低费用居中安装的电容式压力敏感元件制造技术

可变电容式敏感元件具有中心安装组合件，利用金属到玻璃到金属的分组合件将一电极支承在一个周边安装的膜片上。组合件的内金属柱焊接在膜片上。焊料或流动胶粘剂将电极固定在组合件的外金属颈圈上。由膜片到电极的初始间距用临时垫片来设定。组合件中玻璃的位置和金属件的长度可调节使温度变化时能自我补偿。在一低、中压用的较优的形式中，膜片由金属片冲压而成，中心有一凹坑借以阻止所连结的组合件的旋转并使膜片变形的应力与中心柱到膜片的焊接处隔离开。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般地涉及压力传感器。更具体地说涉及一种可变电容式压敏元件和一居中安装在周边安装的膜片上的可移动的电极。已知有种类广泛的传感器能将流体的压力或力转变为膜片的运动，再转变为对应于并可测量压力或力的电信号。有一种传感器已被证实用之有效，它能在所施压力的广阔范围内，牢固而高度准确地用电容方法测量膜片的运动。膜片形成间隙可变电容器的一块板，而一或多个电极形成另一块板或另外几块板。授予本申请人及其共同专利技术人的美国专利3,859,575号(1988.05.03的复审证号为B1 3,859,575号)中曾说明一种电容式传感器用的成功的敏感元件，其中有一块电极板以其中心安装在膜片的中心上。这种布置对给定的膜片运动，可促进电容的变化，提高传感器的准确度。这种布置并可改善热响应，防止由于热应力而造成的电容漂移。因为它具有较短的传热途径，可对温度改变作出快速响应。除了这些优点外，同时还能满足其他的重要设计目标如对机械冲击和振动的抗力以及低的磁滞。虽然’575敏感元件已被证实是成功的，但它不能有效地满足需要，我们需要的是一种准确、牢固而又可靠的敏感元件，并且制造费用要足够低，能够用在大量用途上如汽车、越野车辆、压缩机和许多其他工业用途。主要缺点为膜片和其他零件如电极安装材料的机加工费用过高。在’575专利的附图说明图1、3和4所示的实施例中，配件和膜片都需镗孔并制出螺纹，在膜片上需用机加工制出一个凸台，至少在高压用途上需要这样做，在膜片上还需用机加工制出一个抗磁滞槽。膜片的镗孔和制出螺纹特别重要，因为它夹持着带螺纹的螺杆从而使定位片和电极定位，以便用螺帽来固紧这个组合件。要达到这个精度水平，对于大量低费用的用途来说，采用数控机加工又太费了。除了这些机加工费用外，这些实施例要求将电极构造成为组合件，设有内介电环以便在膜片和电极之间提供电绝缘。另外，定位片是一个固定的间隔用元件，它被固紧在膜片和电极的组合件上。这在膜片变形时会产生高度的摩擦，从而又会产生磁滞。抗磁滞环虽能控制磁滞，但该环需要膜片具有一定的厚度并且要求进行另外的机加工来制出这个环。对于低压的用途，要将一个极薄的膜片机加工到给定的厚度并足够地平坦，事实证明是很费钱的。‘575专利的图2示出一个居中安装设计的低费用型式的早期尝试。膜片由金属片冲压而成，具有中心的平坦部分，周边被夹紧在一个连接件的端头上并用O形环予以密封。有一安装柱用点焊固定在平膜片部的中心。电极为一整体的、只是由金属制成的零件，具有一个扁平而成环形的外周部和一个包围安装柱的中心圆筒形部。用环氧树脂把中心安装柱和圆筒形部连接起来，这样便可为电极提供机械支承和电绝缘。虽然这种配置可以免去图1、3和4中实施例的机加工费用，但它具有其他严重的缺点以致使它不能在商业上应用。就高压用途而言，例如5000到10000磅/方英寸(344.74到689.48巴)的高压，需要有一厚的膜片以便抗拒相当大的、积聚起来的流体力。在弯曲时膜片内的应力集中在其中心和其周边。在经过操作的多次反复循环后，在这些点上的高应力能损害运动的可反复性，或使该构造垮掉，例如使安装柱到膜片的焊接裂开或在周边被夹紧的金属边发生疲劳。就低压用途而言，膜片必须相当薄以便能跟踪压力的变化。采用图2中的膜片时，这个薄的膜片对安装柱和装在其上的电极体的侧向旋转缺乏抗力。这个机械的弹性质量系统具有一个低的自然频率；它极易受冲击和振动的影响。另一个严重的缺点是用来将电极装在安装柱上的胶粘剂同时又被用来作为可变电容器之间的板与板之间的电绝缘。图2中的构造采用临时的定位片。然后施加胶接剂，待它于固后再抽去定位片。合适的能介电的胶粘剂为有机材料如同在’575专利中指定的环氧树脂。但环氧树脂和其他有机胶接剂并不是高质量的绝缘体，它们的介电常数在长时间中并不稳定，并且在大气环境如周围温、湿度发生变化时也不稳定。这是一个严重的问题，因为在安装柱和电极之间用环氧树脂充填的间隙的电容与进行测量的间隙的可变电容并联。因此环氧树脂内介电性能的变化会在测出的压力上产生误差。虽然如同玻璃那样的材料的稳定性要高得多，但由于它要在高温下才能熔化以致它不能在装配时实际地被用作胶接剂。因此本专利技术的一个主要目的是要提供一种可变的、居中安装的电容式敏感元件，它具有极低的制造费用，同时又可保持居中安装设计的良好效能特性，而这种居中安装设计原来是以比较费钱的、需要高度机加工的零件为其特征的。另一个主要目的是要提供一种牢靠的敏感元件和感知方法，它们具有对冲击、振动和大气环境如湿度和温度的变化抗拒的能力，不管是在周围环境中，还是突然遇到，还是经过长时间的漂流。另一个目的是在提供上述敏感元件和感知方法时并不采用固定的定位片。还有另一个目的是所提供的敏感元件和使用方法能高度抗拒材料的疲劳。还有另一个目的是所提供的敏感元件和使用方法能在从最低到最高的整个压力范围内使用。再有另一个目的是在提供上述敏感元件时只需低水平的制造和装配技能。能够达到上述这些目的的本专利技术的低费用的电容式压力传感器用的敏感元件采用一个固定在一连接件上的膜片，该连接件将液体导向膜片的一侧，由于液体的压力使膜片变形。膜片的构造使中心的应力被隔离开来，不能从膜片和设在膜片中心的安装组合件之间的接头上传递出去。在一高压的实施例中，膜片的中心部分具有较大的厚度。在一较优的中、低压的实施例中，所采用的薄的膜片具有一个中心的杯状凹坑。在这两个实施例中，膜片都是用周边安装在配件上的壁厚减薄的区域内或与膜片整体形成的裙边内。壁厚的减薄可使在膜片中心的运动增强，而使在膜片和连接件之间的接头上的应力减弱。安装组合件包括一个中心的金属柱，其头部对接地焊接或用其他方法装配在膜片的中心。在一较优的实施形式中，在柱端面上有一金属突起，它能在电流作用下汽化并产生电弧将柱焊接在膜片上。有一金属颈圈同心地包围在柱的外面，并在轴向上与膜片间隔开。用高质量的无机介电质如玻璃将柱和颈圈粘合并连接在一起。柱和颈圈是用适合的材料制成的，如一种铁合金，其热膨胀系数与玻璃十分相配。采用这种安装组合件便可用熔化的玻璃作为电绝缘。比起’575的现有技术，在该技术中熔化的玻璃还不是一个实际可用的材料，这是一个重大的改进。玻璃和铁合金的热膨胀系数并不需要完全相等。热膨胀系数的不一致能使玻璃预先被压缩成为一个压缩接头。电极可用一薄层可流动的胶粘剂如环氧树脂或用软焊料固定在颈圈上。对于高准确度的用途以后者为好。初始的膜片到电极的间隔距离是由一个可切走的定位片设定的，在施加胶粘剂或软焊料并让它干固后，便可切走定位片。由于没有固定的定位片和任何机械的夹紧装置，在操作时的摩阻力和磁滞便可减少。电极最好由金属片冲出成为一个单独的、整体的零件。在金属到玻璃到金属的组合件中玻璃能可靠地提供与膜片的电绝缘。在温度和湿度发生变化时，玻璃的介电系数能保持高度稳定。玻璃间隔件的轴向位置以及在玻璃间隔件两个反对侧上的热运动途径的轴向零件的长度是这样选定的，使对于一个给定的操作温度范围，沿着这两条热运动途径的轴向长度虽然发生变化，但在电极和膜片之间的间隙却可不受影响而得出一个净计为零的变化。从将压力转变成电容值来测量液体压力的过程看，本专利技术包括下列步骤(i)使液体施加在一个周边安装的膜片的一侧，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种能将液体的压力转变为相应电容值的可变电容式传感器用的敏感元件具有：一个压力连接件和一个沿轴向延伸的通道用来将液体从第一端导引到第二端；一个膜片以其周边固定在所说连接件的所说第二端上成为第一接头；一个组合件具有：第一金属件以其一端固定在所说膜片的中心，一个与所说第一金属件间隔开并且至少有一部分位在所说第一金属件沿径向的外侧的第二金属件，以及一个固定在所说第一和第二金属件之间的无机介电质的间隔环；用来将第一金属件固定到所说膜片的中心成为第二接头的装置；一个电极；以及用来将所说电极固定到所说第二金属件上的装置，使在所说电极和所说膜片之间建立起一般为平行而间隔开的关系以便形成一个可变电容器，从而当所说膜片在响应液体压力而弯曲时，在电极到膜片的间隙内所产生的间距的变化可提供液体压力在电容方面的量度。２．权利要求１的敏感元件，其特征为，所说膜片具有足够的厚度可以抵挡高压，并且所说膜片在其中心具有加厚的区域借以抵制由于所说弯曲而在所说膜片内产生的应力被传送到所说第二接头上。

【技术特征摘要】
US 1994-1-24 08/186,0031.一种能将液体的压力转变为相应电容值的可变电容式传感器用的敏感元件具有一个压力连接件和一个沿轴向延伸的通道用来将液体从第一端导引到第二端；一个膜片以其周边固定在所说连接件的所说第二端上成为第一接头；一个组合件具有第一金属件以其一端固定在所说膜片的中心，一个与所说第一金属件间隔开并且至少有一部分位在所说第一金属件沿径向的外侧的第二金属件，以及一个固定在所说第一和第二金属件之间的无机介电质的间隔环；用来将第一金属件固定到所说膜片的中心成为第二接头的装置；一个电极；以及用来将所说电极固定到所说第二金属件上的装置，使在所说电极和所说膜片之间建立起一般为平行而间隔开的关系以便形成一个可变电容器，从而当所说膜片在响应液体压力而弯曲时，在电极到膜片的间隙内所产生的间距的变化可提供液体压力在电容方面的量度。2.权利要求1的敏感元件，其特征为，所说膜片具有足够的厚度可以抵挡高压，并且所说膜片在其中心具有加厚的区域借以抵制由于所说弯曲而在所说膜片内产生的应力被传送到所说第二接头上。3.权利要求2的敏感元件，其特征为，所说连接件在所说第二端具有一个一般为圆筒形而减厚的壁部，从而弯曲应力可使所说减厚壁部变形来减小在所说第一接头的应力。4.权利要求1的敏感元件，其特征为，所说膜片足够薄以便响应液体压力的低压值和中压值而运动，并且所说膜片具有一个中心的机械变形。5.权利要求4的敏感元件，其特征为，所说膜片是由金属片制成的，并且所说机械变形为一中心的杯状凹坑。6.权利要求1的敏感元件，其特征为，所说金属片为高质量的弹簧钢。7.权利要求1的敏感元件，其特征为，所说无机介电质间隔环是由玻璃制成的，并且所说第一和第二金属件具有可与所说玻璃兼容的热膨胀系数。8.权利要求1的敏感元件，其特征为，所说环及所说第一和第二金属件的热膨胀系数是这样选定的，使所说环受到预加的压缩应力以资在所说金属件和所说环之间形成一个牢固的接头。9.权利要求1的敏感元件，其特征为，所说无机介电质间隔环在轴向上的位置和尺寸是这样选定的，使在所说第一金属件内从所说环到并包括所说膜片在内的第一热运动途径的轴向长度通常等于在所说第二金属件内从所说间隔环到并包括电极在内的第二热运动途径的轴向长度，从而温度的变化能在所说第一和第二热运动途径的轴向长度上产生自我补偿的变化，从而将所说电容间隙保持在一个通常为恒定的值。10.权利要求1的敏感元件，其特征为，所说第一金属件固定装置包括一个与所说膜片对接的头部和一个从所说头部向所说膜片突出的金属突起，该突起可熔化以便用焊接得到所说固定。11.权利要求1的敏感元件，其特征为，所说电极固定装置为一层胶粘材料。12.权利要求11的敏感元件，其特征为，所说胶粘材料为一有机胶粘剂。13.权利要求11的敏感元件，其特征为，所说胶粘材料为一金属软焊料。14.权利要求5的敏感元件，其特征为，所说膜片包括一个在其周边上整体制出的裙部，该裙部终止在所说第...

【专利技术属性】
技术研发人员：李喜英，
申请(专利权)人：塞特拉系统有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]