陶瓷压力传感器及其生产方法
【专利摘要】一种生产压力传感器(130)的方法，该压力传感器(130)包括由陶瓷材料制成的平坦柔性膜(100)以及由陶瓷材料制成的该平坦柔性膜(100)的平坦刚性支撑件(110)，该方法包括以下步骤：在该膜(100)上实现电路(16，18)；在该支撑件(110)上实现与外侧的电接触；将导电材料沉积在该支撑件(110)上；实现该膜(100)和该支撑件(110)之间的电耦合和机械耦接；通过至少一个导电可烧结电连接材料层的沉积和烧结来执行膜(100)和支撑件(110)之间的电耦合，通过至少一个可烧结机械连接材料层的沉积和烧结来执行膜(100)和支撑件(110)之间的机械耦接，该可烧结机械连接材料是与该可烧结电连接材料层电绝缘的和/或隔离的，在烧结熔炉中该可烧结电连接材料层和该可烧结机械连接材料层在单个步骤中一起经历回流。
【专利说明】陶瓷压力传感器及其生产方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及陶瓷压力传感器、陶瓷压力传感器的生产方法和包括陶瓷压力传感器的传感器。
【背景技术】
[0002]在各种应用领域如工业、医疗和汽车行业中的，集成在用于测量流体压力的传感器中的陶瓷压力传感器的使用已被熟知。
[0003]陶瓷传感器结合机械鲁棒性和在侵蚀性环境中具备性能方面的可靠性和稳定性的能力。
[0004]呈化学惰性的陶瓷膜不要求任何形式的分隔器并且可以和许多流体直接接触，还可以与一些最具侵蚀性流体的接触。长期稳定性和在压力和温度两方面中的广泛操作范围是有助于陶瓷压力传感器的多功能性和稳定性的其它重要因素。
[0005]这些方案与到工业机器以及过程控制设备中的集成的简单性结合在一起使得压阻式式的和电容式的陶瓷传感器是吸引人的，并且与其它技术技术方案比是有益的，这是因为卓越的成本对性能比和广泛的应用范围。
[0006]传感器典型地设置有适用于在其内部装载要测量的流体的圆形导管和其中传感器膜与流体进行接触的腔室。
[0007]带有陶瓷材料的膜的压阻式式传感器一般由铝制成，并且可以为两种形式:平坦传感器，其中膜固定在同样地为陶瓷的机械支撑件上，或其它穹型传感器，由单个陶瓷元件组成，其中较薄的中央部分用作膜，而较厚的部分用作机械支撑件。
[0008]膜在压力的影响下弯曲并且可以通过电阻桥来测量这个弯曲。由压阻式材料制成的电阻器以这样一种方式定位:在膜弯曲的同时，两个电阻器(属于桥的相对的侧)被延长，确定电阻的增加，并且其它两个同时被压缩，确定电阻的减少。桥是不平衡的，而输出电压与引起变形的压力差成比例。
[0009]平坦压阻式式传感器典型地通过将这个电阻桥丝网印刷至膜上来生成，电阻桥印在与流体接触的一侧的相对侧上并且将这个膜与机械支撑件连接，该丝网印刷典型地通过冲压来获得。为了确保膜的变形的充足空间和限定膜的移动空间，支撑件设置有典型地为圆的中央凹部，其位于膜的变形区域中，其中放置压阻式元件；和位于所述凹部外侧的穿孔，在其壁上沉积有传导材料，并且在例如通过焊接或利用传导树脂粘合而实现的机械连接后，其与膜上的轨道电连接。
[0010]在电容型而不是压阻式型的传感器中，通过电容器中的电容的改变来测量压力信号，其一个电枢印刷在膜上，而其它电枢印刷在机械支撑件上。在一些情况中，穿孔出现在支撑件上，在凹部中:如果穿孔是穿孔是开口的，则系统会用作相对或差分传感器(只有凹部为密封的)；如果穿孔是闭合的并且凹部是密封的，则系统会用作绝对传感器。
[0011]穹型传感器比平坦传感器更容易生产，因为它们不要求膜和支撑件之间的电连接。
[0012]具体的，在电连接形成在与用于测量压力的压阻式桥相同的一侧上的穹型压阻式传感器中，要求比平坦传感器的制造过程更少的步骤，并且因此更经济；它们表现当涉及大数量时首先被使用的技术方案。
[0013]但是，穹型压阻式传感器不适用于实现绝对传感器或差分传感器。
[0014]而且，考虑到它们的配置，穹型传感器进一步要求要测量的流体进入凹部。在一些应用中，凹部的存在可以在它们的使用中生成问题。
[0015]进一步，考虑到它们的配置，穹型传感器可以承受有限值的超压，因为不对抗或包括在变形之下的膜并且因此如果经受过度的变形则最终破裂；这对平坦传感器而言也是真实的。通常，可承受的超压和破坏应力是传感器的度量衡特征中非常重要的参数。
[0016]在近来应用中很重要的一个具体的情况是要被测量的流体是如果冷冻就可能破坏膜的流体(例如，AdBlue，用于减少柴油机中的氮氧化物的排放)。
[0017]现在，在汽车行业中对于这个问题所采用的技术方案使用穹型传感器，而且对于那种类型传感器而优化的、针对冷冻问题的技术方案已经被授予专利；它们使用盘式弹簧(EP1252492)，在传感器附近放置的可压缩元件(W09831997)或在将流体输送至凹部的管口周围放置的可压缩元件(W0208078184)。
【发明内容】
[0018]本发明的技术任务是消除现有技术的所描述的缺点。
[0019]在这个发明任务的范围内，发明的一个目标是提供一种陶瓷压力传感器和一种包括具有高使用弹性的高性能陶瓷压力传感器的传感器。
[0020]发明的另一个目标是提供一种陶瓷压力传感器和一种机械顽抗的并且在它们的测量上准确和精确的传感器。
[0021]发明的另一个目标是提供用于压力传感器生产的简单和经济的过程。
[0022]技术任务，以及这些和其它目标通过一种生产压力传感器(130)的方法来实施，压力传感器(130)包括由陶瓷材料制成的平坦柔性膜(100)以及由陶瓷材料制成的平坦柔性膜(100)的平坦刚性支撑件(110)，该方法包括以下步骤:
[0023]-在膜(100)上实现电路(16，18)；
[0024]-在支撑件(110)上实现与外侧的电接触；
[0025]-将导电材料沉积在支撑件(110)上；
[0026]-实现膜(100)和支撑件(110)之间的电耦合和机械耦接；
[0027]其特征在于，通过至少一个导电可烧结电连接材料层的沉积和烧结来执行膜
(100)和支撑件(110)之间的电耦合，通过至少一个可烧结机械连接材料层的沉积和烧结来执行膜(100)和支撑件(110)之间的机械耦接，可烧结机械连接材料是与可烧结电连接材料层电绝缘的和/或隔离的，在烧结熔炉中可烧结电连接材料层和可烧结机械连接材料层在单个步骤中一起经历回流。
[0028]权利要求1中的步骤显然并不必按照它们执行的顺序来列举。
[0029]通过实例的方式，可烧结材料可以由玻璃制成或为玻璃、金属或陶瓷基体材料。
[0030]这个发明被应用于生成压阻式型和电容型的平坦陶瓷压力传感器。
[0031]优选地，膜是第一半成品片状工作部件的一部分，其它膜也是所述第一半成品片状工作部件的一部分，并且所述支撑件为第二半成品片状工作部件的一部分，其它支撑件同样是所述第二半成品片状工作部件的一部分，并且其中，通过将从在所述第一半成品片状工作部件和所述第二半成品片状工作部件之间的电耦合和机械耦接得到第三半成品片状工作部件划分成部分来一起获得压力传感器和其它压力传感器。
[0032]本发明进一步公开了一种压阻式压力传感器，其特征在于，所述平坦压阻式压力传感器包括由陶瓷材料制成的平坦柔性膜，所述平坦柔性膜耦接至陶瓷材料制成的平坦刚性支撑件，所述支撑件具有第一主面和第二主面，所述膜具有第一主面和第二主面，所述膜的所述第一主面面向所述支撑件的第二主面，其利用这个来限定适用于容纳膜的弯曲的自由空间，其特征在于，所述自由空间具有很窄以使得膜的变形可以被支撑件包容的配置，其当发生实际小于破坏应力的变形时阻挡膜。
[0033]最后，本发明公开一种压力传感器，该压力还能力包括容器和陶瓷压力传感器，该陶瓷压力传感器继而包括具有活动区域的膜，所述膜面对通过密封件而远离的所述容器的的底部，密封件限定测量腔室，所述容器包括用于将其压力要被测量的流体输送至供应，在所述容器中放置至少一个可压缩元件，所述可压缩元件与所述通道流体联通，而所述可压缩元件包括具有一个或多个空气腔室的小容器。
[0034]压力传感器包括可以为平坦的或穹型的、压阻式或电容的陶瓷压力传感器，优选地为平坦压阻式陶瓷传感器。
[0035]有益地，用于制造平坦陶瓷传感器的过程不需要使用从特定模具获得的部分，但是可以替代地使用广泛在市场中可用的并且例如典型的在厚膜混合电路的自动制造中典型地使用的一般的陶瓷片，具体是氧化铝的。
[0036]许多传感器被优选地处理为一个的事实使得不再需要使用支撑件来并行执行例如轨道和电阻的印刷的操作与耦接操作，并且还限制将半成品工作部件从一个支撑件移动至另一个的操作。
[0037]而且，并非必须具有在传感器壁上的凹槽以使得当半成品工作部件定位在支撑件上用于处理时的定向成为可能。
[0038]利用用于第一半成品工作部件和第二半成品工作部件之间的耦接的特殊系统，通过插入导电可烧结玻璃而建立每个膜和相应支撑件之间的接触。这里的传导玻璃并不必意味着固有传导玻璃，而是如以下将要简单说明的那样，其可以为通过散布在玻璃本身中的另一种材料的粒子而致使传导的绝缘玻璃。用于厚膜的大部分糊状物通过这种方式获得。膜和支撑件之间的耦接以单个操作共同完成，因此不要求随后的导电材料的沉积。
[0039]沉积的导电材料因此不再如通常发生的那样，为焊接糊状物或传导树脂，而是，如所述的，为抵抗高温的可烧结玻璃，该玻璃使得通过标准焊接过程而将电子组件集成在支撑件上或共同的回流焊接过程，以及对于更高工作温度的陶瓷传感器的使用都成为可能。
[0040]这种方法还使得膜和支撑件之间的距离上的良好控制成为可能，这因此可以限制为最小的不可缺少物，以致当超过最大的工作压力时，膜可以与支撑件接触:这大大地增加膜本身的破坏压力，膜只会在支撑件劈裂后破坏，继而由于可获得的减少尺寸以及如果提供的电接触穿孔的更小尺寸导致鲁棒性，穿孔穿过支撑件的厚度延伸并且既不允许焊接线也不允许传导糊状物穿过。
[0041]这个方法适用于生产绝对或相对传感器，后者可以优选地通过在陶瓷材料中添加通孔或在连结玻璃中添加通道来从绝对传感获得器，具有对超压的高抵抗性；因此获得的绝对压力传感器可以达到仅几百的毫巴的满量程，但是承受大气压力。
[0042]尽管具有薄的支撑件，但是由于平坦陶瓷传感器的可能实施方式中经受一方面通过密封件、另一方面通过压片而施加的反同轴压缩力的事实造成的机械应力的均匀分布，平坦陶瓷传感器能够确保测量的重复性，压片还可以用于在差分测量的情况下与流体接触。
[0043]当压片具有和密封件相同的热膨胀系数时，压片消除或限制测量的热磁滞问题。
[0044]相应地，传感器能够具有小厚度，并且因此紧凑的尺寸和对片的容易的机械加工(例如通过激光切割)，带有可与通过冲压生产的更厚的传感器的测量准确度相比的测量准确度。
[0045]关于带有可以冷冻的流体应用，至少当传感器是平坦型的时，其可以减少测量腔室的体积，使得冷冻所造成的膨胀并不至于使传感破裂。如果这样不够，那么在冷冻期间的流体小膨胀可以至少部分地由压片来补偿，如果是弹性可缩的话，并且如果传感器设置在传感器的容器中的悬浮位置的话。
[0046]而且，相对于膜的活动区域即其可变性区域所提供的每个连接通道的位置的偏移用于保护膜免受突然的压力改变(突波)的影响，并且免受由于在流体可能的冷冻期间的膨胀造成的应力的影响。
[0047]提供具有空气腔室的可压缩元件提供了超过带有闭路电池多孔橡胶的传统系统的优点，即更好的清洁性(表面是平滑的并且由于橡胶的多孔性而造成没有孔)以及更长的寿命(流体渗透进入多孔橡胶，当在冷冻期间流体改变体积时，使材料降解)。
[0048]有益地，流体冷冻相的控制可以通过具有比通道更好的热传导性的元件来实现，这样创建在液压系统达到对于传感器本身而言是危险的压力之前，阻挡测量腔室和剩余的液压系统之间的联通的热桥。
【专利附图】
【附图说明】
[0049]这些方案和其它方案将从本发明的以下一些实施方式的描述中变得显而易见，这些实施方式视为非限制性实例。
[0050]描述参考所附的图，其中:
[0051]-图1显示用于生产膜的初始薄片的平面图；
[0052]-图2显示用于生产支撑件的初始厚片的平面图；
[0053]-图3a显示厚片的一部分的平面图，以及在将导电材料沉积在通穿孔中的步骤之后，其包括在圆圈中的放大细节的侧视图；
[0054]-图3b显示在印刷导电轨道的步骤之后，厚片的一部分的平面图；
[0055]-图3c显示在印刷用于将电阻桥设置为零的电阻的步骤之后，厚片的一部分的平面图；
[0056]-图3d显示厚片的一部分的平面图，和在印刷粘合剂玻璃和导电玻璃的步骤之后，其包括在圆圈中的放大细节；
[0057]-图4a显示在印刷导电轨道的步骤之后，薄片的一部分的平面图；
[0058]-图4b显示在印刷由压阻式材料制成的电阻的步骤之后，薄片的一部分的平面图；
[0059]-图4c显示在隔板元件的定位之后，薄片的一部分的平面图；
[0060]-图4d显示印刷粘合剂玻璃的步骤之后，薄片的一部分的平面图；
[0061]-图4e显示在印刷导电玻璃的步骤之后，薄片的一部分以及其包括在圆圈中的放大细节的平面图；
[0062]-图5a显示准备与薄片耦接的厚片的一部分；
[0063]-图5b显示准备与厚片耦接的薄片的一部分；
[0064]-图5c显示薄片与厚片之间的耦接的步骤；
[0065]-图6a从厚片和薄片之间的耦接获得的板，带有其包括在圆圈中的两个放大细节，一个与用于校准零位调整电阻器的随后激光切割过程有关，而另一个与离散组件的装配有关，并且还带有其包括在圆圈中的第三放大细节并且表示在支撑件和膜之间的电连接的变形之前的状态和之后的状态；
[0066]-图6b显示在片划分为独立块之前和之后的板的一部分；
[0067]-图7a显示从厚片下方查看的平面图，从薄片上方查看的平面图，在电连接的变形之前的两者的侧视图，以及在电连接的变形之后的侧视图，其中电连接在支撑件的穿孔中；
[0068]-图7b显示从厚片下方查看的平面图，从薄片上方查看的平面图，在电连接的变形之前的两者的侧视图，以及在电连接的变形之后的侧视图，其中电连接从支撑件的穿孔偏移；
[0069]-图7c显示从厚片下方查看的平面图，从薄片上方查看的平面图，在电连接的变形之前的两者的侧视图，以及在电连接的变形之后的侧视图，其中朝着外侧在侧边形成电连接而不需要厚片中的穿孔；
[0070]-图8a和Sb显示在膜的变形和非变形配置中的传感器的侧视图，强调膜的机械止动操作；
[0071]-图8c显示图8a和图8b中的传感器的平面图；
[0072]-图9a显示现有技术用于密封测量腔室的系统；
[0073]-图9b显示根据本发明的作用在传感器上的力时平衡来密封测量腔室的系统的第一技术方案；
[0074]-图1Oa显示温度作用在具有如图9a中密封系统的传感器的力系统上的影响，可能有与共轴的状况有关的力的正或反位移(由在所表现的三种情况中的箭头来指示，其中密封未变形、膨胀或收缩)；
[0075]-图1Ob显示根据本发明的密封系统的技术方案，其可以补偿温度于作用在传感器上的力的系统上的影响(力由在所表示的三中情况中的箭头表示，其中，密封未变形、膨胀和收缩，保持同轴)；
[0076]-图1Oc显示图1Ob中的传感器的全视图，该传感器类型是悬浮传感器；
[0077]-图1Od显示带有非悬浮传感器的传感器，该非悬浮传感器带有类似于图1Ob中所表现的密封系统的密封系统；
[0078]-图11显示根据本发明的传感器，其中要测量的流体进入测量腔室的输送以已知方式进行；
[0079]-图12显示根据本发明的用于将要测量的流体输送至测量腔室的第一技术方案；
[0080]-图13a和图13b显示图1Ob中显示的密封系统在当传感器为悬浮传感器时，测量流体的冷冻问题的正面影响；
[0081]-图14显示根据本发明的密封系统在当传感器为悬浮传感器时，测量流体的冷冻问题的正面影响；
[0082]图15至图18显示提供来解决测量流体的冷冻问题的可压缩元件的各种特定的技术方案；
[0083]图19显示根据本发明的用于保护膜不受测量流体的冷冻的影响的进一步技术方案。
【具体实施方式】
[0084]发明中各个实施方式中的等同部分由相同的参考标号来指示。
[0085]下文通过非限制实例的方法来示出用于生产根据本发明的陶瓷传感器的方法，该方法使用利用丝网印刷方法的厚膜混合技术。
[0086]可以明显地使用其它技术(例如平片印刷术或印刷)来生产对应于本发明的传感器。
[0087]利用绝缘材料优选地为氧化铝制成的例如为长方形的两个半成品片状工作部件1，4来开始生产。第一半成品片状工作部件I的厚度比第二半成品片状工作部件4的小。
[0088]因此，下文我们不会再提到第一半成品片状工作部件或薄片I和第二半成品片状工作部件或厚片4的区别。
[0089]薄片I具有第一主面150和第二主面160，厚片4具有第一主面170，以及当薄片I与厚片4叠加并且相互平行耦接时与薄片I的第一主面150面对的第二主面180。
[0090]类似地，可以与薄片I分离的每个膜100具有第一主面200和第二主面210，并且可以与厚片4分离的每个支撑件110具有第一主面220，以及当薄片I与厚片4耦接时，与对应的膜100的第一主面200面对的第二主面230。
[0091]如果期望生产长方形或正方形的传感器，那么薄片I可以是简单的，或者已经具有优选地通过切口和/或刻划来实现为圆形或与片本身的其余部分部分分离的其它形状的线条2以助破损，该线条优选地通过激光切割来实现，线条会限定传感器的膜。
[0092]厚片4设置有用于第一主面和第二主面之间的电信号的通过的穿孔5，并且其还可以已经具有切口和/或刻划线条2以限定支撑件的最终形状，支撑件非必须要与膜的形状相同，因为尤其可以提供用于附加功能(例如用于电子电路的集成)的空间。
[0093]厚片和薄片可以有刻划线条(未显示在图中)以使得在独立块的分开之前，厚片和薄片能够划分为更小的部分。
[0094]在第一步骤中，使用丝网印刷方法，导电糊状物可以应用到厚片4的第二主面180 (这个生产部分示出在图3a中)上。糊状物以这样一种方式被吸收，以在厚片4的通穿孔8中创建传导沉积物。
[0095]之后，在厚片4的第一主面170上印刷导电轨道9 (图3b)，其在熔炉中经受第一次烧制。
[0096]在这时，在厚片4的第一主面170上印刷用于将电阻桥11设置为零(图3c)的电阻器，但是可以添加其它厚膜组件例如PTC或NTC以校正传感器或电阻器的温度漂移以校正电池的敏感度。
[0097]然后接着在熔炉中烧结的第二步骤。
[0098]在这时，把即将用作将两个片I和4连接并且限定膜100的弹性区域的粘合剂玻璃13印刷在厚片4(图3d)的第二主面180上并且在熔炉中烧结。
[0099]具体地，玻璃粘合剂13印刷在固定在将来支撑件110中心的圆形冠状区域中。
[0100]然后，将传导玻璃14 (图3d)再次印刷在厚片4的第二主面180上，印刷在在第一丝网印刷步骤中应用的轨道的顶部，然后后面接着在熔炉中的第三烧结。
[0101]从中生产的支撑件110的厚片4在这时准备用于耦接。
[0102]在薄片I的第一主面150上，首先利用丝网印刷方法应用传导轨道16(图4a)，然后在薄片I在熔炉中的第一次烧制之后，由压阻式材料制成的电阻器18 (图4b)印刷在其上，并且可选地，可以放置隔板元件(19);这些可以例如为以直径校准的球体元件或线或以厚度校准的板。
[0103]薄片I进一步经过熔炉以烧结电阻器18并且固定隔板元件19。
[0104]然后粘合剂玻璃21印刷在薄板I (图4d)的第一主面150上，以用于粘附到厚片4上并且薄片I再一次穿过熔炉以烧结。
[0105]具体地，粘合剂玻璃21印刷在将来的膜的中心上在中心固定的圆形冠状区域中。
[0106]在这时，传导玻璃23印刷在传导轨道(图4e)的顶部。
[0107]在这时，薄板I准备用于耦接。
[0108]通过将薄板I和厚板4放置在熔炉中相互重叠来实现耦接(图5a、图5b和图5c)，以使得带有传导玻璃14和传导玻璃23的区域被叠加，并且烧结直至粘合剂玻璃12和粘合剂玻璃21在回流过程中融化，因此形成单层材料22，并且传导玻璃14和传导玻璃23在回流过程中融化，因此变成形成电连接的单层材料，其之后被称为柱形物24 (图6a)。在烧结熔炉中，可烧结电连接材料层和可烧结机械连接材料层有利地经受单个步骤中一起回流。
[0109]在这时，厚片4和薄片I形成第三半成品片状工作部件，其之后被我们称为板25 (图 6a)。
[0110]在此处描述的耦接过程中，术语烧结应当按照广义理解，因为过程从已经烧结的部分开始。在已经被本发明覆盖的一种或两种材料(传导玻璃和粘合剂玻璃)在耦接之前尚未被烧结的情况中，耦接过程可能是实际烧结过程。过程发生在针对两种材料的等于或高于烧结温度的温度处发生。对于此处描述的过程，显然有利的是选择具有相同玻璃基体或相似烧结温度的粘合剂材料和传导材料，但是如果为了其它原因，并且不改变过程的情况下，可以选择带有不同烧结温度使得当一个被烧结(或回流至表面)，另一个处于融化状态的材料。在玻璃基体材料的情况中，可以选择大于两种材料的玻璃基体的柔化点的温度，但是在该温度处材料仍然足够粘而使得不会在烧结熔炉中过度移动。
[0111]然后在形成板25的厚片4的第一主面170上印刷和烧结保护玻璃(图6a)，并且这个步骤后面接着测试校准零设置电阻器和任意PTC或NTC或敏感性设置电阻器。这种校准优选地通过利用激光27 (激光修整)来部分地切割而实现。
[0112]在这时，离散组件28，例如电阻、电容器、晶体管、集成电子电路和连接器被安装在板上；然后接着划分为独立电路。
[0113]如果在耦接之前已经划定传感器区域(例如通过激光或超声切割)，那么划分30成独立电路(图6b)将优选地通过将简单结合力(由箭头29指示)垂直施加至板25，以致具有应力的集中及其突然破损来实现。可替选地，可以使用激光切割，其具有不要求在板上的预切口的优点。
[0114]如果期望生产带有直的侧边的传感器，例如长方形的或正方形，将通过利用锯或水柱的切割来实现划分为独立元件。
[0115]利用这个生产过程，带有像图7a和图7b中的那些的结构的平坦传感器可以从两个平坦片I和4来获得；为了生产传感器7c，可以通过消除与穿孔的金属化有关的部分和将必要的离散组件安装在支撑件110的第二主面230来简化过程。
[0116]通过粘合剂玻璃12和21形成的整体21在膜100的圆形中央部分周围，设计为经受出现在支撑件I1的第二主面230和膜100的第一主面200之间的自由空间34中的弯曲。
[0117]图7a显示膜100和支撑件110之间的电连接建立在出现在支撑件110中穿孔5中的技术方案。
[0118]在支撑件优选地具有在膜的敏感区域中的凹部的该情况中，那么相对于现有技术的最大优点在于以下事实:通过在整个传感器/所有传感器上同时执行两个操作——在所显示的实例中，通过传导玻璃12和23两侧的丝网印刷进行的沉积一通过沉积导电材料，在序列构成中避免通过一个接一个穿孔建立电触头的更长和更高成本的程序，沉积导电材料的操作的完成通常借助焊接金属，这样必须让传感器经历微妙的热循环(需要预热膜)，或借助填充有传导粒子的聚合物树脂(典型地为填充有银的环氧树脂)，但是其不能确保在温度多样性下的稳定性并且暴露余化学药剂。不需要将焊接金属线或树脂插入管口插入穿孔5的事实还使得可以具有直径减少的穿孔5，因此获得在用于电子电路和补偿电阻的集成的支撑件上的空间并且减少由于穿孔5的存在造成的支撑件的易碎性。这也是有益的，这是因为当膜经受来自一侧的压力时，如通常在传感器的寿命期间发生的那样，在穿孔5周围有机械应力的集中，穿孔5越大则该该集中越大。具体地，重要地是实现在我们创新的技术方案中，在支撑件上的应力集中的减少，这是因为由于下文要描述的机械止动，不像根据现有技术而建立的传感器，传感器的破损不再由膜的破裂而引起，而是准确地由支撑件的破裂而引起。
[0119]在图7b中，膜100和支撑件110的之间的电连接形成在相对于穿孔5的偏移位置位置处。这样具有将穿孔5移动至内侧(其中机械应力更少，从而进一步增加传感器破损压力)和可以获得更大直径(不同之处有图7a和图7b中的双向箭头来指示)的自由空间34 (使得传感器能够具有更大的有效区域并且因此具有更高敏感度)的双重优点。
[0120]自由空间34有益地具有很薄的配置，使得膜100在最大值处的变形的可以由支撑件110包容，该最大值小于膜100的破损应力。
[0121]如果，由于在其中期望测量压力的系统中的传感器的具体位置，所以可以方便地在侧边而非从支撑件I1的后部形成连接，那么可以提供如图7c中所示出的在侧边的导电区域60;这个配置具有消除对穿孔的需要的优点，并且使得能够在简化生产过程的同时获得特别顽抗的传感器。
[0122]图8a至图8d示出通过支撑件110在膜100上执行的机械止动功能，这使得具有能够承受超出其全量程的压力的传感器。
[0123]可以设想各种方法来设置膜100和支撑件110之间的距离，并且从而膜100的最大变形。在图8a中，通过箭头33所指示的外部压力的动作来弯曲模100，然而在图Sb中膜100显现其普通平坦配置。接触压力取决于由支撑件110和碰触其的膜100 —部分界定的自由空间34的初始高度:因此，关键的是膜100和支撑件110之间的距离以及沉积在膜100和支撑件110上的材料的厚度。此处由隔板元件19确定膜100和支撑件110之间的距离，但是在没有隔板元件19的情况下，可以由丝网糊状物来确定，例如形成柱状物24，或接合玻璃22的糊状物。
[0124]下文中示出的是使得可以全面开发陶瓷传感器的可用性的方案，优选地以利用迄今讨论的技术的低成本获得，以构建包括容器120的压力传感器，其中，压力传感器定位在容器120中。
[0125]但是，以下参考的传感器还可以通过使用不同于所描述的陶瓷传感器的陶瓷传感器来获得，例如不必为平坦，而是穹型的电容性或电阻性的，尽管优选的应用保持设想的用于传感器的平坦压阻式陶瓷传感器。
[0126]膜100的第二主面210面对容器120的底部，它们借助用于界定测量腔室42的密封件37而远离。
[0127]容器120包括用于将期望测量压力的流体输送至测量腔室42的至少一个通道43。
[0128]传感器130的膜100与测量腔室42接触，并且由密封件37来确保两者之间的紧密度，优选地为O环。膜的活动(敏感)部分至中间的部分，可以弯曲。
[0129]在技术方案(图9a)中，当前使用的包括支撑件400和膜440的传感器被刚性压片420按压在密封件410上，刚性压片420典型的为圆形并且由塑料或金属制成。这创建施加在传感器的两侧上的力(由箭头430指示)之间的非同轴性；如果传感器的厚度大(5或6 mm)，效果是可以忽视的，但是对从厚膜电路(2_厚或更薄)获得传感器造成问题。
[0130]利用本发明，可以通过使用与密封件37 (图9b)同轴的压片38来补救该问题，但是这未考虑密封元件的热膨胀。因为后者以橡胶制成，所以其典型地具有比结构的剩余部分更高的热膨胀系数；因此，当温度升高或降低时，其移动，并且经常不回到相同的位置；如图1Oa中所看到的，如果传感器处于更高温度(图1Oa中在顶部)或更低温度(图1Oa中在底部)，密封件37和传感器130之间的接触点改变。这生成在传感器上的力(由箭头39指示)中改变:压片38和密封件37所施加的力之间的力臂的变化导致在膜上的张力的变化，并且因此导致传感器读取的信号的变化，这取决于包括已知为热磁滞的现象的传感器的热历史。应当注意，这个问题，以及因此的此处提出的技术方案的有用性独立于对于膜的弯曲采用的测量方法，并且从而应用于压阻式和压电传感器与电容传感器两者上。
[0131]为了解决热磁滞问题从而增加压力测量的准确性所提出的创新技术方案(图1Ob)包括借助和密封件37 —样或类似的压片38将传感器按压到密封件37上，以致在传感器的双侧上重生产力的相同改变并且从而具有由其热历史的结构的膜导致的可忽视的弯曲。应当注意，这个技术方案在悬浮传感器的情况(如图1Oc中显示的)中和在其中传感器被容器在上和下都锁定定位的情况(如图1Od中显示的)中都有益。
[0132]该发明还解决伴随着要测量的流体的体积的增长的可能的冷冻的问题，特别是流体可以下降到冷冻温度以下的含水技术方案的全部测量中。
[0133]在创新方式中，平坦传感器的选择使得这个问题可以解决，这是因为在传感器之下的腔室42做得非常薄，以致减少流体体积的增加。
[0134]用于使流体接触膜以下的测量腔室的已知系统设想位于膜100的中央敏感部分以下的薄通道43。但是，将通道定位在这个位置意味着在冷冻情况下，通道中的流体会压在膜100的中心(图11)。如果没有建立之前描述的机械止动(图8a)的话，这对于膜100而言，或否则对于传感器的支撑件100而言是危险的，这是因为要测量的流体在传感器后部上施加远离压片38的力(由箭头44指示)，并且因此在这个力和压片38施加的力(由箭头45指示)之间生成强力矩，该强力矩可以破坏传感器。
[0135]该技术方案包括在膜100的敏感区域的侧面创建一个或多个通道43 (图12)，使得冷冻相的流体在传感器上施加的力(在传感器的左侧上的力由箭头44指示)的力臂小于压片38施加的力(在传感器的左侧上的力由箭头45指示)的力臂，从而减少力矩并且减少传感器的破坏风险；如果不存在机械止动，这样还帮助保存膜100，尤其在通道43相对于膜134的活动区域而偏移的情况(如图12中的)中。这种配置上的巧妙方法还具有以下优点:在流体到达膜100之前在流体的路径中创建弧线，总而在到达后者的压力上创建低通量效果并且使得膜100 (以及支撑件110的中心)免于必须经受即使不存在冷冻也会破坏传感器的快速高压力尖峰。
[0136]之前描述的带有悬浮传感器和塑料压片(图13a，图13b)的技术方案可以是有帮助的，因为流体体积的增加还可以利用塑料压片38的压缩(见图13a中在位移之前和图13b中位移之后)由传感器的小位移来补偿。
[0137]再次对于补偿在冷冻期间流体体积的增加和避免在传感器上的压力的过度增长，侧边的通道的巧妙方法可以或不可以用在与可压缩元件48的连接中。
[0138]与通道43的流体联通的外壳提供在容器的本体内，其中定位可压缩元件48。
[0139]可压缩兀件48可以为带有中央芽孔49的圆柱体，中央芽孔49终止在通道43的上游(图15)。
[0140]在本发明的特别有利和创新的实施方式(图16)中，可压缩元件48用作特定长度的两个通道43的壁。这使得可以具有在冷冻(或在阻尼压力波动)情况下减少压力的效果，具有与之前的相比具有更简单的几何图形。这种配置可以如可压缩元件48那样的，适用于小容器(图17)的使用，小容器由包括空气腔室53的橡胶衬垫54构成，空气腔室53由存在在衬垫54中的插入物52来界定和密封。
[0141]在图18的实施方式中，不像在之前描述的情况中那样，衬垫54被制成借助网格或一个或多个穿孔55的壁而与传感器120下方的腔室联通，当系统在负压力的状况下工作时，穿孔55防止衬垫54与膜100接触。
[0142]在可压缩元件的可能变型中，空气腔室初始地可能已经被加压多于I巴的压力，以为了只是当需要的时候具有更平缓的压缩。
[0143]针对另一个独立于前述冷冻问题的冷冻问题的技术方案(图19)涉及通道43之间的热桥的实现，热桥43将液体输送至与传感器的膜接触的测量腔室和系统的热力上更接近外侧的那些部分；这可以经由元件58来完成，元件58具有比通道壁的材料的热传导性更好的热传导性(例如，如果通道由塑料制成那么元件由金属制成)。目标是以这样一种方式来引导冷冻，使得流体首先会在所述通道中冷冻，保护腔室不受在液压电路的剩余部分中的压力增加的影响。图19显示冷冻的开始；通道的冷冻区域由59来指示，传感器以下的区域从而不受液压电路57的剩余部分中的压力增加的影响。
[0144]如此构思出的压力传感器能有大量修改和变型，所有都落入发明概念的范围内；而且，所有细节可以由技术等同元件来代替。
[0145]在实施中，可以使用根据需要和现有技术的任意材料以及尺寸。
【权利要求】
1.一种生产压力传感器(130)的方法，所述压力传感器(130)包括由陶瓷材料制成的平坦柔性膜(100)以及由陶瓷材料制成的所述平坦柔性膜(100)的平坦刚性支撑件(110)，所述方法包括以下步骤: -在所述膜(100)上实现电路(16，18)； -在所述支撑件(110)上实现与外侧的电接触； -将导电材料沉积在所述支撑件(110)上； -实现所述膜(100)和所述支撑件(110)之间的电耦合和机械耦接； 其特征在于，通过至少一个导电可烧结电连接材料层的沉积和烧结来执行膜(100)和支撑件(110)之间的电耦合，通过至少一个可烧结机械连接材料层的沉积和烧结来执行膜(100)和支撑件(110)之间的机械耦接，所述可烧结机械连接材料是与所述可烧结电连接材料层电绝缘的和/或隔离的，在烧结熔炉中所述可烧结电连接材料层和所述可烧结机械连接材料层在单个步骤中一起经历回流。
2.根据前述权利要求所述的生成压力传感器(130)的方法，其特征在于，在所述烧结熔炉中，所述可烧结电连接材料层和所述可烧结机械连接材料层同时经历回流。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的生成压力传感器(130)的方法，其特征在于，所述可烧结材料由玻璃或玻璃基体材料或金属或陶瓷制成。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的生成压力传感器(130)的方法，其特征在于，所述方法包括将导电材料应用到延伸通过所述支撑件(110)的壁厚度的穿孔(5)的壁上的步骤。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的生成压力传感器(130)的方法，其特征在于，所述膜(100)和所述支撑件(110)之间的电连接建立在相对于所述穿孔(5)的偏移位置处。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的生成压力传感器(130)的方法，其特征在于，借助使用金属合金的焊接或通过共同回流焊接，将至少一个电子组件集成在所述支撑件(110)上。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的生成压力传感器(130)的方法，其特征在于，膜(100)是第一半成品片状工作部件(I)的一部分，其它膜(100)也是所述第一半成品片状工作部件(I)的一部分，并且所述支撑件(110)为第二半成品片状工作部件(4)的一部分，其它支撑件(110)同样是所述第二半成品片状工作部件(4)的一部分，并且其中，通过将从在所述第一半成品片状工作部件和所述第二半成品片状工作部件(1，4)之间的电耦合和机械耦接得到第三半成品片状工作部件划分成部分，一起获得所述压力传感器(130)和其它压力传感器(130)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的生成压力传感器(130)的方法，其特征在于，利用激光或圆形锯或水柱，通过切割来完成划分。
9.根据权利要求7或权利要求8中的任意一个所述的生成压力传感器(130)的方法，其特征在于，所述第一半成品片状工作部件和所述第二半成品片状工作部件(1，4)具有适合助于其随后划分为部件的切口。
10.一种平坦压阻式压力传感器(130)，其特征在于，所述平坦压阻式压力传感器(130)包括由陶瓷材料制成的平坦柔性膜(100)，所述平坦柔性膜(100)耦接至陶瓷材料制成的平坦刚性支撑件(110)，所述支撑件(110)具有第一主面(220)和第二主面(230)，所述膜(100)具有第一主面(200)和第二主面(210)，所述膜(100)的所述第一主面(200)面向所述支撑件(110)的第二主面(230)，其利用这个来限定适用于容纳膜(100)的弯曲的自由空间(34)，其特征在于，所述自由空间(34)被设置并且配置为具有这样一种厚度，该厚度足够窄以当发生实际小于破坏应力的变形时阻止膜(100)倚着所述支撑件(110)的变形。
11.根据前述权利要求所述的平坦压阻式压力传感器(130)，其特征在于，所述传感器和所述膜之间的距离由丝网糊状物的厚度来限定。
12.根据权利要求10所述的平坦压阻式压力传感器(130)，其特征在于，所述传感器和所述膜之间的距离由特殊隔板元件来限定。
【文档编号】G01L19/06GK104246462SQ201380016154
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年3月20日 优先权日:2012年3月23日
【发明者】阿西尔·科利亚蒂, 罗伯托·马伊, 彼得罗·雷戈廖西, 安吉洛·马里奥·阿达莫·阿尔伯尼科 申请人:麦克罗特尔电子技术股份公司