敏感元件与高压传感器的整体结构 本发明涉及压力传感器的内部形状，特别涉及将具有硅衬底的敏感元件结合至传感器中，用以在很宽的温度范围内测量高压的整体结构。
为测量比较高的压力，已知采用传感器，如文件FR-A-2587485，FR-A-2594224和FR-A-2594546说明的那样，传感器包括形为可变形薄膜的敏感元件，在其上安放着应变片。如在FR-A-2648910和FR-A-2619446中说明的那样，还知道可变形薄膜可由诸如单晶兰宝石或单晶硅的单晶材料制成。敏感元件在传感器主体中的安装必须，敏感元件被机械地支承在主体中，且欲测的压力通过传感器的所谓“压力穿孔”零件到达敏感元件。
具有单晶衬底地敏感元件通常藉助环氧树脂与传感器主体相连接，而玻璃，则通过静电焊接或通过类似的焊接技术。上述文件FR-A-2619446建议采用中央部份厚度减薄的薄膜。该薄膜的周边边缘比较厚，并与支承相连接，以避免由于薄膜上的径向或切向应力而在薄膜与支承间的接头上产生显著的作用(不然，由于薄膜强度和玻璃或用于接头中其它材料强度的不同，会导致薄膜的变形，或甚至由此与支承分离)。
除了因薄膜和薄膜与其支承间接头材料的应力不同产生的问题外，具有硅衬底的敏感元件和金属主体的相互刚性连接将由于热效应，特别当使用时，温度变化范围很宽，而产生相互应力，这种应力以不可预计的形式随温度而变化，从而降低应变片信号输出的精度，使传感器对温度瞬变变得过分敏感。这问题在高压传感器情况尤为重要。
在某些情况，高压传感器，例如测量压力为1000巴或更高压力的传感器，即使在其遭受温度显著变化，包括瞬间变化和长间变化时，也必须可靠地运行。这特别涉及压力传感器可能受到温度在4°K至473°K(或更多)范围内变化的应用情况。在火箭和助力器段中可发现有这样的应用。
用于在宽广的温度范围内测量高压的压力传感器必须预见到前述运行情况。传感器最好还应是抗振动的，且甚至在温度达到稳定前，就能产生可靠的输出信号。当压力传感器是设计用于火箭或助力器段中时，传感器还必须耐这类装置中易于碰到的流体的作用，诸如氧(气体或液体的)，氢(气体或液体的)，水(蒸汽或液体的)等。
迄今为止，还不可能生产出包含具有硅衬底的敏感元件的，能符合上述要求的压力传感器，其主要困难源于敏感元件在传感器主体中的安装。硅的热膨胀系数接近2×10-6/℃，而用于制成传感器主体的一般金属的系数则大于8.5×10-6/℃，或甚至是该值的两倍。如前所述，具有硅衬底的敏感元件和金属的传感器主体之间的刚性连接会产生相互温度应力，然而，要测量的压力是如此高，以至传感器的内部连接必须具有很大的牢固性以便给与其经受压力的足够能力。
当涉及高的温度变化时，用于克服那些困难的一种技术是将压力传感器放置在远离压力源的位置，并用管路将它们相互连接。该管路如热缓冲器一样作用。然而，这种解决办法非常花钱，且增加装置的总体尺寸。
包括具有硅衬底的敏感元件的传感器生产中出现的另一问题在于硅焊接不到金属上这一事实，这使传感器的生产更为困难。
图1中示意地表示了将具有硅衬底的敏感元件结合在压力传感器主体中的一般结构。
在图1的结合结构中，压力传感器包括金属支承1，支承具有中心孔2，通过它与欲测量的压力源相连接。传感器的敏感元件4包含硅衬底5，在其表面放置着应变片6，硅衬度具有厚度增大的周边边缘5a和中心加强件5b。应变片6安放在衬底5上，位于其厚度减薄的区域5c，要检测的压力集中在那里。通常，设置4片应变片，它们被布置在惠司登电桥上。敏感元件4还可包括加强块5’，它也由硅制成。
敏感元件4藉助中间放置的，以玻璃或陶瓷材料制成的底座7安装在金属支承1上。在敏感元件4的底座和在加强块5’上，假如有的话，设置有中心孔，从而使欲测量压力得以和衬底5放置应变片6的区域5c相连通。
在这一已知的结构中，硅衬底5(或硅加强块5’)和底座7之间的连接是应用阳极焊接，或通过金属一玻璃钎焊或易熔钎焊而获得的。底座7和金属支承1之间的连接则通过粘接或钎焊而获得。一般，这些粘接或钎焊连接是不适合能在高压和很宽的温度范围内都使用的传感器的生产的。此外，这样使用的粘接和钎焊连接会引入作用于衬底5，也即在应变片6上的结构应力。
文件FR-A-2293704公布了一种压力传感器，其中携带敏感元件的玻璃底座不是直接安装在传感器的金属支承上，而是通过连接零件。但是，上述缺点并未排除。
在另外的文件US-A-4361047，US-A-4127840和EP-A-0167144中，敏感元件固定于其上的底座是藉助能变形的连接零件与传感器主体相连接的，但公布的这一布置显然不适合十分高压力的测量。
本发明寻求克服上述问题，特别涉及这样的压力传感器，它能可靠地测量高达至少1000巴的高压，而允许的温度变化范围至少包括4°K至473°K之间的区间，其中具有硅衬底的敏感元件以结合应力为最小的方法被安装在传感器主体中。
为此，本发明提出的压力传感器，它包括：
具有接受欲测压力的进口的传感器主体；
具有硅衬底的压力敏感元件，应变片固定在硅衬底上；
敏感元件安装于其上的底座；
和将底座与传感器主体相连接的连接零件；其特征在于
连接零件是弹性可变形的，以抵销底座和传感器主体之间的热膨胀差别，和
敏感元件压靠着一应力承受块，此块能承受由欲测压力作用在底座和衬底上的应力，而所述应力不是施加在弹性可变形连接零件上。
在发明提出的压力传感器中，具有硅衬底的敏感元件的安装是这样的，即由环循产生的温度瞬变引起的，传感器零件的不均匀热膨胀效应被弹性变形连接零件所阻尼，而欲测压力作用的应力被应力承受块所承受，不会影响连接零件的运行。由此，为使应变片在最佳条件下测量，不必须等待温度的稳定。根据这样的将敏感元件结合在传感器主体中的技术，不仅获得能在很宽的温度范围内测量十分高压力的传感器，而且还获得在有稳定温度漂移时，具有在时间上精度增高的，且具有改进的抗振动的传感器。
发明的最佳实施例提出，弹性零件是小厚度的弯曲金属箔，最好肩倚着传感器主体的零件。
形状为小厚度变曲金属箔的弹性零件，其优越性在于，由于不均匀热膨胀，它施加在底座上的应力是小的，且弯曲金属箔本身就能经受由于它和底座及传感器主体金属相连接而出现的，源起热的变形。
最好为敏感元件设置比较厚的硅加强块，此块放置在硅衬底和底座之间，而后者，例如，本身由玻璃制成，并用阳极焊接与加强块相焊接。由于底座固定至加强块过程产生的应力，因为加强块的厚度而被该加强块过滤掉，从而它们几乎不会影响敏感元件的硅衬底。
最好，敏感元件安装于其上的底座藉助弯曲金属箔而支承在传感器主体的金属零件上，弯曲金属箔在其一端焊接至传感器主体的金属零件上，而在其另一端封接至底座的材料上。
此外，在本发明的最佳实施例中，应力承受块成形成封接在传感器主体上的罩盖，敏感元件通过分隔板的中间板靠压于其上，分隔板例如由玻璃制成，敏感元件最好粘合在分隔板上(例如通过粘合剂)以致能够确保耐振动。分隔板可以被粘合在罩盖上。
组成传感器的零件材料的选择使得这些零件与需测量压力的流体的化学兼容性的最优化得以实现。还有，硅衬底采用在半导体工艺中通常应用的生产工艺和加工能以低成本进行生产。
附图中：
图1是现有技术中安装着具有硅衬底的敏感元件的压力传感器示意图；
图2示意地展示了本发明第一实施例提出的，将具有硅衬底的敏感元件结合至压力传感器中的结构；
图3示意地展示了本发明第二实施例提出的，将具有硅衬底的敏感元件结合至压力传感器中的结构。
如图2所示，压力传感器包括绕中心线对称的金属主体10。该主体10由相互封接以确定腔室11的上部份10a和下部份10b构成。下部份在其基底轴向延伸至圆管形部份12，圆管形部份在其端部构成压力穿孔口以便形成进口14。压力穿孔12被设计成与需测量的压力源相连接，并与腔室11相连通。
布置在腔室11中的敏感元件包括形为圆盘的硅衬底15，圆盘具有变薄的中央部份15a，在其中设置有应变片16，衬底15被封接到加强块15’上，它比较厚，也是由硅制成。块15’被封接至玻璃底座17上，该底座由例如“派热克斯耐热玻璃7740”或类似材料制成。在底座17上的封接是由例如像“Mallory”型焊接的阳极焊接来进行的。玻璃底座17是焊接在比较厚的加强块，而不是直接焊接在衬底15上这一事实，使得由于焊接引起的应力能过滤掉。加强块15’具有中央通道15a’，而底座17是环形的，因此，出现在进口14的压力能直接与敏感元件中央部份15a相连通。
由支承应变片16的衬底15，加强块15’和底座17构成的组合件通过弹性可变形零件与主体10相连接，这里，弹性可变形零件是由例如约0.1mm的，例如不锈钢制成的小厚度的弯曲金属箔18构成。弯曲金属箔18的总体形状是旋转对称的，所具有的第一圆筒形部份18a在其端部焊接在主体10的下部份10b的内壁上，而第二圆筒形部份18b在其端部焊接在底座17的下表面上，而鼓胀部份18c将圆筒形部份18a和18b相互连接。鼓胀部份18c具有基本为U形的剖面，使弯曲金属箔18变得能在轴向弹性变形。传感器主体的下部份10b的内圆筒形壁具有直径增大的部份，它确定台肩壁19，弯曲金属箔18的鼓胀部份18c靠在其底部，从而将后者横向定位。
传感器主体的部份10b在其上端部具有直径进一步加大的内壁，它围绕由衬底15，加强块15’和底座17组成的组合件的大部份，并通过径向表面20与台肩壁19相连接。在弯曲金属箔18的弹性变形的作用下的15，15’，17组合件的轴向移动在一端受表面20与底座17下表面共同作用而形成的抵靠的限制，而在另一端，受成形成罩盖的固体块21的限制，固体块封接在传感器的部份10b上，衬底15能通过环形分隔板22这一中间体压靠在其上。后者通常可由制成底座17的玻璃制成，并通过例如胶合剂粘结在衬底15上。
这样，在传感器运行期间，由被测压力作用在组合件15、15’、17、22上的应力被固体块21所承受，而不是施加在弯曲金属箔18上，于是金属箔就能最佳地完成其抵销起源于热的尺寸不均匀变化和阻尼任何振动的功能。
图3展示了本发明提出的传感器的第二个实施例。后者与图2中传感器的显著不同在于能弹性变形的零件的结构和传感器主体下部份10b的构成。构成传感器的其它零件不曾改变，对它们将不再说明。
在第二实施例中，能弹性变形的零件还是小厚度的弯曲金属箔28。在这一情况，金属箔零件28具有径向放置，基本为平面环的形状，它在其外边缘附近与传感器主体的部份10b相连接。而在其内周边被封接在底座17上。这里，与底座17的连接是在后者的外表面上，而不是在其下表面上获得的。在其内周边区域，弯曲金属箔28具有环形鼓胀部份28c，其截面基本为U形，并在传感器下端方向开口。
这里，传感器的下部份包括下分段10b’和上分段10b”，它们相互固定，在其间放置有环30。分段10b’在其上部份具有加大的内径，它确定的外壳围绕底座17的大部份，并通过径向表面29与分段10b’的其余内壁相连接，形成止动器。该止动器29与底座17的下表面相配合用于限制组合件15、15’、17在与压力施加方向相对方向上的轴向移动。在相反方向，需测量压力作用的应力，则如图2的实施例一样，被与分隔板22协同作用的，并被焊接到部份10b上的块21所承受。
环30在其内周边有突缘，它确定支承表面或台肩壁30a，曲弯金属箔28通过其鼓胀部分28c的外侧点与台肩壁顶着接触。在其外周边，曲弯金属箔28被定位在环30和分段10b’之间。