压力测量单元的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压力测量单元，其具有弹性测量膜，其中测量膜可以第一压力在第一侧上接触，并且可以第二压力在背向第一侧的第二侧上接触，其中测量膜可根据第一压力和第二压力之间的差偏移，其中测量膜压密地将面向测量膜第一侧的第一体积与面向测量膜第二侧的第二体积隔离，其中该压力测量单元还包括换能器，用于将测量膜的压力相关偏移转换为电或光学信号。
【背景技术】
[0002]例如，在WO 2011/006741 AU EP O 373 536 A2 和 WO 2011/003730 Al 中以及在本文中提及的文献中公开了本发明领域的压力测量单元。Pfeifer和WerthschUtzky在〃Drucksensoren (Pressure Sensors) 〃，Berlin, 1989中解释了电换能器原理的总览和测量膜变形和导致机械应力的说明。应明白，所述公开中的命名不统一。根据WO 2011/006741AUffO 2011/003730 Al或本发明的测量膜为板，特别是在Pfeifer和Werthschiltzky或EPO 373 536 A2的意义上是圆形板。
[0003]测量膜的问题在于它们的有限过载抵抗力。另一方面，测量膜应足够地薄，以便在期望测量范围内以可用振幅偏移，并且另一方面，它们应经受过载压力，过载压力可能为测量范围的几倍。
[0004]然而，为了能够充分地应用敏感测量膜，已知对测量膜过载保护的方法，其包括在过载的情况下支撑，例如由膜床支撑。在该情况下，应在超过正压力的限制值的情况下，至少充分地将测量膜支撑在膜床上，以便即使在另外的压力升高的情况下，也不达到测量膜的破裂应力。为此，特别适合的是非球面膜床，其接近于正压力限制值时的测量膜弯曲线。在 US 4，458，537、DE 10 2009 046 229 AU US 7, 360, 431 B2、DE 10 2010 028 773 Al、JP10078366A和US 5，381，299中公开了相应的膜床。EP O 373 536 A2公开了一种压力传感器，其在过载的情况下向测量膜的环状支撑提供支撑环。
[0005]DE 10 2010 028 504 Al公开了一种压力传感器，其采用具有平表面的平台，以及在静止位置时具有面向平台的凹表面的测量膜。当测量膜被来自背向平台一侧的压力加载朝着平台偏移时，静止位置的凹表面就精确地采取平面形状的偏移度，在该情况下，测量膜接触平台。通过这种方式，实现了对测量膜的全表面支撑，并且可靠地防止了测量膜中的机械应力的进一步升高。在EP 0439 494 BI中描述了一种类似的方法。与凹区域相比，测量膜另外包括更薄的环状边缘区域，其围绕该凹区域。所以，膜更易于偏移，并且测量膜给定偏移情况下的边缘区域中的最大应力小于凹轮廓不间断地连续至测量膜的外边缘情况下将产生最大应力。
[0006]虽然所有上述方法都在特定程度上满足它们的目的，但是结构更复杂，并且因此伴随着制造成本升高。因此，本发明的目标在于提供一种简单、有过载抵抗力的压力测量单
J L.ο
【发明内容】
[0007]根据本发明，由独立权利要求1中限定的压力测量单元实现该目标。
[0008]本发明的压力测量单元的特征在于下列特征，包括在测量膜的平衡状态下，测量膜在至少处于径向边缘区域的至少测量膜的表面处具有压应力，在所述边缘区域中，在压力加载下在测量膜的偏移状态下，发生最大张应力。
[0009]术语“平衡状态”描述了测量膜的一种状态，其中在测量膜的两侧上存在相同压力。
[0010]在本发明的进一步发展中，其中测量膜具有压应力的径向区域从最小半径rmin至少向外延伸至可偏移区域的外半径a。
[0011]在本发明的进一步发展中，最小半径和可偏移区域的外半径之间的KrniilZra不小于0.6，特别是不小于0.7。
[0012]在本发明的进一步发展中，最小半径和可偏移区域的外半径之间的比不大于0.9，特别是不大于0.85。
[0013]在本发明的进一步发展中，其中测量膜具有压应力的径向区域向外延伸超过可偏移区域的外半径r至最大半径rmax，在该情况下rma? 1.05，特别是彡1.1。
[0014]在本发明的进一步发展中，压应力具有不小于50Mpa，特别是不小于80Mpa，并且优选不小于10MPa的最大值。
[0015]在本发明的进一步发展中，测量膜在环状体积中具有平均压应力，该环状体积在最小半径rmin和最大半径rmax之间延伸，其中(rmax-rmin) /ra^ 0.1，其中环状体积具有下列深度，其从测量膜的表面开始例如不大于20 μ m，特别是不大于12 μ m，并且例如不小于5 μ m，尤其是不小于8 μ m，该平均压应力不小于20MPa，特别是不小于40MPa，并且优选地不小于80MPa。例如，该深度可能为测量膜厚度h的约5%至10%。
【附图说明】
[0016]现在将基于附图中图示的实施例实例，更详细地解释本发明，附图示出如下:
[0017]图1a是夹紧膜的示意图；
[0018]图1b是穿过根据现有技术的压力测量单元的纵向截面图；
[0019]图1c是根据现有技术的压力测量单元的测量膜的径向和切向应力图；
[0020]图2a是穿过本发明的压力测量单元实施例实例的纵向截面图；
[0021]图2b是本发明的压力测量单元的测量膜的径向应力图；
[0022]图3a是穿过本发明的压力测量单元实施例的第二实例的纵向截面图；
[0023]图3b是穿过本发明的压力测量单元实施例的第三实例的纵向截面图；和
[0024]图3c是穿过本发明的压力测量单元实施例的第四实例的纵向截面图。
【具体实施方式】
[0025]图1a的布置示出采用半径a和材料厚度h的夹紧测量膜，其根据diG1vann1: "Flat and Corrugated Diaphragm Design Handbook"，图1c 中所不的曲线适用于径向和切向应力。
[0026]如图1b中所示，现有技术的压力测量单元10包括陶瓷测量膜11和陶瓷平台12，两者沿活性硬焊料或黄铜或玻璃的环状、外围接缝13彼此压密地连接。由于接缝13的硬度，所以不被接缝支撑的测量膜11的可偏移部分表现地本质上类似于图1a的夹紧膜，所以图1c中所示的应力曲线相应地也适用于图1b的压力测量单元10的膜11。据此，在边缘处(r/a = I)发生最大径向应力。例如，在h = 250 μπι并且a = 12mm的测量膜在压力P=0.4Mpa的情况下，可能在边缘处发生约700MPa的径向张应力。这些张应力处于刚玉破裂应力0(11的当前值之上。在现有技术中，因而这种膜将不适合0.4MPa(4巴)的测量范围。通过将膜的中心支撑在平台上，可能降低膜的边缘区域中的径向张应力。例如，通过厚度例如为35 μπι的接缝，可能在膜和平台之间预定相应尺寸的间隔d，以便在过载情况下，测量膜支承在平台上。结果是边缘区域中的径向张应力受限于小于350MPa，但是即使是在该情况下，也可能实现当前刚玉材料的破裂应力σαι的值。本发明的压力测量单元提供一种充分降低张应力，以便不达到破裂应力σ吣的方法。
[0027]图2a中所示的本发明的压力测量单元20以下列方式克服了该限制:与现有技术一样，该单元包括陶瓷测量膜21和陶瓷平台22，两者沿活性硬