CN1176693A - 压力传感器和压力变送器 - Google Patents

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CN1176693A CN96192225.7A CN96192225A CN1176693A CN 1176693 A CN1176693 A CN 1176693A CN 96192225 A CN96192225 A CN 96192225A CN 1176693 A CN1176693 A CN 1176693A
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贝内特·L·劳伟奇
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Abstract

第一,电容压力传感器(70A,B)有一经熔接后的单晶结构(带腔穴的蓝宝石)。第二,该传感器(70A,B)是一细长和厚的单晶结构。第三,该传感器(70A,B)采用的电场是从电容极钣的背面发出的。第一,压差变送器采用一过程隔板(71)和一细长构件作为传感器(70A,B)第二,压差变送器采用带有应力隔绝件的单晶结构作为传感器(70A,B)。主要是将厚材小腔电容蓝宝石传感器直接暴露在过程流体之中,厚材尺寸:15×3×2立方毫米,小腔剖面1毫米×0.5微米,电容量42微微法。

Description

压力传感器和压力变送器
发明的背景
本发明是涉及工业控制过程，尤其是涉及压力变送器中的压力传感器。
在控制过程中的压力变送器用于测量过程的压力，并通过一双线回路，例如一个4-20毫安的电流回路，将响应于此压力的信息进行讯息传递。
在变送器中的压力传感器一般包括几种类型的压敏结构，该压敏结构中具有一个响应于所加压力而移动的可偏移膜片，这些结构可以兼用于测量绝对压力和压力差。如在本文中所采用的一种差压传感器就是一种测量很小的压差量但都又适用于很宽的绝对压力范围内使用的传感器(例如测量通过管道孔口处所产生的流体的压差、或充满流体的容器中两个不同高程间的压差等)。已有技术中比较典型的测量压差的变送器是将两个不同的压力施加在该结构的相对两侧上，以引起该结构的相对变形，依此而进行测量。这种变形可以用电容器极板的位移所引起的电容量的改变而进行测量，也可以用电阻应变仪中电阻值的改变而进行测量。
虽然长期以来希望有一种很高精度的绝对压力传感器，但都很难获得一个传送例如从0.4psi(磅/平方英寸)到4000psi(磅/平方英寸)的宽压力范围的绝对压力传感器。同时还期望用两个绝对压力传感器来测量压差，因为这比用机械方式将两个压力耦合到一个压差传感器中的方式，在机械结构上要简单得多，更何况，这种压差传感器中产生的过压还会损坏该压差传感器。
然而，一个必须承受最大的静态或线性压力为4000psi(绝对压强，磅/平方英寸)，而又应在0.4psi至40psi的测量范围中达到满意精度的压差传感器至今尚很难求得，比如在4psid(压差，磅/平方英寸)时要求有0.04％的精度则就应在4000psia时要求有0.00001％的精度。(亦即达到10-7或0.1ppm)。
在过程控制中应用的典型的已知压力传感器对于所感受压力的灵敏度是各个不同的，而且对于那些不应受其影响的外部参数，例如温度等，亦有不同的响应。这就使采用两个绝对压力或表压传感器的输出来联合提供一个压差的输出时，或者当传感器用在很宽的测压范围时，就会出特殊问题。此外，将传感器安装到变送器中时的机械应力也会引起压力测量时的很大误差。
发明的公开
在过程控制中用于将压力变送到过程控制回路中去的压力变送器包括一绝对压力传感器。该绝对压力传感器中有一腔穴，腔穴壁将响应于被加的压力而产生变形或承受应力。该压力传感器包括一支承结构以隔离应力，与此空腔相耦合在一起的传感器提供一个压力输出信号，在一定实施例中，压力传感器和支承结构是互相成一整体但在传感器结构和支承结构之间并无结点。压力传感器的材料和尺寸的选择可使代表压力的信号非常精确，还可适用于很宽的压力范围，或成双应用而成压差传感器。
附图的简要说明
图1是压力变送器的剖面视图。
图2是带有压力传感器的插件的剖面透视图。
图3是一压力传感器的剖面透视图。
图4是表示本发明工作状态的曲线图。
图4A是压力传感器的应力衰减相对于L/W的曲线图。
图5是四分之一个压力传感器在1/T等于1.0处的位移图。
图6是本发明另一实施例剖面视图。
图7是一压力传感器的剖面视图。
图8是一个如图7所示压力传感器的剖面视图。
图9是为图7所示压力传感器的顶部基片的顶视平面图。
图10是如图7所示压力传感器的底部基片的顶视平面图。
图11是用于测量压力传感器电容量的电路草图。
图12是一传感器的剖面视图。
图13是如图12中传感器外壳的底视平面图。
图14是一传感器的剖面视图。
图15是如图中传感器外壳的底视平面图。
图16A到16G是本发明不同实施例的剖面视图。
图17A到17B是表示电容极板的两个实施例。
图18是结点强度(按材料强度的百分值表示)相对于结点温度(按熔点温度的百分值表示)的曲线图。
图1表示压力变送器50具有变送器本体52，传感器本体54和法兰55。传感器本体54中包括压力传感器70A和70B，分别测量所控过程中流体的绝对压力P1和P2。变送器本体52中包括变送器(I/O)电路60，以便将与压力有关的信息通过双线过程控制回路、如-20毫安的电流回路、发送出去。电路板57使传感电路板58与传感器70A和70B耦合，并接收相对于压力P1和P2的电信号。传感器电路板58上的电路将这些信号进行数字化处理并将压力信息通过数据总线62送到变送器电路60中去。插件67A和67B中安置传感器70A和70B。流程隔板71用以设置出一个空腔75、以便一旦插件67A或67B发生故障时、防止压力P1和P2从传感器54中逸出。空腔75中可以充以惰性气体或者抽真空。在电路板57和58之间穿过隔板71设有电通路引线电路73A，73B和73C。
图2是带有传感器70A的插件67A的剖面透视图。在实施例中插件70A中包含有氧化铝，而且传感器70A应该比本体54要小很多，还应与传感器70B很靠近以降低温差而提高精度。为此的另一方面是因为传感器的热导时间常数比外壳的时间常数要小很多而使传感器元件中的温度梯度减至最小。
图3所示就是这个实施例中的传感器70A。它包括上基片72和下基片74，该两者之间形成空穴76，传感器的总长是L，厚度为T，宽度为W，传感穴的偏转结构的最小穴宽是W，施压P后的中心偏移是Y。
已有技术中典型的传感器所能精确传感的测量范围中，最大和最小压力比约为100∶1。这首先受结构方面不可重复误差，和噪声的限制。继而还受传感器元件不适当的应力隔离和很差的信噪比以及取材的弹性不足等的限制。例如，金属基压力传感器的问题是磁滞和材料的蠕变和疲劳，陶瓷基传感器的材料是由与硅玻璃结的晶状基体所形成，也存在这些问题。玻璃基传感器则因玻璃的粘度和相变而使其性能和稳定性差。要知道单晶材料具有很好的弹性，所以采用单晶材料的传感器能改善测量精度。单晶膜片传感器虽已获得应用，但它一般因受内压力的作用而处在很高的张应力之下。而且这种传感器中通常还有玻璃和金属结构性另件以及使用了低强度的玻璃、环氧树脂等熔焊剂和粘结材料。此外，这类传感器中还有不适当的应力隔离。
已有技术的传感器常用油充填作为过压保护，例如采用硅油，当压力传感器中采防腐蚀隔离膜片时也常采用油充填，当充填的油流泄时传感器即出故障，已知典型的隔离膜片是用金属制成压力传感器接触腐蚀材料或粉尘。这类膜片必须很薄以减少误差，由此即使之易碎而限制了膜片的寿命。不同的应用场合就需要不同的膜片材料，没有一种金属是万用的。
本发明提出一种用单晶材料制得的压力传感用结构。材料的连接是采用熔融接合的方法，而避免另外采用别的焊接材料而引起误差。这种结构可以置入于所加压力于该结构之上的被测过程的流体之中。这种可能是由于该结构是由抗腐蚀材料所制得。受压力作用的脆性材料可以提供较高的工作应力对误差应力之比值，也因此而有较高的信噪比。这是因为脆性材料在受压时的强度大于受拉伸时的强度。由此而使传感器外表面的腐蚀因其轮廓形状而引起对其灵敏度的影响就较小，这是因为传感器的输出与其厚度方面的体积量关系较小，而厚度上的线性量则关系尤为密切的缘故。将这种结构设置在所控过程的流体中可以改善可靠性，因为隔离膜片和油充填都省免了。用一长杆作为应力隔离，并采用同样的单晶材料制成以有利于减少误差。电导线穿过长杆并与过程流体相隔开。长杆中还有一个通道以便用于施加基准压力。在一实施例中，抗腐蚀材料是用兰宝石，而且又采用一种内传感器，这就允许省免油充填和隔离膜片。在一实施例中，采用一对匹配的传感器来测量压力差以有助于减少通常所采用两个一般传感器时的误差。采用电容传感器的方式较为理想。因为它又稳定又有低的信号噪声。电容器不存在固有热噪声，并具有较高的应变系数及相应的高输出，从而使电子检测电路的噪声减至最小。它们也有很好的零点稳定性和很低的零温度系数。这些因素都使之实用于在高压力传感器中能检测很小的压力变化，而这种情况正是采用两个独立的压力传感元件组成压差变送器时所会遇到的问题。依靠所采用的电子电路还可改善所获得的压力的分辨率。
众所周知，膜盒弯曲引起的偏转Y是正比于 ，其中W是膜盒的最小有效宽度，T是膜盒的厚度
Figure A9619222500122
。传感器的输出就与其尺寸的变量极为有关。
众所周知，膜盒受剪应力而引起的偏转量正比于 这说明传感器的输出对其尺寸的变量的关系减少了。但是只要是实现如后面将定义的那种“整体”偏转的话这个变量还可以进一步减少。
腔穴76的偏转量Y取决于弯曲偏折，剪应力偏折和“整体”偏折的效果，假定W/w是一大于2的常数，则可表达出：等式1：
Figure A9619222500124
其中：
k1＝材料的“整体”偏折常数；
k2＝材料的剪偏折常数；
k3＝材料的弯偏折常数；
W＝传感器宽度；
P＝外加压力；
y＝腔穴76受压P后的中心偏转量；
  w＝腔穴76的宽度；
  T＝传感器70的缝隙76处的厚度(对于矩形剖面T＝W/2)；
  t＝腔穴76的深度；
  L＝传感器的长度；比其厚度T和宽度W要大得多；
  E＝杨氏模数；
  G＝剪模数。
等式1表示了腔穴76的剪和弯应力偏折是决定于腔穴宽度W和传感器的厚度T。
本文中所用“整体”偏折的含义是指等式1中K1P/E这一项而言，其中y是直接正比于腔穴76的宽w(y∝ w)。因此整体偏折有很高的精度，可用以确定压力，并与厚度T的变化，例如由腐蚀所引起的因素无关。本发明的一个方面包括提供一个压力传感器其尺寸可使在传感器的总的偏折量中整体偏折类的偏折所占的份量有所增加。
图4是等式1的曲线，它表示出总偏折量及其各偏折分量：整体偏折、剪偏折和弯偏折。当w/T在1和4之间时，剪偏折在总偏折量中占主导地位。当w/T趋于较小时剪偏折相对于整体偏折而言的作用趋于减少；及至w/T小于1.0量，整体偏折分量即在传感器70A因受压而偏折的总量中占有主导地位，于是，本发明的一个方面就是包括：压力传感器具有的腔穴宽w对外表面至内表面的厚度T的比值w/T是小于或等于1.0。至于剪偏折如要大于弯偏折时，则w/T必应小于4.0。在一实施例中，比值w/T是0.05≤w/T≤1.0。其中w/T的最小值是取决于其中的w在实践中能否制得最小，以及T能否制得更大而不致使温度梯度影响其精度。
在脆性材料制作的传感器中有望减少拉伸应力、这是因为减少了传感器开裂而出现故障的可能性。本发明的一个方面就是包括使被测压力围绕在传感器的周围而使传感器的尺寸制作成其静液压应力超过其拉伸弯曲应力。该应力由于是附加的，所以整个结构仍能保持在受压状态，即当w/T小于约2.3时能出现这种状态。
传感器70A也可实现应力隔离。因传感器70A被装配到外壳54上所生的应力也对传感器本身施加了一个力。(这个力将添加到传感器所受到测量力中去)从而就有误差引入到压力测量中去。加长了的结构可减少装配应力的影响，从而提供精确的压差测量和很宽的工作范围。通常，装配应力是从装配点开始沿着传感器的长度而向远端逐步衰减的。任何装配应力误差都应在通过长度L之后有足够的衰减以达到所期望的压力误差。图4A即表示如图3所示传感器中应力衰减和L/w的关系曲线。图4A中的纵轴表示装配处的应力(σMOUNT)对由装配应力所引起的测量应力(σMEASURED)的比值。由于压力传感器的装配应力之改变即在压力测量中使装配应力的变量(ΔσMOUNT)会引起压力测量的误差(ΔσMEASURED)，在一实施例中，因为要求测量精度是0.01％，所以当测量压力为4psi时，由装配应力所引起的误差就必须小于4×10psi(磅/平方英寸)。典型的装配应力ΔσMOUNT值是400psi(磅/平方英寸)，于是装配应力衰减率就应为4×10psi/400psi＝10-6。如图4A中所示，这大约发生在L/W为4时。在采用两个传感器来测量压差的实施例中，则该两传感器的匹配精度要在10％以内，所以，σMEASuRED/σMOUNT即可按因子为10的量减少，所以L/w就大约是3。在一实施例中，L/w是在3到5之间。
图5是表示传感器70A的位移的剖面图。图5所表示的是传感器70A的剖面的四分之一。图5中传感器厚度T大约等于腔穴宽度w。所施加的压力P4500psi(磅/平方英寸)使传感器70A产生位移。图5中的偏折大约有一半是由剪应力所引起，另一半则是“整体”偏折。这就是如图4中剪偏折和整体偏折相交的那一点。如果传感器70是属于整体受压型，则传感器70在受压之后仍将保持它的矩形，而其外形之畸变主要是由剪偏折所产生。
图6是传感器120的剖面视图，它包括细长部122和端部124，其间形成一宽度为w的腔穴125，在一实施例中腔穴125是方形，各方向的尺寸T、w和L都如图3所示。端部124上有一电容极板128，它和细长部122上的电容极板126组成一电容器，导线130和132分别与极板126和128相连接。压力P使腔穴125变形，从而使极板126和128之间的电容量发生变化。
图7是压力传感器200的剖面图。压力传感器200包括：上基板202和下基板204。上基板202上的通孔203用于连接腔穴205中的电导体。图8表示了顶护导板210，顶电容导板212，顶板导板214，和底护导板216，底电容导板218，和底护导板220。图9是上基板202的顶部的平面视图。其中可以看到在基板202的下面电导体的布置。图9中可看到电容器极钣222是与导钣222相连接并由护板224所围绕，该护板224是与护钣214和210相连接的。图9也表示出穿过203和226两个贯穿上基板202的孔分别通向导板210和212。
图10是下基板204的顶部平面视图，其中可看到在基板204下面的电导体的布置。该实例中基板104是兰宝石。图10表示了电容极板228是与电容极板222相互耦合而构成一电容。极板228由护板230和温度传感器232所围绕。护板230将板钣228屏蔽信以免寄生电容的干扰，而温度传感器232则使其电阻随温度而变化。这样，就可以用传感器200进行温度测量，或者可以允许在其压力测量中进行温度补偿以提高测量的精度。粘接最好是采用熔融粘接，比如直接熔接，或面压熔接(Waferbonding)即将抛光平面对合后、加热压合而成。腐蚀是用SiO2作掩模在900到1100℃中通以POCI3气而成。两基板的晶体结构相互对准，以致在熔接之后所形成的结晶结构能基本保持连续。而且熔接时的温度要尽可能接近于熔点。为此电极材料就应该能够承受高的熔接温度。例如，铬、钨、钽、铂和铱等可允许熔接温度在1300℃到1700℃范围之间，所以接合温度是最强的，而且还可能使晶体的不连续性得到修复。典型的熔接时间是一个小时。其他的导体材料则包括金属的硅化物、例如，硅化物，例如：硅化钼。
在一个压差变送器中，两个压力传感器中的温度差可以引起误差，要使测量性能满足要求则温差应小于1°F(华氏1度)被测温差的精度可小于0.1°F，而且能被补偿。在典型的应用中，这就要求传感器之间的间隔大约要小于0.5英寸。
在传感器元件内部的温度梯度也会引起误差，如要使传感器的性能达到要求，则传感器内外之间的温度差就应小于0.001°F，而且两个传感器都要完全一样。一个宽或厚度约大于0.25英寸的传感器，在典型的应用中就会对传感器的一致性提出不合理的要求。
图11就是采用两个其中带有两个压敏电容C1和C2的绝对压力传感器用于传感器压差的电路250的简化草图。每个压力传感器包括屏蔽电报252，这些屏蔽电报也构成电容器并与变送器50的地线253相连，变送器的外壳因此而有了屏蔽或保护的使电容信号得以稳定和防止电噪声耦合而进入电路。此外，这些屏蔽电极也可制作在传感器的外表面上或者在如图1所示的陶瓷插件的内表面上。电绝缘应能承受4-20毫安的电流并在别处接地，电容C1是由方波发生器254驱动、电容C2则由方波发生器256驱动。低噪声差分放大器258的负输入端接到电容器C1和C2的未受驱动的两个极板上，而其正输入端则与接地点连接。差分放大器258通过电容C1作为负反馈，并有电荷ΔQ从电容器C1和C2流入和流出其负输入端。差分放大器258的输出是一个代表了差分电容的方波，它被A/D模数变换器260转变成数字格式。在电路中250中，ΔQ是由等式2给出
ΔQ＝VppiN(C1-C2)                    等式2
放大器的输出是：
    VPPOUT＝ΔQ/CI
            ＝VPPIN(C1-C2/C1)
                                     等式3
CI应选取其在大压差时约等于(C1-C2)/2例如为1 pF(1微微法拉)。而且，为了补偿制造上的差异，对每个传感器还没有各别的增益调节，电路中还包括有独立的C1，C2和C1+C2，的测量部分，以便补偿由线压力和普通型传感器所带来的输出变化。用于检测电容输出量的电路，登载在美国专利USpat.No 5,053,091上其题目是“电荷平衡反馈测量电路”是与本申请同时转让。
从模数变换器260输出的信号进入接口电路262。接口262再和-4-20毫安的电流回路相连。接口262从A/D模数变换器处将数字信号取出而后以数学或模拟的格式进入电流回路264。还可以由回路264向电路250提供电源。接口262还可以接收按照HART通讯标准的命令。
图12和13表示另一个具有传感器壳体300的实施例。该传感器壳体中有压力传感器200A和200B。图12是传感器外壳体300的侧面剖视图，而图13是其底部平面视图。壳体300包括电路板57和58，并用导线穿过过程隔板71上的通路73A，73B和73C相互连接。传感器200A和200B是放在铝合金的插件302中。过程隔板71隔出一个真空或充隋性气体的空腔。在铝合金插件302外围还有一个镶套304以便提供热和应力隔离。安装孔306是用于将壳体300和管道相固定。(管道图中未显示)。在另一实施例中。传感器与变送器壳体的结合是用熔接方式的。
图14和15表示了传感器壳体310包括有中壳312，其中再带一铝合金插件314，传感器200A和200B均坐落在铝合金插件314中、该插件上还有一个专用集成电路芯片316，该芯片316即起到  电路板57相同的作用。镶套318用以对插件314和传感器200A和200B进行应力隔离。过程隔板320把壳体312密封信以提供对过程流体的第二屏障。在壳体312中的空腔322可以充以隋性气体或者是抽真空。用集成电路芯片316如电路板326之间用导线穿过通路324相连。如图所示的设计允许传感器组件在将壳体312焊入传感器壳体310之前接受测试，可以将传感器组件装入壳体之前先作高温操作(例如将传感器铜焊在铝合金插件上)。
在一实施例中本发明的压力传感器的尺寸如下(表1)：
                           表1
    传感器部位           尺寸(范围)       最佳组
        T         0.02至0.2英寸      0.05英寸
        L         0.15至1.5英寸      0.6英寸
        W         0.02至0.2英寸      0.1英寸
        W         0.01至0.1英寸      0.05英寸
    腔穴厚度t      5×10-6至1×10-4英寸    0.000020英寸
  y(间隙偏折)4500磅/平方英寸      2×10-6至5×10-5英寸    0.000012英寸
典型的传感器电容在Opsi时为42微微法拉。在一实施例中压力传感器的参数如下(表2)：
                              表2
       性能        零点(0磅/平方英寸)        满量程(4500磅/平方英寸)       量程跨度(4500磅/平方英寸)
  间隙(中心处)(微英寸)        20         11.25         8.75
    间隙(有效平均值)(微英寸)        20         12.37         7.63
传感器电容(无寄生电容)(微微法拉)       42.2         68.2         26.0
  寄生电容器(w/o保护屏蔽和假定0.6英寸长)(微微法拉)       1.97         1.994        0.024
    传感器温度系数(psi/c)(ppm/C) -0.059-13.1 0.534118.6 0.593131.7
图16A到图16G都表示了本发明的一个方面的各种压力传感器的剖面图。图16A是矩形结构。其中每个内角均为90°。图16B是表示一个六角形传感器的结构，其中两个内角是60°。图16C是一个菱形结构，其中两个内角是60°，另两个内角是30°。图16D是三角形结构，其中各个内角都是60°，从图16A到图16D都是传统的采用兰宝石的结构，因为其中各面都是沿着兰宝石结晶方向的平面。图16E表示了传感器340，它的圆弧部342是结合在一个矩形的部件344上。腔穴346则是处在矩形部件344之中。图16F是这方面的另一实施例，其中的腔穴则处在圆弧部分之中。还有其他各种变型，比如用两个圆弧部件合成如图16G所示，圆型剖面的优点就在于它能很紧密地适配在一个圆孔中，并易于用O型圈加以密封，而方型结构则易于用金刚石磨轮来制作。
图17A和17B表示了电容器极板的外形的实例，具有间隙的电容型压力传感器的电极的不稳定性很容易引起测量误差，残余应力会使压力传感器结构引起翘曲，而且电极面积之变化会使其间隙t的尺寸发生变化，这种变化往往是由氧化、还原或者因对面上的原子迁移所造成的。图17A和17B就是解决这个问题的实例，其中电容器的极钣被分成若干个有一定宽度和间隔的条带，而其电容量则与整极板的电容量相等。例如，当基板的介电常数是间隙的介电常数的10倍时，则条带间隔可以是间隙尺寸的10倍左右、于是条带宽度就可做得比间隙尺寸更小。由此而使用料减少也避免了传感器结构的翘曲。条带的轮廓和设置可以使大多数的电力线是从电容极钣的背面发出的。正是因为电容极钣的背面是和兰宝石相接触，所以即使它的内表面尺寸有所变化也能避免表面效应，而使电容量保持稳定。图17A和17B就是两个电容器外形轮廓的实例，它使电容板钣背面发出的电力线数量有所增加。该实施例的变型是包括提供屏蔽电极(298)，它放在每个极钣的外侧并对其作屏蔽之用，虽然这些极钣是间隔排列的，但它们都因其间隔的尺寸和大小而如同与连续的电容器板钣一样。
在一实施例中，电容器极钣是依靠离子注入而在基板的表面之下形成的。这样可因极钣受到保护而提高其稳定性，并协助减少其随长时间使用而电容量发生的变化。兰宝石基板用钒离子以1×1018离子数/厘米2的剂量用200仟电子伏能量注入后，使兰宝石的电阻率从极高数值降到约15欧姆/方块，注入的钒离子浓度的最大值处在兰宝石原表面之下约1000埃的地方。图17B中的标号300所指之处即为所述的注入电极钣(幻象)之处。
图18是熔接温度(按熔点温度的百分值计算)与熔接强度(按材料强度的百分值计算)的关系曲线，从测试的最大稳定性和精度考虑，则希望其熔接强度越接近于其材料强度越好。这样传感器的结构性能就如一个单一整体的表现一样。在本发明的一实施例中，熔接温度的范围是如图18中350标号所标示的那样。兰宝石，石英和二氧化硅都可用于制作压力传感器，其熔点温度分别为2050℃，1723℃和1415℃。图18中所期望的温度范围350是在熔点的绝对温度的大约68％处开始的，在一实施例中，熔接的温度不应超过熔点温度的95％。此处所采用的熔接方法是一种其熔接强度实际上和其下面的晶体材料具有相同强度的一种联接方法，该方法在联接过程中不用其他别的材料而只依靠热能而完成熔接过程。
虽然本发明已参照实施例予已描述，但本领域的普通技术人员应理解到，即使有各种形式或细节上的改动也都不脱离本发明的范围和主题。单晶材料可以包括兰宝石，二氧化硅、石英、红宝石和金刚石。通常，这些材料都有很小的磁滞现象，即使有少量蠕变，但其仍有很高的稳定性。一般说来，较高熔点的材料具有更好的稳定性，兰宝石即是较理想的材料，传感器的腔穴何以是真空的或者充以液体或气体，电极钣可以采用金属导体，或者是用金属氧化物或离子注入后的半导体并可采用绝缘的电介质材料如石英加以保护。在另一实施例中，应力隔离材料则采用多晶材料。此外，联接技术还可以采用或不采用加压的方式。

Claims (48)

1.一种在过程控制中用于将压力输送到过程控制回路中去的压力变送器，其特征在于，包括：
输入/输出电路以用于向所耦合的回路输送讯息；
补偿电路用以接受与压力相关的信号并相应地控制输入/输出电路向回路输送压力讯息；
一个压力变送器外壳包含输入/输出电路和补偿电路；
一个装配部件是用装配部件材料所制成并装配在外壳之中；
一过程隔板位于外壳之中用以将输入/输出电路和补偿电路与装配部件相隔绝；
一细长构件是用不同于装配部件所用材料的脆性抗腐蚀材料所制成，用以在其接近末端处装配在装配部件之中，而该细长构件本身有一通路贯穿其中；
一压力响应部件处在细长构件的远端用以浸泡在过程流体之中响应于过程流体的压力而发生形变；
一传感器耦合于压力响应部件上，该传感器具有一电气连接穿过细长构件和过程隔板中的通路，而与补偿电路相连接，而且传感器和电连接件是用细长构件与过程流体相隔绝开的。
2.如权利要求1的压力变送器，其特征在于：其细长构件中有一腔穴贯穿其中，以用于施加一基准压力到压力响应结构上。
3.如权利要求1的压力变送器，其特征在于包括：一第二细长构件耦合于装配部件上，并在其中有一第二压力响应部件，该响应部件还有一耦合有补偿电路的第二传感器，而其中的压力讯息由与差分压力值有关。
4.如权利要求1的压力变送器，其特征在于：一其中的细长构件和压力响应部件结合剂，这些结合剂实际并不采用非基体材料。
5.如权利要求1的压力变送器，其特征在于：其中的细长构件和压力响应部件具有的宽度w，厚度T和w/T值均小于约4.0。
6.如权利要求1的压力变送器，其特征在于：其中的细长构件和压力响应部件具有的宽度w，厚度T和w/T值均小于约2.3。
7.如权利要求6的压力变送器，其特征在于：其中的细长构件和压力响应部件具有宽度w，厚度T和w/T值小于约1.0。
8.如权利要求1的压力变送器，其特征在于：包括渗杂在细长构件中的电导体，并用电连接将传感器和补偿电路连接起来。
9.如权利要求1的压力变送器，其特征在于：其细长构件具有一暴露在过程流体中的一段长度L，而具最大宽度w和L/w是大于约3.0。
10.在压力变送器中的压力传感器，其特征在于：其中包括：
一用脆性抗腐蚀材料制成的压力响应结构，包含有一个以上的单晶材料制成的基板与另外至少是一用单晶材料制成的第二基板结接在一起；
一电容传感器耦合于压力响应结构，用以提供因压力响应结构受压变形而产生的电容输出；和
其中若干基板的结接方式是熔接，其晶体的结接强度实质上是等于其单晶材料的强度，而这种熔接是在温度处在相应材料的熔点绝对温度的65％到95％范围的温度区内完成的。
11.如权利要求10的压力变送器，其特征在于：其中压力响应结构具有腔穴宽度w和厚度T，和w/T值是小于约4.0。
12.如权利要求10的压力变送器，其特征在于：其中压力响应结构包括一贯穿其中的通路用以提供一邻近电容传感器处的基准压力。
13.如权利要求10的压力变送器，其特征在于：其中压力响应结构包括延伸而贯穿在其中的电导体，该导体应能耐受熔接时所采用的温度。
14.如权利要求13的压力变送器，其特征在于：其中的电导体是离子注入而形成在压力响应结构之中的。
15.如权利要求13的压力变送器，其特征在于：其中的材料包含有兰宝石。
16.一种压力变送器中的压力传感器，其特征在于，包括：
一细长压力响应结构是由一单晶抗腐蚀材料所制成，其细长构件所具有的压力传感器的宽度为w，厚度为T；
一电容传感器耦合于压力响应结构，并用以提供因压力响应结构受压变形而产生的电容输出；和
其中的w/T值是小于约4.0。
17.如权利要求16的压力传感器，其特征在于：其中的压力响应结构包括一个以上的基板和若干基板间的结接方式是采用熔接，其熔接强度基本上等于晶体材料的强度，并且熔接是在其温度处在相应于该材料熔点的绝对温度的大约65％到95％的温度区内而完成的。
18.如权利要求16的压力传感器，其特征在于：其中细压力响应结构包括一延伸而贯通在其中的腔穴用于提供一邻近于电容传感器处的基准压力。
19.如权利要求16的压力传感器，其特征在于：包括离子注入在压力响应结构中而生成的电导体。
20.如权利要求17的压力传感器，其特征在于包括在压力响应结构中的电导体，其熔点是大于熔接温度。
21.如权利要求16的压力传感器，其特征在于：其中压力响应结构包括是采用相同的单晶抗腐蚀材料制成的应力隔绝结构耦合在压力变送器外壳之中。
22.如权利要求21的压力传感器，其特征在于：其中用于将压力传感器结构和压力变送器外壳结合的方式是熔接方法。
23.如权利要求6的压力传感器，其特征在于：其中的电容传感器所包括的导体电极是由腔穴间隙的相对两表面上的导电条所组成。
24.如权利要求23的压力传感器，其特征在于，其中的两导电条的宽度和其间的间隙是基本上等于或小于腔穴的间隙。
25.如权利要求21的压力传感器，其特征在于，其中的压力响应结构和应力隔绝结构都是直接暴露在过程压力流体之中，并被该流体所包围。
26.如权利要求16的压力传感器，其特征在于：其中的材料包括兰宝石。
27.一种用在压力变送器中的压力传感器，其特征在于，包括：
一压力响应结构；
一第一电容极钣具有一附着在压力响应结构上的背面和一正面；
一第二电容极钣具有一附着在压力响应结构上的背面和一正面，第一和第二电容极钣之间的相对位置能响应于加在压力响应结构上的压力而产生相对偏移；
第一和第二电容极钣之间的电场实际上是在第一和第二电容极钣的背面之间形成的。
28.如权利要求27的压力传感器，其特征在于：其中的压力响应结构包括一腔穴而其中的电容极钣是位于腔穴的两相对面上。
29.如权利要求28的压力传感器，其特征在于，包括邻近于第一电容极钣的腔穴的第一面上有多个第一电容极钣，和邻近于第二电容极钣的腔穴的第二面上有多个第二电容极钣。
30.如权利要求29的压力传感器，其特征在于，其中第一电容极钣是相对与第二电容极钣呈横向偏置的。
31.如权利要求27的压力传感器，其特征在于，其中的压力响应材料包括兰宝石。
32.如权利要求27的压力传感器，其特征在于，其中压力响应结构包括相互结合在一起的第一和第二部件并在其间形成一带有第一和第二电容极钣的间隙。
33.如权利要求27的压力传感器，其特征在于，其中的压力响应结构所具有的处在装配部件和传感器部件之间的长度是经过选择而得到的，以便有一个理想的压力隔绝。
34.一种用于提供与一压差相关的输出的变送器，其特征在于，包括：
一变送器本体；
一第一压力响应结构实际是由一单晶材料所制成，并用于与第一过程压力相耦合；
一第一传感器装置，该装置耦合于第一压力响应结构，并响应于第一过程压力对第一压力响应结构的作用而产生一输出；
一第一应力隔绝构件中，该构件将第一压力响应结构耦合在变送器本体上，第一应力隔绝构件实际是由单晶材料所制成；
一第二应力响应结构实际是由一单晶材料所制成，并用于与第二过程压力相耦合；
一第二传感装置，该装置耦合于第二压力响应结构，并响应于第二过程压力对第二压力响应结构的作用而产生输出；
一第二应力隔绝构件，该构件将第二压力响应结构耦合在变送器本体上，第二应力隔绝构件实际上是由单晶材料所制成；和
输出装置处在变送器外壳中，并将第一和第二传感器耦合在一起以决定第一和第二过程压力的压力差，并提供一个与该压力差相关的输出。
35.如权利要求34的变送器，其特征在于，其中第一和第二压力响应构件都是直接暴露在过程流体之中，并且其单晶材料实际上是抗过程流体腐蚀的材料。
36.如权利要求34的变送器，其特征在于，其中传感装置包括电容极钣，并且其输出是一个与压力相关的电容值。
37.如权利要求34的变送器，其特征在于，其中第一和第二压力传感结构都分别耦合于第一和第二基准压力和一个过程压力的差值。
38.如权利要求37的变送器，其特征在于，其中的基准压力是互相耦合在一起的，而且是相等的。
39.如权利要求38的变送器，其特征在于，其中的基准压力实际上是与过程压力无关的。
40.如权利要求37的变送器，其特征在于，其中的基准压力实际上是真空的。
41.如权利要求37的变送器，其特征在于，其中的基准压力是通过一种气体输送的。
42.如权利要求34的变送器，其特征在于，其中的单晶材料是兰宝石。
43.如权利要求34的变送器，其特征在于，其中的第一和第二压力响应结构都一样是由变送器的外壳维持在基本相同的温度上。
44.如权利要求43的变送器，其特征在于，其中若干压力响应结构互相隔开安装的距离应该使它们之间的温度差是在预定的、但大于预定的变送器外壳中的、温度梯度的范围之中。
45.如权利要求34的变送器，其特征在于，其中过程压力的范围是大于1000psi(磅/平方英寸)，而其压力差的范围是小于30psi。
46.如权利要求34的变送器，其特征在于，其中每个压力响应结构基本上是维持在一不变的温度上的。
47.如权利要求34的变送器，其特征在于，其中压力响应结构和应力隔绝装置是相互结接的，并且是不采用其他非基体材料作为结接材料的。
48.如权利要求47的变送器，其特征在于，其中的结接是采用熔接方法。
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