CN1323288C - 压力传感器组件 - Google Patents

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Abstract

压力传感器组件(100)包括安装至传感器安装部件(104)的细长压力传感器(102)。保护元件(120)覆盖细长压力传感器(102)，以防止压力传感器接触过程流体。

Description

压力传感器组件
技术领域
本发明涉及压力传感器。本发明尤其涉及用在腐蚀环境中的压力传感器。
背景技术
压力传感器被用于测量用在工业过程中的压力过程流体。所测得的压力被用于监测和/或控制工业过程的操作。
在某些情况中，被压力传感器检测的过程流体可能是腐蚀性的，或者需要高纯环境。一种解决这种安装要求的技术是使用隔离膜片将压力传感器与过程流体分开。油填充物(oil fill)将压力传感器连接至隔离膜片，从而施加到膜片上的压力被施加到压力传感器。然而，这种隔离技术会将误差引入压力测量中。
在本领域中已知各种压力传感器设计。一种压力传感器是由细长的大体为脆性的材料制成。这种传感器本身可以由诸如蓝宝石等抗腐蚀材料制成。这种压力传感器的例子在以下专利中被公开和描述：
1997年6月10日授权的美国专利No.5,637,802；
2000年6月27日授权的美国专利No.6,079,276；
2000年7月4日授权的美国专利No.6,082,199；
2000年7月18日授权的美国专利No.6,089,097；
2000年1月6日申请的美国专利申请No.09/478,434；
2000年1月6日申请的美国专利申请No.09/478,383；
2000年1月6日申请的美国专利申请No.09/477,689；
2000年6月26日申请的美国专利申请No.09/603,640；
2001年1月5日申请的美国专利申请No.09/755,346；以及
2001年10月15日申请的美国专利申请No.09/978,311。
然而，在某些实施例中，用于将细长(elongate)压力传感器连接至安装结构的接合或密封机构会被某些类型的过程流体腐蚀，或者可能成为高纯过程流体的污染源。
发明内容
一种压力传感器组件包括细长压力传感器和传感器安装部件。细长压力传感器通过安装部件中的孔延伸，密封部件设置在安装部件与细长压力传感器之间。保护元件覆盖密封部件和至少部分细长压力传感器，以防止接合部分接触过程流体。
在一个实施例中，压力传感器被安装在细长壳层中，所述细长壳层大体与压力传感器的形状一致。在壳层与压力传感器之间配置填充材料，以将施加到壳层上的压力传递到压力传感器。
附图说明
图1A是根据本发明的压力传感器组件的侧面透视图；
图1B是图1A的压力传感器组件的侧面平面图；
图1C是图1A的压力传感器组件的前部透视图；
图2A和2B是根据另一实施例的压力传感器组件的透视图；
图3A是根据本发明的具有由壳层形成的保护元件的压力传感器的侧面剖视图；
图3B和3C是本发明的一个实施例的透视图和平面图；
图4是包括图1A-C、图2A、2B或图3A-C的压力传感器组件的变送器的侧面剖视图。
具体实施方式
压力传感器被用在过程监测和过程控制中，以监测和/或响应地控制所述过程。各种工业过程对于所有浸湿材料(即，被暴露于过程流体的材料)需要超高纯度。例如，一些用在半导体工业中的处理步骤需要为过程流体实施超高纯度处理步骤。半导体工业遵从SEMI(半导体设备和材料协会，有限公司)为超高纯度材料处理规定的规范。这些准则列出了直接与过程介质接触的那些元件的可接受的材料和表面条件。还有需要超高纯度作业的其他工业和标准。
许多需要超高纯度作业以处理过程流体的工业倾向于避免将新材料或表面引入所述过程中。使用新材料需要较长的验证和测试过程。验证之后，所述工业还必须提高可靠性水平，确保新的材料或表面不会将杂质引入过程中。这样，将新的材料引入超高纯度处理中几乎是不可能的，或者可能需要很长的周期。
一般来说，当前用于测量需要超高纯度的过程中的压力的压力变送器在其压力测量方面具有误差。一个误差来源是由于需要压力传感器遵从超高纯度作业。这样可能需要引入物理上将压力传感器与过程流体分隔开的隔离膜片。另一个误差来源只是由压力传感器的构造和特性引起的。本发明提供一项在超高纯度过程中使用高精度的细长压力传感器的技术。
图1A是根据本发明一个实施例的细长压力传感器组件100的侧面透视图，图1B是侧面平面图，以及图1C是前部透视图。压力传感器组件100包括细长压力传感器102。压力传感器102是高精度的压力传感器，可包括诸如蓝宝石等脆性材料。压力传感器102在以下文献中被讨论：1997年6月10日授权的美国专利No.5,637,802；2000年6月27日授权的美国专利No.6,079,276；2000年7月4日授权的美国专利No.6,082,199；2000年7月18日授权的美国专利No.6,089,097；以及2001年10月15日申请的美国专利申请No.09/978,311。
传感器安装部件104具有第一侧面106和相对的第二侧面108，孔110在两者之间延伸。细长压力传感器102通过侧面106与108之间的孔110延伸。密封(或接合)装置112密封传感器102与安装部件104之间的界面。密封部件112例如可以包括焊缝或铜焊材料(金锗、焊料、粘合剂，等等)。
这种传感器结构提供精密的测量，在某些情况下，精度比现有技术高若干数量级。传感器102包括两个由大体为脆性的材料制成且熔合在一起的晶片，以制造能够在高达3000磅/每平方英寸(psi)的压力下操作的基于电容的绝对压力检测装置。薄的金属层，诸如铬等，可通过例如溅镀沿着传感器102的整个长度被沉积。铬提供对杂散电容和电噪声的屏蔽。当传感器安装在安装部件中时，镍层可沉积在整个铬层上，并且用于连接至传感器。
在使用该传感器结构时所遇到的一个困难是：将传感器102安装至某种支撑结构，诸如安装部件104，以便它能够被连接至所述过程。暴露于所述过程的所有材料都应该被超高纯度应用所允许。作为例子的材料包括真空熔化的奥氏体不锈钢、铬和镍，所有这些均通过电解抛光进行表面抛光。另外，可以使用高纯度形式的全氟橡胶(perfluoroelastomer)/含氟聚合物。
根据本发明的一个实施例，保护元件(即，壳层或敷层)120覆盖细长压力传感器102和密封部件112。保护元件120使压力传感器102和密封部件112与过程流体123隔离开。能够使用任何适当的技术涂敷元件120。各种例子在以下说明。
在操作中，压力传感器102的远端130响应所施加的压力。设置在传感器102近端134上的电接触件132提供代表所施加压力的输出。例如，电容板可安装在远端130内。通过接触件132能够测量电容，所述电容与电容板的偏移相关，从而与所施加的压力相关。
保护元件120与加压流体接触，并且以这样的方式变形：即通过加压流体施加的压力被传递至压力传感器102。可使用任何适当的技术制造保护元件120，所述保护元件120优选在结构上使得所施加的压力被精确地、重复地传递至压力传感器102，同时符合超高纯度过程所要求的作业。以下描述多个示例性结构和制造技术。然而，从宽泛的方面来说，本发明不限于这些具体的实施例。
在一个实施例中，保护元件120构成敷层，并且通过在传感器102上和至少部分安装部件104上浇注较大块可模制材料(诸如塑料)来制造。一个可选方案是使用利用高压模制技术的模制过程，以获得极薄的敷层。可选地是，模制件被形成为较厚的主体，然后诸如通过机加工过程使模制件经受材料去除过程。保护敷层120足够薄，以允许施加的压力被传递到传感器102。可以使用任何适当的可模制塑料，包括聚四氟乙烯(PTFE)。传感器102的高的杨氏模量最小化塑料保护敷层所引起的任何影响。
在另一个实施例中，如图1C的透视图所示，保护元件120包括被模制(overmolded)在传感器102上的金属层。应该以比会损坏传感器102的温度低的温度来模制材料。例如，可以使用镁合金。模制层(overmoldlayer)120在传感器102的检测部分必须较薄，以便所述传感器能响应小的压力梯度，而不管用于金属模制的材料是什么。优选的是，可以使用不锈钢或铬层电镀所有的浸湿表面，然后进行电解抛光。
图2A是传感器组件100的另一个示例性实施例的透视图，其中保护元件138包括容纳压力传感器102的柔性壳层/敷层。敷层/壳层138包括薄的柔性材料层，并且形成容纳传感器102的“袋”。真空被应用于壳层/敷层138的开口端142，从而它的外形接触传感器102，并且紧贴传感器102。敷层/壳层138例如可以包括PTFE(聚四氟乙烯)，PFA(全氟烷氧基)，PVC(聚氯乙烯)、PEEK(聚醚醚酮)或者PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)。敷层/壳层138能够通过包括热、热声学或者粘合技术的任何适当技术被密封。
在图2B所示的另一实施例中，保护元件139包括柔性金属，诸如金属箔的薄层，其围绕传感器102被缝焊。金属箔应当是被超高纯度过程允许的材料，并且足以将所施加的压力传递至压力传感器。优选的是，诸如前述实施例中所述的填充材料等中间材料被用作保护金属箔139与传感器102之间的连接件。优选的是，缝焊过程需要被密封，并且浸湿表面需要被电解抛光。金属箔的示例性材料包括300系列不锈钢、镍铬合金、镍基高温合金(Hastalloy)、耐蚀游丝合金。优选的是，可以通过激光电子束或者电阻焊形成焊缝。在图2B的实施例中，保护元件139例如通过诸如焊缝等接合部分连接至安装部件104。
图3A是本发明另一个实施例的侧面剖视图，其中保护元件160由薄的管形成，传感器102放置在其中。保护元件160由能够被超高纯度过程规范允许的材料制成的壳层形成。例如，可以使用金属管。例子包括300系列不锈钢。保护元件160大体上与传感器102的形状一致。
选择性的填充材料162可以被用于填充保护敷层160与传感器102之间的任意空间。填充材料162例如可以包括纯铝粉末。在制造期间，可以以浆的形式使用所述粉末，并且使用离心机迫使所述浆进入保护元件160的开口中。封盖164被用于将填充材料162保持在保护敷层160中，并且将传感器102固定在其中。封盖164例如可以是环氧或低温玻璃层，并且如果需要，将用作湿气的屏敝物。
在另一例子中，可以将少量的粘合剂用在填充材料162中，以在烧结时使填充材料固化。例如，能够在足够低的温度下烧结或流动的玻璃粉末可用于固定填充材料162。
另一个填充材料162的例子包括或者以压紧状态(packed state)或者以烧结状态使用的金属粉末。金属粉末能够被蒸(braise)或者被焊接，以永久地密封保护敷层160。在所有的实施例中，填充材料提供保护元件160与传感器102之间的连接，而不会部分地(inpart)将安装应力施加到传感器102。通过烧结或者重熔(reflow)填充材料，能减少由于填充材料的移动而引起的性能降低。
在图3的实施例中，保护元件160例如通过接合部分166连接至安装部件104。所述接合部分可以包括焊缝。焊接过程应当是密封的，并且采用适于超高纯度安装的材料。然后，浸湿表面被电解抛光。
图3B是图3A的一个替代实施例的透视图，图3C是其平面图，其中保护元件采用金属管的形式，所述金属管在一端被焊接而封闭，然后在其中间部分模锻以与传感器102一致。如图3B和3C所示，被模锻的部分沿着传感器102的远端长度延伸，使得保护元件161变平，并且与传感器102的形状一致。然而，金属管的近端不被模锻，并且具有大致圆形的横截面，并被焊接至安装部件104。如上所述，优选填充材料被插入或设置到模锻管与传感器之间，作为将压力从浸湿模锻管传递至传感器的介质。
图4示出了压差变送器200，其包括根据本发明的具有保护敷层的压力传感器组件202A、202B。变送器200包括有变送器主体204、传感器主体206以及凸缘208。传感器主体206包括压力传感器组件202A和202B，它们分别测量过程流体的绝对压力P1和绝对压力P2。变送器主体204包括变送器(I/O)电路210，该电路将与压力P1和P2有关的信息通过二线过程控制回路，诸如4-20mA电流回路212发送。电路板214将传感器电路板216连接至传感器202A和202B，并且接收与压力P1和P2有关的电信号。传感器电路板216上的电路数字化并且处理这些信号，并且使用数据总线220将压力信息传达到变送器电路210。
本发明提供一种压力传感器组件，其使用在构造上能够被超高纯度过程允许的高精度压力传感器。保护元件被用于覆盖不与超高纯度处理程序兼容的表面，从而覆盖将脆性材料制成的压力传感器接合至安装部件的接合部分。保护元件被构造成允许压力被传递至压力传感器，同时防止接合部分接触过程流体。保护元件可以是适当的材料，并且以这样的方式被处理：即，它能够被利用超高纯度过程的工业所接受。
尽管参考优选实施例描述了本发明，然而本领域技术人员可以理解，在不偏离本发明实质和范围的情况下，可以在形式或细节上作改动。例如，在各个方面，可以使用其他类型的敷层材料或技术。并且，用于制造保护元件的各种技术可以与保护元件的形状一样被改变。在一些方面，尽管全文的附图和讨论涉及细长压力传感器，然而其他压力传感器结构也被包括在本发明的范围内。类似地，在各个方面中，本发明不限于由脆性材料制成的压力传感器。其他填充材料包括陶瓷粉末(导电或不导电)，其能够减小滞后和蠕变误差，或者包括电介质粉末，诸如玻璃和SiO2。

Claims (27)

1.一种压力传感器组件，被构造用于测量过程流体的压力，包括：
细长压力传感器，所述细长压力传感器具有近连接端和远压力检测端；
传感器安装部件，所述传感器安装部件具有第一侧面、相对的第二侧面以及在两个侧面之间延伸的孔，所述细长压力传感器通过所述孔延伸；
在安装部件与细长压力传感器之间的密封部件；以及
在细长压力传感器和密封部件上形成的保护元件，所述保护元件覆盖密封部件和至少部分细长压力传感器，以防止接合部分由于与过程流体接触而被腐蚀，所述保护元件被构造以将被施加的压力传递到压力传感器。
2.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其中，所述保护元件包括模制材料。
3.根据权利要求2所述的压力传感器组件，其中，所述模制材料被机加工，以与细长压力传感器一致。
4.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其中，所述保护元件包括聚四氟乙烯。
5.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其中，所述保护元件包括金属箔。
6.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其中，所述保护元件包括模制金属层。
7.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其中，所述保护元件包括从由金属、聚四氟乙烯、polyethalynes、polypropelynes、镍铬合金以及镍基高温合金构成的一组材料中选出的一种材料。
8.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其中，所述保护元件包括电镀在保护元件上的金属层。
9.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其中，所述保护元件包括被构造用来容纳细长压力传感器的壳层。
10.根据权利要求9所述的压力传感器组件，包括在所述壳层与所述细长压力传感器之间的填充材料。
11.根据权利要求9所述的压力传感器组件，包括将壳层接合至传感器安装部件的焊缝。
12.根据权利要求9所述的压力传感器组件，其中，所述壳层被真空密封。
13.一种压力传感器组件，被构造用于测量过程流体的压力，包括：
抗腐蚀安装部件；
细长压力传感器，所述压力传感器具有近连接端和远压力检测端；
细长壳层，所述细长壳层形成于所述细长压力传感器上，由抗腐蚀材料制成，并在近端处开口，在远端处封闭，并且在其中安装所述细长压力传感器，所述壳层大体与所述压力传感器的形状一致，以防止细长压力传感器元件与过程流体接触，并且被构造用于将被施加的压力传递至压力传感器；
在所述壳层与所述压力传感器之间的填充材料，所述填充材料被构造以将施加到所述壳层上的压力传递到压力传感器；以及
将细长壳层连接至安装部件的接合部分，所述接合部分由抗腐蚀材料形成。
14.根据权利要求13所述的压力传感器组件，其中，所述接合部分包括焊缝。
15.根据权利要求13所述的压力传感器组件，其中，所述填充材料包括金属粉末。
16.根据权利要求15所述的压力传感器组件，其中，所述金属粉末处于压紧状态。
17.根据权利要求15所述的压力传感器组件，其中，所述金属粉末被烧结。
18.根据权利要求13所述的压力传感器组件，其中，所述填充材料密封所述壳层。
19.根据权利要求13所述的压力传感器组件，包括封盖，所述封盖被构造以密封壳层中的填充材料。
20.根据权利要求13所述的压力传感器组件，其中，所述填充材料包括粘合剂。
21.根据权利要求13所述的压力传感器组件，其中，所述细长壳层包括从由金属、聚四氟乙烯、polyethalynes、polypropelynes、镍铬合金以及镍基高温合金构成的一组材料选出的一种材料。
22.根据权利要求13所述的压力传感器组件，其中，所述填充材料包括陶瓷粉末。
23.根据权利要求22所述的压力传感器组件，其中，所述陶瓷粉末处于压紧状态。
24.根据权利要求22所述的压力传感器组件，其中，所述陶瓷粉末被烧结。
25.根据权利要求13所述的压力传感器组件，其中，所述填充材料包括电介质粉末。
26.根据权利要求25所述的压力传感器组件，其中，所述电介质粉末处于压紧状态。
27.根据权利要求25所述的压力传感器组件，其中，所述电介质粉末被烧结。
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