一种纳米薄膜压力温度复合型变送器

技术领域

本发明涉及传感器技术、仪器仪表领域，具体是一种纳米薄膜压力温度复合型变送器。

背景技术

纳米薄膜技术是压力传感器领域的先进技术，它同时具有精度高、稳定性好、工作温度范围宽、可以测量超大量程等优点，广泛应用于车载工程机械、电力设备等多个领域；冷媒介质使用场景广泛，空调制冷、车载制冷、冰库制冷等围绕着人们的日常生活，在基于压力测量的同时很多时候我们必须测量所测介质的温度，温度的变化直接影响着设备能否正常运行。

对于高精度测量的设备来讲，设备本身安装的各种部件越少故障率越低；现有压力传感器，在有限的设备空间内，无法实现压力和温度的同时检测。

发明内容

针对现有技术效率低，会对环境造成恶化的缺点，本申请提出了种纳米薄膜压力温度复合型变送器。

一种纳米薄膜温压复合芯体，其特征在于，包括：钢杯、通压接液口、绝缘层、压敏层、温敏层、焊盘层、保护层；

所述钢杯的内部轴向设置有所述通压接液口，用于传输被测介质；

所述钢杯的顶部表面设置有所述绝缘层，将绝缘材料沉积在所述钢杯的顶部表面作为绝缘层；

所述绝缘层的表面内圈覆盖设置有所述压敏层，通过离子溅射或磁控溅射的方式将压敏材料溅射生长于所述绝缘层的表面内圈，所述压敏层完成生长后进行光刻，蚀刻得到所需的惠斯通电桥；

所述绝缘层的表面次外圈覆盖设置有所述温敏层，通过离子溅射技术的方式将温敏材料溅射于所述绝缘层的表面外圈，而后进行光刻、蚀刻得到所需的温敏电阻；

所述绝缘层的表面最外圈覆盖设置有所述焊盘层，通过离子溅射技术将焊盘层材料溅射于所述绝缘层的表面最外圈，通过光刻，蚀刻得到焊盘层；

所述保护层为最上层，通过离子溅射将绝缘材料覆盖沉积于所述绝缘层、压敏层、温敏层、焊盘层之上，再通过光刻、蚀刻将所述焊盘层裸露出来，方便后续焊接。

优选的，所述绝缘层和所述保护层的绝缘材料具体为SiO2。

优选的，所述压敏层的压敏材料具体为NiCr。

优选的，所述温敏层的温敏材料具体为Pt。

优选的，一种纳米薄膜压力温度复合型变送器，其特征在于，包括：如权利要求1-4中任意一项所述的纳米薄膜温压复合芯体、变送器本体8，设置在所述变送器本体的内部的测压通道、温度传感器、机械接口、六方扳手位、电路调理板、弹簧针、信号传输片、电气连接器；

所述纳米薄膜温压复合芯体设置于所述变送器本体中心处，与所述电路调理板电连接；

所述测压通道轴向设置于变送器本体的内部，所述测压通道一端与所述通压接液口连接，所述测压通道用于将被测介质引入；

所述温度传感器与所述机械接口粘合，所述温度传感器与所述六方扳手位连接配合；

所述电路调理板的一端与所述六方扳手位位组装固定，另一端与所述弹簧针抵接，所述弹簧针连接于所述信号传输片；

所述电气连接器与所述电路调理板电连接。

优选的，所述的纳米薄膜温压复合芯体的工艺流程，其特征在于，包括；S1.机加工下料，数车将芯体使用的钢杯外形加工出来，通过下料-数车指定外形，之后进行真空热处理，固溶1040℃两小时，480℃时效保温两小时；

S2.研磨抛光将镀膜表面研磨抛光至10纳米以上；

S3.镀膜使用离子溅射技术将绝缘层、压敏层、温敏层、焊盘层、保护层一次按工序溅射生长在钢杯上。

优选的，所述步骤S3包括：

S3.绝缘层：将SiO2沉积在钢杯上表面底层作为绝缘层，沉积的方法为离子溅射或磁控溅射；

S3.压敏层：采用NiCr电阻层，通过离子溅射或磁控溅射的方式将NiCr溅射生长与钢杯上，其厚度控制在80纳米内，压敏层完成生长后进行光刻，蚀刻得到所需的惠斯通电桥；

S33.温敏层：采用Pt电阻，通过离子溅射技术的方式将Pt层溅射于钢杯上，而后进行光刻，蚀刻得到所需温敏电阻；

S34.焊盘层：Au层通过离子溅射技术将Au溅射于钢杯平面上，通过光刻，蚀刻得到焊盘层；

S35.保护层：为最上层，主要为SiO2层通过离子溅射沉积于上述所述镀层之上，再通过光刻、蚀刻将Au焊盘层裸露出来方便后续金丝焊接。

优选的，所述绝缘层、所述压敏层、所述温敏层、所述焊盘层、所述保护层的总厚度在2－3微米之间。

优选的，所述钢杯采用采用17-4PH不锈钢作为加工材料，加工后的厚度为0.5mm-0.10mm之间。

优选的，所述的纳米薄膜压力温度复合型变送器的工艺流程，其特征在于，包括：

P1.通过数车及CNC加工中心，将机械接口、六方扳手位等按照设计尺寸一一加工出来，在通过模具注塑将电气连接器的接口制作出来；

P2.物料准备齐全后将机械接口与预先制作好的温压复合芯体以对应的方向激光焊接，后将流至下工位；

P3.将温度传感器与机械接口胶粘粘合后流至下工位；

P4.将六方扳手位的零部件与机械接口组装配合，使用激光焊接将其熔接固定流至下工位；

P5.将电路调理板与使用十字螺柱与焊接后的六方扳手位零部件组装，并使用螺纹密封胶将螺柱固定固化注，防止长时间螺纹松动，流至下工位；

P6.完成以上步骤后，使用金丝球焊机将，芯体与电路调理板进行焊接导通，并使用胶将金丝弹性凝固后流至下工位；

P7.以上制作好的部件与模具注塑好的电气连接器使用激光焊接机，焊接一体，至此温压复合变送器已完成组装生产；

P8.使用温漂设备对温压复合变送器进行标定及标定后检定，按照鉴定书，判定产品的精度等级，后进行打标入库。

一种纳米薄膜温压复合芯体，其特征在于，包括：钢杯、通压接液口、绝缘层、压敏层、温敏层、焊盘层、保护层；所述钢杯的内部轴向设置有所述通压接液口，用于传输被测介质；所述钢杯的顶部表面设置有所述绝缘层，所述绝缘层的表面内圈覆盖设置有所述压敏层；所述绝缘层的表面次外圈覆盖设置有所述温敏层，所述绝缘层的表面最外圈覆盖设置有所述焊盘层；所述保护层为最上层；纳米薄膜温压复合芯体所受的力通过惠斯通全桥的阻值变化输出相对应的微弱电信号，介质所带的温度将通过钢杯芯体传导至温敏电阻上产生电阻变化，从而输出相对应的温度和压力的电信。压力介质通过测压通道流至纳米薄膜温压复合芯体，纳米薄膜温压复合芯体接受所受的力通过惠斯通全桥的阻值变化输出相对应的微弱电信号；同时介质所带的温度将通过钢杯芯体传导至温敏电阻上产生电阻变化，从而输出相对应的电信号，统一通过电路调理板输出一个标准信号。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例提供的纳米薄膜温压复合芯体结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本实施例提供的纳米薄膜压力温度复合型变送器结构示意图；

图4为图2中A-A处的剖视图；

图5为本实施例提供的压敏电阻及温敏电阻示意图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上，它可以直接在另一个元件上或者间接设置在另一个元件上；当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本申请所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

本发明实施例采用递进的方式撰写。

纳米薄膜技术是压力传感器领域的先进技术，它同时具有精度高、稳定性好、工作温度范围宽、可以测量超大量程等优点，广泛应用于车载工程机械、电力设备等多个领域；基于对环境的保护，目前的冷媒介质是对环境有很大的危害，而冷媒介质使用场景广泛，空调制冷、车载制冷、冰库制冷等围绕着人们的日常生活，在基于压力测量的同时很多时候我们必须测量所测介质的温度，温度的变化直接影响着设备能否正常运行，对于高精度测量的设备来讲，设备本身安装的各种部件越少故障率越低，对于有限的空间，就更加需要我们的产品功能多样，体积小等特点；基于市场需求，本发明提供一种纳米薄膜技术压力与温度复合的检测方案产品。

此发明之一，使用纳米薄膜技术，将压敏材料及温敏材料使用纳米薄膜技术生长于钢杯上，制作成温压复合式芯体，如图1所示。

一种纳米薄膜温压复合芯体，其特征在于，包括：钢杯1、通压接液口2、绝缘层3、压敏层4、温敏层5、焊盘层6、保护层7；

所述钢杯1的内部轴向设置有所述通压接液口2，用于传输被测介质；

所述钢杯1的顶部表面设置有所述绝缘层3，将绝缘材料沉积在所述钢杯1的顶部表面作为绝缘层3；所述绝缘层3的表面内圈覆盖设置有所述压敏层4，通过离子溅射或磁控溅射的方式将压敏材料溅射生长于所述绝缘层3的表面内圈，所述压敏层4完成生长后进行光刻，蚀刻得到所需的惠斯通电桥；所述绝缘层3的表面次外圈覆盖设置有所述温敏层5，通过离子溅射技术的方式将温敏材料溅射于所述绝缘层3的表面外圈，而后进行光刻、蚀刻得到所需的温敏电阻；所述绝缘层3的表面最外圈覆盖设置有所述焊盘层6，通过离子溅射技术将焊盘层材料溅射于所述绝缘层3的表面最外圈，通过光刻，蚀刻得到焊盘层。

所述保护层7为最上层，通过离子溅射将绝缘材料覆盖沉积于所述绝缘层3、压敏层4、温敏层5、焊盘层6之上，再通过光刻、蚀刻将所述焊盘层6裸露出来，方便后续焊接。

优选的，所述绝缘层3和所述保护层7的绝缘材料具体为SiO2；二氧化硅，也称为二氧化硅石英，是一种常见的化合物，化学式为SiO2。它在自然界中广泛存在，如石英、石墨、云母、石榴石等矿物中都含有二氧化硅。二氧化硅的电性质是物理学中研究的重要问题之一。在电磁学领域，物质的电性质分为导体和绝缘体两种类型。导体是指能够快速传递电流的物质，绝缘体是指电子不能自由移动的物质。二氧化硅是一种绝缘体，其电阻率非常高，可达到1016Ω·m以上。这意味着它的电子不能自由移动，电荷难以在其表面上流动，因此不能快速传递电流。

这是因为二氧化硅的分子结构非常稳定，内部的电子排布非常紧密。这种排布使得电子不能自由移动和流动，形成了大量捆绑在原子周围的键，使得电子即使受到外部电场的影响，也会受到相应的电荷吸引而被束缚，不能自由移动。二氧化硅是一种重要的绝缘体，其电性质对其应用和研究有着重要的影响。

优选的，所述压敏层4的压敏材料具体为NiCr，NiCr是镍铬合金；采用离子束溅射纳米薄膜技术和半导体微细加工技术,将纳米薄膜应变电阻直接制作在金属弹性体上,实现了敏感元件与弹性体的原子结合,有效地解决了传统压力传感器中"零点漂移"技术难题,真正实现了在高温,振动等恶劣环境下的长期稳定性和可靠性。压力传感器的应变敏感材料常采用单晶硅、多晶硅或金属多组分材料，如NiCr合金等。NiCr合金敏感材料可以根据传感器的应用环境或要求不同进行组分改进。如要求电阻温度系数非常小，可以添加适当元素以降低高温或低温温度漂移，确保湿度稳定性。改性的NiCr敏感材料，其电阻温度系数可小于0.0002％，使用该敏感材料制造薄膜压力传感器，其150℃高温零点温度系数不作任何补偿，其经检定结果为0.0002％FS/℃，这是其它类型压力传感器无法做到的。

优选的，所述温敏层5的温敏材料具体为Pt层热敏电阻，是一种铂热电阻，它的阻值随温度变化成正比。当PT100温度为0℃时它的阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。它的工业原理：当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长的。

优选的，一种纳米薄膜压力温度复合型变送器，其特征在于，包括：如权利要求1-4中任意一项所述的纳米薄膜温压复合芯体、变送器本体8，设置在所述变送器本体8的内部的测压通道9、温度传感器10、机械接口11、六方扳手位12、电路调理板13、弹簧针14、信号传输片15、电气连接器16；

所述纳米薄膜温压复合芯体设置于所述变送器本体8中心处，与所述电路调理板13电连接；所述测压通道9轴向设置于变送器本体8的内部，所述测压通道一端9与所述通压接液口2连接，所述测压通道9用于将被测介质引入；所述温度传感器10与所述机械接口11粘合，所述温度传感器10与所述六方扳手位12连接配合；所述电路调理板13的一端与所述六方扳手12位组装固定，另一端与所述弹簧针14抵接，所述弹簧针14连接于所述信号传输片15。

所述电气连接器16与所述电路调理板13电连接。

需要说明的是，在本技术方案中，弹簧针具体为一种金(Au)材质，以增强导电性。

引流通道与被测量介质连接端，能将被测量介质导流至图1中钢杯1位置，介质的压力将对钢杯1产生形变，从而导致钢杯1应变电阻层产生拉伸、压缩形变，从而输出与所受压力成比例的毫伏信号。由金丝将钢杯1上的电信号转接至调理电路板13，通过调理电路板13上的计算比较、调理输出标准电信号。温度的测量与压力近似，不同的是温度测量不需要基体产生形变，只需将热量传导至温敏层5即可。

优选的，所述的纳米薄膜温压复合芯体的工艺流程，其特征在于，包括；

S1.机加工下料，数车将芯体使用的钢杯1外形加工出来，通过下料-数车指定外形，之后进行真空热处理，固溶1040℃两小时，480℃时效保温两小时；

S2.研磨抛光将镀膜表面研磨抛光至10纳米以上；

S3.镀膜使用离子溅射技术将绝缘层3、压敏层4、温敏层5、焊盘层6、保护层7一次按工序溅射生长在钢杯1上面上。

优选的，所述步骤S3包括：

S31.绝缘层3：将SiO2沉积在钢杯1上表面底层作为绝缘层，沉积的方法为离子溅射或磁控溅射；

S32.压敏层4：采用NiCr电阻层，通过离子溅射或磁控溅射的方式将NiCr溅射生长与钢杯1上，其厚度控制在80纳米内，压敏层4完成生长后进行光刻，蚀刻得到所需的惠斯通电桥；

上述的惠斯通电桥电路是一种现有的可以用于精准测量电阻的检测电路，它具有结构简单且准确度和灵敏度较高的优点。其中用于获取弹性变形装置的形变量的惠斯通电桥电路可以由多个应变电阻组成，从而发生形变的时候，设置在上面的应变电阻也将发生形变，从而导致其阻值变化，然后通过获取这些阻值变化信息，将可以获取到形变量。

S33.温敏层5:采用Pt电阻，通过离子溅射技术的方式将Pt层溅射于钢杯1上，而后进行光刻，蚀刻得到所需温敏电阻；

S34.焊盘层6：Au层通过离子溅射技术将Au溅射于钢杯1平面上，通过光刻，蚀刻得到焊盘层6；

S35.保护层7：为最上层，主要为SiO2层通过离子溅射沉积于上述所述镀层之上，再通过光刻、蚀刻将Au焊盘层裸露出来方便后续金丝焊接。

优选的，所述绝缘层3、所述压敏层4、所述温敏层5、所述焊盘层6、所述保护层7的总厚度在2-3微米之间。

优选的，所述钢杯1采用采用17-4PH不锈钢作为加工材料，加工后的厚度为0.5mm-0.10mm之间。

膜使用离子溅射技术将绝缘层、压敏层、温敏层、焊盘层、保护层一次按工序溅射生长在钢杯面上；绝缘层：将SiO2沉积在钢杯底层作为绝缘保护层，沉积的方法为离子溅射或磁控溅射其；压敏层：NiCr电阻层，通过离子溅射或磁控溅射的方式将NiCr溅射生长与钢杯上，其厚度控制在80纳米内，压敏层完成生长后进行光刻，蚀刻得到所需的惠斯通电桥；温敏层:采用与Pt电阻，通过离子溅射技术的方式将Pt层溅射于钢杯上，而后进行光刻，蚀刻得到所需温敏电阻；焊盘层：Au层通过离子溅射技术将Au溅射于钢杯平面上，通过光刻，蚀刻得到焊盘层；保护层：为最上层，主要为SiO2层通过离子溅射沉积于镀层之上，再通过光刻、蚀刻将Au焊盘层裸露出来方便后续金丝焊接；五层膜总厚在2-3微米之间；将制作好的温压复合芯体使用激光焊接，焊接与通压嘴上，并与其他连接件组装配合制作而成温压复合变送器。

优选的，所述的纳米薄膜压力温度复合型变送器的工艺流程，其特征在于，包括：

P1.通过数车及CNC加工中心，将机械接口11、六方扳手位12等按照设计尺寸一一加工出来，在通过模具注塑将电气连接器16的接口制作出来；

P2.物料准备齐全后将机械接口11与预先制作好的温压复合芯体以对应的方向激光焊接，后将流至下工位；

P3.将温度传感器10与机械接口11胶粘粘合后流至下工位，采用压焊设备将惠斯通电桥信号通过焊盘层，利用内引线与调理电路板13连接，实现信号的连通。

具体的，在此处使用707硅橡胶将温度传感器与机械接口胶粘粘合后流至下工位，温度传感器具体为PT1000温度传感器。

常规的溅射薄膜压力传感器需要将弹性体钢杯与引压嘴焊接，由于焊接深度往往不够(如果增加焊接功率，加大焊接深度，又会产生较大热量影响敏感元件的性能)，在使用过程中存在泄漏的风险。

本技术方案中，引压嘴上设置引流通道和温敏元件安装槽口，其中引流通道用于将被测试介质导入至芯体测量介质压力和温度；同时温敏元件安装槽口安装有温敏元件，用于温度的测量；从而实现温度和压力的同时测量；本发明还利用两组惠斯通电桥对压力信号进行测试，若两组惠斯通电桥均处于工作状态，则最终测试结果选用两组平均值，从而提升压力测试的精度；如其中一组惠斯通电桥工作异常，则另一组电桥同样能够完成压力测试，从而降低检测故障率。本发明利用温敏元件和温敏电阻对温度进行测量；温敏元件和温敏电阻的测试结果通过温度信号比较电路进行处理，能够提升温度测试的精度；若温敏元件或温敏电阻某一组件存在异常，则另一组件同样能够完成温度测试，从而降故障率。

P4.将六方扳手位12的零部件与机械接口11组装配合，使用激光焊接将其熔接固定流至下工位；

P5.将电路调理板13与使用十字螺柱与焊接后的六方扳手位12零部件组装，并使用螺纹密封胶将螺柱固定固化注，防止长时间螺纹松动，流至下工位。

采用螺纹连接的方式，不仅密封效果好，而且便于拆下，可以有效地保障传感器的长期稳定性。

P6.完成以上步骤后，使用金丝球焊机将，芯体与电路调理板13进行焊接导通，并使用胶将金丝弹性凝固后流至下工位；

P7.以上制作好的部件与模具注塑好的电气连接器16使用激光焊接机，焊接一体，至此温压复合变送器已完成组装生产；

P8.使用温漂设备对温压复合变送器进行标定及标定后检定，按照鉴定书，判定产品的精度等级，后进行打标入库。

图3中压力介质通过测压通道9流至纳米薄膜温压复合芯体，纳米薄膜温压复合芯体接受所受的力通过惠斯通全桥的阻值变化输出相对应的微弱电信号；同时介质所带的温度将通过钢杯芯体传导至温敏电阻上产生电阻变化，从而输出相对应的电信号，统一通过电路调理板13输出一个标准信号，如4-20mA,1-5V DC等；使用端通过电气接口接受标准信号来判定其介质的压力及温度；在其中温度传感同时采用两种方式采集，图中PT1000温度传感器同样能采集介质温度输出一个电压值；这样的优点在于一路温度采集无效时，另一路可以正常工作，此应用提升了了温压复合的使用寿命，及其减少的故障率，在一些特殊的环境中能够发挥作用，使用了双份温度采集电路，给使用设备提供双份保障，本发明的优点障率越低，提供温压复合测量单机械接口方案，对于使用环境有限的空间和不便于有多个接口便想测得压力及温度时本发明提供了解决方案，多个接口的具体结构参见图4，图4中的接口依次为，电源输入接口1、.压力信号输出接口2、温度信号输出接口3。

本发明提供一种纳米薄膜高性能温压复合变送器，解决了压力传感器压力芯体只能单压力输出，不能温压同时输出或同时监测的问题；在温度的测量方面实行了双份制数据采集，在温度测量精度方面提高的精度等级及测试准确性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。