高精度薄膜压力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种高精度薄膜压力传感器，包括圆形膜片，支撑座，弹性体，传力柱和外壳，其特征在于：弹性体是采用溅射薄膜技术制造的，当所述圆形膜片受到压力作用时，均匀分布的压力通过所述传力柱集中并传递到所述弹性体的中心梁上，弹性体上的四个应变电阻阻值发生变化，惠斯电桥失去平衡。由于将分散力集中作用在弹性体上，传感器的灵敏度系数提高，非线性误差减小，传感器综合精度得到提高。另外，受力膜片与弹性体之间通过传力柱接触，弹性体对温度的敏感性降低，传感器能在更低温或更高温的环境下工作，拓展了传感器的工作温度范围。产品在军工、机械、石化、汽车、食品、制药、冶金等领域得到广泛应用。

【技术实现步骤摘要】
高精度薄膜压力传感器
本专利技术涉及一种压力传感器，尤其涉及一种将均匀分散力集中作用于弹性体的、灵敏度高、非线性误差小的高精度薄膜压力传感器。
技术介绍
薄膜压力传感器是一种性能优良的压力传感器，它具有量程大、综合精度高、工作温度范围宽、稳定性好、耐腐蚀等优点，在航空航天、武器装备、石油化工、能源、冶金、汽车、工业过程自动控制等许多领域得到应用。现有的薄膜压力传感器弹性体结构如图1所示，由于薄膜压力传感器的弹性体是不锈钢材料制成，当它受到均匀分布的压力作用时，弹性体应变部位的变形量小，传感器的灵敏感度较低。同时传感器的非线线误差比传感器的重复性误差和迟滞误差大，导致传感器的综合精度不能进一步提高。因此，开发一种灵敏度高、非线线误差小、能适用更加严苛环境的高精度薄膜压力传感器极其重要。采用不锈钢、钛或非晶材料作膜片，同时将分散力集中作用在弹性体上的方法制造的高精度薄膜压力传感器能解决上述存在的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高精度薄膜压力传感器，针对现有技术的不足，解决薄膜压力传感器灵敏度不高、非线性误差大等问题，实现在严苛环境下对压力的精确测量以及在民用领域广泛应用的目的。为解决以上技术问题，本专利技术的技术方案是：一种高精度薄膜压力传感器，包括开口呈浅“U”形的圆形膜片，下端焊接所述圆形膜片、中心开圆孔、上端焊接弹性体的支撑座，下端焊接在所述支撑座的上部边缘、带有中心梁的“E”形弹性体，穿过所述支撑座的中心圆孔、下端焊接在所述圆形膜片中心、上端焊接在所述弹性体的中心梁处的传力柱和外壳组成，其特征在于：所述弹性体外周焊接有支撑电路板的电路板支架，所述电路板支架上固定有电路板；所述弹性体是采用溅射薄膜技术在弹性体上表面上制造有四个应变电阻并形成惠斯电桥，当所述圆形膜片受到压力作用时，均匀分布的压力通过所述传力柱集中并传递到所述弹性体的中心梁上，所述弹性体上表面上的所述四个应变电阻阻值发生变化，惠斯电桥失去平衡，通过一端焊接在焊盘、另一端焊接在所述电路板的内引线输出与所受压力成比例的电信号；所述电信号通过焊接在所述电路板上的外引线向外输出。所述圆形膜片采用不锈钢、钛、非晶材料中的一种制成。所述电路板上方灌注有保护所述电路板、所述内引线和所述外引线的质软保护胶。所述四个应变电阻由镍(Ni)、铬(Cr)、硅(Si)、铝(Al)四种元素组成，原子百分比是39％≤Ni≤45％，40％≤Cr≤46％，4.5％≤Si≤5.5％，9％≤Al≤12％。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：由于采用了将分散力集中作用在弹性体上，传感器的灵敏度系数提高，非线性误差减小，传感器综合精度得到提高。另外，除可采用不锈钢材料做与介质接触的膜片外，还可采用耐温和耐腐蚀性能更好的钛或非晶材料做与介质接触的膜片，能适用更加严苛环境。同时，受力膜片与弹性体之间通过传力柱接触，弹性体对温度的敏感性降低，传感器能在更低温或更高温的环境下工作，拓展了传感器的工作温度范围。更进一步的，应变电阻成分除了镍(Ni)和铬(Cr)元素以外，还添加了一定比例的硅(Si)和铝(Al)元素，进一步降低传感器的温度系数，提高传感器的稳定性。通过上述工艺后，薄膜压力传感器的灵敏度提高、非线性误差减小、工作温度范围扩宽、耐腐蚀性能提高，而其它薄膜压力传感器的优良性能得到保留。本专利技术的高精度薄膜压力传感器的主要性能指标如下：测量范围：0～0.05～150MPa综合精度：0.02％FS～0.2％FS介质温度范围：-200℃～400℃灵敏度系数：≥4mV/V零点温度漂移：≤±0.001％FS/℃长期稳定性：≤±0.1％FS/年本专利技术解决了现有薄膜压力传感器灵敏度低、非线性误差大、抗干扰能力不强、不适应恶劣环境下对压力进行精确测量的问题。附图说明图1为现有技术的薄膜压力传感器的弹性体结构及其受力情况示意图。图2为本专利技术的高精度薄膜压力传感器的弹性体结构及其受力情况示意图。图3为本专利技术的高精度薄膜压力传感器的圆形膜片结构及其受力情况示意图。图4为本专利技术的高精度薄膜压力传感器的剖视图。图5为本专利技术的高精度薄膜压力传感器的弹性体应变电阻布置图。具体实施方式如图1所示，现有技术的薄膜压力传感器弹性体3，受到压力作用时，由于压力均匀分散作用于弹性体3上，所述弹性体3发生形变量小，灵敏度系数小，同时传感器的非线性误差大，在小量程范围时尤其突出。如图2、3、4、5所示，本专利技术的高精度薄膜压力传感器，包括圆形膜片1、支撑座2、弹性体3、传力柱4、外壳5组成。所述圆形膜片1是一个开口呈浅“U”形的圆形膜片，根据不同的工况选用不锈钢、钛、非晶材料中的一种制成，钛或非晶材料制成的产品更加适用腐蚀性、高低温环境下使用。所述支撑座2呈圆柱形，中心开有圆孔，上端面加工有凸台，与所述弹性体3的下端面吻合并牢固焊接。所述支撑座2下端面与所述圆形膜片1吻合并密封焊接。所述支撑座2的中心圆孔用以通过所述传力柱4。所述弹性体3是不锈钢材料加工而成的“E”形弹性体，中心带有中心梁31。所述弹性体3外周焊接有支撑电路板的电路板支架33，所述电路板支架33上固定有电路板34。所述弹性体3的上表面32经研磨抛光后使用溅射薄膜技术制造有四个应变电阻38，其中二个靠近中心并对称分布，构成内电阻，另外二个靠近边缘并对称分布，构成外电阻，所述四个应变电阻38组成惠斯电桥。所述惠斯电桥的焊盘39上焊接有内引线35，所述内引线35的另一端焊接在所述电路板34的焊盘上。传感器供电电源和输出信号通过焊接在所述电路板34上的外引线36输入输出。所述电路板34上方灌注有保护所述电路板34、所述内引线35和所述外引线36的质软保护胶37。所述外壳5是一种圆柱形空壳，上端中心开孔用以穿过外引线36。所述外壳5下端密封焊接在所述支撑座2的边缘凸台上。所述四个应变电阻38成分除了镍(Ni)和铬(Cr)元素以外，还添加了一定比例的硅(Si)和铝(Al)元素，四种元素的原子百分比是39％≤Ni≤45％，40％≤Cr≤46％，4.5％≤Si≤5.5％，9％≤Al≤12％，硅(Si)和铝(Al)元素的加入，进一步降低传感器的温度系数，提高传感器的温度稳定性。所述传力柱4呈圆柱形，下端圆心与所述圆形膜片1的圆心对齐并牢固焊接。所述传力柱4上端圆心与所述弹性体3的中心梁31的圆心对齐并牢固焊接。通过这种结构设计，当所述圆形膜片1受到压力作用时，均匀分布的压力通过所述传力柱4集中并传递到所述弹性体3的中心梁31上，引起弹性体3发生较大形变，传感器的灵敏度系数增加，传感器的非线性误差减小。同时，所述圆形膜片1与所述弹性体3之间通过传力柱4连接，所述弹性体3对温度的敏感性降低，传感器能在更低温或更高温的环境下工作，拓展了传感器的工作温度范围。传感器工作原理：当所述圆形膜片1受到压力作用时，均匀分布的压力通过所述传力柱4集中并传递到所述弹性体3的中心梁31上，所述弹性体3上表面32上的四个应变电阻38阻值发生变化，惠斯电桥失去平衡，通过内引线35与外引线36向外输出与压力成比例的电信号，通过检测该电信号就可获得传感器所受压力大小。下表为现有技术薄膜压力传感器与本专利技术的高精度薄膜压力传感器性能测试对比表。以上所述，仅是本专利技术的较佳实施方式，不应被视为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高精度薄膜压力传感器，包括开口呈浅“U”形的圆形膜片(1)，下端焊接所述圆形膜片(1)、中心开圆孔、上端焊接弹性体的支撑座(2)，下端焊接在所述支撑座(2)的上部边缘、带有中心梁(31)的“E”形弹性体(3)，穿过所述支撑座(2)的中心圆孔、下端焊接在所述圆形膜片(1)中心、上端焊接在所述弹性体(3)的中心梁(31)处的传力柱(4)和外壳(5)组成，其特征在于：所述弹性体(3)外周焊接有支撑电路板的电路板支架(33)，所述电路板支架(33)上固定有电路板(34)；所述弹性体(3)是采用溅射薄膜技术在弹性体上表面(32)上制造有四个应变电阻(38)并形成惠斯电桥，当所述圆形膜片(1)受到压力作用时，均匀分布的压力通过所述传力柱(4)集中并传递到所述弹性体(3)的中心梁(31)上，所述弹性体上表面(32)上的所述四个应变电阻(38)阻值发生变化，惠斯电桥失去平衡，通过一端焊接在焊盘(39)、另一端焊接在所述电路板(34)的内引线(35)输出与所受压力成比例的电信号；所述电信号通过焊接在所述电路板(34)上的外引线(36)向外输出。

【技术特征摘要】
1.一种高精度薄膜压力传感器，包括开口呈浅“U”形的圆形膜片(1)，下端焊接所述圆形膜片(1)、中心开圆孔、上端焊接弹性体的支撑座(2)，下端焊接在所述支撑座(2)的上部边缘、带有中心梁(31)的“E”形弹性体(3)，穿过所述支撑座(2)的中心圆孔、下端焊接在所述圆形膜片(1)中心、上端焊接在所述弹性体(3)的中心梁(31)处的传力柱(4)和外壳(5)组成，其特征在于：所述弹性体(3)外周焊接有支撑电路板的电路板支架(33)，所述电路板支架(33)上固定有电路板(34)；所述弹性体(3)是采用溅射薄膜技术在弹性体上表面(32)上制造有四个应变电阻(38)并形成惠斯电桥，当所述圆形膜片(1)受到压力作用时，均匀分布的压力通过所述传力柱(4)集中并传递到所述弹性体(3)的中心梁(31)上，所述弹性体上表面(32)上的所述四个应变电...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：北京中航兴盛测控技术有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11