電容式壓力傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高溫壓力感測裝置和一種方法。在一些實施方式中，公開了一種包括相對于溫度的內(nèi)在的零點輸出和值域修正的高溫壓力傳感器。此外，本發(fā)明公開了通過使用朝向高溫壓力傳感器的遠(yuǎn)端部定位的中間電路來改進(jìn)高溫性能的方法以及減小壓力傳感器內(nèi)的熱感生應(yīng)力的構(gòu)型。公開的實施方式也詳述了減小因壓力傳感器內(nèi)的各種寄生電容而產(chǎn)生的信號損失以改進(jìn)信號保真度和靈敏度的方法。
【專利說明】電容式壓力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]公開的實施方式大體上針對基于電容的壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]塑料的擠壓成型和注射成型廣泛地用于生產(chǎn)用于眾多產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用的部件。在制造這些不同的部件期間，重要的是，對系統(tǒng)內(nèi)的熔化物的壓力和溫度進(jìn)行測量以確保準(zhǔn)確且可再生產(chǎn)的部件生產(chǎn)。如果熔化物壓力太低，那么不足的成型填裝、填充不足和其他的不期望的制造缺陷會出現(xiàn)。另外，如果成型壓力過高，那么其會導(dǎo)致過多的溢料、材料脫模和可能的設(shè)備失靈。因而，通常將壓力傳感器并入到擠壓機(jī)或注射成型系統(tǒng)內(nèi)的一個或更多個位置中以監(jiān)控擠壓過程或注射過程。然而，聚合物熔化物溫度范圍取決于具體的聚合物而高達(dá)400°C或更高。因此，通常將適于用在高溫環(huán)境下的壓力傳感器用于監(jiān)控這些系統(tǒng)。此夕卜，高溫壓力傳感器也用在各種其他應(yīng)用中，包括但不限于對渦輪發(fā)動機(jī)、石油鉆井、食品加工工作以及其他合適的應(yīng)用進(jìn)行壓力監(jiān)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在一個實施方式中，壓力傳感器包括探測器本體，該探測器本體包括由具有第一熱膨脹系數(shù)的第一材料所形成的壓力可彎曲隔板端。隔板端包括至少部分地限定了電容器的第一部分的第一表面。壓力傳感器也包括由具有第二熱膨脹系數(shù)的第二材料所形成的相對不可變形的部件。相對不可變形的部件包括與第一表面間隔開的第二表面。第二表面也至少部分地限定了電容器的第二部分。中間部件布置在使壓力可彎曲隔板端與相對不可變形的部件彼此隔離的周圍區(qū)域處。中間部件由具有第三熱膨脹系數(shù)的第三材料形成。第三熱膨脹系數(shù)小于第一熱膨脹系數(shù)。
[0004]在另一個實施方式中，壓力傳感器包括探測器本體和壓力可彎曲隔板端，該壓力可彎曲隔板端由導(dǎo)電材料形成并且耦聯(lián)至探測器本體。導(dǎo)電材料具有第一熱膨脹系數(shù)。另夕卜，壓力可彎曲隔板端具有至少限定了電容器的第一部分的第一表面。壓力傳感器也包括具有第二熱膨脹系數(shù)的氧化鋁盤，該第二熱膨脹系數(shù)小于第一熱膨脹系數(shù)。盤包括金屬化層。金屬化層與第一表面間隔開，使得金屬化層至少部分地限定了電容器的第二部分。在探測器本體與氧化鋁盤之間布置有彈簧。彈簧使氧化鋁盤朝向壓力可彎曲隔板端偏置。在氧化鋁盤的周圍區(qū)域處布置有環(huán)形墊片部件以將氧化鋁盤與壓力可彎曲隔板端隔離。環(huán)形墊片由具有第三熱膨脹系數(shù)的第三材料形成。第三熱膨脹系數(shù)小于第一熱膨脹系數(shù)。
[0005]在又一個實施方式中，壓力傳感器包括中間電路，該中間電路產(chǎn)生與參考電容和感測電容之間的差值成比例的電壓信號。
[0006]在另一個實施方式中，壓力傳感器包括探測器組件，該探測器組件包括:相對剛性的本體；遠(yuǎn)端部，該遠(yuǎn)端部具有電容式壓力傳感器，電容式壓力傳感器由于作用在電容式壓力傳感器上的壓力能夠產(chǎn)生感測電容；以及近端部，該近端部與遠(yuǎn)端部對置。在遠(yuǎn)端部處布置有中間電路外殼。在中間電路外殼內(nèi)封裝有電容性檢測橋接電路。電容性檢測橋接電路產(chǎn)生與參考電容和感測電容信號之間的差值成比例的電壓信號。壓力傳感器也包括遠(yuǎn)程電路外殼。相對柔性的互連裝置將遠(yuǎn)程電路外殼耦聯(lián)至中間電路外殼。在遠(yuǎn)程電路外殼中布置有主電路。遠(yuǎn)程電路外殼通過相對柔性的互連裝置連接至中間電路外殼。電容性檢測橋接電路通過互連裝置將電壓信號傳遞至主電路。
[0007]在一個實施方式中，壓力傳感器包括探測器本體和布置在探測器本體的遠(yuǎn)端部處的電容式傳感器。電容式傳感器產(chǎn)生感測電容。壓力傳感器還包括關(guān)聯(lián)電容，其中，由溫度的變化所引起的感測電容的變化通過關(guān)聯(lián)電容的相應(yīng)變化來抵消。
[0008]在另一個實施方式中，制造壓力傳感器的方法包括:將具有第一電容性表面的壓力可彎曲隔板罩設(shè)置在探測器本體上；將第一電容性表面電耦聯(lián)至探測器本體；選擇具有期望的介電常數(shù)的材料以及由該材料形成不可變形的部件；在不可變形的部件的一部分上形成第二電容性表面；將引線連接至第二電容性表面并且將不可變形的部件定位在探測器本體之內(nèi)，其中，并聯(lián)電容(shunt capacitance)限定在引線與探測器本體之間；以及通過將第二電容性表面與第一電容性表面間隔開而相對于壓力可彎曲隔板罩設(shè)置不可變形的部件，使得第一表面和第二表面限定了具有感測電容的電容式傳感器，其中，由溫度的變化所引起的感測電容的變化通過并聯(lián)電容的相應(yīng)變化來抵消。
[0009]在一個實施方式中，壓力傳感器包括具有近端部和遠(yuǎn)端部的管狀探測器本體。壓力傳感器也包括布置在探測器本體的遠(yuǎn)端部處的電容式傳感器。引線電耦聯(lián)至電容式傳感器并且沿管狀探測器本體的內(nèi)部空間朝向近端部延伸。至少一個支承件由具有相對低的介電常數(shù)的材料形成并且布置在管狀探測器本體內(nèi)。至少一個支承件構(gòu)造和設(shè)置成將引線支承在管狀探測器本體內(nèi)并且將引線與管狀探測器本體的內(nèi)壁間隔開。
[0010]在另一個實施方式中，壓力傳感器包括具有近端部和遠(yuǎn)端部的管狀探測器本體。管狀探測器本體包括形成在管狀探測器本體的壁部中且從遠(yuǎn)端部延伸至近端部的通道。在探測器本體的遠(yuǎn)端部處布置有電容式傳感器。引線電耦聯(lián)至電容式傳感器并且沿管狀探測器本體的內(nèi)部空間朝向近端部延伸。在管狀探測器本體的遠(yuǎn)端部處布置有溫度傳感器，并且溫度傳感器引線布置在通道中以及連接至溫度傳感器。
[0011]應(yīng)當(dāng)理解的是，前述理念和下面所討論的附加理念可以以任何合適的組合設(shè)置，因為本公開在這方面并不受限。
[0012]從在下文中結(jié)合附圖的描述能夠更充分地理解本教導(dǎo)的前述和其他的方面、實施方式和特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]附圖并不意在按比例繪制。出于清楚的目的，并非每個部件在每幅圖中均會標(biāo)注。在附圖中:
[0014]圖1是包含中間電路的壓力傳感器的示意圖；
[0015]圖2是包含中間電路和柔性互連裝置的壓力傳感器的示意圖；
[0016]圖3是沿中間電路的圖1的線3-3所截取的壓力傳感器的示意性的橫截面圖；
[0017]圖3A是由圖3中所描述的壓力傳感器的線3A包圍的遠(yuǎn)端部的放大圖；
[0018]圖4是壓力傳感器的探測器本體的部段的一部分的示意性的橫截面圖；
[0019]圖5是包括溫度傳感器引線通道的壓力傳感器的示意性的端視圖；[0020]圖5A是圖5中所描述的壓力傳感器的橫截面圖；
[0021]圖5B是圖5A中所描述的包括溫度傳感器引線槽的壓力傳感器的橫截面圖；
[0022]圖5C是包括溫度傳感器引線孔的壓力傳感器的橫截面圖；
[0023]圖6是布置在壓力傳感器的探測器本體中的溫度傳感器通道中的溫度傳感器的示意性的橫截面圖；
[0024]圖7是描述了電容式壓力傳感器在兩個不同溫度之間的零點輸出和值域變化的圖表；
[0025]圖8是與壓力傳感器相關(guān)聯(lián)的多個電容的示意圖；
[0026]圖9是壓力傳感器的遠(yuǎn)端部的示意圖；
[0027]圖10是示出了間隙相對于溫度的變化的圖表；
[0028]圖11是從25°C至350°C的零點輸出變化百分比相對于圖9中的部件尺寸“L”的變化的圖表；
[0029]圖12是相同的壓力傳感器在不同溫度下在具有圖9中的不同的初始電容器間隙“g”時的輸出值域的圖表；以及
[0030]圖13是示例性壓力傳感器的一部分的示意圖。
【具體實施方式】
[0031]用于在擠壓成型過程和注射成型過程期間對與聚合物熔化物相關(guān)聯(lián)的壓力進(jìn)行監(jiān)控的壓力傳感器受到取決于具體的聚合物的范圍高達(dá)400°C或更高的升高的溫度。本
【發(fā)明者】已經(jīng)意識到:暴露于所述大的溫度范圍不僅由于高溫影響而需要對輸出溫度信號進(jìn)行修正，而且這些溫度也對部件壽命具有不利影響。因此，本
【發(fā)明者】已經(jīng)意識到:需要提供一種在能夠精確地測量壓力的同時也提供增加的可靠性和使用壽命的高溫壓力傳感器探測器。另外，為了提供具有較大靈敏度的較高保真度的信號，本
【發(fā)明者】也已經(jīng)意識到:需要減小壓力傳感器之內(nèi)的總信號損失和干擾源。附加地，本
【發(fā)明者】已經(jīng)意識到:需要在優(yōu)化因壓力而產(chǎn)生的電容變化的同時使壓力傳感器的總電容最小化并且對其進(jìn)行控制。
[0032]本
【發(fā)明者】已經(jīng)意識到:在電容式壓力傳感器與位于近端的主電路之間的引線受到對感測到的壓力信號進(jìn)行干擾的寄生電容(stray capacitances)。另外，信號在從測量的AC電容信號轉(zhuǎn)變成DC信號之前從這些寄生電容受到較大擾動。因此，期望的是，盡可能接近電容壓力傳感器將電容壓力信號轉(zhuǎn)換成DC信號。然而，電路系統(tǒng)的位置由于使用期間位于探測器本體的遠(yuǎn)端部處的高溫而受到限制。本
【發(fā)明者】已經(jīng)意識到:通過提供一種能夠在較高溫度下連續(xù)地工作的中間電路，其能夠用于在較接近位于遠(yuǎn)端的壓力傳感器的位置處將壓力傳感器信號從AC信號轉(zhuǎn)換成DC信號，使得輸出壓力傳感器信號不易于受到寄生電容的影響，從而引起較高的信號保真度并且壓力傳感器能夠連續(xù)高溫工作。
[0033]本
【發(fā)明者】也已經(jīng)意識到:位于遠(yuǎn)端的電容式壓力傳感器的部件由于不同部件的熱膨脹系數(shù)之間的不匹配而在升高的工作溫度下受到熱感生應(yīng)力。這些熱感生應(yīng)力在其在易碎部件諸如陶瓷部件中感生時是特別需要關(guān)注的。同樣地，將中間部件和/或涂層設(shè)置在壓力傳感器的具有不同熱膨脹系數(shù)的部件之間以減小熱感生應(yīng)力并且防止部件的疲勞和/或破裂。中間部件和/或涂層減小在部件之間的熱感生應(yīng)力的一個方法在于使用具有與帶有較高的熱膨脹系數(shù)的材料的熱膨脹系數(shù)相比較小的熱膨脹系數(shù)的材料。由于中間部件和/或涂層具有中間的熱膨脹系數(shù)，因此，由于具有不同熱膨脹系數(shù)的部件之間的更平緩的過渡，每個部件均表現(xiàn)出減小的應(yīng)力。作為上述方案的替代性方案或者除了上述方案之外，中間部件和/或涂層能夠包括低摩擦系數(shù)的材料以減小由于否則在部件的分界面處產(chǎn)生的高摩擦而產(chǎn)生的在部件之間傳遞的熱感生應(yīng)力。
[0034]除了處理與感測壓力相關(guān)聯(lián)的高溫工作問題之外，本
【發(fā)明者】已經(jīng)意識到:也期望的是，進(jìn)一步減小系統(tǒng)內(nèi)的任何寄生電容以改進(jìn)輸出壓力信號的保真度。同樣地，期望的是，使在輸出壓力信號的引線與形成壓力探測器的多個部件之間的并聯(lián)電容最小化。例如，由于輸出引線越靠近探測器本體的壁部，并聯(lián)電容增加，因此期望的是，將輸出引線同心地定位在探測器本體內(nèi)并且使可由于引線的橫向振動而發(fā)生的探測器本體內(nèi)的輸出引線的橫向位移最小化。在一個實施方式中，使用由具有低介電常數(shù)和/或低熱膨脹系數(shù)的材料制成的襯套和/或支承件以預(yù)定間隔支承引線以使引線相對于探測器本體的壁部的靜態(tài)彎曲和/或動態(tài)彎曲最小化。在一些實施方式中，材料同時具有低介電常數(shù)和低熱膨脹系數(shù)。并聯(lián)電容的其他來源包括但不限于:輸出引線與位于探測器本體內(nèi)的其他部件、例如與用于對過程溫度進(jìn)行監(jiān)控的溫度傳感器的引線相互作用。在這種實施方式中，并聯(lián)電容與輸出引線與溫度傳感器的引線之間的距離成比例。因而，期望的是，將感測部件的、例如溫度傳感器的引線定位成盡可能地遠(yuǎn)離輸出引線以減小這些部件之間的電容的量值。在一個實施方式中，溫度傳感器的或其他部件的引線位于形成在探測器本體自身的壁部內(nèi)的通道或凹槽中以使部件與輸出引線遠(yuǎn)離并且改進(jìn)輸出信號的保真度。
[0035]盡管能夠減小由于系統(tǒng)內(nèi)(例如來自溫度傳感器)的寄生電容而通過部件在輸出壓力信號中所引起的干擾，但是本
【發(fā)明者】已經(jīng)意識到:在一些實施方式中，由溫度傳感器所引起的干擾能夠通過完全地消除對所述溫度傳感器的需要來避免。然而，溫度傳感器通常用于幫助補(bǔ)償因溫度變化引起的壓力信號的值域(span)和零點輸出的變化。因此，本
【發(fā)明者】已經(jīng)意識到:將有益的是，提供一種能夠內(nèi)在地補(bǔ)償由于溫度變化引起的壓力信號的值域和零點輸出的變化中的一者或兩者的壓力傳感器。零點輸出中的熱感生變化(例如，減小)能夠通過具有在探測器內(nèi)的并聯(lián)電容的相應(yīng)的相反變化(例如，增大)來補(bǔ)償。更具體地，通過控制部件幾何形狀和選擇具有特定的介電常數(shù)的溫度系數(shù)的材料，并聯(lián)電容的隨著溫度變化的比率能夠匹配成抵消壓力傳感器的零點輸出的熱感生變化。除了補(bǔ)償零點輸出之外，值域相對于溫度增加的變化也通過對傳感器的電容性表面之間的間隙相對于溫度增大的比率進(jìn)行控制來補(bǔ)償。與以上情況類似，間隙相對于溫度增大的比率通過控制部件幾何形狀和選擇具有特定熱膨脹系數(shù)的材料來確定。因此，壓力信號能夠在不需要溫度傳感器的情況下補(bǔ)償溫度變化。因此，在不需要溫度感測能力的實施方式中(如可由最終用戶或其他的適當(dāng)使用所需要)，能夠從壓力感測探測器中除去溫度傳感器，從而引起減小的復(fù)雜性并且附加地引起探測器本體內(nèi)的減小的寄生電容以及信號保真度的相應(yīng)增加。
[0036]為了簡便起見，本公開對用于為高溫聚合物熔化物感測壓力的高溫壓力傳感器進(jìn)行了描述。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本公開并不限于僅以高溫聚合物熔化物的方式使用。相反，本文中所公開的高溫壓力傳感器的實施方式能夠使用在許多不同的高低溫壓力感測應(yīng)用中。
[0037]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖，圖1描述了壓力傳感器探測器組件100的實施方式，該壓力傳感器探測器組件100設(shè)置成使組件的主電路系統(tǒng)與熔化物的或其他材料的被監(jiān)控的熱量隔離。探測器組件100包括探測器本體，該探測器本體具有遠(yuǎn)端部，該遠(yuǎn)端部包括壓力傳感器102。在本實施方式中，壓力傳感器102是電容式壓力傳感器，該電容式壓力傳感器包含耦聯(lián)至電容感測橋接電路的壓力可彎曲隔板。在一些例子中，橋接電路是二極管橋接電路，諸如在美國專利N0.3，883，812和N0.3，869，676中所公開的二極管橋接電路，美國專利N0.3，883，812和N0.3，869，676的公開內(nèi)容在此通過參引并入本文中。探測器組件100通過包括螺紋連接裝置104的任何合適的裝置附接至被監(jiān)控的系統(tǒng)。由于剛性探測器本體106內(nèi)的空間限制以及在工作期間存在于剛性探測器本體的遠(yuǎn)端部處的高溫，因此除了電容式傳感器自身之外，傳感器電子元件并不位于探測器本體內(nèi)。因此，從位于遠(yuǎn)端的電容式壓力傳感器輸出的信號是未放大的AC信號。該未放大的AC信號由于由存在于壓力傳感器探測器內(nèi)的相對大的寄生電容產(chǎn)生的干擾而容易受到擾動。因此，期望的是，防護(hù)或放大信號以增加信號保真度。盡管能夠?qū)敵鲂盘柕囊€進(jìn)行防護(hù)，但是在一些替代性的實施方式中，能夠高溫工作的中間電路位于遠(yuǎn)離探測器的遠(yuǎn)端部的中間電路外殼內(nèi)。在一些例子中，中間電路外殼位于探測器的近端部處。該中間電路用于在將信號傳遞至包含在主電路外殼110內(nèi)的位于遠(yuǎn)處的主電路之前放大和/或轉(zhuǎn)換信號。在一些實施方式中，大部分的探測器電路系統(tǒng)和信號處理在主電路內(nèi)進(jìn)行。因此，在至少一些實施方式中，中間電路僅包括能夠在將輸出信號傳遞至主電路以進(jìn)行進(jìn)一步處理之前對輸出信號進(jìn)行需要的工作的最小量的電路系統(tǒng)。
[0038]在中間電路外殼處于大于主電路的最大連續(xù)工作溫度的溫度下的實施方式中，期望的是，使主電路與中間電路外殼遠(yuǎn)離。因此，在一些實施方式中，如圖2中所描述的，壓力傳感器探測器組件120包括互連裝置122以使主電路與中間電路遠(yuǎn)離?；ミB裝置122將從中間電路輸出的壓力信號傳遞至主電路。在一些實施方式中，互連裝置122是柔性互連裝置，諸如能夠?qū)⑤敵鰤毫鞲衅餍盘枏闹虚g電路傳遞至位于遠(yuǎn)處的主電路的柔性電路或電纜。根據(jù)針對中間電路外殼設(shè)計的工作溫度，主電路外殼能夠位于距中間電路外殼任何合適的距離處以在不受高溫的負(fù)面影響的情況下確保其中所包含的電路系統(tǒng)的合適的連續(xù)工作。例如，中間電路外殼與主電路外殼之間的距離能夠是中間電路外殼與壓力傳感器探測器組件的遠(yuǎn)端部之間的距離的至少兩倍或至少四倍。替代性地或除了主電路位于遠(yuǎn)處之夕卜，主電路外殼和中間電路外殼可以包括主動冷卻和/或被動冷卻以將其中所包含的電路系統(tǒng)維持在合適的工作溫度下。
[0039]如圖3中所示出的，壓力傳感器探測器組件200在其遠(yuǎn)端部處包括電容式壓力傳感器202。電容感測橋接電路能夠耦聯(lián)至壓力傳感器以感測施加的壓力并且輸出與施加的壓力相關(guān)的相應(yīng)的電壓信號。來自電容式壓力傳感器202的信號經(jīng)由穿過剛性探測器本體212的引線204輸出。如在圖中所描述的，剛性探測器本體212呈管狀形狀，但是其他形狀也是可能的。引線204由處于剛性探測器本體的孔內(nèi)的襯套206支承。在一些實施方式中，襯套206是薄的石英盤，該石英盤設(shè)置成且適于將引線同心地支承在剛性探測器本體212內(nèi)。引線204在穿過襯套206之后以傳遞的方式耦聯(lián)至位于中間電路外殼208內(nèi)的中間電路210。如圖中所描述的，中間電路210包括印刷電路板，但是其他合適的構(gòu)型也是可能的。如以上所指出的，壓力傳感器信號在傳遞至位于遠(yuǎn)處的主電路之前輸出至中間電路。
[0040]在一些實施方式中，中間電路適于且構(gòu)造成在大于主電路的溫度下連續(xù)地工作。因此，在這種實施方式中，包含中間電路的中間電路外殼有利地位于距探測器組件的遠(yuǎn)端部的一定距離處，所述距離對應(yīng)于中間電路的最大連續(xù)工作溫度。替代性地，中間電路外殼能夠位于對應(yīng)于小于中間電路的最大連續(xù)工作溫度的工作溫度的較大距離處。在一個示例性實施方式中，中間電路的最大連續(xù)工作溫度大約是150°C。在一個實施方式中，中間電路能夠在超過大約125°C且小于大約150°C的溫度下連續(xù)地工作。盡管描述了用于中間電路的特定的工作溫度范圍，但是本公開并不僅限于任何具體的溫度范圍。例如，在一些實施方式中，電路構(gòu)造成在小于大約250°C的溫度下工作。在這種實施方式中，中間電路能夠在小于大約250°C的溫度或電路能夠連續(xù)地工作的任何其他合適的溫度下連續(xù)地工作。
[0041]不受理論限制，指出的是，電容式壓力傳感器遠(yuǎn)離中間電路并且輸出電容信號可受到沿著信號傳遞路徑存在的寄生電容的影響，直到輸出電容信號由中間電路處理。因此，在一些實施方式中，中間電路有利地包括二極管橋接電路以將AC電容信號轉(zhuǎn)換成DC輸出信號以用于隨后傳遞至位于遠(yuǎn)處的主電路。在其他實施方式中，中間電路也包括用于放大信號的電路系統(tǒng)。剩下的電子元件諸如例如振蕩器電路系統(tǒng)、輸出信號調(diào)節(jié)電路系統(tǒng)、激勵電路系統(tǒng)和需要提供輸出給用戶(界面)的最終調(diào)節(jié)的信號的附加電路系統(tǒng)位于遠(yuǎn)程電路外殼中的主電路中。
[0042]在一些實施方式中，壓力傳感器探測器和相應(yīng)的中間電路暴露于一系列的工作溫度。因此，在這種實施方式中，有利的是，由于通過在不同溫度下工作中間電路引起的信號錯誤，為從中間電路輸出的信號進(jìn)行有效的溫度補(bǔ)償。因此，在一個實施方式中，溫度傳感器設(shè)置成測量中間電路外殼的溫度。測量的溫度隨后輸出至主電路以用于針對中間電路上的溫度影響對輸出信號進(jìn)行修正。替代性地，在一些實施方式中，能夠針對中間電路上的溫度影響對輸出信號進(jìn)行修正的電路系統(tǒng)包括在中間電路中。根據(jù)具體的實施方式，中間電路和相關(guān)聯(lián)的溫度傳感器布置在印刷電路板上。替代性地，中間電路能夠包括形成在其中的溫度感測電路，因為本公開并不限定于任何具體的溫度傳感器。與特定的構(gòu)型無關(guān)地，在以上實施方式中，壓力傳感器監(jiān)控中間電路的溫度并且針對任何溫度影響對輸出信號進(jìn)行修正。
[0043]圖3A示出了電容式壓力傳感器202的放大圖。電容式壓力傳感器包括位于探測器本體212的遠(yuǎn)端部上的壓力可彎曲隔板罩250。壓力可彎曲隔板罩250的遠(yuǎn)端部包括壓力可彎曲隔板250a。壓力可彎曲隔板250a由適合于用作電極的材料制成以形成電容式傳感器的第一部分。替代性地，在壓力可彎曲隔板250a由沒有起電容式表面的作用的材料制成的實施方式中，金屬化層可以沉積到壓力可彎曲隔板250a的內(nèi)表面上以起電容式表面的作用。此外，壓力可彎曲隔板250a的外表面能夠包括涂層、鈍化層、陽極氧化層或其他合適的層以將需要的磨損性質(zhì)、腐蝕性質(zhì)、摩擦性質(zhì)或其他需要的性質(zhì)提供給壓力可彎曲隔板外面。壓力可彎曲隔板250a也電耦聯(lián)至剛性探測器本體212，使得壓力可彎曲隔板250a以電的且可工作的方式與中間電路210耦聯(lián)以驅(qū)動電容式壓力感測電路。除了壓力可彎曲隔板之外，相對不可變形的部件、諸如陶瓷盤252在朝向壓力可彎曲隔板250a定位且與壓力可彎曲隔板250a間隔開的表面上包括電極254以形成電容式傳感器的第二部分。陶瓷盤252支承電極254且使電極254與探測器本體電絕緣。電極254能夠以任何合適的方式形成在陶瓷盤252的面向壓力可彎曲隔板250a的表面上或附接至陶瓷盤252的面向壓力可彎曲隔板250a的表面。例如,在一個實施方式中，電極254是沉積在陶瓷盤252的表面上的電鍍金屬層。替代性地，單獨形成的電極能夠接合至該表面，因為本公開并不限于電極形成的方式。為了提供需要的壓力傳感器輸出，在陶瓷盤252上的電極254與壓力可彎曲隔板250a通過預(yù)定的間隙256間隔開。由于在升高以及可變的溫度下使用壓力傳感器，因此期望的是，由具有兼容的熱膨脹系數(shù)的材料制造壓力傳感器部件以避免熱感生應(yīng)力。在不能夠匹配熱膨脹系數(shù)的情況下，如在下文中更詳細(xì)地討論的那樣，能夠?qū)⑵渌O(shè)計策略用于減輕熱感生應(yīng)力。
[0044]盡管以上描述的部件能夠由材料的任意合適的組合制成，但是在一個實施方式中，部件由下面的材料制造。壓力可彎曲隔板罩250和壓力可彎曲隔板250a由鎳基超合金、諸如UNS N07718制成。UNS N07718在大約400°C的參考溫度下具有大約14.0X 1(T6/°C的熱膨脹系數(shù)。通過陶瓷盤252實施的相應(yīng)的相對不可變形的部件是高氧化鋁含量的陶瓷，例如基于99.5%或更多氧化鋁的陶瓷。包括99.5%氧化鋁的陶瓷在大約300 V的參考溫度下具有大約7.0X 10_6/°C的熱膨脹系數(shù)和9.8+150ppm/°C的介電常數(shù)。襯套206由石英制成。石英在大約350°C的參考溫度下具有大約5.5X 10-7/oC (0.55X 10_6/°C )的熱膨脹系數(shù)和
3.8+28ppm/°C的介電常數(shù)。中間部件由Fe/Ni/Co合金諸如UNS K94610和UNS N19909或鈦合金諸如T1-6242制成。UNS K94610在大約400°C的參考溫度下具有大約5.3X 1(T6/°C的熱膨脹系數(shù)。UNS N19909在大約400°C的參考溫度下具有大約7.7X10_6/°C的熱膨脹系數(shù)。T1-6242在大約315°C的參考溫度下具有大約9.2X10_6/°C的熱膨脹系數(shù)。探測器本體由17-4不銹鋼制成。
[0045]包括壓力可彎曲隔板250a和電極254的電容式壓力傳感器通過剛性探測器本體和引線266電耦聯(lián)至中間電路。電極254經(jīng)由引線引腳264電耦聯(lián)至引線。在一些實施方式中，引線266和/或引線引腳264包括管狀形狀以增大這些部件的抗彎剛度和相應(yīng)的橫向振動頻率。然而，在其他實施方式中，引線266和/或引線引腳264包括實心線。由于引線與剛性探測器本體的相對偏振，因此期望的是，將在這些部件之間的并聯(lián)電容屏蔽或最小化。在一個實施方式中，通過將引線引腳264和引線266同心地設(shè)置在剛性探測器本體212內(nèi)以在引線與剛性探測器本體的壁部之間形成環(huán)形間隙，使并聯(lián)電容最小化。如在下文中更詳細(xì)地描述的，環(huán)形間隙對應(yīng)于提供電絕緣并且使在引線/引線引腳相對于剛性探測器本體的壁部之間的并聯(lián)電容最小化的空氣間隙。在另一個實施方式中，使用位于剛性探測器本體的內(nèi)孔內(nèi)的半剛性的同軸電纜將引線/引線引腳從剛性探測器本體屏蔽。
[0046]如先前所指出的，壓力傳感器探測器在可變溫度環(huán)境中使用。由于在壓力傳感器探測器內(nèi)的各種部件的熱膨脹系數(shù)的差異，因此熱感生應(yīng)力可以存在。更具體地，由于這些部件之間的隨著溫度變化引起這些部件相對于彼此的膨脹和收縮的不同的熱膨脹系數(shù)，熱感生應(yīng)力存在于陶瓷盤與壓力可彎曲隔板罩之間的分界面處。根據(jù)部件的特定的構(gòu)型和布置，這能夠引起部件相對于彼此的偏移以及部件的可能的疲勞和破裂。
[0047]如果陶瓷盤相對于壓力可彎曲隔板偏移其軸向位置，則間隙256將具有引起輸出壓力傳感器信號變化的相應(yīng)變化。減輕陶瓷盤相對于壓力可彎曲隔板偏移的一個方法在于提供彈簧258，該彈簧258使陶瓷盤252朝向壓力可彎曲隔板250軸向地偏置以確保陶瓷盤在整個工作溫度范圍(例如_40°C至400°C )下保持位于壓力可彎曲隔板擴(kuò)孔260的底部處。如在圖中所描述的，彈簧258是C形環(huán)狀彈簧，該C形環(huán)狀彈簧輕微地壓縮在組裝系統(tǒng)中使得彈簧258將軸向定向的力施加于陶瓷盤的鄰近表面以朝向壓力可彎曲隔板偏置。盡管已經(jīng)對C形環(huán)狀彈簧進(jìn)行了描述，但是能夠使用任何合適的彈簧。彈簧的軸向剛度選擇成在熱膨脹和收縮期間向陶瓷盤提供相對恒定的力。不受理論限制，在一些實施方式中，彈簧構(gòu)造且設(shè)置成避免將任何橫向力施加于陶瓷盤以幫助減輕在陶瓷盤中產(chǎn)生任何徑向拉力。為了在長期工作期間避免彈簧的高溫彎曲設(shè)定(high temperature deflection setting),期望的是，提供高溫彈簧合金，諸如UNS N07718鎳基超合金。盡管將彈簧258描述為單獨的部件，但是在一些實施方式中，將彈簧258集成到剛性探測器本體中用作保持陶瓷盤252或向陶瓷盤252施加力的柔性結(jié)構(gòu)。
[0048]除了產(chǎn)生陶瓷盤的可能的軸向偏移之外，陶瓷盤與壓力可彎曲隔板罩的相對收縮和膨脹在與由彈簧所提供的軸向力結(jié)合時，由于陶瓷盤與壓力可彎曲隔板罩之間的分界面處的摩擦載荷而在陶瓷盤中引起徑向拉伸應(yīng)力。在本實施方式中，該摩擦載荷在陶瓷盤252接觸擴(kuò)孔260的框架的位置處出現(xiàn)。為了減小陶瓷盤的破裂和/或疲勞斷裂的可能性，期望的是，包括布置在陶瓷盤與壓力可彎曲隔板罩之間的中間部件。中間部件能夠用于使陶瓷盤與壓力可彎曲隔板罩隔離以減小傳遞的徑向應(yīng)力。如在圖3A中所描述的，中間部件是定位在陶瓷盤與壓力可彎曲隔板罩之間的環(huán)形墊片260。通常，中間部件具有小于壓力可彎曲隔板罩的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)。在一些實施方式中，中間部件的熱膨脹系數(shù)在陶瓷盤的熱膨脹系數(shù)與壓力可彎曲隔板罩的熱膨脹系數(shù)之間。在其他實施方式中，中間部件的熱膨脹系數(shù)小于陶瓷盤的熱膨脹系數(shù)。在又一個實施方式中，所述熱膨脹系數(shù)基本上相似于陶瓷盤的熱膨脹系數(shù)。不受理論限制，中間部件的熱膨脹系數(shù)相對于壓力可彎曲隔板罩的減小引起在陶瓷盤與壓力可彎曲隔板罩之間傳遞的徑向拉應(yīng)力的減小。除了提供較低的熱膨脹系數(shù)之外，中間部件也能夠包括涂層或由具有低摩擦系數(shù)的材料制成以進(jìn)一步減小在陶瓷盤與壓力可彎曲隔板罩之間傳遞的徑向應(yīng)力。在其他實施方式中，中間部件也能夠包括涂層或由為高硬度材料的材料制成。不受理論的限制，這種實施方式可以有助于防止陶瓷盤使中間部件變形，該變形將改變在相對的電容式表面之間的間隙，從而引起輸出傳感器信號的零點輸出偏移。適于使用在中間部件中的材料的示例包括定膨脹合金和低膨脹合金諸如:鐵-鎳-鈷合金諸如ASTM合金F-15 ;鎳-鐵合金諸如ASTM合金52以及ASTM合金48 ;鈦及鈦合金；以及其他合適的材料，因為材料并不限定于在本文中所公開的具體的合金和材料。
[0049]盡管中間部件已經(jīng)被描述為與陶瓷盤和壓力可彎曲隔板罩分離，但是中間部件可以實施為應(yīng)用于陶瓷盤和/或壓力可彎曲隔板罩中的任一者的涂層或表面光潔度(surface finish)。例如，在一個實施方式中，將具有中間的熱膨脹系數(shù)以及低摩擦系數(shù)的涂層應(yīng)用于壓力可彎曲隔板罩的接觸陶瓷盤的表面。替代性地，涂層能夠應(yīng)用于陶瓷盤，或者涂層能夠應(yīng)用于壓力可彎曲隔板罩和陶瓷盤二者。
[0050]除了提供能夠在升高的溫度下連續(xù)地感測壓力的堅固的部件和系統(tǒng)之外，也期望的是，減小與輸出壓力信號相關(guān)聯(lián)的信號損失以改進(jìn)信號的靈敏度和保真度。由于測量的靈敏度與電容式壓力感測電路的總電容成反比例，因此期望的是，減小在探測器內(nèi)的寄生電容以減小在電容式壓力感測電路的總電容。如在圖4中所示出的，減小信號損失的一個方法在于減小引線302相對于剛性探測器本體300的壁部的并聯(lián)電容。在引線與剛性探測器本體之間的并聯(lián)電容通過基本上對于引線的整個長度將引線大致維持在剛性探測器本體的中央來最小化。因而，環(huán)形空氣間隙310將引線302與剛性探測器本體300的內(nèi)壁隔離。由于空氣的低介電常數(shù)，與包括具有較大的介電常數(shù)的固體材料的環(huán)形間隙相比較，在引線與剛性探測器本體之間產(chǎn)生的并聯(lián)電容減小。除了將引線同心地設(shè)置在剛性探測器本體內(nèi)之外，期望的是，使引線的橫向振動最小化以使引線從同心位置的偏離最小化。因此，期望的是，引線具有在如針對特定應(yīng)用所確定的預(yù)選的最小值之上的橫向振動頻率，使得在橫向方向上的第一固有振動頻率基本上大于在預(yù)定應(yīng)用中的預(yù)期振動頻率。
[0051]除了以上討論的主要襯套之外，如在圖4中所描述的，在一個實施方式中，引線302也通過使用支承引線302的支承件304而基本上同心地位于剛性探測器本體300中。然而，在將第二管諸如防護(hù)管或溫度傳感器固定管使用在剛性探測器本體內(nèi)的實施方式中，支承件304位于第二管內(nèi)。在描述的實施方式中，支承件是具有位于剛性探測器本體300的孔內(nèi)的外周306的盤形部件。描述的支承件304也包括孔口 308，其中，引線穿過孔口 308并且由孔口 308支承。多個支承件沿著剛性探測器本體周期性地間隔開以使引線的靜態(tài)彎曲最小化。另外，在支承件之間的間隔選擇成提供在預(yù)選的最小振動頻率之上的橫向振動的固有頻率。為了避免在引線與剛性探測器本體之間的并聯(lián)電容不必要地增大，期望的是，由相對低介電常數(shù)的材料制造支承件。此外，為了防止支承件向內(nèi)熱膨脹且可能壓緊引線以及將引線相對于剛性探測器本體就地鎖定，期望的是，支承件由相對低熱膨脹系數(shù)的材料制造。合適的材料包括但不限于石英、陶瓷和熔融石英。
[0052]在替代性的實施方式中，在引線302與剛性探測器本體300之間的并聯(lián)電容通過使用位于引線與剛性探測器本體的壁部之間的防護(hù)套筒來減小。在防護(hù)構(gòu)型中，將引線完全居中地保持在防護(hù)套筒內(nèi)并不那么重要。
[0053]在一些實施方式中，期望的是，在探測器的遠(yuǎn)端壓力感測端部中包括溫度傳感器以測量過程溫度以考慮對過程溫度的輸出和/或信號進(jìn)行溫度補(bǔ)償。合適的溫度傳感器包括但不限于熱電偶、熱敏電阻和其他合適的溫度感測裝置。然而，與特定的溫度感測裝置無關(guān)地，溫度傳感器引線將必需越過探測器本體的長度以輸出溫度。這些溫度傳感器引線和/或其金屬護(hù)套的存在引起從電容式壓力傳感器引線的電容泄露。另外，溫度傳感器引線在探測器本體內(nèi)的任何運動將改變電容式壓力傳感器引線與溫度傳感器引線之間的電容，從而引起在電容式壓力信號輸出中的不期望的偏移。
[0054]在一個實施方式中，溫度傳感器弓丨線遠(yuǎn)離引線402以減小電容泄露。如在圖5至圖5B中所描述的，通道形成在剛性探測器本體400的從其近端部延伸至其遠(yuǎn)端部的壁部中。溫度傳感器引線定位在通道中。通道能夠是形成在剛性探測器本體的壁部中的能夠保持溫度傳感器引線的凹槽404、孔405或任何其他合適的結(jié)構(gòu)。由于通道形成在剛性探測器本體的壁部中，因此溫度傳感器引線定位成與如果它們位于探測器本體孔的內(nèi)部部分內(nèi)相比更遠(yuǎn)離引線402。該增加的距離引起在溫度傳感器引線與引線402之間的減小的電容。此夕卜，如在下文中更詳細(xì)地討論的那樣，引線402能夠與安排在通道中的溫度傳感器隔離。通道通過使用任何合適的方法而形成在剛性探測器本體400中，該合適的方法包括但不限于電火花加工、研磨或其他合適的加工過程。為了允許溫度信號的輸出，相應(yīng)的通道406形成在探測器本體的基部414 (圖5A)中并且切口 408形成在襯套416中。這些結(jié)構(gòu)、通道406和出口 408與凹槽404基本上對齊。如在圖中所描述的和在上文中更詳細(xì)地討論的那樣，襯套416是位于探測器本體的基部414內(nèi)的薄石英盤或其他合適的材料以將引線基本上同心地支承在探測器本體的中央中。
[0055]為了防止輸出電容壓力信號的偏移，期望的是，確保溫度傳感器保持在通道中。因此，在一些實施方式中，溫度傳感器引線釬焊、焊接或通過使用其他合適的附接方法附接至通道。然而，應(yīng)當(dāng)指出的是，在通道內(nèi)的一個或更多個點處限制溫度傳感器的軸向運動由于溫度傳感器引線的熱膨脹系數(shù)與剛性探測器本體的熱膨脹系數(shù)的不匹配而引起增加的應(yīng)力。因而，在一些實施方式中，允許溫度傳感器引線在通道內(nèi)軸向地滑動。在這種實施方式中，如在包括凹槽404的圖5A至圖5B中所示出的，溫度傳感器固定管410設(shè)置在探測器本體的內(nèi)孔內(nèi)以將溫度傳感器引線保持在凹槽404內(nèi)。除了將溫度傳感器引線保持在凹槽404內(nèi)之外，溫度傳感器固定管410也能夠用于防護(hù)引線402，以除了由將溫度傳感器引線移動到探測器本體孔的主要部分之外來減小并聯(lián)電容之外進(jìn)一步減小并聯(lián)電容。如在圖中所示出的，溫度傳感器固定管410與探測器本體400的中心孔軸向?qū)R并且壓配合到探測器本體400的中心孔中，從而將溫度傳感器引線保持在通道中和溫度傳感器固定管的外徑之外。替代性地，溫度傳感器固定管能夠通過使用釬焊、焊接和裝置、緊固件或任何其他合適的方法而固定在合適的位置。與特定的附接方法無關(guān)地，溫度傳感器固定管410在基本上保持成與引線402同心設(shè)置的同時將溫度傳感器引線保持在凹槽404內(nèi)。圖6示出了定位在凹槽404中且由溫度傳感器固定管410保持的溫度傳感器探測器412的示意圖。如以上所描述的，溫度傳感器探測器412通過襯套416輸出。
[0056]圖7顯示了針對兩個不同溫度的電容式壓力傳感器輸出與壓力的關(guān)系曲線的示例性圖表。在描述的圖表中，較低的溫度對應(yīng)線500并且較高的溫度對應(yīng)線502。由于由熱膨脹產(chǎn)生的部件幾何形狀和材料性質(zhì)相對于溫度的變化以及介電常數(shù)相對于溫度的變化，高溫壓力傳感器輸出與低溫壓力傳感器輸出彼此不同。偏移504是當(dāng)溫度從低溫500上升到較高溫度502時與零壓力下的輸出信號的變化相對應(yīng)的壓力傳感器的零點輸出偏移。不受理論限制，零點輸出的偏移歸因于壓力傳感器的電容相對于溫度的變化。如在圖中所示出的，在最大施加壓力下的不同溫度之間的輸出信號的差異不僅僅歸因于零點輸出信號的偏移。這歸因于在不同溫度下傳感器值域的偏移508。應(yīng)當(dāng)指出的是，在具體溫度下的傳感器值域通常對應(yīng)于在最大壓力下的全額輸出減去在該溫度下的零點輸出。不受理論限制，將值域的變化看作對應(yīng)于壓力可彎曲隔板的隨著溫度增加而減小的彈性模量。這引起壓力可彎曲隔板在較高溫度下的增大的彎曲，從而引起針對給定壓力的壓力傳感器信號的增加的變化。
[0057]應(yīng)當(dāng)理解的是，以上顯示的圖表僅是關(guān)于單個壓力傳感器裝置的溫度感生變化的說明性目的的示意圖。因此，針對不同溫度的傳感器輸出相對于壓力的預(yù)期變化對于不同的壓力傳感器裝置發(fā)生改變。因此，本公開包括顯示出壓力傳感器輸出相對于溫度的變化的實施方式，該實施方式不同于圖7中所公開的實施方式。
[0058]為了輸出修正的壓力信號，期望的是，在任何給定的溫度下對零點輸出偏移504和值域偏移508兩者進(jìn)行補(bǔ)償。盡管能夠通過使用溫度傳感器和在主電路處的相關(guān)聯(lián)的溫度修正算法來補(bǔ)償其中一個影響，但是在一些實施方式中，期望的是，如在下文中更詳細(xì)地描述的那樣，通過部件設(shè)計和材料選擇來補(bǔ)償零點輸出偏移和值域偏移中的一者或兩者。因而，在不需要感測工作溫度以用于通過外部電路系統(tǒng)的信號修正的情況下，壓力傳感器能夠內(nèi)在地補(bǔ)償壓力傳感器性能相對于溫度的偏移。因此，在一些實施方式中，能夠消除對位于遠(yuǎn)端的溫度傳感器的需要，這除了整體上減小壓力傳感器的復(fù)雜性之外還有助于消除至少一個信號損失源(例如，在以上所描述的電容式壓力傳感器引線與溫度傳感器引線之間的寄生電容損失)。
[0059]如在圖8中所示出的，電容式壓力傳感器600包括傳感器電容602，該傳感器電容602如在上文中更詳細(xì)地描述的那樣隨著在壓力可彎曲隔板上的電極朝向陶瓷盤的壓力感生的彎曲而發(fā)生改變。另外，電容式壓力傳感器600也包括并聯(lián)電容604a和604b。并聯(lián)電容604a對應(yīng)于在壓力傳感器的部件與探測器本體之間的、通過對應(yīng)于陶瓷盤的相對剛性的部件的電容。并聯(lián)電容604b對應(yīng)于引線與探測器本體之間的、通過探測器本體的環(huán)形間隙的電容。壓力傳感器的總感測電容606是傳感器電容602與并聯(lián)電容604a和604b的并聯(lián)組合。因此，輸出壓力信號通過傳感器電容602或并聯(lián)電容604a和604b中的任一者的變化而發(fā)生改變。
[0060]由于壓力信號能夠通過傳感器電容或并聯(lián)電容中的任一者的變化而發(fā)生改變，在一個實施方式中，因傳感器電容相對于溫度的改變而產(chǎn)生的零點輸出偏移通過提供并聯(lián)電容相對于溫度的抵消變化來補(bǔ)償。更具體地，在一些實施方式中，并聯(lián)電容604的變化大致與傳感器電容602的變化大小相等且方向相反。例如，在傳感器電容隨著溫度增加而減小時，并聯(lián)電容隨著溫度增加而增加。因而，在不需要例如通過使用溫度傳感器和相應(yīng)的電路系統(tǒng)對溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下，總感測電容606在預(yù)定溫度范圍下大致相同。
[0061]如以上所指出的，電容式壓力傳感器的零點輸出的偏移歸因于壓力傳感器的電容的變化。關(guān)于圖9描述了該影響，示出了壓力傳感器的遠(yuǎn)端部或感測端部。如在圖9中所描述的，壓力傳感器700包括壓力可彎曲隔板罩702和相對不可變形的部件，在該示例中為陶瓷盤704。壓力可彎曲隔板罩702包括隔板703，壓力可彎曲隔板罩702和陶瓷盤704分別包括第一電容性表面708a和第二電容性表面708b，該第一電容性表面708a和第二電容性表面708b對應(yīng)于限定了電容式傳感器的對置電極。陶瓷盤包括具有長度“L”的本體706a。陶瓷盤也包括從陶瓷盤的凸緣707延伸的突出部706b。突出部具有長度“P”。第二電容性表面708b布置在突出部706b上，使得第二電容性表面708b與第一電容性表面708a通過具有長度“g”的間隙710間隔開。在陶瓷盤本體706a上的凸緣707與電容性表面708a通過距離“gl”間隔開，該距離“gl”對應(yīng)于擴(kuò)孔712從肩部714至第一電容性表面708a的長度。不受理論限制，當(dāng)溫度增加時，由于突出部706b與擴(kuò)孔712相比以較低的比率膨脹，在第一電容性表面與第二電容性表面之間的間隙增加。這歸因于陶瓷盤與壓力可彎曲隔板罩相比具有較低的熱膨脹系數(shù)。應(yīng)當(dāng)指出的是，傳感器電容以反比的方式與間隙長度“g”相關(guān)。因此，隨著溫度增加，傳感器間隙增加，從而引起壓力傳感器電容的明顯減小。
[0062]在一個實施方式中，通過更改陶瓷盤突出部長度“P”、在壓力可彎曲隔板罩上的擴(kuò)孔的長度“gl”以及為每個選擇具有特定熱膨脹系數(shù)的材料，控制間隙增加的比率。這種影響在圖10中示出，圖10針對0.045英寸(800)、0.040英寸(802)和0.035英寸(804)的不同的初始突出部長度描述了間隙“g”相對于增加的溫度的變化的圖表。在描述的示例中，“gl”也相對于“P”發(fā)生改變，使得每一個在25°C下均具有大約相同的初始間隙。如圖中所描述的，間隙“g”的變化比率與初始突出部長度相關(guān)，使得增加初始突出部長度對應(yīng)于增加間隙相對于溫度的變化比率。
[0063]如以上所指出的，盡管能夠控制壓力傳感器電容變化的比率，但是期望的是，壓力傳感器電容的減小通過并聯(lián)電容的相應(yīng)的增加來補(bǔ)償。在一個實施方式中，陶瓷盤由具有隨著溫度增加的介電常數(shù)的材料制成。因此，與壓力傳感器的包括陶瓷盤的部分相關(guān)聯(lián)的并聯(lián)電容隨著溫度增加而增加。在這種實施方式中，陶瓷盤本體的長度、陶瓷盤本體的介電常數(shù)的溫度系數(shù)和間隙增加的比率被選擇成，使得總感測信號在預(yù)定的溫度范圍下大致相同，而無需溫度測量以補(bǔ)償所述溫度變化。在一個示例中，預(yù)定的溫度范圍大約從_40°C至大約400°C。另外，陶瓷盤的介電常數(shù)的溫度系數(shù)能夠選擇和/或設(shè)計成任何合適的值以均衡傳感器電容相對于溫度的預(yù)期變化。因而，通過選擇初始間隙長度、壓力可彎曲隔板罩的幾何形狀(諸如擴(kuò)孔深度)、陶瓷盤本體長度和材料性質(zhì)諸如介電常數(shù)的溫度系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的合適的組合，能夠提供壓力傳感器的內(nèi)在補(bǔ)償以用于零點輸出的變化。
[0064]圖11描述了確定陶瓷盤的合適的本體長度L以補(bǔ)償壓力傳感器的零點輸出變化的簡化示例。陶瓷盤具有180ppm/°C的介電常數(shù)的溫度系數(shù)。該圖描述了外推線900，該外推線900對應(yīng)于對于陶瓷盤本體的不同長度在25°C至350°C的溫度范圍下總感測信號的百分比變化。如圖中所示出的，本體長度L增加直到并聯(lián)電容相對于溫度的變化能夠補(bǔ)償傳感器電容相對于溫度的變化為止。在該點上，兩個影響彼此抵消并且輸出基本上恒定的總感測信號。在當(dāng)前示例中該情況發(fā)生的點對應(yīng)于大約0.375英寸的本體長度。
[0065]盡管以上描述和示例針對補(bǔ)償零點輸出相對于溫度的變化，如先前所指出的，但是還期望的是，補(bǔ)償電容式壓力傳感器值域的變化。影響電容式壓力傳感器值域的參數(shù)的一些非限定性的示例包括但不限于:因熱膨脹引起的間隙長度的變化以及壓力可彎曲隔板的彈性模量相對于溫度的變化。在圖12中描述了這些參數(shù)及其對電容式壓力傳感器值域的抵抗影響的不例。該圖表顯不了輸出電容式壓力傳感器信號與壓力傳感器的電容性表面之間的間隙長度的關(guān)系曲線。朝向圖表的右面的定位的點對應(yīng)于增加的初始間隙長度。這些初始間隙長度隨后通過對應(yīng)于施加于壓力可彎曲隔板的壓力的預(yù)選彎曲被壓縮。
[0066]該圖表描述了在較低的第一溫度1000和較高的第二溫度1002下來自壓力傳感器的輸出信號。對應(yīng)于較低溫度1000的壓力傳感器包括在零壓力(和對應(yīng)的輸出電容)下的初始間隙長度Zl和在受到最大彎曲時的初始全額輸出FSl。壓力傳感器在較低溫度1000下的輸出信號具有第一值域SI。如果對于在較高溫度1002下的壓力傳感器而言初始間隙長度是Z2，Z2對應(yīng)于與較低溫度相同的初始間隙長度Z1，那么，與在較低溫度下的壓力傳感器相比，壓力傳感器在最大彎曲下具有較大的全額輸出FS2以及相應(yīng)較大的第二值域S2。值域的該變化改變了壓力與輸出信號之間的關(guān)系。因此，期望的是，補(bǔ)償該值域變化。
[0067]不受理論限制，由于壓力感測電容的非線性特性，值域被初始間隙長度強(qiáng)烈地影響。更具體地，由于輸出信號與兩個電容性表面之間的間隙長度成反比，壓力傳感器輸出信號顯示出隨著增加的初始間隙長度而減小的斜率。因此，對于給定量的彎曲，較大的初始間隙長度對應(yīng)于較小的壓力傳感器值域。能夠?qū)⒃撚绊懪c在較高溫度下改變的壓力傳感器性能組合以對壓力傳感器的值域的偏移進(jìn)行控制。例如，當(dāng)在較高溫度1002下工作時，如果初始間隙長度偏移到較大的初始間隙長度Z3，那么，在該較高溫度下的全額輸出FS3減小，因而引起相應(yīng)的第三值域S3與值域S2相比的減小。在一些實施方式中，在較高溫度下的初始間隙長度Z3選擇成使得第三值域S3基本上與第一值域SI相同。因此，在這種實施方式中，電容式壓力傳感器輸出值域在預(yù)定的溫度范圍下基本上是恒定的。例如，電容式壓力傳感器輸出值域能夠從大約25°C至大約350°C基本上是恒定的。下面在表格I中示出值域相對于增加的間隙長度的減小，這在為示例性的壓力傳感器假設(shè)0.00075英寸的固定的最大壓力可彎曲隔板位移的情況下計算。[0068]表1
[0069]
【權(quán)利要求】
1.一種壓力傳感器，包括: 探測器本體； 電容式傳感器，所述電容式傳感器布置在所述探測器本體的遠(yuǎn)端部處，所述電容式傳感器產(chǎn)生感測電容； 并聯(lián)電容；并且 其中，由溫度的變化所引起的所述感測電容的變化通過所述并聯(lián)電容的相應(yīng)變化來抵消。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中，電容式傳感器包括: 壓力可彎曲隔板罩，所述壓力可彎曲隔板罩具有電耦聯(lián)至所述探測器本體的第一電容性表面； 相對不可變形的部件，所述相對不可變形的部件具有耦聯(lián)至所述壓力可彎曲隔板罩的第二電容性表面，所述第二電容性表面與所述第一電容性表面間隔開；以及 引線，所述引線電耦聯(lián)至所述第二電容性表面并且與所述探測器本體隔離； 其中，所述并聯(lián)電容存在于所述引線與所述探測器本體之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其中，所述壓力可彎曲隔板罩與所述相對不可變形的部件構(gòu)造和設(shè)置成配合的關(guān)系，其中，由溫度的變化所引起的所述電容式傳感器的電容的變化通過所述引線與所述探測器本體之間的所述并聯(lián)電容的變化來抵消，從而提供在所述引線與所述探測器本體之間的下述感測電容:所述感測電容在沒有補(bǔ)償感測溫度變化的情況下在預(yù)定溫度范圍內(nèi)大致相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中，由溫度的變化所引起的所述電容式傳感器的電容的減小通過所述并聯(lián)電容的相等增大來抵消。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其中，所述相對不可變形的部件包括具有隨著溫度的變化而變化的介電常數(shù)的介電材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的壓力傳感器，其中，所述介電常數(shù)隨著溫度變化的變化直接地引起將所述電容式傳感器的電容的任何變化抵消的所述并聯(lián)電容的變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓力傳感器，其中，所述感測電容在預(yù)定溫度范圍內(nèi)大致相同，而無需溫度測量以補(bǔ)償溫度變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其中，所述第二電容性表面與所述第一電容性表面通過間隙間隔開，其中，所述間隙隨著溫度增加而增大，從而減小所述電容式傳感器的電容。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓力傳感器，其中，所述壓力可彎曲隔板罩包括隔板和肩部，并且其中，所述相對不可變形的部件包括凸緣，其中，所述肩部和所述凸緣彼此鄰接，所述相對不可變形的部件具有延伸超過所述凸緣的突出部，所述突出部包括與所述第一電容性表面間隔開以限定所述間隙的所述第二電容性表面，其中，所述間隙增大的比率是所述突出部的長度的函數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力傳感器，其中，所述相對不可變形的部件包括具有大約180ppm/°C的介電常數(shù)溫度系數(shù)的材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的壓力傳感器，其中，所述預(yù)定溫度范圍是大約_40°C至大約400。。。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓力傳感器，其中，所述預(yù)定溫度范圍是大約-40°C至大約400。。。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓力傳感器，其中，所述壓力可彎曲隔板罩包括隔板和肩部，并且其中，所述相對不可變形的部件包括凸緣，其中，所述肩部與所述凸緣彼此鄰接，所述相對不可變形的部件具有超過所述凸緣朝向所述隔板延伸的突出部和在所述隔板的對面延伸的長度，其中，所述長度是大約0.375英寸。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的壓力傳感器，其中，所述壓力可彎曲隔板罩包括隔板和肩部，并且其中，所述相對不可變形的部件包括凸緣，其中，所述肩部與所述凸緣彼此鄰接，所述相對不可變形的部件具有超過所述凸緣朝向所述隔板延伸的突出部和在所述隔板的對面延伸的長度，其中，所述長度是大約0.375英寸。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓力傳感器，其中，所述第二電容性表面與所述第一電容性表面通過間隙間隔開，其中，所述壓力可彎曲隔板罩與所述相對不可變形的部件的材料和幾何關(guān)系預(yù)定成:使得當(dāng)所述間隙隨著溫度增加而增大時，與所述隔板的彈性模量的隨著溫度增加的變化相關(guān)聯(lián)的所述感測電容的增加被抵消。
16.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓力傳感器，其中，所述第二電容性表面與所述第一電容性表面通過間隙間隔開，其中，所述壓力可彎曲隔板罩與所述相對不可變形的部件的材料和幾何關(guān)系預(yù)定成:使得當(dāng)所述間隙隨著溫度增加而增大時，與所述隔板的彈性模量的隨著溫度增加的變化相關(guān)聯(lián)的所述感測電容的增加被抵消。
17.—種制造壓力傳感器的方法，包括: 將具有第一電容性表面的壓力可彎曲隔 膜罩設(shè)置在探測器本體上； 將所述第一電容性表面電耦聯(lián)至所述探測器本體； 選擇具有期望的介電常數(shù)的材料并且由所述材料形成不可變形的部件； 將第二電容性表面形成在所述不可變形的部件的一部分上； 將引線連接至所述第二電容性表面并且將所述不可變形的部件定位在所述探測器本體內(nèi)，其中，在所述引線與所述探測器本體之間限定并聯(lián)電容；以及 通過將所述第二電容性表面與所述第一電容性表面間隔開而相對于所述壓力可彎曲隔板罩設(shè)置所述不可變形的部件，使得所述第一表面和第二表面限定了具有感測電容的電容式傳感器，其中，由溫度的變化所引起的所述感測電容的變化通過所述并聯(lián)電容的相應(yīng)變化來抵消。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括: 將凸緣形成在所述不可變形的部件的本體上，使得產(chǎn)生預(yù)定長度的突出部； 將所述壓力可彎曲隔板罩形成為具有隔板和肩部； 使所述肩部在所述突出部超過所述凸緣朝向所述壓力可彎曲隔板罩的隔板延伸的位置處緊靠所述凸緣。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述引線與所述探測器本體之間的感測電容在沒有補(bǔ)償溫度變化的情況下在預(yù)定溫度范圍內(nèi)大致相同。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括: 由材料形成所述壓力可彎曲隔板罩并且將所述壓力可彎曲隔板罩形成為具有期望的幾何形狀，其中，所述第二電容性表面與所述第一電容性表面通過間隙間隔開，其中，當(dāng)所述間隙隨著溫度增加而增大時，與所述隔板的彈性模量的隨著溫度增加的變化相關(guān)聯(lián)的所述感測電容的增加 被抵消。
【文檔編號】G01L9/12GK103674402SQ201310406920
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月7日
【發(fā)明者】萊奧·E·巴龍, 約翰·A·曹扎斯蒂 申請人:丹尼斯科工具有限公司