專利名稱：雙側(cè)壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明一般來說涉及壓力傳感器，具體地說，涉及既可測量高的絕對壓力又可測量低的壓差的雙側(cè)壓力傳感器。
已用種類繁多的傳感器件組成了壓差傳感器，目前最常用的兩種是電容傳感器和安裝在橫梁上的應變儀傳感器。電容傳感器包括

圖1所示的三個膜片2、4和6。膜片2和6承受壓力P1和P2，膜片4(中間的一個)不承受壓力。這些膜片之間的體積8和10內(nèi)填充介電液體。結(jié)果，構(gòu)成了兩個可變的電容器，它們能夠與電子儀器結(jié)合起來形成一個可靠、精確的傳感器。這種傳感器的問題是很難使其精確度象另一些方法那樣理想，而且靜壓力作用可能也是一個問題(見SAMA標準PMC31.1)。
圖2所示的應變儀梁式傳感器是另一種常用的壓差傳感技術。這種傳感器包括橫梁12，此梁與壓力收集膜14聯(lián)結(jié)在一起。該膜把由壓力P1-P2所產(chǎn)生的力傳遞給橫梁12。于是，該力被轉(zhuǎn)換成由應變儀16測量的應變。最常見的是把這種應變傳感器以惠斯頓電橋的形式放置在橫梁上，以便電橋的一半承受壓縮應變，而另一半測量拉伸應變。這類傳感器的常見問題是制造可能非常困難而且成本高。
另一種傳感器很少用在壓差應用上，這是扁平膜傳感器。這種傳感器由一扁平圓片構(gòu)成，該圓片沿直徑外邊緣被牢固地緊固著。傳感器件是某種應變敏感元件，該元件能粘接在膜片上。這類傳感器為人們所熟知，最常見的是用于檢測測量儀器或在測量高壓(通常每平方英吋1000磅)時檢測絕對壓力(參見Stedman的第3，341，794號，Vick的第3，456，226號以及VonVick的第3，505，634號美國專利)。
測量傳感器或絕對壓力傳感器測量的壓力范圍比壓差傳感器測量的壓力范圍高得多。由于扁平膜片的物理特性，大的膜片應力增大，其原因是由于施加壓力時材料是拉伸而不是彎曲的。這使傳感器在位移相對于膜片的厚度增加時變得更加非線性。當位移-厚度比“K”(稱為“K”因子)達到約0.1時，傳感器在沒有線性補償?shù)那闆r，下因性能過于非線性而無法使用了。這種方法只能用于高壓的原因是，在測量低壓時，必須使膜片上的應變保持在一定的水平，以產(chǎn)生一個足夠的輸出。要做到這點只有通過①減少膜片的厚度或②增加膜片的半徑。這兩種方法均可能增加膜片的“K”因子。結(jié)果，，該傳感器在用于低壓范圍時就顯示出高的非線性。
扁平膜傳感器最常見的安排示于圖3。這是把四個應變敏感儀20放置于膜片22的一側(cè)，以響應膜片中心的壓縮、徑向應變和膜片外緣的拉伸、切向應變。按惠斯頓電橋的形式將這些應變儀聯(lián)接起來，以便使電橋的相鄰臂感受到對傳感器輸出產(chǎn)生附加影響的符號相反的應變。這種設置產(chǎn)生的問題是放在外緣的應變儀承受的非線性和放在中心的應變儀所承受的不同。這些非線性符號相反，而且其大小隨著由電橋產(chǎn)生的取決于“K”因子的非線性輸出而改變。
近來，帶有網(wǎng)板印刷和燒結(jié)的厚膜電阻器的陶瓷膜片作為壓力傳感器已引起了人們的興趣(見Prudenziati的第4，311，980號美國專利)。這些陶瓷/厚膜傳感器設計的方法與某種傳感器非常相似，在這種傳感器的前面按惠斯頓電橋的形式排列著電阻器。由于帶有金屬或硅的膜片，若將此傳感器用于較低的壓力范圍，就必須增加“K”因子以達到足夠的輸出，這樣該傳感器就變成非線性的了。
厚膜電阻器的阻值隨電阻器面積上的平均應變的影響而改變。和薄膜應變儀或粘接箔片的應變儀不同，厚膜應變儀對垂直應變敏感。這是在Z方向產(chǎn)生的應變，即垂直于膜片表面的應變。正是這個有意義的垂直應變靈敏度對厚膜傳感器用于壓差測量產(chǎn)生了一個附加的問題。如果象薄膜應變儀那樣排列厚膜應變儀，即把兩個應變儀放在中心，兩個應變儀放在外緣附近，以便產(chǎn)生傳感器的最大輸出，那么，垂直應變就會變化，這取決于傳感器的哪一側(cè)被壓。若待測的壓力范圍剛好集中在零點附近，那么，當壓力加在傳感器連接著應變儀的哪側(cè)時，產(chǎn)生的輸出將相當高。當壓力穿過傳感器到其另一側(cè)時，輸出將減小，所以非線性變得很高。(圖4中表示出這一結(jié)果)。
使用惠斯頓電橋電路的優(yōu)點之一是可消除所有相等的作用，所以不影響輸出。然而，如果垂直應變靈敏度在各個應變儀之間不是一致的，那么作用就不相等，傳感器就會變壞。為了解決這個問題，對于所有應變儀都在傳感器一側(cè)的傳感器，制造者必須設法控制好垂直靈敏度。
本發(fā)明的目標是使用具有上、下表面的膜片的壓力傳感器。應變儀被設置在該圓片的上、下兩表面上。應變儀可以是任何已知類型的，如薄膜應變儀、粘接箔片應變儀、半導體應變儀和厚膜應變儀。一個合適的電路(如惠斯頓電橋結(jié)構(gòu))連接到應變儀上。上表面和下表面上的應變儀基本上位于相同的徑向位置，在圓片中心附近或靠近圓片外邊緣都行。用這種方法，使兩組應變儀處于大小相等符號相反的非線性狀態(tài)，由此在電橋上非線性相互抵消。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種帶有一個暴露于壓力之下的膜片的壓力傳感器。該膜片有一個中心區(qū)域和外邊緣區(qū)域，並包括上、下表面。第一對應變儀安裝在上表面上，第二對應變儀安裝在下表面上。不管是在上表面還是在下表面，兩對應變儀都基本在膜片徑向相同的位置上。
附圖構(gòu)成了本說明書的一部分，其中所有相同的標注數(shù)字表示相同的或相應的部分。
圖1是現(xiàn)有技術的包括三個膜片的電容傳感器的示意圖;
圖2是現(xiàn)有技術的應變儀梁式傳感器的示意圖;
圖3是現(xiàn)有技術的扁平膜傳感器的頂面平面圖，這種傳感器上的應變儀連接成電橋形狀並安放在膜的一個表面上;
圖4是安在膜片上的厚膜應變儀的輸入、輸出關系的曲線圖，說明這種應變儀的非線性響應;
圖5是扁平膜片的半徑(百分數(shù))與以間距的百分比為單位的偏移之間關系的曲線圖，說明切向和徑向兩種應變的非線性特征;
圖6是扁平膜片的半徑(百分數(shù))與微應變間關系的曲線圖，表示徑向和切向兩種應變以及膜片上、下兩表面上的應變分布;
圖7是一個單側(cè)應變儀的百分數(shù)間距和偏移之間關系的曲線圖，表明不管應變儀放在傳感器的中心還是靠近傳感器的外邊緣時，扁平膜傳感器的非線性;
圖8a是本發(fā)明的壓力傳感器的一側(cè)垂直視圖，其中應變儀靠近膜片的中心區(qū)域，並安裝在膜片的上、下兩表面上;
圖8b是圖8a中膜片的上面平面圖;
圖8c是圖8a中膜片的下面平面圖;
圖9是圖8a～8c所示壓力傳感器的百分數(shù)間距和偏移之間的關系曲線圖;
圖10a是本發(fā)明壓力傳感器的一側(cè)垂直視圖，其中膜片的上、下兩面均帶有應變儀，且應變儀位于上、下兩表面的外邊緣區(qū)域;
圖10b是圖10a中壓力傳感器的上面平面圖;
圖10c是圖10a中壓力傳感器的下面平面圖;
圖11是圖10a～10c所示實施例的百分數(shù)間距和偏移間關系的曲線圖。
參考圖8a～圖8c及圖10a～10c，本發(fā)明的實施例構(gòu)成的壓力傳感器具有一個帶有上、下表面的膜片。在膜片的上、下表面上基本相同的徑向位置上安置有成對應變儀。把兩對應變儀連接成電橋形狀，就能進行精確的壓力測量，這是因為在膜片上、下表面之間應變儀的非線性響應大小相等、方向相反。
如果實際使用扁平膜傳感器來測量中等或低的壓差，必須解決的第一個問題是當“K”因子太大時產(chǎn)生的高的非線性物理特性。由于必須達到預定的輸出，而傳感器的機械尺寸只能在一定的限度內(nèi)改變，所以，考慮到線性度和輸出要求，就有必要提出另一個不取決于機械尺寸的解決方案。
為了找到這個問題的解決方案，第一步就是要準確確定裁淳哂謝菟茍俚縝諾緶返謀餛僥て釁饗允痙竅咝浴 人們發(fā)現(xiàn)，徑向和切向非線性與任何給定點上的應變有關。因此，得到的曲線圖與該膜片的應變分布曲線非常相似(見圖5和6)。
在圖5中極端的徑向非線性(從50%至70%半徑)是由該區(qū)域非常小的應變引起的計算誤差產(chǎn)生的。由于這一性質(zhì)，徑向應變儀和切向應變儀表現(xiàn)出不同的非線性。當這些應變儀以惠斯登電橋的形式排列時，這些值是加在一起的。由于應變儀測出不同的非線性值，它們就合并成某個總值，這個值可能很大，這取決于“K”因子(見圖7)。
本發(fā)明的目的是要提供一種基本不取決于“K”因子的傳感器。為達到這一目的，必須使各應變儀上承受的非線性符號相反、大小相等。通過進一步的非線性分析，發(fā)現(xiàn)上、下兩表面上的應變顯示出大小很相似，而符號相反。這正好滿足上面所述的兩個條件。
這就提供了一種應變儀在扁平膜傳感器上新的排列方法。如果把惠斯登電橋的一半放在膜片的中心，而另一半放在另一側(cè)的相同徑向方向上，則兩個應變儀上承受壓縮應力，而兩個承受拉伸應力。這些應變儀的兩個最佳位置是靠近膜片的中心或膜片的外邊緣。因為在膜片的中心，平均應變比較大，因此傳感器的輸出也比較大。如果應變儀靠近直徑的外邊緣，就會使應變儀對噪聲比較靈敏。這種扁平膜惠斯登電橋式傳感器可以用各種不同的應變靈敏元件設計做到，也就是說，薄膜應變儀、粘接箔片應變儀、半導體應變儀和厚膜應變儀均可。
如圖8a至8c所示，膜片10有上表面12和下表面16。上表面12裝有第一對應變儀14，下表面16裝有第二對應變儀18?？蓪儍x14和18連接成惠斯登電橋的形式，以形成壓差測量傳感器。圖9表示如何互相抵消上、下兩側(cè)應變儀的非線性響應，而產(chǎn)生一個基本線性的輸出值。壓力應變儀14和18靠近圓膜片10上、下表面的中心區(qū)域，放置在基本相同的徑向位置上。
圖10a至10c說明本發(fā)明的又一個實施例。圓片20的上表面22上安置著第一對應變儀24，它們位于圓片的外邊緣。與此類似，第二對應變儀28安置在圓片20的下表面26上，其徑向位置與上部的應變儀24相同。圖11說明上、下側(cè)應變儀的非線性特性相互抵消的情況。
形成該應變儀的厚膜電阻器的總阻值變化可由下式求出dR/R＝CxEx+CyEy+CzEz+Ex-Ey-Ez其中，Cx、Cy和Cz是縱向、橫向及垂直于電阻器方向上的應變的電阻系數(shù)，Ex、Ey和Ez是縱向、橫向及垂直于電阻器方向上的應變。由于垂直應變的電阻系數(shù)“Cz”較大，所以所有應變儀都放在一側(cè)的扁平膜傳感器就給出不同的輸出，這取決于壓力加在膜片的哪一側(cè)，除非對垂直應變靈敏度進行控制。
在現(xiàn)有技術一節(jié)中提到的第二個問題是厚膜應變儀的垂直應變靈敏度。這種特性使得厚膜/陶瓷膜片傳感器很難用于壓差測量。但雙側(cè)惠斯登電橋的方式因為它的對稱性而把這個問題減至最小。當被測的壓力范圍集中在零附近時，垂直應變靈敏度因電橋的一半始終直接承受著壓力，而使垂直應變靈敏度不成為問題。因此，不再需要對垂直靈敏度進行嚴格控制。
本發(fā)明最重要的優(yōu)點是采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)方式，扁平膜傳感器的線性度與偏移/厚度比(“K”因子)無關。對于壓差設計者來說，這就意味著能夠通過改變扁平膜的物理尺寸把應變提高到適當輸出所需的適合的大小，而不會影響該傳感器的線性度。其直接的效果是這種不太貴又便于制造的扁平膜傳感器能被用于從抽吸(draft)范圍到中間范圍再到高壓范圍的整個壓力范圍。
這種方式的另一個優(yōu)點是在測量壓力范圍過零點時，厚膜電阻器傳感器對垂直應變的高靈敏度不會產(chǎn)生線性度的問題。這使得我們能用陶瓷/厚膜傳感器來測量壓差，這些應用將證明這種傳感器比其它方式的便宜得多，且更安全。
上面已詳細地描述說明了本發(fā)明的具體實施例，說明了本發(fā)明的原則的應用情況，應該理解可以用其它方式實施不偏離上述原則。
權利要求
1.一種壓力傳感器，包括一個具有暴露于待測壓力下的上、下表面的膜片；第一對安裝在膜片上所述上表面選定徑向位置上的應變儀，第二對基本安裝在所述下表面的上述選定徑向位置的應變儀，當所述膜片暴露在壓力下時，所述第一和第二對應變儀的非線性響應符號相反而大小基本相同。
2.根據(jù)權利要求1的壓力傳感器，其中，所述徑向位置靠近所述膜片的中心。
3.根據(jù)權利要求1的壓力傳感器，其中，所述選定徑向位置在所述膜片的外邊緣附近。
4.根據(jù)權利要求1的壓力傳感器，其中，所述第一和第二對應變儀基本互相對準並在所述上、下表面的相同區(qū)域上。
全文摘要
一種用于測量壓差的雙側(cè)壓力傳感器，包括具有上、下表面的膜片，兩對應變儀分別安裝在其上、下表面上。兩對應變儀基本在膜片相同徑向位置上，最好靠近膜片中心或外緣。傳感器可連接成惠斯登電橋以測量導致膜片輕微彎曲的壓力。這種彎曲對兩對膜片施加壓縮和拉伸壓力，從而改變其上的電學特性。此電學特性以非線性形式改變。但上、下兩表面上的兩對應變儀的非線性符號相反、大小相等、因而互相抵消而提供出精確的壓力測量。
文檔編號G01L9/00GK1034060SQ8810709
公開日1989年7月19日 申請日期1988年10月15日 優(yōu)先權日1987年12月16日
發(fā)明者威廉姆·杰伊·凱勒 申請人:巴布科克和威爾科斯公司