[发明专利]低费用居中安装的电容式压力敏感元件

说明书

本发明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发明人的美国专利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。

因此本发明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。