專利名稱：使用鈦基超彈性合金的壓力和機(jī)械傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及例如電容式壓力傳感器的機(jī)械傳感器，其具有撓曲部件。本發(fā)明尤其
涉及具有由鈦基合金形成的撓曲部件的傳感器，該合金在很大的溫度范圍內(nèi)具有極低的楊 氏模量、極高的抗拉強(qiáng)度和穩(wěn)定特點(diǎn)。
背景技術(shù)：
電容式壓力傳感器已經(jīng)廣泛地用于工業(yè)、航空航天以及其它控制和監(jiān)控系統(tǒng)中。
電容式壓力傳感器可以被配置以感測絕對壓力、表壓、差壓或這些壓力的結(jié)合。
由包括金屬、玻璃、藍(lán)寶石和硅的各種材料制造電容式壓力傳感器。電容式壓力傳
感器的性能依賴于形成傳感器的撓曲部件的材料，例如兩個腔的電容式壓力傳感器的中心
隔膜，的物理特性。這些物理特性包括彈性模量(或楊氏模量)、材料的抗拉強(qiáng)度、彈性模量
和抗拉強(qiáng)度的溫度依賴性、熱膨脹性質(zhì)和滯后效應(yīng)。 依賴于感測部件的撓曲的其它機(jī)械傳感器也同樣受相同的材料性質(zhì)的影B向。對改 進(jìn)電容式壓力傳感器和具有可撓曲的感測部件的其它機(jī)械傳感器有不斷的要求，以提供擴(kuò) 展的操作范圍、低滯后作用、較大的信號噪聲比、對溫度作用的減小的校正以及在溫度滯后 作用方面的改善的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是改進(jìn)的傳感器，該傳感器包括由具有小于約80GPa的楊氏模量和大于約 1000MPa的抗拉強(qiáng)度的鈦基合金形成的撓曲部件。鈦基超彈性合金可包含例如鈦、第IVa 族元素、除了鈦之外的第Va族元素以及填隙元素。鈦基合金可以是例如具有Ti-24原子％ (Nb+Ta+V)-(Zr， Hf)-0的合金組的組合物。 在一個實(shí)施例中，傳感器是電容式壓力傳感器，所述部件是隔膜，其作為被感測的 壓力的函數(shù)撓曲。在這個實(shí)施例中，鈦合金在約100° K至50(T K的溫度范圍內(nèi)提供接近 零的溫度依賴性和接近零的線性熱膨脹。高抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致低滯后、擴(kuò)展的操作范圍以及改 善的過壓特性。低楊氏模量導(dǎo)致高于具有例如不銹鋼的隔膜的傳統(tǒng)壓力傳感器所獲得的信 號噪聲比的信號噪聲比。


圖1是具有鈦基超彈性合金的中心隔膜和隔離隔膜的壓差單元的橫截面視圖。
圖2是比較鈦基超彈性合金、NiSpan (鎳鉻鈦恒彈性合金)和Elgilloy (埃爾吉 洛伊非磁性合金)的作為溫度函數(shù)的楊氏模量的圖表。 圖3是比較鈦基超彈性合金、NiSpan和Elgilloy的線性熱膨脹系數(shù)的圖表。 圖4是比較NiSpan和鈦基超彈性合金的壓力滯后特點(diǎn)的圖表。 圖5是顯示具有帶有被連接的應(yīng)變傳感器的可撓曲的超彈性合金隔膜的壓力傳
感器橫截面視圖。
圖6顯示出具有可撓曲的超彈性合金隔膜的壓力傳感器，電阻作為壓力的函數(shù)變 化。
具體實(shí)施例方式
圖1是壓差傳感器10的橫截面視圖，其使用鈦基超彈性合金部件。壓差傳感器10 包括單元半部12和14、中心隔膜16、絕緣體18和20、電極22和24、隔離管26和28以及 隔離隔膜30和32。在這個例子，中心隔膜16與隔離隔膜30和32(和可選地單元半部12 和14)由鈦合金形成，所述鈦合金的楊氏模量小于約80GPa和其抗拉強(qiáng)度大于約1000Gpa。
在這個例子中，壓差傳感器IO是電容式傳感器。中心隔膜16將單元半部12和14 之間的空間分割成第一腔34和第二腔36。隔離管道26穿過單元半部12從隔離隔膜30延 伸至第一腔34。類似地，隔離管道28從隔離隔膜32延伸至第二腔36。
電極22形成在絕緣體18的內(nèi)壁上，同時電極24形成在絕緣體20的內(nèi)壁上。電 極22和中心隔膜16形成具有電容Cl的第一感測電容器，同時第二電極24和中心隔膜16 形成具有電容C2的第二感測電容器。 腔34和36與隔離管26和28被填充介電填充流體。在過程流體將壓力Pl施加 到隔離隔膜30上時，所述壓力由介電填充流體通過隔離管26傳輸至腔34中。類似地，在 過程流體將第二壓力P2施加到隔離隔膜32上時，壓力P2由填充流體通過隔離管28傳輸 至第二腔36。 在中心隔膜16響應(yīng)于被施加的壓力Pl和P2撓曲時，電容Cl和C2改變。撓曲的 量是壓力P1和P2之間的差的函數(shù)。這種壓差可通過測量電容C1和C2來獲得。信號處理 電路40將測量的電容Cl和C2轉(zhuǎn)換成表示壓差的輸出值。 壓差傳感器10利用鈦基合金，其具有非常低的楊氏模量、高的抗拉強(qiáng)度、接近零 的線性熱膨脹和接近零的楊氏模量溫度依賴性。低的楊氏模量導(dǎo)致改善壓力傳感器10的 信號噪聲比，是因?yàn)闂钍蠌椥阅Ａ吭降?，對于給定壓力來說，應(yīng)變(撓曲)越大。較高的抗 拉強(qiáng)度導(dǎo)致低的滯后(實(shí)質(zhì)上，零到彈性極限)、擴(kuò)展的操作范圍和較高的過壓限制。低熱 膨脹系數(shù)和低的楊氏模量溫度依賴性導(dǎo)致減小的壓力傳感器10的溫度校正，改善的穩(wěn)定 性和減小的溫度滯后。 鈦超彈性合金的例子在Saito等的美國專利No. 6， 607， 693、 Furuta等的美國專 利No. 6， 979， 375、 kuramoto等的美國專利公開No. 2004/0055675、 Furuta等的美國專利公 開No. 2004/0115083、和Whang等的美國專利公開No. 2005/0072496中被描述。這些鈦基 超彈性合金被日本愛知縣的Toyota Central R&D Labs稱為商標(biāo)名稱GUM METAL 。它 們還在Science, Vol. 300， 464-467 (April 2003)的Saito等的MultifunctionalAlloys Obtained via a Dislocation—Free Plastic Deformation Mechanism、 R&D Review of Toyota CRDL，Vol. 38，No. 3(2003)的Nishino的SuperMultifunctional Alloy"GUM METAL" 禾口在Metallurgical and MaterialsTransactions， vol. 37A， 657 (2006)的Kuramoto等的 Plastic Deformationin a Multifunctional Ti_Nb_Ta_Zr_0 Alloy中被描述。
鈦基超彈性合金包含鈦、第IVa族元素(例如鋯(Zr)或鉿(Hf))、除了鈦之外的第 Va族元素(例如釩(V)、鈮(Nb)或鉭(Ta))以及例如氧、氮或碳等的填隙元素。第IVa族 元素(鋯或鉿)對降低楊氏模量和提高強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。第Va族元素(V、 Nb和Ta)對降低楊
5氏模量有貢獻(xiàn)。填隙元素(0、N或C)對提高強(qiáng)度有貢獻(xiàn)。所述合金具有體心立方或體心四 方晶體結(jié)構(gòu)。鈦基超彈性合金可以通過熔融工藝或通過燒結(jié)來形成。之后，合金經(jīng)受冷加 工，以顯著地提高其抗拉強(qiáng)度。低的楊氏模量和高抗拉(彈性極限)強(qiáng)度以及高彈性變形 能力，允許合金具有好的冷加工性質(zhì)。 對于具有撓曲部件的機(jī)械傳感器(例如電容式壓力傳感器10)，鈦基超彈性合金 具有80GPa或更小的楊氏模量，優(yōu)選地具有在約60-70Gpa范圍內(nèi)的楊氏模量。合金的彈性 極限抗拉強(qiáng)度至少是約1000MPa，在一些情形下是1200MPa或更大。 如Saito等在Science, vol. 30,464(2003)中報道的，對于90%的冷加工合金，線
性膨脹系數(shù)在從10(T K到50(T K的溫度范圍內(nèi)不超過2X10—6/° K。因此，冷加工的鈦
基合金顯示出與Irwar合金類似的線性膨脹系數(shù)，但是在更寬的溫度范圍上。 楊氏模量的溫度依賴性也在擴(kuò)展的溫度范圍上也接近零。如Saito等報道的，冷
加工的鈦基超彈性合金的楊氏模量基本上在77。
K和50(T K之間保持恒定。這種接近零
的溫度依賴性與Elinvar合金的溫度依賴性相當(dāng)，但存在于更寬的溫度范圍內(nèi)。 高強(qiáng)度和低楊氏模量，在用于壓力傳感器10的撓曲元件(中心隔膜16)時，提供
了非常高的分辨率和精確的壓力測量。溫度特性在100° K至50(T K的很寬的范圍內(nèi)提
供了改善的溫度穩(wěn)定性能。 因?yàn)楹辖鹗悄透g的，所以隔離隔膜30和32也可以由與中心隔膜16相同的材料 形成。鈦基超彈性合金的低熱膨脹性允許將中心隔膜16和隔離隔膜30和32 (以及例如杯 部12和14的其它部件)與常見的低膨脹固態(tài)材料一起被使用。 鈦基超彈性合金具有三個另外的共有特點(diǎn)。第一，它們具有約2.24的成分平 均平衡電子數(shù)[電子/原子(ea)比]。第二，根據(jù)DV-Xa簇方法，它們具有約2. 86至 約2. 90的鍵級(Bo值)，其表示鍵合強(qiáng)度。第三，它們具有約2. 43至約2. 49的"D"電 子軌道能級(Md值)。滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的組合物的例子包括Ti-12Ta-9Nb-3V-Zr-0和 Ti-23Nb-0. 7Ta-2Zr-0[摩爾百分比(mol% )]。 不銹鋼是用于工業(yè)精確壓力和撓曲機(jī)械傳感器的最常見的材料。通過比較，鈦基 超彈性合金的抗拉強(qiáng)度在室溫可以是1200GPa，其比傳統(tǒng)的不銹鋼高三倍。另外，鈦基超彈 性合金的楊氏模量在300。 K(室溫)可以是例如60GPa，其比傳統(tǒng)的不銹鋼低4倍。極低 的楊氏模量和高抗拉強(qiáng)度以及與有利的熱學(xué)性質(zhì)的組合與將傳統(tǒng)的不銹鋼用于撓曲元件 的傳感器相比產(chǎn)生了相當(dāng)大的改善。 圖2至4將鈦基超彈性合金的特點(diǎn)與由于具有相對低的楊氏模量已經(jīng)被用 于壓力傳感器的兩個另外的合金材料(Elgilloy和NiSpan)進(jìn)行比較。圖2顯示出 在-40。C (223° K)禾P100。C (373° K)之間的溫度范圍內(nèi)Elgilloy、NiSpan和鈦基超彈性 合金的比較。鈦基超彈性合金在所有溫度具有相當(dāng)?shù)偷臈钍夏Ａ浚瑮钍夏Ａ侩S著溫度的變 化小于Elgilloy或NiSpan中的任一種。 圖3顯示出以毫米為單位的作為溫度的函數(shù)的線性膨脹或位移。鈦基超彈性合金 的溫度系數(shù)約為1. 16X10-5,C。與之相比較的是，NiSpan為1.63X10—7。C和Elgilloy為 6. 17X10—7°C。 圖4顯示出NiSpan和鈦基超彈性合金的壓力滯后特點(diǎn)。在圖3中，張應(yīng)力顯示為 應(yīng)變％的函數(shù)。如圖4所示，NiSpan在應(yīng)變從0X增加到約0. 25%時顯示出滯后。與之相
6比，鈦基超彈性合金對于在0%和0. 6%之間的應(yīng)變沒有顯示出滯后。 圖1中顯示出的壓差傳感器僅表示使用鈦基超彈性合金作為撓曲感測部件的機(jī) 械傳感器的一個例子。例如，使用鈦基超彈性合金的其它電容式壓力傳感器可以被配置以 測量絕對壓力或表壓。另外，電容式壓差傳感器可以被配置以具有成并肩配置的單元半部， 具有兩個撓曲隔膜，而不是如圖1所顯示的配置。 另外，圖l顯示的壓差傳感器可以包括另外的電極，以為線性化目的產(chǎn)生另外的 電容器。例如，在美國專利No.6，295，875中顯示使用了另外的電極。 在另一實(shí)施例中，在美國專利No.6，843， 133中描述的所述類型的電容式壓力傳 感器將鈦基超彈性合金用作撓曲感測部件(隔膜)。傳感器可以以過程流體與鈦基超彈性 合金隔膜直接接觸為特征，或可以與圖1所顯示的傳感器相似，包括隔離物和介電填充流 體。 圖5顯示出壓力傳感器50，其包括腔52、超彈性合金隔膜54、應(yīng)變感測橋傳感器 56、電子信號處理隔室58和信號處理電路60。過程壓力P傳送至感測腔52，并且向超彈性 合金隔膜54施加壓力。過程壓力可以由過程流體直接傳送或通過介電填充流體來傳送。流 體壓力使得隔膜54撓曲，進(jìn)而在應(yīng)變感測橋56中產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)變感測橋56例如可以是硅 壓電電阻橋，其被結(jié)合、沉積或嵌入到超彈性合金隔膜54中。由信號處理電路60對來自橋 56的信號進(jìn)行處理，以產(chǎn)生是過程壓力P的函數(shù)的輸出。隔室58可以被真空密封，使得所 述輸出表示絕對壓力，或可以保持在大氣壓力下，使得來自信號處理電路60的輸出表示表 壓。 圖6顯示出壓力傳感器70，其包括感測腔72、基準(zhǔn)腔74、超彈性合金隔膜76、電接 觸件78和80以及信號處理電路82?；谇?2中的過程流體壓力和基準(zhǔn)腔74中的壓力之 間的壓力差，隔膜76撓曲。如果腔74中的參考壓力是真空，那么壓力傳感器70測量絕對 壓力。如果參考壓力是大氣壓，傳感器70測量表壓。 信號處理電路82基于接觸件78和80之間的電阻提供表示測量的壓力的輸出。隔 膜76的電阻是鈦基超彈性合金的電阻率、接觸件78和80之間的隔膜76的長度以及隔膜 76的橫截面面積的函數(shù)。隨著壓力的增加，隔膜76撓曲，使得其在接觸件78和80之間的 長度增加。另一方面，橫截面面積不發(fā)生顯著變化，電阻率不改變。因此，增加的壓力導(dǎo)致 接觸件78和80之間的電阻增加。 如由圖1、5和6顯示的實(shí)施例所顯示的，鈦基超彈性合金隔膜作為壓力的函數(shù)撓 曲，并且所述撓曲可以被用于利用感測的電容、感測的應(yīng)變或感測的電阻產(chǎn)生表示壓力的 輸出。 雖然參考優(yōu)選的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到在不 偏離本發(fā)明的精神和范圍的情形下可以對本發(fā)明的形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行改變。
權(quán)利要求
一種傳感器，其特征在于，撓曲部件，其對被感測的參數(shù)產(chǎn)生響應(yīng)，且由具有小于約80GPa的楊氏模量和大于約1000MPa的抗拉強(qiáng)度的鈦基合金形成。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，進(jìn)一步包括傳感器主體，其中，所述撓曲部件被安裝 到所述傳感器主體上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中，所述被感測的參數(shù)是壓力，且所述傳感器主體 和所述撓曲部件限定至少一個壓力感測腔。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，所述傳感器包括電容式壓差傳感器，且所述撓 曲部件包括設(shè)定在第一腔和第二腔之間的中心隔膜，所述中心隔膜可作為所述第一腔和第 二腔中的流體壓力的函數(shù)撓曲。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其中，所述第一腔和第二腔被填充介電填充流體，且 其中第一和第二隔離隔膜分別將壓力從過程流體傳送至所述第一腔和第二腔中的介電填 充流體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的傳感器，其中，所述第一和第二隔離隔膜由所述鈦基合金形成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，進(jìn)一步包括被連接至所述撓曲部件的應(yīng)變響應(yīng)裝 置，用于產(chǎn)生作為所述撓曲部件的撓曲的函數(shù)的輸出。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，進(jìn)一步包括用于提供作為所述撓曲部件的電阻的函 數(shù)的輸出的電路，該電阻基于所述撓曲部件的撓曲而改變。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其中，所述鈦基合金包含鈦、至少一種第IVa族元素、 至少一種除了鈦之外的第Va族元素以及至少一種填隙元素。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器，其中，所述至少一種第IVa族元素來自由鋯和鉿構(gòu) 成的組，其中所述第Va族元素來自由鈮、鉭和釩構(gòu)成的組，以及其中所述填隙元素來自由 氧、氮和碳構(gòu)成的組。
11. 根據(jù)權(quán)利要求IO所述的傳感器，其中所述鈦基合金包括Ti-24原子％ (Nb+Ta+V)-(Zr， Hf) _0的組合物。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中，所述鈦基合金具有約為2. 24的成分平均平 衡電子數(shù)[電子/原子(ea)比];具有基于DV-X a簇方法的約2. 86至約2. 90的鍵級(Bo 值)；并具有約2. 43至約2. 49的"D"電子軌道能級(Md值)。
13. —種壓力傳感器，包括 第一腔；和隔膜，靠近所述第一腔設(shè)置，所述隔膜由具有小于約80GPa的楊氏模量和大于約 1000MPa的抗拉強(qiáng)度的鈦基合金形成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓力傳感器，進(jìn)一步包括 作為所述隔膜的撓曲的函數(shù)變化的電容。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓力傳感器，進(jìn)一步包括連接至所述隔膜的應(yīng)變響應(yīng)裝置，用于產(chǎn)生作為所述隔膜的撓曲的函數(shù)的輸出。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的壓力傳感器，進(jìn)一步包括 電接觸件，連接至所述隔膜以提供作為所述隔膜的撓曲的函數(shù)的電阻。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電容式壓力傳感器，其中，所述鈦基合金具有小于約70Gpa的楊氏模量。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的電容式壓力傳感器，其中，所述鈦基合金具有約60GPa的楊 氏模量。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電容式壓力傳感器，其中，所述鈦基合金具有大于約 1200Mpa的抗拉強(qiáng)度。
20. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電容式壓力傳感器，其中，所述鈦基合金包含第IVa族和第 Va族元素。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的電容式壓力傳感器，其中，所述鈦基合金包括Ti-24原子X (Nb+Ta+V)-(Zr， Hf)_0的組合物。
22. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的電容式壓力傳感器，其中，所述鈦基合金具有約為2. 24的 成分平均平衡電子數(shù)[電子/原子(ea)比];具有基于DV_X a簇方法的約2. 86至約2. 90 的鍵級(Bo值)；和具有約2. 43至約2. 49的"D"電子軌道能級(Md值)。
23. —種壓力傳感器，包括 傳感器主體；隔膜，由所述傳感器主體支撐且可作為流體壓力的函數(shù)撓曲，所述隔膜具有小于約 80GPa的楊氏模量和大于約1000MPa的抗拉強(qiáng)度；禾口用于基于所述隔膜的撓曲產(chǎn)生表示感測的壓力的輸出的裝置。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的壓力傳感器，其中，所述用于產(chǎn)生輸出的裝置響應(yīng)于作為 所述隔膜的撓曲的函數(shù)而改變的電容。
25. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的壓力傳感器，其中，所述用于產(chǎn)生輸出的裝置響應(yīng)于作為 所述隔膜的撓曲的函數(shù)而改變的電阻。
26. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的壓力傳感器，其中，所述用于產(chǎn)生輸出的裝置響應(yīng)于作為 所述隔膜的撓曲的函數(shù)而改變的應(yīng)變。
27. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的壓力傳感器，其中，所述隔膜的楊氏模量小于約70GPa。
28. 根據(jù)權(quán)利要求27所述的壓力傳感器，其中，所述隔膜具有約60GPa的楊氏模量。
29. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的壓力傳感器，其中，所述隔膜具有大于約1200Mpa的抗拉強(qiáng)度。
30. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的壓力傳感器，其中，所述隔膜由鈦基合金形成。
31. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的壓力傳感器，其中，所述鈦基合金包含第IVa族和第Va族 元素。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的壓力傳感器，其中，所述鈦基合金包括Ti-24原子％ (Nb+Ta+V)-(Zr， Hf) _0的組合物。
33. 根據(jù)權(quán)利要求30所述的壓力傳感器，其中，所述鈦基合金具有約為2. 24的成分平 均平衡電子數(shù)[電子/原子(ea)比];具有基于DV-Xa簇方法的約2. 86至約2. 90的鍵 級(Bo值);和具有約2. 43至約2. 49的"D"電子軌道能級(Md值)。
全文摘要
壓力和機(jī)械傳感器包括由具有小于約80GPa的彈性(楊氏)模量和大于約1000MPa的抗拉強(qiáng)度的鈦和鉭合金形成的感測部件。高強(qiáng)度和低彈性模量以及非常低的彈性模量溫度依賴性和非常低的線性熱膨脹在很大的溫度范圍內(nèi)導(dǎo)致了高分辨率和精確測量。
文檔編號G01L7/02GK101730840SQ200880015832
公開日2010年6月9日 申請日期2008年2月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者斯瓦番·卡克拉博堤 申請人:羅斯蒙德公司