膜9、9’的与压力有关的弯曲确定在测量操作期间将被测量的压力P，并且显示该压力P或以适当的输出信号的形式提供该压力P。为此目的，连接线65例如借助于焊接或键合而连接到触点63。
[0100]在图1中所示的示例性实施例中，此外提供了由测量隔膜9形成的对电极到电子部件67的电连接69。因为金属测量隔膜9导电连接到金属传感器主体I，所以对电极的连接69例如经应用到基部5的背向测量隔膜9的前侧的触点71制成。
[0101]尽可能基于在使用位置处的情况以及连接线65的最终需要长度，电子部件67将被布置在离测量隔膜9、9’如下距离处，使得电子部件67位于在对于操作电子部件67而言足够暖和的位置处的使用位置处。能够通常仅在-40°C以上的温度下使用电子部件。在没有直接布置在变送器上的现场电子部件的情况下操作的变送器的连接线65的长度通常被限制于大约1cm数量级的长度。如果假定沿着连接线65的温度梯度是10°C/cm，则对于1cm的线长度，测量隔膜9、9’能够经历-140°C以上的温度。为了也能够在测量隔膜9、9’处主导的较低温度梯度、较短线长度、或较低温度的情况下使用压力传感器，电子部件67优选装备有加热器73。
[0102]对于每条连接线65，在传感器主体I中设置有孔75，孔75经过基部5到凹部7，其中相应的连接线65延续到相关联的触点63。为了使连接线65与传感器主体I电绝缘，每个孔75衬有由电绝缘材料制成的小导管77。小导管77优选由具有适于传感器主体I的金属的热膨胀系数的热膨胀系数的材料组成。优选地，在此处对于绝缘元件51或53使用相同的材料。
[0103]鉴于测量隔膜优选被设计为用于测量较低压力(例如，大约lMPa(10巴)的数量级)的平面测量隔膜，测量隔膜9优选被设计为波形隔膜用于测量较高压力测量范围，例如，用于测量大约最高10MPa(100巴)的数量级的压力。在图1中示出该变型。为此目的，覆盖凹部7并且优选以圆盘的形状的测量隔膜9的区域具有与测量隔膜9的中心同心地布置的波的波形剖面。波形隔膜提供如下优点:在高压下，波形隔膜比相同材料厚度的盘形隔膜更硬，而且波形隔膜的与压力有关的弯曲与作用在其上的压力P比盘形测量隔膜更具线性相关性。
[0104]在这种情况下，绝缘元件51的面向波形隔膜的前侧优选被设计为波形隔膜的隔膜床，该隔膜床在过多负载作用在其上的情况下支撑测量隔膜9。为此，绝缘元件51的前侧的面向测量隔膜9的前侧具有与布置在其上方的测量隔膜9相同的波形剖面。
[0105]优选产生测量隔膜9的波形剖面，使得由测量隔膜9的材料制成的平面金属盘被焊接到传感器主体I的前侧上并且被压印到绝缘元件51的波形剖面上至少一次。为此目的，压力被施加到金属盘，连续地一直增加到压印压力，其中绝缘元件51的形状被压印到金属盘上，并且被维持在该压印压力下持续一段时间。一旦压印压力随后不再被施加到测量隔膜9，由于测量隔膜的自身回复力，受到压印的测量隔膜9从隔膜床弹回到离绝缘元件51—定距离的位置处。
[0106]图3中所示的压力测量装置与图1中所示的示例性实施例的不同之处仅在于机电变送器的设计和测量隔膜9’的形状。与先前的示例性实施例相反，变送器的绝缘元件53在此处直接施加到测量隔膜9’的面向凹部7的内部的内表面。
[0107]在该过程中，测量元件57在其背向测量隔膜9’的一侧上被插入到绝缘元件53上。测量元件57是例如延长电阻(elongat1n resistance)，特别是，压阻式元件，其例如互连以形成电阻测量桥。
[0108]为此目的，从蓝宝石上外延硅技术获知的变送器芯片能够与封闭于其中的蓝宝石载体和硅传感器一起使用。蓝宝石具有与硅的结晶结构匹配的结晶结构，并且甚至在低温下也保证封闭的硅传感器的良好的绝缘。
[0109]在此处，蓝宝石载体形成盘形绝缘元件53，该盘形绝缘元件53使测量元件57与测量隔膜9’绝缘。测量元件57与传感器主体I的绝缘通过布置在凹部7中离传感器主体I的材料一定距离的测量元件来实现。在此处，变送器的电连接也经连接线65形成，连接线65连接到布置在绝缘元件53的背向测量隔膜9’的一侧上的触点63。连接线65在此处也穿过孔75，这些孔75被衬有由绝缘材料制成的小导管77并且贯通传感器主体I。然而，与先前的示例性实施例相反，小导管77在此处优选延伸到凹部7中。
[0110]为了实现测量隔膜9’到插入到绝缘元件53中的测量元件57的与压力有关的弯曲的最佳传输，盘形绝缘元件53优选与测量隔膜9 ’叠层接合。为此，测量隔膜9 ’优选被设计为平面金属盘。叠层接合例如通过硬焊接实现。
[0111]附接到测量隔膜9’的绝缘元件53加强测量隔膜9’。因此，图3中所示的压力传感器优选用来测量较高的压力P。可替代地，加强可以通过为测量隔膜9’选择具有较高膨胀百分比ε的材料来补偿。然而，因为膨胀百分比ε随着下降的温度而减小，所以这样有规律地导致能够使用压力传感器的温度范围的下界的增加。
[0112]I传感器主体
[0113]3前区域
[0114]5 基部
[0115]7 凹部
[0116]9，9’测量隔膜
[0117]11 边缘
[0118]13 凹槽
[0119]15密封唇
[0120]17连接元件
[0121]19 凹口
[0122]21密封轮廓
[0123]23密封件
[0124]25 套筒
[0125]27外螺纹
[0126]29 插件
[0127]31 衬套
[0128]33 孔
[0129]35套筒螺母
[0130]37内螺纹
[0131]39 套筒
[0132]41 凹槽
[0133]43密封弹簧
[0134]45 套筒
[0135]47 孔
[0136]49 孔
[0137]51绝缘元件
[0138]53绝缘元件
[0139]55测量元件
[0140]57测量元件
[0141]59 接合
[0142]61接触销
[0143]63 触点
[0144]65连接线
[0145]67电子部件
[0146]69 连接
[0147]71 触点
[0148]73加热器
[0149]75 孔
[0150]77小导管
【主权项】
1.一种压力传感器，包括: -实心金属传感器主体(1)，所述实心金属传感器主体(1)具有前区域(3)和与所述前区域(3)邻接的基部(5)， 一所述实心金属传感器主体(1)的所述前区域(3)具有比所述基部(5)大的横截面积，并且 一所述实心金属传感器主体(1)的所述前区域(3)具有外边缘(11)，所述外边缘(11)能够借助于紧固装置夹紧以将所述压力传感器安装在使用位置处， -凹部(7)，所述凹部(7)设置在所述前区域(3)中并且朝所述前区域(3)的背向所述基部(5)的前侧敞开， -金属测量隔膜(9、9’)，在测量操作期间，待测量的压力(P)从外部被施加到所述金属测量隔膜(9、9’)，并且取决于所述压力，所述金属测量隔膜(9、9’)能够弹性地变形，所述金属测量隔膜(9、9’)布置在所述传感器主体(I)的前侧上，朝外部封堵所述凹部(7)， 一所述金属测量隔膜(9、9’)由与所述传感器主体(I)相同的金属组成，并且 一所述金属测量隔膜(9、9’)与所述前区域(3)的所述外边缘(11)隔开，以及 -机电变送器，所述机电变送器用于以计量方式检测所述测量隔膜(9、9’)的与压力有关的变形，所述机电变送器具有至少一个测量元件(55、57)，所述至少一个测量元件(55、57)借助于绝缘元件(51、53)与所述测量隔膜(9、9’)和所述传感器主体(I)电绝缘。2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，在所述传感器主体(I)的前侧上、在所述测量隔膜(9、9’)与所述外边缘(11)之间，设置有从四周围绕所述测量隔膜(9、9’)的凹槽(13)。3.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述前区域(3)在所述外边缘(11)的前侧上具有金属切割密封环的金属密封唇(15)，所述金属密封唇(15)从四周围绕所述测量隔膜(9、9’)、与所述测量隔膜(9、9’)隔开，并且向外突出。4.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述测量隔膜(9、9’)由在包括-70°C以下的温度并且能够使用所述压力传感器的温度范围内，特别是在从-165°C至-70°C的温度范围内，具有大于或等于10%的膨胀百分比(ε)的金属组成，特别是由钛、钽、钛合金或钽合金组成。5.根据权利要求1或4所述的压力传感器，其中，所述绝缘元件(51、53)由在包括-70°C以下的温度并且能够使用所述压力传感器的温度范围内，特别是在从-165°C至-70°C的温度范围内，具有与所述测量隔膜(9、9’)和所述传感器主体(I)的金属的热膨胀系数相适应的热膨胀系数的材料组成，特别是由陶瓷或蓝宝石组成。6.根据权利要求1所述的压力传感器，其中 -所述绝缘元件(51)是体材料，所述绝缘元件(51)被插入到所述凹部(7)中，并且所述绝缘元件(51)特别是借助于活性硬焊料接合(59)被锚固在所述凹部(7)中，所述绝缘元件(51)的前侧面向所述测量隔膜(9)、与所述测量隔膜(9)平行并且与所述测量隔膜(9)隔开，并且 -所述测量元件(55)之一是安装到所述绝缘元件(51)的前侧的测量电极，所述测量电极与用作对电极的所述测量隔膜(9) 一起形成电容器，所述电容器的容量取决于所述测量隔膜(9)的与压力有关的弯曲。7.根据权利要求6所述的压力传感器，其中 -所述绝缘元件(51)在其面对所述测量隔膜(9)的前侧上具有波形剖面，所述波形剖面形成用于所述测量隔膜(9)的隔膜床并且由与所述测量隔膜(9)的中心同心地布置的波形组成，并且 -所述测量隔膜(9)被设计为波形隔膜，所述波形隔膜具有与所述绝缘元件(51)的波形剖面相同形状并且特别是通过在所述隔膜床上压印所述测量隔膜(9)而产生的波形剖面。8.根据权利要求1所述的压力传感器，其中 -所述绝缘元件(53)是布置在所述测量隔膜(9’)的面向所述凹部的内部的内表面上并且与所述测量隔膜(9’)叠层地接合的盘，并且 -所述测量元件(57)是在所述绝缘元件(53)的背向所述测量隔膜(9’)的一侧上被插入到所述绝缘元件(53)中的传感器，特别是压阻式硅传感器。9.根据权利要求8所述的压力传感器，其中 -所述绝缘元件(53)由蓝宝石组成，并且 -所述绝缘元件(53)和所述测量隔膜(9’)的叠层接合是硬焊料接合。10.根据权利要求1所述的压力传感器，其中 -连接到所述测量元件(55、57)中的至少一个的至少一个触点(63)设置在所述绝缘元件(51、53)的背向所述测量隔膜(9、9’)的一侧上， -连接线(65)连接到每个触点(63)， -在所述传感器主体(I)中为每条连接线(65)设置孔(75)，所述孔(75)贯通所述基部(5)并且在所述凹部(7)中终止， -由绝缘材料，特别是由陶瓷或蓝宝石制成的小导管(77)被插入到每个孔(75)中并且衬入所述孔(75)，并且 -每条连接线(65)被馈送通过所述小导管(77)中的一个。11.根据权利要求10所述的压力传感器，其中 所述连接线(65)分别借助于焊接或键合连接到相关联的触点(63)。12.根据权利要求1所述的压力传感器，其中 所述机电变送器经至少一条连接线(65)连接到布置在离所述测量隔膜(9、9’)一定距离处的电子部件(67)，特别是装备有加热器(73)的电子部件(67)。13.—种具有根据任一前述权利要求所述的压力传感器的压力测量装置，所述压力测量装置包括: -连接元件(17、17’)，特别是连接管、连接件或连接凸缘， 一所述连接元件(17、17’)具有暴露所述测量隔膜(9、9’)的中央凹口(19)，以及 -紧固装置，所述紧固装置用于将所述压力传感器附接到所述连接元件(17、17’)， -所述紧固装置排他地抵靠在所述压力传感器的前区域(3)的外边缘(11)上，并且所述紧固装置特别是排他地在所述边缘(11)上施加力，所述力平行于与所述测量隔膜(9、9’)正交的表面作用。14.根据权利要求13所述的具有根据权利要求3所述的压力传感器的压力测量装置，其中 -所述连接元件(17)在与所述传感器主体(I)的所述密封唇(15)相对的区域中具有金属密封轮廓(21)，所述金属密封轮廓(21)与所述密封唇(11)互补， -金属密封件(17)，特别是在外部涂敷有聚四氟乙烯的涂层的密封件(23)，由比所述密封唇(15)和所述密封轮廓(21)的金属更具韧性的金属制成，特别是由金或铜制成，被布置在所述密封唇(15)和所述密封轮廓(21)之间，并且 -所述紧固装置包括套筒(25、39)，所述套筒(25、39)从背向所述测量隔膜(9、9’)的一侧滑动到所述压力传感器上并且借助于螺纹连接而连接到所述连接元件(17)。15.根据权利要求13所述的压力传感器装置，其中 -所述连接元件(17’)在其与所述外边缘(11)相对的前侧上包括环形周向凹槽(41)，以及 -环形周向密封弹簧(43)，特别是，具有C形状截面轮廓的密封弹簧(43)，由弹性金属制成，特别是是由在外部上涂敷有聚四氟乙烯的金属制成，被插入到所述凹槽(41)中，并且-所述紧固装置包括套筒(45)，所述套筒(45)从背向所述测量隔膜(9、9’)的一侧滑动到所述压力传感器上并且借助于螺纹连接而连接到所述连接元件(45)。
【文档编号】G01L19/14GK105829853SQ201480069108
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年11月14日
【发明人】雷蒙德·贝谢, 英·图安·塔姆, 安德烈亚斯·罗斯贝格, 埃尔克·施密特
【申请人】恩德莱斯和豪瑟尔两合公司