一種自增強(qiáng)圓筒式雙液體腔結(jié)構(gòu)的耐高溫超高壓力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，特別涉及一種自增強(qiáng)圓筒式雙液體腔結(jié)構(gòu)的耐高溫超高壓力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]耐高溫超高壓力傳感器的研發(fā)一直都是傳感器技術(shù)領(lǐng)域的重點(diǎn)。超高壓力傳感器一般基于電容、應(yīng)變、壓電及壓阻效應(yīng)設(shè)計(jì)制作。電容式傳感器輸出信號(hào)小，線性誤差較大，需要專門的調(diào)理電路；應(yīng)變式傳感器同樣輸出過小，靈敏度較低，在高溫情況下還會(huì)發(fā)生蠕變；壓電式傳感器多用于動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量，雖然通過信號(hào)處理可以測(cè)量準(zhǔn)靜態(tài)壓力，但仍然不能用來測(cè)量靜態(tài)信號(hào)，且對(duì)測(cè)量介質(zhì)敏感；硅壓阻式傳感器由于硅芯片本身的材料強(qiáng)度極限，測(cè)量上限僅為150MPa，錳銅壓阻式傳感器由于結(jié)構(gòu)原因，存在密封與絕緣問題。為克服上述效應(yīng)傳感器測(cè)量超高壓力時(shí)存在的問題，目前廣泛采用彈性元件與敏感元件為組合式結(jié)構(gòu)的耐高溫壓力傳感器方案。這種方案的測(cè)量量程可達(dá)100MPa以上，適用被測(cè)介質(zhì)范圍寬，且密封可靠性高。但這類傳感器也有一定的不足之處:1)敏感元件通過多種工藝封裝在金屬?gòu)椥栽?，而敏感元件、金屬?gòu)椥栽胺庋b材料的熱膨脹系數(shù)差異會(huì)產(chǎn)生封裝殘余應(yīng)力，在寬溫度范圍下應(yīng)用時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出穩(wěn)定性差等問題；2)如果敏感元件是基于金屬的電阻效應(yīng)，如濺射薄膜或采用高溫箔式金屬應(yīng)變片的壓力傳感器，由于金屬的電阻率小，電阻系數(shù)很低，傳感器的靈敏度很小(僅幾mV/V)，因而信噪比差，對(duì)后續(xù)的信號(hào)處理電路要求較高；3)彈性元件與敏感元件組合式結(jié)構(gòu)中諸如承壓機(jī)構(gòu)、傳力機(jī)構(gòu)等機(jī)械元件，由于其加工誤差，裝配誤差等原因，會(huì)存在很多不穩(wěn)定因素:如純機(jī)械傳遞結(jié)構(gòu)中，支撐部件與敏感、承壓元件的封裝困難，且存在加工、裝配引起的系統(tǒng)誤差與封裝材料其本身特性引起的非系統(tǒng)誤差；又如機(jī)械硅油傳遞結(jié)構(gòu)中，硅油本身作為一種溫度體積變化比例大的材料，在寬溫度范圍下使用會(huì)存在溫度應(yīng)力，而會(huì)使傳感器的溫度適用性變差，硅油本身具有體積模量，在實(shí)際使用中由于體積模量的存在也會(huì)引入系統(tǒng)誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種自增強(qiáng)圓筒式雙液體腔結(jié)構(gòu)的耐高溫超高壓力傳感器，克服了純機(jī)械傳遞結(jié)構(gòu)中的封裝難題，改善了測(cè)量誤差，還可以有效降低硅油機(jī)械傳遞結(jié)構(gòu)中硅油因溫度體積變化帶來的溫度應(yīng)力誤差。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0005]一種自增強(qiáng)圓筒式雙液體腔結(jié)構(gòu)的耐高溫超高壓力傳感器，包括底座1，底座I中心設(shè)有通孔1-1，支架套筒3連接在底座I上，支架套筒3的側(cè)壁設(shè)有下充液體孔3-1，承壓圓筒2置于支架套筒3的內(nèi)腔，承壓圓筒2底部連接在底座I上，承壓圓筒2內(nèi)部設(shè)有承壓孔2-1，承壓孔2-1與通孔1-1對(duì)齊，燒結(jié)座4連接在支架套筒3上，燒結(jié)座4的上、下兩端面均開有臺(tái)階孔，下臺(tái)階孔4-1臺(tái)階面上開有四個(gè)以上的燒結(jié)孔4-3，燒結(jié)孔4-3連通至燒結(jié)座4殼體外部，下臺(tái)階孔4-1通過液體通孔4-4連通至上臺(tái)階孔4-2，上臺(tái)階孔4-2側(cè)壁設(shè)有上充液孔4-5，燒結(jié)柱10通過漿料16固定在燒結(jié)孔4-3中，頂蓋5連接在燒結(jié)座4上，敏感元件8貼合在下臺(tái)階孔4-1的臺(tái)階面上并置于液體通孔4-4上，敏感元件8為流體隔離結(jié)構(gòu)，敏感元件8上設(shè)有惠斯通電橋，惠斯通電橋通過金絲引線9與燒結(jié)柱10內(nèi)端連接，燒結(jié)柱10外端通過第一高溫電纜線11-1與高溫轉(zhuǎn)接板12連接，高溫轉(zhuǎn)接板12設(shè)置在頂蓋5上，高溫轉(zhuǎn)接板12通過第二高溫電纜線11-2穿過外殼13上的固線帽連接至外部電路，由承壓圓筒2外表面、底座I上表面、支架套筒3內(nèi)表面、下臺(tái)階孔4-1內(nèi)表面與敏感元件8下表面所圍成的腔體構(gòu)成下液體腔14，由頂蓋7、上臺(tái)階孔4-2內(nèi)表面、液體通孔4-4內(nèi)表面與敏感元件8上表面所圍成的腔體構(gòu)成上液體腔15，下液體腔14、上液體腔15中充滿可壓縮液體，下液體腔14，上液體腔15體積相等。
[0006]所述的底座1、承壓圓筒2通過機(jī)械加工工藝制作成一體化結(jié)構(gòu)。
[0007]所述的底座1、承壓圓筒2、支架套筒3或制作成一體化結(jié)構(gòu)。
[0008]所述的下充液孔3-1或開在燒結(jié)座4的側(cè)壁，與下臺(tái)階孔4-1連通，燒結(jié)孔4-3、液體通孔4-4或開在上臺(tái)階孔4-2處，此種結(jié)構(gòu)燒結(jié)孔4-3連通至燒結(jié)座4殼體外部，液體通孔4-4連通至下臺(tái)階孔4-1，敏感元件8貼合在上臺(tái)階孔4-2的臺(tái)階面上并置于液體通孔4-4 上。
[0009]所述的底座I與承壓圓筒2采用高強(qiáng)度高韌性合金制作，承壓圓筒2為圓柱形圓筒，經(jīng)過自增強(qiáng)處理后形成彈性層2-3與塑性層2-2，彈性層2-3在外，塑性層2-2在內(nèi)，承壓孔2-1在塑性層2-2內(nèi)，直接接觸被測(cè)介質(zhì)；承壓圓筒2或制成膜片、波紋膜片的承壓結(jié)構(gòu)，用于一般壓力的測(cè)量；承壓圓筒2經(jīng)過熱處理后能夠承受400°C高溫沖擊。
[0010]所述的支架套筒3的下充液孔3-1用第一密封珠6-1及第一頂絲7-1密封，形成下液體腔14的密封結(jié)構(gòu)。
[0011]所述的上充液孔4-5用第二密封珠6-2及第二頂絲7-2密封，形成上液體腔15的密封結(jié)構(gòu)。
[0012]所述的敏感元件8通過SOI技術(shù)制作，能夠在250°C以下使用。
[0013]所述的下液體腔14與上液體腔15中充滿的可壓縮液體為耐高溫絕緣液體，包括高溫硅油。
[0014]由于底座I與承壓圓筒2采用了高強(qiáng)度高韌性材料制作，承壓圓筒2為自增強(qiáng)圓筒結(jié)構(gòu)，克服了硅基材料結(jié)構(gòu)測(cè)量量程小的缺點(diǎn)；由于這種高強(qiáng)度材料和測(cè)量介質(zhì)兼容性好，該傳感器也克服一般的硅基材料一體化傳感器測(cè)量介質(zhì)兼容性差的缺點(diǎn)；敏感元件8采用SOI技術(shù)制作的敏感元件，壓阻系數(shù)較高，所以傳感器的輸出靈敏度可達(dá)20mV/V以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于濺射薄膜或采用高溫箔式金屬應(yīng)變片的壓力傳感器的輸出電壓(僅幾mV/V)，因此靈敏度和信噪比都較好，降低了對(duì)后續(xù)調(diào)理電路的要求。雙液體腔傳感器有上下兩個(gè)液體腔，液體腔體積相等，液體腔中的液體分別作用在敏感元件8的上面和下面。當(dāng)溫度發(fā)生變化，液體體積隨之變化，而相同體積的液體會(huì)發(fā)生相等的體積變形量，從而在硅片上下表面產(chǎn)生相同的熱應(yīng)力，抵消了因溫度體積導(dǎo)致的熱應(yīng)力誤差。雙液體腔傳感器，與機(jī)械硅油傳遞超高壓力傳感器敏感機(jī)理也不同，雙液體腔傳感器的敏感過程是上下液體腔中的液體與敏感芯片共同作用最后達(dá)到綜合狀態(tài)，考慮了液體的體積模量對(duì)傳感器性能的影響，由于機(jī)械硅油傳感器的敏感過程忽略了液體的體積模量，所以雙液體腔傳感器克服了液體體積模量引入的系統(tǒng)誤差。整個(gè)傳感器的零件都可通過相關(guān)技術(shù)手段制作成使用溫度在2500C以下的耐高溫零件，因此雙液體腔傳感器可以在250°C高溫條件下使用。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2_a為底座I及承壓圓筒2主視圖；圖2_b為承壓圓筒2放大尚]視圖。
[0017]圖3為支架套筒3的結(jié)構(gòu)主視圖。
[0018]圖4-a為燒結(jié)座4的結(jié)構(gòu)主視圖；圖4_b為燒結(jié)座4的剖視圖與剖視局部放大圖。
[0019]圖5為本發(fā)明的工作原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的說明。
[0021]參照?qǐng)D1、圖2-a、圖3和圖4-b，一種自增強(qiáng)圓筒式雙液體腔結(jié)構(gòu)的耐高溫超高壓力傳感器，包括底座1，底座I中心設(shè)有通孔1-1，底座I用于連接壓力源引入壓力，支架套筒3連接在底座I上，支架套筒3對(duì)整體結(jié)構(gòu)起支撐連接保護(hù)的作用，支架套筒3的側(cè)壁設(shè)有下充液體孔3-1，用于充液，承壓圓筒2置于支架套筒3的內(nèi)腔，承壓圓筒2底部連接在底座I上，承壓圓筒2內(nèi)部設(shè)有承壓孔2-1，承壓孔2-1與通孔1-1對(duì)齊，承壓圓筒2用于承載壓力并將壓力轉(zhuǎn)化為承壓圓筒2體積變形量，燒結(jié)座4連接在支架套筒3上，燒結(jié)座4的上、下兩端面均開有臺(tái)階孔，臺(tái)階孔用于形成液體腔，下臺(tái)階孔4-1臺(tái)階面上開有四個(gè)以上的燒結(jié)孔4-3，燒結(jié)孔4-3連通至燒結(jié)座4殼體外部，下臺(tái)階孔4-1通過液體通孔4-4連通至上臺(tái)階孔4-2，液體通孔4-4將上、下臺(tái)階孔形成的液體腔匯集至敏感元件8，上臺(tái)階孔4-2側(cè)壁設(shè)有上充液孔4-5，用于充液，燒結(jié)柱10通過漿料16——對(duì)應(yīng)的固定在燒結(jié)孔4-3中，形成引線的絕緣密封結(jié)構(gòu)，頂蓋5連接在燒結(jié)座4上，用于封閉上臺(tái)階孔4-2形成液體腔，敏感元件8貼合在下臺(tái)階孔4-1的臺(tái)階面上并置于液體通孔4-4上，敏感元件8為流體隔離結(jié)構(gòu)，敏感元件8用于感測(cè)液體腔內(nèi)部壓力，敏感元件8上設(shè)有惠斯通電橋，惠斯通電橋通過金絲引線9與燒結(jié)柱10內(nèi)端連接，燒結(jié)柱10外端通過第一高溫電纜線11-1與高溫轉(zhuǎn)接板12連接，高溫轉(zhuǎn)接板12設(shè)置在頂蓋5上，高溫轉(zhuǎn)接板12通過第二高溫電纜線11-2穿過外殼13上的固線帽連接至外部電路，由承壓圓筒2外表面、底座I上表面、支架套筒3內(nèi)表面、下臺(tái)階孔4-1內(nèi)表面與敏感元件8下表面所圍成的腔體構(gòu)