专利名称：传感器装置的制作方法
本明涉及一种用于测量流体的黏度、密度、浓度等的具有压电元件的传感器装置。
到目前为止，为了测量流体的黏度、密度、浓度等，一直使用一种利用诸如压电元件的振动器的传感器装置。图20A和图20B示出了这种类型的传感器装置的一个例子，在其中，图20A是该传感器装置的透视图，而图20B是沿VI__VI线取的该传感器装置的局部放大的剖面图。传感器装置40包括一个带有一个薄的振动部分14的主体12。在振动部分14的一个表面上固定有一个具有压电膜22和一对与压电膜22相接触设置的电极24a-24b的压电元件20，而振动部分14的另一表面面对被限定在该主体内部的间隙(被包围的间隙)16。
此外，与间隙16连通的引入孔18按照这样一种方式被限定在传感器装置40的顶部附近，使得由引入孔18流入间隙16的流体被引向振动部分14。压电元件20用保护盖17覆盖，以便不与该流体直接接触。
在这样构成的传感器装置40中，允许待测量的流体由引入孔18流入间隙16，以便与振动部分14接触。在这种情况下，将一个电压加到压电膜22上，使振动部分14振动，这样做的结果使得在流体黏度大的时候振动部分14的振幅变小，而在流体黏度小的时候振动部分14的振幅变大，借此可以通过检测相应于该振幅的电流来测量该流体的黏度。此外，在该流体的黏度与该流体的浓度或该流体中的成分的密度相关联时，还可以测量流体的浓度和密度。
作为上述传感器装置的一种应用，该传感器装置被安装在铅蓄电池中用于测量电解质的浓度变化。换句话说，因为在铅蓄电池中将硫酸水溶液用做电解液，并且硫酸水溶液的黏度与其密度有关，所以可以利用以上传感器装置检测其密度。此外，由于电解液的密度随蓄电池的充电和放电而变化，所以可以通过测量其密度的变化反映蓄电池的充电和放电状态。
图21示出上述传感器装置40被安装在铅蓄电池中的一种情况。多孔板(隔离器)34被置于蓄电池的一对电极32a和32b之间，而传感器装置40被嵌入多孔板34中。处于这种状态的传感器装置40被置于蓄电池箱之中，按照这样一种方式将电解液注入其中，使得电解液可以渗透到多孔板34中，以便在电极32a和32b之间充分供给电解液，并且由多孔板34渗透出的电解液进入引入孔18，流入间隙16，而后被引向振动部分14。
此外，为了使电解液如上所述那样流入间隙16，必须同时将存在于间隙16之中的空气排到外面，也就是说，利用流入的电解液取代空气。然而，在常规的传感器装置40中，当传感器装置40如附图所示那样被安装在蓄电池中的时候，与间隙16连通的引入孔18的开口端处于与多孔板34接触的状态。这使得难于排出间隙16之中的空气，并且电解液进入引入孔18是无规律的。结果，出现了难于用电解液取代间隙16之中的空气这样的问题。
提出本发明正是针对已有技术的以上问题，因此，本发明的任务是提供一种能很容易地用待测流体在间隙中取代空气的传感器装置。
为了解决以上问题，根据本发明提供了一种传感器装置，该装置包括一个带有一振动部分的主体；一个固定在所属振动部分的一个表面上并具有一个压电膜和一对与所述压电膜接触的电极的压电元件；一使流体可以通向所述振动部分的另一表面的间隙；以及与所述间隙连通的引入孔；其中，所述传感器装置呈长型，并且由设置在所述传感器装置的表面上、以便基本连续地由所述的引入孔的周边一直延伸到所述传感器装置的后端部分(在远离所述引入孔一侧的端部)的隆起部分在该传感装置的表面上形成一个在其范围内包含了至少一个处在传感器装置的表面侧(流体流入侧)上的引入孔的开口端并延伸至该传感器装置的后端部分的凹槽。
此外，根据本发明提供了一种传感器装置，该装置包括一个带有一振动部分的主体；一个固定在所述振动部分的一个表面上、并具有一个压电膜和一对与所述压电膜接触的电极的压电元件；一使流体可以通向所述振动部分的另一表面的间隙；以及若干个与所述间隙连通的引入孔；在其中，所述传感器装置呈长型，并且提供了多个引入孔，由设置在所述传感器装置的表面上的一隆起部分形成的在其范围内至少包含若干处在该传感器装置的表面侧上的一部分引入孔的开口端并连续延伸直到该传感器装置的后端部分的第一凹槽和在其范围内至少包含若干处在该传感器装置的表面侧上的另外一些引入孔的开口端的第二凹槽，按照这样一种方式用一个罩构件覆盖该隆起部分，使得由所述隆起部分、所述罩构件和所述第一凹槽形成只在该传感器装置的后端部分(处在离开引入孔的一侧的一端部分)的一侧开口的圆筒间隙，并且所述第一凹槽和所述第二凹槽彼此隔绝。
此外，根据本发明还提供了一种传感器装置，该装置包括一个带有一振动部分的主体；一个固定在所述振动部分的一个表面上并具有一个压电膜和一对与所述压电膜接触的电极的压电元件；一个被限定在所述主体之内并允许流体通向所述振动部分的另一表面的间隙以及若干与所述间隙连通的引入孔；在其中，所述传感器装置成长形，所述间隙形成一个圆筒形间隙并具有一个在所述圆筒形间隙的一个端部开口的排气孔。
从以下结合附图所做的说明可以使本发明以上的和其他的任务和特点变得更加清楚。
在这些图中，
图1A和图1B是显示根据本发明的一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图1A是该传感器装置的透视图，而图1B是该传感器装置沿图1A的I-I线所取的局部放大了的横剖视图；图2是显示根据本发明的另一个实施例的传感器装置的透视图；图3是显示根据本发明的一个实施例的传感器装置的透视图；图4A和图4B是显示根据本发明的又一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图4A是该传感器装置的透视图，而图4B是该传感器装置沿图4A的II-II线所取的局部放大了的横剖视图；图5是显根据本发明的又一个实施例的传感器装置的局部放大了的横剖视图；图6A和图6B是显示根据本发明的又一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图6A是该传感器装置的透视图，而图6B是该传感器装置沿图6A的III-III线所取的局部放大了的横剖视图；图7A和图7B是显示根据本发明的又一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图7A是该传感器装置的透视图，而图7B是该传感器装置沿图7A的IV-IV线所取的局部放大了的横剖视图；图8A和图8B是显示根据本发明的又一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图8A是该传感器装置的透视图，而图8B是该传感器装置沿图8A的V-V线所取的局部放大了的横剖视图；图9是显示本发明的传感器装置装在电池中的状态的横剖视图；图10是显示本发明的传感器装置装在电池中的状态的横剖视图；图11A至图11C是显示根据本发明的又一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图11A是该传感器装置的平面图，图11B是该传感器装置沿B-B线所取的横剖视图，而图11C是该传感器装置沿A-A线所取的横剖视图；图12A至图12C是显示根据本发明的又一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图12A是该传感器装置的平面图，图12B是该传感器装置沿B-B线所取的横剖视图，而图12C是该传感器装置沿A-A线所取的横剖视图；图13A至图13C是显示根据本发明的又一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图13A是该传感器装置的平面图，图13B是该传感器装置沿B-B线所取的横剖视图，而图13C是该传感器装置沿A-A线所取的横剖视图；图14A至图14C是显示根据本发明的又一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图14A是该传感器装置的平面图，图14B是该传感器装置沿B-B线所取的横剖视图，而图14C是该传感器装置沿A-A线所取的横剖视图；图15A至图15C是显示根据本发明的又一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图15A是该传感器装置的平面图，图15B是该传感器装置沿B-B线所取的横剖视图，而图15C是该传感器装置沿A-A线所取的横剖视图；图16A至图16D是显示根据本发明的又一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图16A是该传感器装置的平面图，图16B是该传感器装置沿B-B线所取的横剖视图，图16C是该传感器装置沿A-A线所取的横剖视图，而图16D是该传感器装置沿A′-A′线所取的横剖视图；图17A至图17C是显示根据本发明的又一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图17A是该传感器装置的平面图，图17B是该传感器装置沿B-B线所取的横剖视图，而图17C是该传感器装置沿A-A线所取的横剖视图；图18A至图18C是显示根据本发明的又一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图18A是该传感器装置的平面图，图18B是该传感器装置沿B-B线所取的横剖视图，而图18C是该传感器装置沿A-A线所取的横剖视图；图19A至图19C是显示根据本发明的又一个实施例的传感器装置的示意图，在其中，图19A是该传感器装置的平面图，图19B是该传感器装置沿B-B线所取的横剖视图，而图19C是该传感器装置沿A-A线所取的横剖视图；图20A至图20B是显示根据常规的传感器装置的一个例子的示意图，在其中，图20A是该传感器装置的透视图，而图20B是该传感器装置沿VI-VI线所取的局部放大了的横剖视图；以及图21是显示常规的传感器装置装在电池中的状态的横剖视图。
现在，我们将参考附图更详细地说明本发明的一些优选的实施例。
图1A和图1B示出了一个这种类型的传感器装置的例子，在其中，图1A是该传感器装置的透视图，而图1B是该传感器装置沿图1A的I-I线所取的局部放大了的横剖视图。如图所示，根据本发明的传感器装置10就其基本结构而言包括一个带有一个振动部分14的主体12；一个固定在该振动部分14的一个表面上并具有一个压电膜22和一对与所述压电膜22接触的电极24A和24B的压电元件20，一使流体可以通向所述振动部分14的另一表面的间隙16；以及若干与间隙16连通的引入孔18，如在上述常规的传感器装置中那样。
除去以上基本结构之外，根据本发明的传感器装置包括一个限定在传感器装置10的表面上的突起部分13作为其特征结构。隆起部分13基本上连续地由引入孔的周边延伸到该传感器装置的后端部分10′(处在远离引入孔18的一侧的端部)并分布以形成凹槽15。在其凹槽形成区之中该传感器装置的表面侧(流体流入侧)凹槽15至少包含有若干引入孔18的开口端并连续地形成该传感器装置的后端部分10′。
图9示出了一个上述传感器装置10被安装在一个铅蓄电池中的状态。传感器装置10是按照这样一种方式设计的，使得至少形成引入孔的顶部被嵌入于插在电池的电极32A和32B之间的多孔板34中。在这种情况下，其中渗入作为待测电解液的流体的多孔板34与隆起部分13接触但是不与处在凹槽15的形成区中的该传感器装置的表面侧上引入孔18的开口端接触。此外，隆起部分13允许在凹槽15和多孔板34之间限定一个圆筒状间隙，以便由引入孔18的开口端向该传感器装置的后端10′延伸。
圆筒状间隙允许由多空板34透过的电解液保存在其中，以便调节电解液向引入孔18的进入量，并起排气管作用。换句话讲，间隙16中的气体在电解液流入间隙16时由引入孔18被排放到上述圆筒状间隙中，这样就很容易地用电解液取代间隙16中的气体。
在本发明中，限定在传感器装置的表面上的隆起部分13的高度等于或大于0.1mm是可取的，更为可取是等于或大于0.3mm。由隆起部分13形成的凹槽15的宽度等于或大于0.1mm是可取的，更为可取是等于或大于0.5mm。应该注意到，隆起部分13的高度h和宽度w相对于传感器装置10的纵向分别可能不是恒定不变的。就传感器的响应而言，传感器装置的顶部(引入孔18的周边)的隆起部分的高度最好较高。另一方面，电解液引入引入孔18最好较少。
图2示出一个根据本发明的一个实施例的凹槽15的宽度可变的传感器装置。图3示出一个根据本发明的另一个实施例的带有被隆起部分13分叉的凹槽15的传感器装置。如果要从间隙16中排除气体，那么最好增加圆筒状间隙的横截面。然而，如果凹槽的宽度过宽，那么，多孔板就被插入凹槽15，结果反而使得圆筒状间隙的横截面积减少。如图3所示，如果凹槽15被分叉，那么就使分叉部分各自的宽度变窄，以便防止多孔板被插入凹槽15中。此外，还可以增加在相应的分叉部分中的圆筒状间隙的总的横截面积。
如图9所示，在本发明的传感器装置10被装在电池中的情况下，最好按照如下一种方式不将传感器装置10完全嵌入多孔板34中，即将其后端部分(在远离引入孔18的一侧的端部)10′定位于没有电解液的间隙部分中。由于凹槽15连续形成直至传感器装置的后端部分10′，所以传感器装置10的后端部分10’′就被置于没有电解液的间隙中，于是可以形成一个连续的从间隙16延伸到没有电解液的间隙的通道。结果，间隙16中的气体容易排出。
此外，如图10所示，传感器装置10可以在它的一个表面与电池的电极接触的状态下安装在电池中。在这个例子中，处在设置有隆起部分13的一侧的传感器装置10的表面与电极32A接触，而在这种情况下，圆筒状间隙是由电极32A的内表面、隆起部分13和凹槽15构成的。应该注意到，与图10所示例子相反，传感器装置10可以在它的处于处在未形成隆起部分13的一侧的表面与该电极接触的状态下安装在电池中，但是，在隆起部分13的高度保持不变的情况下，该传感器装置最好按照这样一种方式来设置，使得隆起部分13与上述电极接触。这是因为间隙部分得到了充分的保证。
此外，在本发明中，如图4A的透视图和图4B的局部放大了的沿图4A的II-II线所取的横剖面图所示，用一个罩构件19覆盖隆起部分13，使得由隆起部分13、罩构件19和凹槽15形成圆筒状间隙。例如，由于采用了上述结构，当传感器装置安装在电池中时就可以防止多孔板被插入凹槽中阻断该间隙，于是就保证了气体排放间隙，并提高了传感器装置的安装自由度。
应该注意到，传感器装置10的顶部在位置上并不总需要与罩构件19的顶部一致，如图5所示，传感器装置10和罩构件19两者的顶部在位置上可以偏离。然而，从该装置的下表面看去至少引入孔18的一部分最好用罩构件19覆盖。而且，有罩构件19和主体12形成的顶部的开口并不总限于图中所示顶部，也可以设置在顶部的侧面，并且更为可取是把开口限定在排列有多个引入孔的方向上。此外，最好使开口部分的厚度小于用于引入待测流体的引入孔的厚度。
进一步讲，罩构件19的厚度不必总是均匀的。例如，如图6A的透视图和图6B沿图6A的III-III线所取的局部放大了的横剖面图所示，可以使处在传感器装置的顶部侧的罩构件19的厚度减薄。在这种情况下，当改变在传感器装置的顶部形成的圆筒状间隙的长度时容易加工。
更进一步讲，根据本发明，提供了一种具有图7A的透视图和沿图7A的VI-VI线所取的图7B横剖面图所示的结构的传感器装置作为一种可以确定地和容易地在间隙中用电解液取代气体的传感器装置。与以上传感器装置类似，这个传感器装置具有处在传感器装置的表面上的隆起部分13以便形成凹槽。然而，这个传感器装置具有由第一凹槽15a和第二凹槽15b构成的两个不连续的凹槽。
此外，传感器装置10包括多个引入孔，而第一凹槽15a包含作为引入孔18在凹槽15a的区域内在传感器装置的表面侧的部分的引入孔18a的开口端并且连续地延伸直到该传感器装置的后端部分(远离引入孔一侧的端部)10′。另一方面，形成第二凹槽15b以便容纳至少作为其他的引入孔在凹槽15b的区域内在传感器装置的表面侧的部分的引入孔的开口端。
用罩构件19覆盖隆起部分13并由隆起部分13、罩构件19和第一凹槽15a形成圆筒状间隙。该圆筒状间隙只在传感器装置的后端部分10′一侧是开口的。第一凹槽15a和第二凹槽15b不是连续形成的，并且被隆起部分13和罩构件19相互隔开。
将这样构成的传感器装置10按照这样一种方式安装到电池中，使导其后端部分10′位于没有电解液的间隙中，而后将电解液注入其中。结果，由多孔板渗透过来的电解液存留在第二凹槽15b中并进入引入孔18b中，使电解液流入间隙16。然而，电解液并没有进入由隆起部分13、罩构件19和第一凹槽15所构成的圆筒状间隙。这样由于引入孔18a没有被电解液阻塞，所以间隙16中的气体在电解液从引入孔18b流入间隙16时肯定会通过引入孔18a被排入圆筒状间隙。
换句话讲，在这个例子的传感器装置中，该多个引入孔被划分为用于将电解液引入间隙16的引入孔18b和用于排放间隙16中的气体的引入孔18a，使得它们的作用被划分开。结果，用电解液排出间隙中的气体无疑更容易进行。
图8A和图8B是表示根据本发明的另一个实施例的传感器装置的透视图和表示沿图8A的V-V线所取的传感器装置的局部放大的剖视图。在这些图中，对于第一凹槽15a和第二凹槽15b沿传感器装置10的纵向排列，相应的凹槽形成区是按照这样一种方式构成，该方式使得处在传感器装置表面侧的引入孔18a和18b的开口端分别被一个接一个地设置在它们的凹槽形成区。
而后，在本发明中，如图11至16所示，可以形成具有如下结构的传感器装置，该结构在其中有一个间隙形成一个圆筒状间隙并具有一个在它的一个端部开口的排气部分。
在具有这种结构的传感器装置10中，在主体12之中形成的间隙16形成一个圆筒状间隙，并设置了一个在间隙16(圆筒状间隙)的一个端部开口的排气孔26。应该注意，参考数字28表示将流体引入间隙16的排气孔26。图11A、12A、13A、14A和15A分别是显示不同传感器装置的平面图；图11B、12B、13B、14B和15B分别是显示沿B-B线所取的传感器装置的横剖面图；而图11C、12C、13C、14C和15C分别是显示沿A-A线所取的传感器装置的横剖面图。图16A是显示另一个传感器装置的平面图，图16B是显示沿B--B线所取的传感器装置的横剖面图，图16C是沿A-A线所取的显示传感器装置的横剖面图，而图16D是沿A′-A′线所取的显示传感器装置的横剖面图。
那些传感器装置10按照这样一种方式被安装在铅蓄电池中，这种方式使得其后端部分10′的位置处在没有电解液的一个间隙中，而后注入电解液。结果，电解液从引入孔28流出，间隙16之中的气体在间隙16的圆筒状间隙中上升，而后在电解液流入间隙16时从开口在圆筒状间隙的上端部分的排气孔26被排出。
图11A至图11C示出传感器装置的一种基本结构，在这种结构中一间隙形成一圆筒状间隙，这是间隙16形成简单的圆筒状间隙的一个例子。在图12A至图12C中所示传感器装置是拉细部分在部件27对应于压电元件20和其他部分29和29′的边界上被制作成间隙16的一个例子。在图13A至图13C和图14A至图14C中所示的传感器装置分别示出了若干经过改进的图12A至图12C的例子。图13A至图13C示出了一个例子，在这个例子中，除去相应于压电元件20的部分之外间隙16的部分29和29′的横截面面积同相应于压电元件20的部件27的横截面面积相比被放大了，图14A至图14C示出了一个例子，在这个例子中，与连通孔28连通的间隙16的部分29′横截面面积被放大了，而与排气孔26连通的间隙16的部分29的横截面面积被缩小了。
在图15A至15C中所示的传感器装置示出一个例子，在这个例子中，与间隙16连通的引入孔28不是限定在圆筒状间隙的下端部分，而是在其下端部分的侧面。在图16A至16D中所示的传感器装置示出一个例子，在这个例子中，拉细部分36的横截面面积比在图12中更为缩小。
在相应于压电元件20和其他部分29，29′的部件27的边界上设置拉细部分36使得外部环境(例如振动)的变化难以对部分27之中的流体产生不利的影响，从而可以更可靠的地保持传感器的功能。
根据图11A至16D所示的传感器装置，由于它们具有间隙形成圆筒状间隙的结构，所以它们具有这样的优点，即其制造工艺比图1A至图8B中所示的设置隆起部分的结构或设置隆起部分和罩构件的结构要简单。此外，由于由引入孔28通过间隙16延伸到排气孔26的流体的流动通道是直的，所以间隙16中的气体更容易被排出。
更进一步讲，图11A至图16D所示的传感器装置比图1A至图8B所示的传感器装置更有利于控制流体通过流动通道的阻力。换句话讲，在图1A至图8B中所述的传感器装置中，在利用引入孔18的直径和形成引入孔18的构件的厚度控制流体通过流动通道的阻力的情况下，为了测量低粘度的流体，需要减小引入孔18的直径和增加该构件的厚度。然而，又出现了这样一些问题，即从加工精度的观点看来，减小引入孔18的尺寸受到限制，并且也不能减小传感器装置的厚度。
另一方面，在图11A至图16D所示的传感器装置中，由于调节流体通过的阻力的间隙是在主体12中形成的圆筒状间隙，所以根据待测流体的特性(例如黏度)通过调节间隙16的横截面积和长度可以很容易地控制流体通过流动通道的阻力，尤其是即使在间隙16被加长流体通过流动通道的阻力增加的情况下，也可以减小传感器装置的厚度。
图17A至19C分别示出了若干四层结构的例子作为构成具有形成于其内部的间隙16的主体12的层状结构，该结构比图11A至图16D所示的传感器装置加厚一层。应该注意，图17A、18A和19A分别示出该传感器装置的若干平面图，图17B、18B和19B分别示出了若干沿图17A、18A和19A的B-B线所取的横剖面图，图17C、18C和19C分别示出了若干沿A-A线所取的横剖面图。
图11A至图16D所示的传感器装置作为构成主体12的层状结构通常具有一种三层的结构，该结构包括由形成振动部分(它的一部分被设置用于固定压电元件20)14的薄板层构成的第一层42，具有在该叠层烧结后形成间隙16的窗口的第二层44和用于保护该窗口的第三层46。在这种情况下，具有窗口的第二层44形成在由薄板层构成的第一层42上，而第二层44和第三层46是由强度弱的的第一层42保持的。因此，在图17A至19C所示的传感器装置中，仅在相应于压电元件20的部分27上具有一窗口(该窗口在叠层被烧结后形成间隙16)的第二层50被置于形成薄板层的第一层42上，而后具有与间隙16连通的窗口(该窗口上在叠层被烧结后形成一圆筒状间隙)第三层52被叠置在第二层50上，再其后用于保护形成圆筒状间隙的窗口的第四层54被叠置在第三层52上。由于采用了以上结构，起支撑层作用的第二层50被设置在除相应于压电元件20的部分27之外的由薄板层构成的第一层42上，结果，得到从整体上在强度和使用期限方面取得改进的传感器装置。
图17A至图17C中所示的传感器装置示出了一个例子，在该例子中，只有窗口和与间隙16连通的一部分在具有与间隙16连通的窗口的第三层52中是占有空间的。图18A至图18C中所示的传感器装置示出了一个例子，在该例子中，窗口和相应于压电元件20的一部分是占有空间的，并且在具有与间隙16连通的窗口的第三层52中在该窗口和相应于压电元件20之间提供了一细长的连通间隙。此外，图19A至图19C中所示的传感器装置示出了一个例子，在该例子中，只有与间隙16连通的一部分在具有与间隙16连通的窗口的第三部分52中是占有空间的，相应于压电元件20的一部分未加防护，而一个延伸到间隙16的引入孔28形成在保护窗口的第四层54中。
应该注意，相应于压电元件20的那部分最好设置在相对低的位置。换句话讲，将压电元件部分置于传感器装置中相对低的位置上具有下述优点。在传感器装置被安装在电池中的情况下，电解液的量少，压电元件部分可以充入这些电解液。即使电解液被抽出，压电元件部分仍然最后变空，这样使得电解液难以流失。在比压电元件部分更靠上的一部分所引起的电解液对形成圆筒状间隙的壁表面的吸附起到一种抵抗吸出力的作用，从而使电解液难以流失。
以上说明是根据本发明的传感器装置被安装在铅蓄电池中的例子作出的。然而，本发明的传感器装置并不限于这样的应用，而且还可以用于该传感器装置被安装在其他种电池中的场合，或不安装在电池中的场合。不用说待测流体也不限于电解质。也就是说，本发明的传感器装置可用于测量各种不同流体(例如，以酸—碱溶剂，各种水溶液，使用有机试剂的溶剂或有机溶剂等等)的各种不同的流体特性。
接下去，将更详细地说明在本发明的传感器装置中的相应的部件的结构。
在本发明中，间隙16被限定在主体12上，结果使振动部分14变薄，与间隙16连通的引入孔18也被限定在主体12上。间隙16的形状不作具体限定。
振动部分14最好呈板状，因为板状适合与于振动。在这种情况下，板的厚度设定在1至100μm是可取的，更可取的是3至50μm，最为可取的是5至20μm。当板的厚度超过100μm时，敏感度变差，当厚度小于1μm时，机械强度变差。
压电元件20被固定在振动部分14的一个表面(与朝向间隙16的表面相反的一面)上。压电元件20包括压电膜22和一对与压电膜22接触的电极24a、24b。当通过这对电极把电压加在压电膜22上时，就产生介电极化，结果压电元件20在压电膜22和振动部分14的宽度方向上与振动部分14一起发生变形振动。
压电膜22的厚度设定为1至100μm是可取的，更可取的是5至50μm，而最为可取的是5至30μm。当压电膜22的厚度超过100μm时，敏感度变差，而当其小于1μm时，可靠性难以得到保证。
压电膜22可以是致密的或多孔的，当它是多孔的时，其空隙度最好设定为等于或小于40％。此外，压电膜22可以由一层构成，或由包括两层或更多层的叠层结构构成。当它是由包括两层或更多层的叠层结构构成时，相应的这些层可以是横向设置或垂直设置。大机电极24a和24b的厚度要根据它的用途适当设定，但最好设定为0.1至50μm。
压电元件20通常用保护盖17覆盖。在测量强酸(例如硫酸)或强碱(例如氢氧化钠水溶液)的流体的情况下，保护盖17可以使压电元件20与那些流体隔离开。
在根据本发明的传感器装置中，将电压加到压电元件上使压电元件和振动部分振动，借此使与振动部分接触的流体振动。而后，压电元件的压电膜将振动变换为电信号，并在其后通过与压电膜接触安装的电极输出这些电信号。例如，在与流体接触时将电压加到压电元件20上使压电元件20和振动部分14振动。
而后，检测通过压电元件20的电极24a和24b的检测电流，从而得到有关压电元件20的阻抗、相位、电阻、电抗、导纳、电导、电纳、电感、电容、介电损失等等值以及与这些值相关的频率(共振频率)值有关的信息。因为这些信息与流体特性(例如黏度)有关，所以可以检测流体的这些特性。
在本发明中，具有振动部分14的主体12最好是用陶瓷制作的。例如，可以使用稳定的氧化锆、氧化铝、氧化镁、富铝红柱石、氮化铝、氧化硅、玻璃、或其他类似材料作为主体12的材料。稳定的氧化锆是最为可取的，因为尽管振动部分薄，但是其机械强度高，刚度高，与压电膜和电极几乎不发生化学反应，等等。
对构成降起部分13、保护盖17和罩构件19的相应的材料不做具体限制，例如，它们可以与主体12的材料相同。主体12、隆起部分13、保护盖17、和罩构件19可以按照这样一种方法作成一体，该方法使得相应的构件彼此组装在一起并在模制后将它们烧结。另外，还可以用玻璃、有机黏合剂或其他类似材料将相应的构件或这些构件的部件彼此粘接在一起。
压电膜22用压电陶瓷制造是恰当的，但是也可以用电致伸缩陶瓷或铁电陶瓷来制造。制造压电膜22的材料可能需要进行极化处理，也可能不需要进行极化处理。
例如，用做压电膜的陶瓷可以含有以下成分锆酸铅、铅镁铌酸(leadmagnesium niobic acid)、铅镍铌酸(lead nickel niobic acid)、铅锌铌酸(lead zine niobic acid)、铅锰镍铜合金铌酸(lead manganinniobic acid)、铅锑锡酸(lead antimonic stannic acid)、铅钛酸(lead titanium acid)、铅锰钨酸(lead manganic tungsten acid)、铅钴铌酸(lead cobalt niobic acid)、钛酸钡或其他类似材料，或含有上述材料的任意的组合物成分的材料。
此外，压电膜还可以是适当加入以下成分的上述陶瓷，这些成分包括镧、钙、锶、钼、钨、钡、铌、锌、镍、锰或类似元素的氧化物，或是以上材料的任意组合，或是其他成分。例如，除去含有镧或锶的陶瓷之外，还使用主要含有包括铅镁铌酸，锆酸铅，铅钛酸的成分的陶瓷。
电极24a最好在室温下为固体并且是用导电金属制造的。例如，可以使用单质金属或含有以下金属的合金，这些金属包括铝、钛、铬、铁、钴、镍、铜、锌、铌、钼、镥、铑、银、锡、钽、钨、铱、铂、金、铅或其他类似金属元素。
电极24b最好是用含有高熔点的金属(例如铂、镥、铑、钯、铱、钛、铬、钼、钽、钨、镍、钴或其也金属元素)的合金制成。这是因为在对压电膜进行热处理的时候电极24b被暴露在高温下，因此，它最好是用能耐高温氧化环境的金属制成。此外，它还可以用含有那些高熔点金属的水泥和陶瓷(例如氧化铝，氧化锆)，氧化硅或玻璃制成。
以下将说明制造本发明的传感器装置主体的方法。
通过利用热压粘结或类似的工艺，然后烧结叠层的方式将原材料板或原材料带的模制层叠合，可以使主体一体化。例如，在图1A和图1B所示的主体12中，将三层原材料板或原材料带叠合并且在那些层被叠合之前在第二层上确定一个形成间隙16的预定形状的通孔。
所述模制层是通过利用模具加压模制、浇铸模制、注射模制或类似工艺制成的，而后，可以通过机械加工(例如切削加工、磨削加工、激光加工、冲模冲压(punchinh die press machining)或其他加工工艺在模制层上形成间隙或其他结构。这些模制层厚度可能彼此不同，但是，相应层的厚度最好设定得使由于烧结而产生的收缩程度相同。
关于在振动部分14上形成压电元件20的方法，有这样一种方法，该方法包括通过使用模具的加压模塑法或使用原始浆料的加压模塑法模制压电体，通过热压粘结将尚未烧结的压电体叠置在尚未烧结的基底的振动部分上，以及将叠放好的中间产物同时烧结，以形成基底和压电体。在这种情况下，必须预先通过将在下面说明的一种成膜方法在基底或压电体上形成电极。
要根据形成压电膜的材料适当确定压电膜的烧结温度，但是，该温度通常为800至1400℃，最好为1000至1400℃。在这种情况下，为控制压电膜的组成，压电膜最好是在存在压电材料的蒸汽源的条件下烧结。
另一方面，按照该成膜方法，电极24b、压电膜22和电极24a按照所说的这种顺序叠置在振动部分14上，形成了压电元件20。被适当采用的有一种已知的成膜方法，例如，厚膜法(例如网板印刷法)，涂敷法(例如浸渍法、离子束法、溅射法、蒸汽沉积法、离子镀法、化学蒸汽沉积法(CVD))、薄膜法(例如电镀法)或类似方法。然而，本发明的成膜法并不限于这些方法。在这些方法中，最为可取的是网板印刷法，因为这种方法使得可以稳定地制造这种膜。
如果压电膜是通过以上所述的方法形成，那么压电元件和振动部分可以相互整体粘结，而不必使用黏合剂，因此，可靠性和再现性极为良好，并有利于进一步整体化。结果，上述方法极为可取。此外，这种膜的形状是按照适当的图案形成的。这种图案是利用网板印刷法、照相平板印刷法或其他类似的方法形成的。另外，不必要的部分利用机械加工方法(例如激光加工法、或超声波加工法)除去，使压电膜形成一定图形。
如上所述那样在基底上形成的相应的膜(22、24a和24b)在每一次每个膜形成的时候都要进行热处理使得相应的膜与基底形成一体。另外，这些膜在它们形成以后还要一齐进行热处理，结果，这些相应的膜被粘结在基底上形成一体。应该注意，在利用薄膜法形成电极的情况下，为了使这些电极一体化并不总需要热处理。
如上所述，根据本发明，在待测流体与振动部分接触的间隙中，该间隙中的气体易于被待测流体取代，借此可以很容易地在该间隙之内引入待测流体。
为了举例说明和描述本发明，前面业已对本发明的一个优选的实施例进行了说明。在这里并不打算做到毫无遗漏或者将本发明限定为所公开的精确形式，根据以上教导可以作出各种改进和变化，这些改进和变化也可以从本发明的实践中获得。选择和说明这个实施例的目的是为了解释本发明的原理和它的实际应用，使本领域专业技术人员能按照各种实施例和借助于适合预期的具体的应用的各种改进来利用本发明。意图是由本说明书所附的权利要求书及其等同物来限定本发明的范围。
权利要求
1.一种传感器装置，该装置包括一个带有一振动部分的主体；一个固定在所述振动部分的一个表面上并具有一个压电膜和一对与所述压电膜接触的电极的压电元件；一个使流体可以通向所述振动部分的另一表面的间隙；以及一些与所述间隙连通的引入孔；其中，所述传感器装置呈长型，并且由设置在所述传感器装置的表面上、以便基本连续地由所述的引入孔的周边延伸到所述传感器装置的后端部分的隆起部分在所述传感器装置的表面上形成一个在其范围内包含了至少一个处在该传感器装置的表面侧上的引入孔的开口端并延伸至传感器装置后端部分的凹槽。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于所述的隆起部分被一个罩构件覆盖，由所述的隆起部分、所述的罩构件和所述的凹槽构成一个圆筒状间隙。
3.一种传感器装置，该装置包括一个带有一振动部分的主体；一个固定在所述振动部分的一个表面上并具有一个压电膜和一对与所述压电膜接触的电极的压电元件；一个使流体可以通向所述振动部分的另一表面的间隙；以及一些与所述间隙连通的引入孔；在其中，所述传感器装置呈长型，并且提供了多个引入孔，由设置在所述传感器装置的表面上的一隆起部分形成在其范围内至少包含若干处在该传感器装置的表面侧上的一部分引入孔的开口端并连续延伸直到该传感器装置的后端部分的第一凹槽和在其范围内至少包含若干处在该传感器装置的表面侧上的另外一些引入孔的的开口端的第二凹槽，按照这样一种方式用一个罩构件覆盖该隆起部分，使得由所述隆起部分、所述罩构件和所述第一凹槽形成只在该传感器装置的后端部分的一侧开口的圆筒间隙，并且所述第一凹槽和所述第二凹槽彼此隔绝。
4.一种传感器装置，该装置包括一个带有一振动部分的主体；一个固定在所述振动部分的一个表面上并具有一个压电膜和一对与所述压电膜接触的电极的压电元件；一个使流体可以通向所述振动部分的另一表面的间隙；以及一些与所述间隙连通的引入孔；在其中，所述传感器装置呈长型，所述间隙形成一个圆筒形间隙并具有一个开在所述圆筒形间隙的一个端部的排气孔。
5.根据权利要求4所述的传感器装置，其特征在于所述的间隙具有若干形成在相应于所述的压电元件的一部分和另外一些部分的边界上的拉细部分。
全文摘要
传感器装置10,包括带振动部分14的主体12、固定在振动部分一表面上并有压电膜22和一对与压电膜接触的电极24A和24B的压电元件20、使流体可通向振动部分另一表面的间隙16、和与该间隙连通的引入孔18。传感器装置呈长型,由设在该装置表面上、以便基本连续地由引入孔周边延伸到该装置后端部分10’的隆起部分13形成一个在其范围内包含了至少一个处在装置表面侧上的引入孔开口端并延伸至该装置后端部分的凹槽15。
文档编号G01N11/16GK1173642SQ9711492
公开日1998年2月18日 申请日期1997年5月22日 优先权日1996年5月22日
发明者滑川政彦, 柴田和义, 武内幸久 申请人:日本碍子株式会社