專利名稱：帶有徑向張緊的金屬隔膜的壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量流體壓力的壓力傳感器，尤其涉及這樣一種壓力傳感器，它包括具有第一主體部件和第二主體部件的外殼以及設(shè)置在第一主體部件和第二主體部件之間的徑向張緊的柔性隔膜/膜片，其中形成第一和第二主體部件的材料與形成隔膜的材料相匹配，從而這些材料的熱膨脹系數(shù)相互適應(yīng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的壓力傳感器包括主體部件和夾持在這些主體部件之間的金屬隔膜。如US6,019,002所披露的一樣，通過使金屬隔膜沿徑向延展來徑向張緊該隔膜。如US4,158,311所披露的一樣，還可以通過如下方法徑向張緊該金屬隔膜，即用沉淀硬化金屬形成隔膜，然后在大約為500-600攝氏度(C)的高溫下在退火條件(A)下對該沉淀硬化金屬進行1小時的時效處理，由此該沉淀硬化材料收縮，從而徑向張緊隔膜。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果形成傳感器主體部件的金屬材料的熱膨脹系數(shù)(Tc)不能與形成隔膜的金屬材料的熱膨脹系數(shù)充分接近地匹配，那么隔膜在熱處理過程中就會受到高的徑向張應(yīng)力，其可能超過形成主體部件的材料的屈服應(yīng)力。因此，主體部件會屈服，由此釋放出由熱處理過程在隔膜中產(chǎn)生出的徑向張力，從而導致在室溫下隔膜中的零凈徑向張力。另外，在使用期間，形成主體部件以及形成隔膜的材料之間熱膨脹系數(shù)的充分不匹配，將會引起隔膜中徑向張應(yīng)力隨著傳感器溫度的變化而變化，由此導致在滿量程(滿刻度壓力)下壓力讀數(shù)的直接變化或誤差。該金屬隔膜也會在磁場的作用下產(chǎn)生與壓力的變化相反的移動，從而提供出不準確的壓力讀數(shù)。本發(fā)明則可以克服現(xiàn)有技術(shù)中的這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種用于測量流體壓力的壓力傳感器。該壓力傳感器包括有一個外殼，該外殼具有大體呈凹入狀的第一金屬主體部件和大體呈凹入狀的第二金屬主體部件。在第一主體部件和第二主體部件之間設(shè)有徑向張緊(受到徑向拉伸)的柔性金屬隔膜。第一主體部件和隔膜形成第一流體腔室，第二主體部件和隔膜形成第二流體腔室。第一和第二主體部件由具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料制成，隔膜由具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料制成。主體部件金屬的第一熱膨脹系數(shù)與隔膜金屬的第二熱膨脹系數(shù)的差不超過約0.0000015英寸/英寸/°F，例如，第一熱膨脹系數(shù)不會比第二熱膨脹系數(shù)大過0.0000015英寸/英寸/°F。形成隔膜的第二材料的第二熱膨脹系數(shù)優(yōu)選為大約0.0000060英寸/英寸/°F。形成主體部件的第一材料的第一熱膨脹系數(shù)優(yōu)選大約為0.0000056-0.0000064英寸/英寸/°F。第一主體部件和第二主體部件可以由鐵磁性材料形成，從而第一和第二主體部件將隔膜與磁場屏蔽，否則這種磁場會使隔膜移動，從而導致不準確的流體壓力測量結(jié)果。


圖1是包括兩個電極的本發(fā)明的壓力傳感器的剖視圖；圖2是圖1的壓力傳感器的俯視圖；圖3是包括一個電極的本發(fā)明的壓力傳感器的另一實施例的剖視圖；圖4是圖3的壓力傳感器的仰視圖；
圖5是包括兩個電極的本發(fā)明的壓力傳感器的另一個實施例的剖視圖；圖6是圖5的壓力傳感器的俯視圖；圖7是包括一個電極的本發(fā)明的壓力傳感器的另一個實施例的剖視圖；圖8是圖7的壓力傳感器的仰視圖。
具體實施例方式
圖1和圖2表示本發(fā)明壓力傳感器20的一個實施例。該壓力傳感器20包括中心軸21和外殼22。外殼22包括大體呈凹入狀(凹形)的第一主體部件24和大致呈凹入狀(凹形)第二主體部件26。第一和第二主體部件24和26被形成為彼此基本上相同。主體部件24和26由同樣類型的金屬形成，并由金屬板沖壓成最終的形狀。第一主體部件24包括大體為環(huán)形的凸緣28，它包括大體為圓形的周邊30。第一主體部件24還包括平面狀的大體為圓形的中央圓盤32，該中央圓盤32具有圓形的中央孔34。第一主體部件24還包括壁部36，該壁部36與中央圓盤32同心，并在中央圓盤32和環(huán)形凸緣28之間延伸。第一主體部件24包括延伸穿過壁部36的端口38。環(huán)形凸緣28、中央圓盤32以及壁部36位于彼此大體平行的各自平面內(nèi)。
第二主體部件26包括大體為環(huán)形的凸緣48，該凸緣48具有大致圓形的周邊50。第二主體部件26還包括平面狀的大體為圓形的中央圓盤52，該中央圓盤32具有大體圓形的中央孔54。第二主體部件26還包括大體為平面狀的壁部56，該壁部56大體與中央圓盤52同心，并在中央圓盤52和環(huán)形凸緣48之間延伸。第二主體部件26包括延伸穿過壁部56的端口58。
壓力傳感器20包括大體為平面狀并且柔韌的薄金屬隔膜64，該隔膜64包括大體呈圓形的周邊66。隔膜64設(shè)置在第一主體部件24和第二主體部件26之間，從而第一主體部件24的環(huán)形凸緣28與隔膜64的第一側(cè)嚙合，而第二主體部件26的環(huán)形凸緣48與隔膜64的第二側(cè)相嚙合。隔膜64的周邊66位于圍繞著隔膜64的整個周長的環(huán)形凸緣28的周邊30以及環(huán)形凸緣48的周邊50的附近。通過焊接或類似其他方法，將隔膜64的周邊66連接至圍繞著隔膜64周邊的主體部件24和26的環(huán)形凸緣28和48，從而在環(huán)形凸緣28和48以及隔膜64之間形成不透流體的密封。壓力傳感器20包括位于第一主體部件24和隔膜64之間的第一腔室70。第一腔室70與端口38流體相通。壓力傳感器20還包括位于第二主體部件26和隔膜64之間的第二腔室72。該第二腔室72與端口58流體相通。
壓力傳感器20包括位于第一腔室70內(nèi)的第一金屬化陶瓷電極78。第一電極78通過安裝裝置80與第一主體部件24連接。電極78的第一大體平面狀表面與第一主體部件24的中央圓盤32相嚙合，第一電極78的第二大體平面狀表面與隔膜64相隔一段短距離，并大致與其平行。安裝裝置80包括安裝螺柱82，例如在一端具有與第一電極78相嚙合的端頭以及在另一端具有帶螺紋部分的螺栓。安裝螺柱82延伸穿過第一電極78，并穿過第一主體部件24中的中央孔34。陶瓷襯墊84位于第一主體部件24的中央圓盤32的外表面附近。陶瓷襯墊84包括中央孔，螺柱82延伸穿過該孔。彈簧墊圈86包括中央孔，螺柱82延伸穿過該孔。彈簧墊圈86位于陶瓷襯墊84外表面附近。帶螺紋的緊固件88例如螺母螺旋連接在安裝螺柱82的帶螺紋的一端。螺母88壓緊彈簧墊圈86，并且將第一電極78和陶瓷襯墊84壓在第一主體部件24的中央圓盤32上。安裝螺柱82與第一電極78電連接。
壓力傳感器20還包括第二金屬化陶瓷電極98。第二電極98位于第二腔室72內(nèi)，從而電極98的大致平面狀表面位于中央圓盤52的附近，電極98的第二大體平面狀表面與隔膜64相隔一段短距離，并大致與其平行。由此隔膜64位于第一和第二電極78和98之間。第二電極98通過安裝裝置100連接至第二主體部件26，該第二安裝裝置100與安裝裝置80類似。安裝裝置100包括安裝螺柱102、陶瓷襯墊104、彈簧墊圈106和緊固件108。按照安裝裝置80將第一電極78連接至第一主體部件24上同樣的方式，安裝裝置100將第二電極98連接至第二主體部件26。安裝螺柱102與第二電極98電連接。
端口38用于和第一流體的供應(yīng)部件流體相通，端口58用于和第二流體供應(yīng)部件流體相通。電極78和98用于感測隔膜64沿著大致與軸21平行的方向的移動，這種移動指示了在第一腔室70內(nèi)的第一流體(例如氣體)的壓力和第二腔室72內(nèi)的第二流體(例如氣體)壓力之間的壓力差。
隔膜64可以由17-4沉淀硬化/彌散硬化不銹鋼(17-4 PHSS)金屬材料制成。當通過在900°華氏溫度(F)對17-4 PHSS材料進行一小時熱處理然后空冷該材料而從退火條件(A)轉(zhuǎn)化至H900條件時，該材料會大致收縮0.0006英寸/英寸。在傳感器20熱處理之后，隔膜64中的殘余徑向應(yīng)力等于拉伸應(yīng)變(H900條件下為0.0006英寸/英寸)乘以17-4 PHSS材料的楊氏彈性模量(E，E＝28.5×106磅/平方英寸)。因此，在900°F加熱傳感器20之后，所得到的隔膜64內(nèi)的徑向應(yīng)力等于17,000磅/平方英寸(psi)。
如果形成主體部件24和26的金屬材料不具有與隔膜材料的Tc充分匹配的熱膨脹系數(shù)(Tc)，那么主體部件24和26在900°F的熱處理溫度下會過度膨脹，從而隔膜64會承受高的徑向拉應(yīng)力，其可能超過主體部件24和26材料的屈服應(yīng)力。當傳感器20處于環(huán)境溫度下時，主體部件24和26的釋放或屈服將導致隔膜24內(nèi)的零凈徑向張力。17-4 PHSS在900°F時的Tc是6.6×10-6(0.0000066)英寸/英寸/°F。304不銹鋼(SS)在900°F退火條件下的Tc是10.2×10-6英寸/英寸/°F。304SS材料的屈服應(yīng)力是45,000磅/平方英寸。當傳感器200加熱至900°F時，隔膜應(yīng)力等于82,440磅/平方英寸，這幾乎是主體部件24和26的304SS材料屈服應(yīng)力的兩倍。
如果隔膜64由17-4 PHSS材料制成，當傳感器20被加熱到900°F時，隔膜材料和主體部件材料的熱膨脹系數(shù)之間的最大允許差大約是1.5×10-6英寸/英寸/°F。因此，形成傳感器主體24和26的材料的最大Tc在900°F時大致是8.1×10-6英寸/英寸/°F。這樣，由沉淀硬化金屬材料制成的隔膜的熱處理拉伸效應(yīng)僅僅在用于形成主體部件24和26并具有適當匹配的熱膨脹系數(shù)的窄范圍材料內(nèi)有效地發(fā)生作用。
形成主體部件24和26的金屬材料的Tc與形成隔膜64的金屬材料的Tc之間的不匹配也導致了量程(滿刻度壓力輸出)壓力測量讀數(shù)的誤差。當隔膜由17-4 PHSS材料制成而主體部件由430SS材料制成時，由于傳感器20(包括主體部件24和26以及隔膜64)的溫度提高，隔膜中的徑向拉應(yīng)力下降(大約是傳感器溫度每提高100°F就下降約3.3％)。另外，由于彈性模量的變化，每升高100°F，隔膜的徑向剛度就下降1.5％，從而傳感器每升高100°F，總的量程的變化就大致為4.8％。當傳感器20冷卻時，隔膜的徑向應(yīng)力和徑向剛度會大致提高相同的幅度。電信號調(diào)節(jié)電路會彌補或校正傳感器溫度變化導致的通常在小于8％/100°F范圍內(nèi)的壓力讀數(shù)輸出誤差。因此，主體部件材料和隔膜材料的熱膨脹系數(shù)之間在0.2×10-6英寸/英寸/°F-0.4×10-6英寸/英寸/°F(5-8％/100°F)范圍內(nèi)的不匹配值大約是能夠被傳統(tǒng)的傳感器電子設(shè)備補償并且不會導致差的熱瞬變性能的最大實際Tc不匹配值。
形成主體部件24和26的材料優(yōu)選可以低成本地沖壓和機加工。該材料優(yōu)選為鐵磁性材料，以使磁性隔膜64與可能導致錯誤壓力讀數(shù)的外界磁場相屏蔽。鐵磁性材料強烈地響應(yīng)磁場，并且具有高透磁性。該材料應(yīng)可很容易地利用鎢惰性氣體(TIG)或激光方法焊接，并且應(yīng)當能夠承受熱處理溫度而不會腐蝕或氧化。當材料暴露于熱處理溫度時，材料不會硬化或改變金相狀態(tài)。形成主體部件24和26的金屬材料在32°F至200°F范圍內(nèi)優(yōu)選的熱膨脹系數(shù)(Tc)是5.6×10-6至6.4×10-6英寸/英寸/°F。主體部件24和26可以由405 SS、430 SS、17-7 PHSS或哈斯特洛伊碳(鎳合金)金屬材料制成。盡管17-4 PHSS通常是不可沖壓的，但主體部件24和26以及隔膜64可以由17-4 PHSS材料形成。
405 SS金屬材料包括碳(C)，至多約為0.08wt％；錳(Mn)，至多約為1.00wt％；磷(P)，至多約為0.04wt％；硫(S)，至多約為0.03wt％；硅(Si)，至多約為1.00wt％；鉻(Cr)，11.50-14.50wt％；鋁(Al)，0.10-0.30wt％；以及余量的鐵(Fe)。405 SS材料在32°-212°F下的Tc大約為6.0×10-6英寸/英寸/°F。405 SS是鐵磁性材料。
430 SS材料包括C，至多約為0.12wt％；Mn，至多約為1.00wt％；P，至多約為0.040wt％；S，至多約為0.030wt％；Si，至多約為1.00wt％；Cr，16.0-18.0wt％；鎳(Ni)，至多約為0.50％；以及余量的鐵。430 SS材料在32°-212°F下的Tc大約為5.8×10-6英寸/英寸/°F。430 SS材料是鐵磁性材料。
17-4 PHSS材料包括C，至多約為0.07wt％；Mn，至多約為1.00wt％；P，至多約為0.040wt％；S，至多約為0.030wt％；Si，至多約為1.00wt％；Cr，15.00-17.50wt％；Ni，3.00-5.00wt％；銅(Cu)，3.00-5.00wt％；鈮(Nb)加鉭(Ta)，0.15-0.45wt％；以及余量的鐵。17-4 PHSS材料在H900熱處理條件并在70°-200°F下的Tc大約為6.0×10-6英寸/英寸/°F。17-4 PHSS材料是鐵磁性材料。
17-7 PHSS材料包括C，至多約為0.09wt％；Mn，至多約為1.00wt％；P，至多約為0.040wt％；S，至多約為0.030wt％；Si，至多約為1.00wt％；Cr，16.00-18.00wt％；Ni，6.50-7.75wt％；Al，0.75-1.50wt％；以及余量的鐵。17-7 PHSS材料在TH1050條件并在70°-200°F下的Tc大約為5.6×10-6英寸/英寸/°F，在RH950條件并在70°-200°F下的Tc大約為5.7×10-6英寸/英寸/°F。17-7 PHSS材料是鐵磁性材料。
哈斯特洛伊碳(HastelloyC)材料包括鉬(Mo)，16wt％；鉻(Cr)，16wt％；鐵(Fe)，5wt％；鎢(W)，4wt％；以及余量的鎳(Ni)。哈斯特洛伊碳材料在32°-212°F下的Tc大約為6.3×10-6英寸/英寸/°F。哈斯特洛伊碳材料不是鐵磁性材料，但是它提供了非常良好的熱膨脹匹配系數(shù)。
圖3和4示出了本發(fā)明以附圖標記120表示的本發(fā)明的壓力傳感器的另一實施例。該壓力傳感器120包括中心軸121和外殼122。外殼122包括第一主體部件124和第二主體部件126。第一主體部件124按照與壓力傳感器20的第一主體部件24同樣的方式構(gòu)成。第一主體部件124包括大體為環(huán)形的凸緣128，它包括大體為圓形的周邊130。第一主體部件124還包括中央孔132和延伸穿過第一主體部件124的端口134。
第二主體部件126包括大體為環(huán)形的凸緣148，該凸緣148具有大致圓形的周邊142。第二主體部件126還包括平面狀的大體為圓形的壁144，該壁部144大體與凸緣140同心。壁部144通常是平的，與包括凸緣140的平面分開并與其平行。第一和第二主體部件124和126都由同樣類型的金屬材料形成，均由金屬板沖壓形成最終的形狀。
壓力傳感器120包括柔韌的并且大體平面狀的薄金屬隔膜150，該隔膜150包括大體圓形的周邊152。隔膜150設(shè)置在第一主體部件124的凸緣128和第二主體部件126的凸緣140之間。通過焊接等方法將隔膜150以不透液體的密封方式連接至凸緣128和148。壓力傳感器120包括位于第一主體部件124和隔膜150之間的第一腔室156，第一腔室156與端口134流體相通；以及位于第二主體部件126和隔膜150之間的第二腔室158，該第二腔室158與端口146流體相通。
壓力傳感器120包括位于第一腔室156內(nèi)的電極162，電極162通過安裝裝置164連接在第一主體部件124上。安裝裝置164按照與安裝裝置80相同的方式構(gòu)成，并按照類似的方式將電極162連接在第一主體部件124上。電極162包括大體平面狀的表面，它與隔膜150相隔一段短距離，并大致與其平行。電極162通過現(xiàn)有技術(shù)已知的電容測量方法檢測隔膜150因響應(yīng)腔室156和158之間的流體壓力差而沿著大致與軸121平行的方向產(chǎn)生的移動。對傳感器120的主體部件124和126以及隔膜150進行熱處理并裝配，它們由與傳感器20同樣的材料制成。
圖5和6示出了以附圖標記170表示的本發(fā)明的傳感器的再一實施例。該壓力傳感器170包括中心軸171和外殼172。外殼172包括第一主體部件174和第二主體部件176。第一主體部件174包括大體為環(huán)形的凸緣178，它包括大體為圓形的周邊180。第一主體部件174還包括具有中央孔184的中央圓盤182。該中央圓盤182和中央孔184與軸171同心。第一主體部件174還包括大體平面狀的壁部186，該壁部186與中央孔184同心延伸，并從中央孔184延伸至凸緣178。第一主體部件174包括端口188。外殼172還包括大體管狀的噴嘴190，該噴嘴具有與端口188流體相通的第一端以及用于和流體(例如氣體)供應(yīng)裝置流體相通地連接的第二端。
第二主體部件176包括環(huán)形的凸緣198，該凸緣198具有大致圓形的周邊200。第二主體部件176按照與第一主體部件174同樣的方式構(gòu)成。第二主體部件176還包括具有中央孔204的中央圓盤202。第二主體部件176還包括大體為平面狀的壁部206，該壁部206與中央孔204同心延伸，并從中央孔204延伸至凸緣198。第二主體部件176包括端口208以及大體管狀的噴嘴210，該噴嘴具有與端口208流體相通的第一端以及用于和第二流體(例如氣體)供應(yīng)裝置流體相通的第二端。
壓力傳感器170包括大體平面狀并且柔韌的薄金屬隔膜214，該隔膜214包括大體圓形的周邊216。隔膜214由17-4 PHSS金屬材料制成。隔膜214設(shè)置在第一主體部件174和第二主體部件176的凸緣178與198之間，沿著周邊216連接至凸緣178與198，以通過焊接等方法在它們中間形成不透流體的密封。壓力傳感器170包括位于第一主體部件174和隔膜214之間的第一腔室220，以及包括位于第二主體部件176和隔膜214之間的第二腔室222。第一和第二主體部件174和176優(yōu)選由不易沖壓或成型的17-4沉淀硬化不銹鋼(PHSS)制成。因此，由17-4 PHSS金屬材料盤或棒加工制造出主體部件174和176。
壓力傳感器170包括位于第一腔室室220內(nèi)的第一電極228。第一電極228通過安裝裝置230連接至第一主體部件174。該安裝裝置230與安裝裝置80的構(gòu)成和操作方式相同。具有彈力的彈性墊圈232例如O形環(huán)圍繞著安裝裝置230的安裝螺柱延伸，并位于第一主體部件174的孔184內(nèi)，在安裝螺柱和第一主體部件174之間形成不透流體的密封。安裝裝置230將電極228連接至第一主體部件174的中央圓盤182，從而電極的大致平面狀的表面與隔膜214相隔一段短距離，并大致與其平行。
壓力傳感器170包括位于第二腔室222內(nèi)的第二電極238。第二電極238通過安裝裝置240與第二主體部件176連接，該安裝裝置240的構(gòu)成和操作方式與安裝裝置230相同。例如O圈的有彈力的彈性墊圈242圍繞著安裝裝置240的安裝螺柱延伸，并位于第一主體部件176的孔204內(nèi)，在它們之間形成不透流體的密封。第二電極238安裝在第二主體部件176的中央圓盤202上，從而電極238的大致平面狀的表面與隔膜214相隔一段短距離，并大致與其平行。由此隔膜214位于第一和第二電極228和238之間。電極228和238感測隔膜214在大致與軸171平行的方向上的移動，這種移動指示了在第一腔室220內(nèi)的流體壓力和第二腔室222內(nèi)的流體壓力之間的壓力差。
17-7 PHSS材料是可沖壓的，因此可以用于沖壓如圖1-4所示實施例的主體部件。但是，17-4 PHSS材料通常不是可沖壓的，必須進行機加工。另外，由17-4 PHSS材料制成的傳感器主體部件在加工之前必須經(jīng)過預熱處理或者預縮處理至H1150條件或1150°F，優(yōu)選是至H1000條件或1000°F，從而當傳感器170被熱處理至隔膜熱處理溫度900°F時，主體部件174和176不會收縮。如果主體部件174和176以及隔膜214都是在退火條件下由17-4 PHSS材料制成的，那么在熱處理過程中就會收縮同樣的量，不會導致隔膜的徑向張力。因此，傳感器主體174和176預熱處理至高達大約1150°F至H1150條件，優(yōu)選是在大致1000°F的溫度下處理約4個小時至H1000條件。經(jīng)過預熱處理或預時效處理之后，將主體部件連接至由退火17-4 PHSS材料制成的隔膜214。然后將組裝好的傳感器170加熱至大約900°并保持約1個小時，以相對于主體部件174和176收縮隔膜214，從而徑向張緊隔膜。
當主體部件174和186以及隔膜214由17-4 PHSS材料制成時，可以通過將主體部件174和176在略高于隔膜熱處理收縮溫度的溫度下熱處理，來實現(xiàn)量程熱誤差的補償或調(diào)零，因此17-4 PHSS材料的Tc隨著時效或熱處理溫度而升高。在70°-200°F時，在H900條件下，17-4 PHSS的Tc大致是6.0×10-6英寸/英寸/°F；在H1000條件下，Tc大致是6.2×10- 6英寸/英寸/°F；在H1050條件下，Tc大致是6.3×10-6英寸/英寸/°F；在H1150條件下，Tc大致是6.6×10-6英寸/英寸/°F。如果傳感器主體部件在熱環(huán)境下的延伸比隔膜約大2％/100°F，那么隔膜的徑向張力提高的量就會與彈性模量變化導致的徑向剛度的降低量相同，從而量程熱誤差為0。因此，通過可變地調(diào)整熱處理過程，可以校正張緊隔膜傳感器的量程溫度性能。
圖7和8顯示了以附圖標記250表示的壓力傳感器的另一實施例。該壓力傳感器250包括中心軸251和外殼252。外殼252包括第一主體部件254和第二主體部件256。第一主體部件254按照與圖5的第一主體部件174同樣的方式構(gòu)成。第一主體部件254包括大體為環(huán)形的凸緣258，它包括大體為圓形的周邊260。第一主體部件254還包括具有中央孔264和延伸穿過第一主體部件254的端口264。第一主體部件254包括管狀噴嘴266，該噴嘴具有與端口264流體相通的第一端以及用于和第一流體(例如氣體)供應(yīng)裝置流體相通的第二端。
第二主體部件256包括大致環(huán)形的凸緣270，該凸緣270具有大致圓形的周邊272。第二主體部件256還包括大體為平面狀的壁部274，該壁部274與軸251大致同心。壁部274包括位于軸251上的端口276。第一主體部件254和第二主體部件256優(yōu)選由17-4 PHSS金屬制成。
壓力傳感器250包括柔韌的并且大體平面狀的薄金屬隔膜280，該隔膜280包括大體圓形的周邊282。隔膜280由17-4 PHSS金屬材料制成。隔膜280設(shè)置在第一主體部件254的凸緣258和第二主體部件256的凸緣270之間，并沿著周邊282連接至凸緣258與270，以通過焊接等方法形成不透流體的密封。壓力傳感器250包括位于第一主體部件254和隔膜280之間的第一腔室286，以及包括位于第二主體部件256和隔膜280之間的第二腔室288。
壓力傳感器250包括位于第一腔室286內(nèi)的第一電極292。第一電極292通過安裝裝置294連接至第一主體部件254的中央圓盤。該安裝裝置294與圖5的安裝裝置230的構(gòu)成和操作方式相同。電極292包括大致平面狀的表面，該表面與隔膜280相隔一段短距離，并大致與其平行。電極292用于檢測隔膜280在大致與壓力傳感器250的軸251平行的方向上的移動。對傳感器250的主體部件254和256以及隔膜280進行熱處理并裝配，它們由與傳感器170同樣的材料制成。
以上已經(jīng)參考附圖具體顯示和描述了本發(fā)明的各種特征，但是可以理解，這些具體的實施方案僅作示意之用，本發(fā)明應(yīng)當根據(jù)所附權(quán)利要求作最寬泛的解釋。
權(quán)利要求
1.一種測量流體壓力的壓力傳感器，該壓力傳感器包括第一主體部件；第二主體部件；以及徑向張緊的柔性隔膜，該隔膜設(shè)置在所述第一主體部件和所述第二主體部件之間，所述第一主體部件和所述隔膜形成第一流體腔室，所述第二主體部件和所述隔膜形成第二流體腔室；所述第一主體部件由具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料形成，所述隔膜由具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料形成，所述第一熱膨脹系數(shù)與所述第二熱膨脹系數(shù)的差不超過大約0.0000015英寸/英寸/°F。
2.如權(quán)利要求1的壓力傳感器，其特征在于，形成所述隔膜的所述第二材料的第二熱膨脹系數(shù)大約是0.0000060英寸/英寸/°F。
3.如權(quán)利要求1的壓力傳感器，其特征在于，形成所述隔膜的所述第二材料包括沉淀硬化材料。
4.如權(quán)利要求3的壓力傳感器，其特征在于，所述所述沉淀硬化材料包括碳，至多約為0.07wt％；錳，至多約為1.00wt％；磷，至多約為0.040wt％；硫，至多約為0.030wt％；硅，至多約為1.00wt％；鉻，15.00-17.50wt％；鎳，3.00-5.00wt％；銅，3.00-5.00wt％；鈮加鉭，0.15-0.45wt％；以及余量的鐵。
5.如權(quán)利要求1的壓力傳感器，其特征在于，形成所述第一主體部件的所述第一材料的第一熱膨脹系數(shù)大約為0.0000056英寸/英寸/°F至0.0000064英寸/英寸/°F。
6.如權(quán)利要求1的壓力傳感器，其特征在于，形成所述第一主體部件的所述第一材料為沉淀硬化材料。
7.如權(quán)利要求1的壓力傳感器，其特征在于，形成所述第一主體部件的第一材料包括碳，至多約為0.08wt％；錳，至多約為1.00wt％；磷，至多約為0.04wt％；硫，至多約為0.03wt％；硅，至多約為1.00wt％；鉻，11.50-14.50wt％；鋁，0.10-0.30wt％；以及余量的鐵。
8.如權(quán)利要求1的壓力傳感器，其特征在于，形成所述第一主體部件的第一材料包括碳，至多約為0.12wt％；錳，至多約為1.00wt％；磷，至多約為0.040wt％；硫，至多約為0.030wt％；硅，至多約為1.00wt％；鉻，16.0-18.0wt％；鎳，至多約為0.50％；以及余量的鐵。
9.如權(quán)利要求1的壓力傳感器，其特征在于，形成所述第一主體部件的第一材料包括碳，至多約為0.09wt％；錳，至多約為1.00wt％；磷，至多約為0.040wt％；硫，至多約為0.030wt％；硅，至多約為1.00wt％；鉻，16.00-18.00wt％；鎳，6.50-7.75wt％；鋁，0.75-1.50wt％；以及余量的鐵。
10.如權(quán)利要求1的壓力傳感器，其特征在于，形成所述第一主體部件的第一材料包括碳，至多約為0.07wt％；錳，至多約為1.00wt％；磷，至多約為0.040wt％；硫，至多約為0.030wt％；硅，至多約為1.00wt％；鉻，15.00-17.50wt％；鎳，3.00-5.00wt％；銅，3.00-5.00wt％；鈮加鉭，0.15-0.45wt％；以及余量的鐵。
11.如權(quán)利要求1的壓力傳感器，其特征在于，形成所述第一主體部件的第一材料包括鉬，16wt％；鉻，16wt％；鐵，5wt％；鎢，4wt％；以及余量的鎳。
12.如權(quán)利要求1的壓力傳感器，其特征在于，所述第一熱膨脹系數(shù)與所述第二熱膨脹系數(shù)的差不超過大約0.0000004英寸/英寸/°F。
13.如權(quán)利要求1的壓力傳感器，其特征在于，所述第一熱膨脹系數(shù)與所述第二熱膨脹系數(shù)的差不超過大約0.0000002英寸/英寸/°F。
14.一種測量流體壓力的壓力傳感器，該壓力傳感器包括第一主體部件；第二主體部件；以及徑向張緊的柔性隔膜，該隔膜設(shè)置在所述第一主體部件和所述第二主體部件之間，所述第一主體部件和所述隔膜形成第一流體腔室，所述第二主體部件和所述隔膜形成第二流體腔室；所述第一主體部件和所述第二主體部件由鐵磁性材料形成，從而所述第一和第二主體部件使所述隔膜與磁場屏蔽，否則該磁場會導致所述隔膜移動，從而造成對施加在所述隔膜上的流體壓力的不準確測量。
15.如權(quán)利要求14的壓力傳感器，其特征在于，所述鐵磁性材料包括碳，至多約為0.08wt％；錳，至多約為1.00wt％；磷，至多約為0.04wt％；硫，至多約為0.03wt％；硅，至多約為1.00wt％；鉻，11.50-14.50wt％；鋁，0.10-0.30wt％；以及余量的鐵。
16.如權(quán)利要求14的壓力傳感器，其特征在于，所述鐵磁性材料包括碳，至多約為0.12wt％；錳，至多約為1.00wt％；磷，至多約為0.040wt％；硫，至多約為0.030wt％；硅，至多約為1.00wt％；鉻，16.0-18.0wt％；鎳，至多約為0.50％；以及余量的鐵。
17.如權(quán)利要求14的壓力傳感器，其特征在于，所述鐵磁性材料包括碳，至多約為0.09wt％；錳，至多約為1.00wt％；磷，至多約為0.040wt％；硫，至多約為0.030wt％；硅，至多約為1.00wt％；鉻，16.00-18.00wt％；鎳，6.50-7.75wt％；鋁，0.75-1.50wt％；以及余量的鐵。
18.如權(quán)利要求14的壓力傳感器，其特征在于，所述鐵磁性材料包括碳，至多約為0.07wt％；錳，至多約為1.00wt％；磷，至多約為0.040wt％；硫，至多約為0.030wt％；硅，至多約為1.00wt％；鉻，15.00-17.50wt％；鎳，3.00-5.00wt％；銅，3.00-5.00wt％；鈮加鉭，0.15-0.45wt％；以及余量的鐵。
19.一種形成壓力傳感器的方法，包括如下步驟提供第一主體部件和第二主體部件；對所述第一主體部件和所述第二主體部件進行預熱處理；將由退火的沉淀硬化材料形成的柔性隔膜設(shè)置在所述第一主體部件和所述第二主體部件之間；將所述主體部件與所述隔膜連接，從而在所述第一主體部件和所述隔膜之間形成第一流體腔室，并在所述第二主體部件和所述隔膜之間形成第二流體腔室；以及對所述第一和第二主體部件以及所述隔膜進行加熱處理，以張緊所述隔膜。
20.如權(quán)利要求19的方法，其特征在于，在所述預熱處理步驟中，將所述第一和第二主體部件加熱至大約900°F或更高。
21.如權(quán)利要求19的方法，其特征在于，在所述預熱處理步驟中，將所述第一和第二主體部件加熱至大約1000°F。
22.如權(quán)利要求19的方法，其特征在于，在所述熱處理步驟中，將所述第一和第二主體部件以及所述隔膜加熱至大約900°F。
23.如權(quán)利要求19的方法，其特征在于，所述第一和第二主體部件由沉淀硬化材料制成。
24.如權(quán)利要求23的方法，其特征在于，形成所述第一和第二主體部件的沉淀硬化材料包括碳，至多約為0.07wt％；錳，至多約為1.00wt％；磷，至多約為0.040wt％；硫，至多約為0.030wt％；硅，至多約為1.00wt％；鉻，15.00-17.50wt％；鎳，3.00-5.00wt％；銅，3.00-5.00wt％；鈮加鉭，0.15-0.45wt％；以及余量的鐵。
25.如權(quán)利要求23的方法，其特征在于，形成所述第一和第二主體部件的沉淀硬化材料包括碳，至多約為0.09wt％；錳，至多約為1.00wt％；磷，至多約為0.040wt％；硫，至多約為0.030wt％；硅，至多約為1.00wt％；鉻，16.00-18.00wt％；鎳，6.50-7.75wt％；鋁，0.75-1.50wt％；以及余量的鐵。
26.如權(quán)利要求19的方法，其特征在于，形成所述隔膜的沉淀硬化材料包括碳，至多約為0.07wt％；錳，至多約為1.00wt％；磷，至多約為0.040wt％；硫，至多約為0.030wt％；硅，至多約為1.00wt％；鉻，15.00-17.50wt％；鎳，3.00-5.00wt％；銅，3.00-5.00wt％；鈮加鉭，0.15-0.45wt％；以及余量的鐵。
27.一種根據(jù)權(quán)利要求19的方法制造的壓力傳感器，其中，所述壓力傳感器用于補償量程熱誤差。
28.一種測量流體壓力的壓力傳感器，該壓力傳感器包括第一金屬主體部件和第二金屬主體部件，所述第一和第二主體部件被加熱至900°F以上；柔性金屬隔膜，該隔膜設(shè)置在所述第一和第二主體部件之間，所述隔膜由沉淀硬化材料形成，所述第一主體部件和所述隔膜形成第一流體腔室，所述第二主體部件和所述隔膜形成第二流體腔室。
29.如權(quán)利要求28的壓力傳感器，其特征在于，所述隔膜處于退火狀態(tài)。
30.如權(quán)利要求28的壓力傳感器，其特征在于，所述隔膜被加熱處理至大約900°F。
全文摘要
一種具有徑向張緊的隔膜以用于測量流體壓力的壓力傳感器。該壓力傳感器包括通常呈凹入狀的第一金屬主體部件、通常呈凹入狀的第二金屬主體部件以及徑向張緊的柔性金屬隔膜，該隔膜設(shè)置在主體部件之間，通過加熱傳感器而被張緊。第一和第二主體部件由熱膨脹系數(shù)大約為0.0000056－0.0000064英寸/英寸/℉的材料制成的。隔膜由熱膨脹系數(shù)大約為0.0000060英寸/英寸/℉的沉淀硬化金屬材料制成。第一主體部件和第二主體部件由鐵磁性材料形成，從而第一和第二主體部件將隔膜與可能導致隔膜移動的磁場屏蔽開。
文檔編號G01L9/04GK1437008SQ0215880
公開日2003年8月20日 申請日期2002年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月4日
發(fā)明者特雷斯·J·特羅耶 申請人:德懷爾儀器公司