本公开涉及压力传感器。特别地，本公开涉及具有过压保护的压力传感器。
背景技术：
在许多压力传感器中，柔性隔膜响应于施加到隔膜顶部的压力相对于基部移动。响应于施加的压力提供可重复单调运动的隔膜是优选的。结果，晶体隔膜，诸如由晶体硅制成的隔膜已被广泛采用，因为它们响应于所施加的压力而提供单调运动，并且通常没有滞后效应。不幸的是，具有这种晶体结构的传感器具有有限的过压能力，并且传感器隔膜上的过度压力可能导致超过结晶结构的最大断裂强度的大拉伸应力。这种传感器中的故障倾向于是灾难性的，常常导致完全破碎的结构。
上面的讨论仅被提供用于一般背景信息，不意在用作帮助确定请求保护的主题的范围。所请求保护的主题不限于解决了背景技术中记载的任何或所有缺点的实施方式。
技术实现要素：
一种压力传感器，包括：基部，具有至少一个高压接触部分；以及隔膜，被定位于基部上方，并且具有背离基部的外部顶表面和面向基部的内表面。内表面包括围绕内部的凸起的周边，在内部内的凸起的中心隆起，以及凸起的隆起臂，所述凸起的隆起臂与凸起的周边邻接并从凸起的周边朝向内部延伸。在过压事件期间，凸起的隆起臂和凸起的中心隆起中的至少一个与基部的高压接触部分对准并接触。
在另一实施例中，一种传感器包括基部和具有安装在基部上的凸起的周边的隔膜。隔膜还包括在凸起的周边的内部内的凸起的中心隆起，在凸起的中心隆起和凸起的周边之间的至少一个凹部，以及与凸起的中心隆起邻接并从凸起的中心隆起延伸的至少一个凸起的隆起臂。
在又另一实施例中，压力传感器包括基部和安装在基部上的隔膜。隔膜包括限定第一内部角部的第一凹部和限定第二内部角部的第二凹部。第一内部角部通过凸起的隆起与第二内部角部分离，所述凸起的隆起的宽度等于在第一内部角部和第二内部角部之间的距离。
提供了本发明内容以介绍下面在详细描述中进一步描述的简化形式的理念的选择。本发明内容不意在标识所请求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意在用作帮助确定所请求保护的主题的范围。
附图说明
图1是压力传感器的实施例的底部透视图。
图2是图1的压力传感器的顶部透视图。
图3是根据一个实施例的压力传感器的截面侧视图。
图4是根据第二实施例的压力传感器的截面侧视图。
图5是根据第一实施例的隔膜的底视图。
图6是根据第二实施例的隔膜的底视图。
图7是根据第三实施例的隔膜的底视图。
图8是根据第四实施例的隔膜的底视图。
图9是根据第五实施例的隔膜的底视图。
图10是其中可以利用实施例的工业过程控制系统的一部分的简化图。
具体实施方式
图1提供了底部透视图，并且图2提供了根据一个实施例的压力传感器100的顶部透视图。在图1中，压力传感器100包括基部102，基部102具有位于中心的底座或支撑件104，并且可连接到在压力传感器100周围限定腔室的壳体。隔膜106被定位在基部102上方并且通过接合层108安装到基部102。沿着隔膜106的顶表面110，诸如感测元件112、114、116、118、120、122、124和126之类的一个或多个感测元件被定位成在隔膜106响应于施加到顶表面110和侧表面130、132、134和136的压力而弯曲时感测隔膜106的弯曲和/或隔膜106中的变化，所述侧表面130、132、134和136沿着在顶表面110周围的闭合周边138从顶表面110延伸。因此，侧表面围绕整个顶表面110延伸，使得隔膜106与其他结构的接触隔离，并且使得在隔膜106周围的流体可以在沿着顶表面110周围的整个闭合周边138从顶表面110向下延伸的每一个侧面上施加横向流体静力加载力。
感测元件112、114、116、118、120、122、124和126均基于隔膜106的变化而提供输出。在一些实施例中，该输出是诸如电阻或电容的电特性，其可以通过经由连接到感测元件118的电迹线(诸如电迹线140和142)施加电流和/或电压来感测。例如，当感测元件是压阻元件时，使用电迹线使电流经过压阻元件，并且基于压阻感测元件的电流或电压输出来测量压阻感测元件的电阻。尽管已经讨论了压阻感测元件，但感测元件的其他示例包括电容、光学位移感测、压电、和谐振感测是可能的。
根据一些实施例，隔膜106和基部102这二者都由各向同性或各向异性蚀刻的晶体硅晶片形成，其被图案化以提供如下所述的某些特征，然后从晶片进行划片或切割。在其他实施例中，隔膜106是多晶材料或非晶材料的形式。此外，在其他实施例中，隔膜106由氧化铝或石英、单一元素金属、两种或更多种元素的金属合金制成，或者由多种材料制成。
图3和4分别提供了代表两个不同实施例的两个压力传感器300和400的截面图。在图3中，压力传感器300包括定位在基部304上方的隔膜302。感测元件存在于隔膜302的顶部外表面334上，但是太小而不能在图3中看到。根据一些实施例，隔膜302和基部304这二者都由各向同性或各向异性蚀刻的硅晶片形成，其被图案化以提供如下所述的某些特征，然后从晶片进行划片或切割。在其他实施例中，其他材料，与如上所述的那些类似，用于隔膜302和/或基部304。基部304具有蚀刻的底座306，其用作应力隔离结构，以保持封装和安装引起的应力不影响压力传感器300的操作。底座306的底表面308安装到壳体350，使得隔膜302与压力传感器300外部的其他结构的接触隔离，并且被由壳体350限定的腔室352内的流体包围。在其他实施例中，不存在底座306，并且使用室温硫化(rtv)粘合剂的“点”将基部304的底表面的角部180、182、184和186(图1)安装到壳体350。
隔膜302具有背离基部304的顶部外表面334，内表面353，以及沿着顶表面334周围的闭合周边从顶表面334朝向基部304延伸的侧表面(诸如侧表面330和332)。因此，侧表面围绕整个顶表面334延伸，使得隔膜302与其他结构的接触隔离，并且使得在隔膜302周围的流体可以在沿着顶表面334周围的整个闭合周边从顶表面334向下延伸的每一个侧面上施加横向流体静力压力。
内表面353包括中心隆起319、隆起臂325和327以及包括具有安装表面312的安装部分或接合部分310的凸起的周边。安装表面312通过接合层314结合到基部304。在一个实施例中，接合层314是通常称为“玻璃料(frit)”的高温玻璃基接合材料。接合或安装部分310相对于隔膜302的内部部分318朝向基部304突出。
隆起319、325和327的高压接触部分320、321和323分别从内部部分318朝向基部304突出，并且通过相应的间隙322、333和335与基部304的高压接触部分324、329和331分离。在第一压力范围内，高压接触部分320、321和323不接触基部304，并且在对侧面330、332和隔膜302的顶部334所施加的压力变化的情况下，隔膜302上的感测元件提供单调的第一变化率。在压力阈值以上，高压接触部分320、321和323中的一个或多个分别在高压接触点324、329和331中的一个或多个处接触基部304。在该接触之后，隔膜302的部分用作次级可偏转区并且随着流体静力压力负载的增加而继续偏转。感测元件的输出的变化率作为接触之后增加的压力变化的函数，并且变得小于接触之前的变化率。然而，在一些实施例中，即使在隔膜302和基部304之间的接触之后，感测元件的输出的变化仍然是单调的。
根据一些实施例，间隙322、333和335的厚度由接合层314的厚度控制，使得高压接触部分320、321和323与安装部分310的外表面312齐平。
图4的压力传感器400包括定位在基部404上方的隔膜402。感测元件被定位于隔膜402的顶部外表面434上，但是太小而不能在图4中看到。根据一些实施例，隔膜402和基部404这二者都由各向同性或各向异性蚀刻的硅晶片形成，其被图案化以提供如下所述的某些特征，然后从晶片进行划片或切割。在其他实施例中，其他材料，与如上所述的那些类似，用于隔膜402和/或基部404。基部404具有蚀刻的底座406，其用作应力隔离结构，以保持封装和安装引起的应力不影响压力传感器400的操作。底座406的底表面408安装到壳体450，使得隔膜402与压力传感器400外部的其他结构的接触隔离，并且被由壳体450限定的腔室452内的流体包围。
隔膜402具有背离基部404的顶部外表面434，面向基部404的内表面453，以及沿着顶表面434周围的闭合周边从顶表面434朝向基部404延伸的侧表面(诸如侧表面430和432)。因此，侧表面围绕整个顶表面434延伸，使得隔膜402与其他结构的接触隔离，并且使得在隔膜402周围的流体可以在沿着顶表面434周围的整个闭合周边从顶表面434向下延伸的每一个侧面上施加横向流体静力压力。
内表面453包括中心隆起419，隆起臂425和427以及包括具有安装表面412的安装部分或接合部分410的凸起的周边。安装表面412结合到基部404。接合或安装部分410相对于隔膜402的内部部分418朝向底部404突出。
隆起419、425和427的高压接触部分420、421和423分别从内部部分418朝向基部404突出，并且通过相应的间隙422、433和435与基部404的高压接触部分424、429和431分离。在第一压力范围内，高压接触部分420、421和423不接触基部404，并且隔膜402上的感测元件随着对侧面430、432和隔膜402的顶表面434所施加的压力的变化而提供单调的第一变化率。在压力阈值以上，高压接触部分420、421和423中的一个或多个分别在高压接触部分424、429和431中的一个或多个处接触基部404。在该接触之后，隔膜402的部分用作次级可偏转区并且随着流体静力压力负载的增加而继续偏转。感测元件的输出的变化率作为接触之后增加的压力变化的函数，并且变得小于接触之前的变化率。然而，在一些实施例中，即使在隔膜402和基部404之间的接触之后，感测元件的输出的变化仍然是单调的。
在图4的压力传感器400中，已经去除了图3的传感器300中的接合层314和316，并且使用具有缩短的隆起419、425和427的隔膜402代替隔膜302。高压接触部分420、421和423从隔膜402的内部部分418突出与图3的高压接触部分320、321和323从内部部分318突出不一样多。结果，高压接触部分420、421和423相对于安装表面412凹进，以便在基部404的高压接触部分424、429和431与隔膜402的高压接触部分420、421和423之间提供间隙422、433和435。
在图4的实施例中，例如，隔膜402通过诸如熔融接合、阳极接合、硅合金接合或金属焊接接合之类的过程接合到基部404。对于使用阳极接合的实施例，隔膜由硅制成，而基部由离子碱玻璃制成。
图5-9提供了可以在各种实施例中用作隔膜106的各种隔膜的底视图。
图5是隔膜500的底视图，其包括凸起的周边502，凸起的周边502围绕隔膜500延伸并提供安装或接合部分，诸如图3和4的安装部分310和410，用于将隔膜安装到基部上。四个凸起的隆起臂504、506、508和510与周边502的相应部分邻接并从其朝向隔膜500的内部延伸。特别地，隆起臂504、506、508和510中的每一个从凸起的周边502的相应内侧向内延伸。凸起的中心隆起512以隔膜500的中心为中心。周边502、凸起的隆起臂504、506、508和510以及凸起的中心隆起512由凹部514、516、518、520、522、524、526和528限定。凹部中的至少一个在中心隆起512和周边502之间。每一个隆起臂504、506、508和510具有宽度530，其提供对沿着垂直于隆起臂的侧边缘(诸如隆起臂506的侧边缘532)的方向跨越隆起臂的距离的测量。
在每一个隆起臂从周界502延伸的情况下，两个凹部形成相应的内部角部，诸如由用于隆起臂506的凹部516和524形成的内部角部534和536。每一个内部角部由隆起臂的侧面和周边502的相应部分形成。例如，内部角部536由隆起臂506的侧面532和周边502的部分538形成。如本文中使用的内部角部是其中限定角部的两个侧面如跨越分离侧面的凹部所测量的相隔小于180°的角部。在图5中，隆起臂504、506、508和510中的每一个在隆起臂与周边502邻接并从周边502延伸的位置处具有两个相应的内部角部。每对内部角部被分开等于隆起臂的宽度的距离。因此，内部角部534和536被隆起臂506分开，并且距离等于隆起臂506的宽度530。在图5中，隆起臂504、506、508和510中的每一个具有与其它凸起特征分离的端部，诸如隆起臂506的端部540。
因为隆起臂均与周边502邻接并从周边502延伸，所以隔膜500中的凹部中没有一个从隔膜一侧上的周边延伸到隔膜相对侧上周边的另一部分。例如，凹部514和522从周边502的第一侧延伸，但在隆起臂506处结束。如果凹部514和522延长以延伸穿过隆起臂506，从而缩短隆起臂506并且在凹部514和522之间形成新的岛隆起，则岛隆起将具有应力集中点，该应力集中点将远高于图5所示的隔膜500的应力集中点。因此，隔膜500提供具有较低应力集中点的隔膜，因为隆起臂与凸起的周边502邻接并从凸起的周边502延伸。
图6提供了第二实施例下的隔膜600的底视图。隔膜600包括凸起的周边602，凸起的隆起臂604、606、608和610以及凸起的中心隆起612。凸起的隆起臂和凸起的中心隆起均被定位在如图3和4所示的基部上的高压接触区域上方并与其对准。隆起臂604、606、608和610中的每一个包括两个腿部(leg)，其中一个腿部与周边602邻接并且从周边602朝向隔膜600的内部延伸，并且另一个腿部与中心隆起612邻接并从中心隆起612延伸，两个腿部之间具有弯部(turn)。例如，隆起臂606包括腿部614和616，在两个腿部之间具有弯部618。隆起臂604、606、608和610的腿部从相应的内侧或凸起的周边602延伸。在这种情况下，中心隆起612用作隆起臂与其邻接的另一个凸起特征。
隆起臂604、606、608和610以及中心隆起612由凹部620、622、624、626、628、630、632和634的集合限定。如图6所示，凹部中的至少一个被定位于中心隆起612和周边602之间。
凹部为每一个隆起臂限定两个内部角部。例如，凹部624限定内部角部640，并且凹部626限定内部角部642。每一个内部角部由隆起臂的侧面和周边602的相应部分形成。例如，内部角部642由隆起臂606的侧面650和周边602的部分652形成。如本文中使用的内部角部是其中限定角部的两个侧面如跨越分离侧面的凹部所测量的相隔小于180°的角部。在图6中，隆起臂604、606、608和610中的每一个在隆起臂与周边602邻接并从周边602延伸的位置处具有两个相应的内部角部。每对内部角部被分开等于隆起臂的宽度的距离。因此，内部角部640和642被隆起臂606分开，并且距离等于隆起臂606的宽度644。
图7是代表第三实施例的隔膜700的底视图。隔膜700包括凸起的周边702，凸起的隆起臂704、706、708和710以及凸起的中心隆起712。凸起的隆起臂和凸起的中心隆起均被定位在如图3和4所示的基部上的高压接触区域上方并与其对准。隆起臂704、706、708和710中的每一个与周边702邻接并从周边702朝向隔膜700的内部延伸。具体地，隆起臂704、706、708和710中的每一个从凸起的周边702的相应内侧向内延伸。此外，隆起臂704、706、708和710中的每一个与隆起臂中的另一个相交。例如，隆起臂704与隆起臂706相交，并且隆起臂706与隆起臂708相交。因此，所有的隆起臂彼此邻接。在该上下文中，隆起臂中的每一个是隆起臂中的一个与其邻接的另一个凸起特征。
隆起臂和中心隆起712由凹部限定，诸如凹部714、716、718、720、722、724、726和728。如图7所示，凹部中的至少一个位于中心隆起712和凸起的周边702之间。凹部在隆起臂从凸起的周边702延伸的位置处限定针对隆起臂704、706、708和710中的每一个的两个内部角部。例如，凹部716和714分别限定针对隆起臂706的内部角部740和742。每一个内部角部由隆起臂的侧面和周边702的相应部分形成。例如，内部角部742由隆起臂706的侧面750和周边702的部分752形成。如本文中使用的内部角部是其中限定角部的两个侧面如跨越分离侧面的凹部所测量的相隔小于180°的角部。在图7中，隆起臂704、706、708和710中的每一个在隆起臂与周边702邻接并从周边702延伸的位置处具有两个相应的内部角部。每对内部角部被分开等于隆起臂的宽度的距离。因此，内部角部740和742被隆起臂706分开，并且距离等于隆起臂706的宽度746。
图8提供了根据另一实施例的隔膜800的底视图。隔膜800包括凸起的周边802，凸起的隆起臂804、806、808和810以及凸起的中心隆起812。凸起的隆起臂和凸起的中心隆起均被定位在如图3和4所示的基部上的高压接触区域上方并与其对准。隆起臂804、806、808和810中的每一个从凸起的周边802的两个分离部分延伸并与其邻接。例如，隆起臂804与凸起的周边802的部分814和凸起的周边802的在周边802的相对内侧上的部分816邻接并从其延伸。此外，隆起臂中的每一个与两个另外的隆起臂相交，并且因此与两个附加的隆起臂邻接。例如，隆起臂806与隆起臂804和808相交并邻接。在该上下文中，隆起臂相交的两个隆起臂是隆起臂与其邻接的其它凸起特征。
隆起臂804、806、808和810以及中心隆起812由凹部820、822、824、826、828、830、832、834、836、838、840和842限定。如图8所示，这些凹部中的至少一个位于中心隆起812和凸起的周边802之间。
在隆起臂中的每一个从凸起的周边802延伸的情况下，限定隆起臂的凹部也限定两个内部角。例如，凹部824限定内部角850，并且凹部822在凸起的周边802的部分860处限定针对隆起臂806的内部角852，而凹部828限定内部角854，并且凹部830在凸起的周边802的第二部分862处限定针对隆起臂806的内部角856。每一个内部角部由隆起臂的侧面和周边802的相应部分形成。例如，内部角部852由隆起臂806的侧面864和周边802的部分860形成。如本文中使用的内部角部是其中限定角部的两个侧面如跨越分离侧面的凹部所测量的相隔小于180°的角部。在图8中，隆起臂804、806、808和810中的每一个具有两对相应的内部角部，每对内部角部位于隆起臂与周边802邻接并从周边802延伸的位置处。每对内部角部被分开等于隆起臂的宽度的距离。因此，内部角部850和852被隆起臂806分开，并且距离等于隆起臂806的宽度870。
图9提供了在另一实施例下的隔膜900的底视图。隔膜900包括凸起的周边902，凸起的隆起臂904、906、908和910以及凸起的中心隆起912。凸起的隆起臂和凸起的中心隆起均被定位在如图3和4所示的基部上的高压接触区域上方并与其对准。隆起臂中的每一个包括三个腿部，诸如隆起臂906的腿部914、916和918。腿部914从凸起的周边902的第一部分920延伸并与其邻接，腿部918与凸起的周边902的第二部分922邻接并从其延伸，并且腿部916连接腿部914和918。第一部分920和第二部分922在凸起的周边902的相同内侧上。每一个隆起臂还包括两个弯部，诸如隆起臂906的弯部924和926，其中弯部924在腿部914和腿部916之间，并且弯部926在腿部916和腿部918之间。隆起臂904、906、908和910以及中央隆起912由多个凹部928、930、932、934、936、938、940、942、946、948、950和952限定。如图9所示，凹部中的至少一个位于中央隆起912和凸起的周边902之间。在隆起臂从凸起的周边902延伸的每一个位置处，两个凹部限定两个相应的内部角部。例如，凹部932限定内部角部960，并且凹部942限定针对隆起臂910的内部角部962。每一个内部角部由隆起臂的侧面和周边902的相应部分形成。例如，内部角部962由隆起臂910的侧面968和周边902的部分970形成。如本文中使用的内部角部是其中限定角部的两个侧面如跨越分离侧面的凹部所测量的相隔小于180°的角部。在图9中，隆起臂904、906、908和910中的每一个具有两对相应的内部角部，每对内部角部位于隆起臂与周边902邻接并从周边802延伸的位置处。每对内部角部被分开等于隆起臂的宽度的距离。因此，内部角部960和962被隆起臂910分开，并且距离等于隆起臂910的宽度964。
虽然图5-9所示的示例性隔膜包括具有直腿部的隆起，但在其它实施例中，隆起臂可以是弯曲的和/或中心隆起可以是圆形的。此外，虽然所有隆起被示出为与凸起的周边处于相同的水平，但是在其他实施例中，隆起中的一个或多个可以相对于凸起的周边处于不同的水平，并且在又另外的实施例中，隆起中的一个或多个可以在与其他隆起不同的水平处。此外，基部可以包括相对于彼此在变化的高度处的凸起的接触区域。
图10是根据一些实施例的其中使用了上述压力传感器的过程控制系统的一部分的透视图。在图10中，过程变量变送器1000通过安装构件1016安装到管道部1012的过程耦合件1010。
安装构件1016包括从过程耦合件1010延伸到隔离隔膜装配件1030的孔1020。隔离隔膜装配件1030包括将管道部分1012中的过程流体与隔离毛细管1032中携带的隔离流体隔离的隔离隔膜。隔离毛细管1032耦合到压力传感器1034，压力传感器1034采用上述压力传感器之一的形式。传感器1034被配置为测量绝对压力(相对于真空)或量表压力(相对于大气压力)并且向发射器电路1038提供电输出1036。
变送器电路1038与控制室1005通信以向控制室1005提供一个或多个过程变量，诸如绝对压力和量表压力。变送器电路1038可以使用包括有线和无线通信这二者的各种技术与控制室1005通信，所述控制室1005示出为电阻1005a和电源1005b。一种普通的有线通信技术使用所谓的双线过程控制回路1003，其中单对导线用于携带信息以及向变送器1000提供电力。一种用于传输信息的技术是通过控制在4毫安和20毫安之间的通过过程控制回路1003的电流水平。4-20毫安范围内的电流值可以被映射到过程变量的对应值。示例数字通信协议包括
尽管元件已经被示出或描述为上面分开的实施例，但每一个实施例的部分可以与上述其他实施例的全部或部分组合。
尽管已经以对结构特征和/或方法动作特定的语言描述了主题，但是应当理解的是，在所附权利要求中限定的主题不必受限于以上描述的特定特征或动作。相反，上面描述的特定特征和动作是作为用于实现权利要求的示例形式而公开的。