本發(fā)明涉及傳感器，尤其涉及一種應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、金屬膜片作為壓力傳感器的感知元件，兼具大過載、高靈敏度、耐腐蝕性的特點。金屬膜片結(jié)構(gòu)單一、制造簡單、成本低廉、接口靈活、泛用性廣，被廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、船舶等領(lǐng)域，其中壓力傳感器是其主要的應(yīng)用場景之一。

2、金屬膜片主要用于感受外部氣體、液體等介質(zhì)的壓力變化，并將感受的壓力以彈性變形或壓力的形式傳遞給解算系統(tǒng)，計算出被測介質(zhì)的壓力值。目前金屬膜片應(yīng)用于傳感器中，普遍作為壓力的感知元件。但由于金屬膜片自身的剛度受到材料、型面、厚度的影響，在進行壓力感知和傳導(dǎo)的過程中會形成壓力損耗，導(dǎo)致壓力感知的誤差。

3、當(dāng)前該問題主要通過調(diào)整膜片材料厚度尺寸、膜片直徑尺寸、波紋尺寸來解決，在傳統(tǒng)的機械式儀表中表現(xiàn)不明顯，但是隨著金屬膜片在mems芯體的推廣，結(jié)合壓力傳感器感知精度的提升、測試壓力值微量化、傳感器小型化等趨勢化，上述控制措施越來越受限。例如，jb/t7485中列舉的靈敏度最高的膜片為“直徑φ16mm，厚度0.05mm，其靈敏度為0.00099mm/kpa”，換算后為9.9×10-4μm/pa。當(dāng)前國內(nèi)部分膜片通過將膜片厚度降低至0.02mm厚度，在直徑縮減到φ12mm時，金屬膜片靈敏度也只能達到2.5×10-2μm/pa，很難滿足小型化、微壓力、高精度傳感器的需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片及其設(shè)計方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中的金屬膜片因靈敏度不足而導(dǎo)致難以滿足小型化、微壓力、高精度傳感器需求的問題。

2、為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

3、提供了一種應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片，其包括中心圓平面和t型圓波紋，所述中心圓平面和t型圓波紋之間設(shè)置有多個s型圓波紋，所述t型外波紋的外緣處設(shè)置有外平直邊圓平面，多個所述s型圓波紋的圓心、t型圓波紋的圓心和外平直邊圓平面的圓心均與所述中心圓平面的圓心重合。

4、本方案中應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片的基本原理為：金屬膜片采用上述結(jié)構(gòu)設(shè)置，可以降低金屬膜片自身的剛度，提升金屬膜片對壓力的感知效果。通過對t型外波紋和多個s型圓波紋的尺寸、排列、數(shù)量等組合設(shè)計的改進，可降低金屬膜片感知初始壓力的損耗，提升其壓力傳導(dǎo)的效率，從而提升金屬膜片的初始靈敏度，解決現(xiàn)有技術(shù)中的金屬膜片因靈敏度不足而導(dǎo)致難以滿足小型化、微壓力、高精度傳感器需求的問題。

5、進一步地，所述t型圓波紋和多個所述s型圓波紋的波紋深度為0.06mm～0.11mm；波紋深度過小，金屬膜片彈性性能下降，波紋深度過大，金屬膜片型面剛度增加，均會導(dǎo)致靈敏度下降。將波紋深度限制在0.06mm～0.11mm，實現(xiàn)金屬膜片在具備良好的彈性性能時，也具備良好的靈敏度。

6、進一步地，所述外平直邊圓平面的直徑為d1，金屬膜片的工作直徑為d2，金屬膜片的工作直徑d2的計算公式為：d2＝(0.8～0.9)×d1。該比值有益于給金屬膜片與結(jié)構(gòu)件之間的連接留下充分的接口，以提升金屬膜片的連接和穩(wěn)定性，降低焊接等熱影響對金屬膜片型面的影響。

7、進一步地，所述t型圓波紋的波紋高度為h1，h1＝(0.01～0.13)×d1；其中，d1為外平直邊圓平面的直徑；

8、多個所述s型圓波紋在所述t型圓波紋和所述中心圓平面之間等距均布，多個s型圓波紋的波紋高度分別為h1、h2、h3、……h(huán)n，其中h1＝h2＝h3＝hn＝(0.8～1)×h1；金屬膜片靈敏度不高于0.00099mm/kpa時，s型圓波紋的數(shù)量為三個，金屬膜片靈敏度每提高2個數(shù)量級，s型圓波紋的數(shù)量增加1個。這樣設(shè)置的目的在于，區(qū)分t型圓波紋和s型圓波紋在設(shè)計中承擔(dān)的功能，凸顯波形t型圓波紋的支撐作用的同時降低s型圓波紋可減小材料的冷作硬化，提高金屬膜片的靈敏度。

9、進一步地，多個所述s型圓波紋的波紋深度均為δ1，s型圓波紋的波紋深度δ1的計算公式為：δ1＝(0.6～0.8)×h1。

10、進一步地，所述中心圓平面的直徑為d1，中心圓平面直徑d1的計算公式為：d1＝(0.22～0.25)×d2。中心圓平面直徑d1與金屬膜片工作直徑d2構(gòu)成比值不低于1:5，提升金屬膜片輸出的均勻性和穩(wěn)定性。

11、本方案還提供了一種應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片的設(shè)計方法，其包括以下步驟：

12、s1、根據(jù)壓力傳感器的安裝尺寸確定金屬膜片中外平直邊圓平面直徑d1，根據(jù)膜片的靈敏度需求確定s型圓波紋的數(shù)量，根據(jù)中心圓平面的直徑d1和金屬膜片的工作直徑d2確定多個s型圓波紋的之間的間隔和每個s型圓波紋的直徑；

13、s2、根據(jù)步驟s1中的外平直邊圓平面直徑d1，計算出金屬膜片的工作直徑d2和t型圓波紋的波紋高度h1；金屬膜片的工作直徑d2的計算公式為：

14、d2＝(0.8～0.9)×d1；

15、t型圓波紋的波紋高度h1的計算公式為：

16、h1＝(0.01～0.13)×d1；

17、s3、根據(jù)步驟s2中的金屬膜片的工作直徑d2和t型圓波紋的波紋高度h1分別計算出中心圓平面直徑d1和多個s型圓波紋高度h1、h2、h3、……h(huán)n；

18、中心圓平面直徑d1的計算公式為：

19、d1＝(0.22～0.25)×d2；

20、多個s型圓波紋高度h1、h2、h3、……h(huán)n的計算公式為：

21、h1＝h2＝h3＝hn＝(0.8～1)×h1；

22、s4、根據(jù)s3步驟中的s型圓波紋高度h1，計算出s型圓波紋的波紋深度δ1，波紋深度δ1計算公式為：δ1＝(0.6～0.8)×h1；

23、s5、得到具有設(shè)計參數(shù)的金屬膜片。

24、本發(fā)明的有益效果為：相比現(xiàn)有技術(shù)中的金屬膜片，本方案中的一種應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片及其設(shè)計方法，將傳統(tǒng)的y型圓波紋替換為t型圓波紋，在保證對金屬膜片整體型面支撐的情況下大幅降低金屬膜片的初始剛度值，并通過對金屬膜片波紋的形狀和尺寸調(diào)整，降低金屬膜片對初始壓力感知的滯后性。該金屬膜片型面設(shè)計有效提升金屬膜片本身的感知靈敏度，縮小金屬膜片的尺寸。以外徑φ12mm，厚度0.02mm膜片為例，金屬膜片靈敏度可由原技術(shù)的2.5×10-2μm/pa提升至1.6×10-1μm/pa，初始靈敏度由原技術(shù)的3×10-1μm/pa提升至1×10-1μm/pa，大幅度降低金屬膜片作為壓力傳導(dǎo)元件中的損耗，縮小壓力傳感器的檢測死區(qū)。

技術(shù)特征：

1.一種應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片，其特征在于，包括中心圓平面和t型圓波紋，所述中心圓平面和t型圓波紋之間設(shè)置有多個s型圓波紋，所述t型外波紋的外緣處設(shè)置有外平直邊圓平面，多個所述s型圓波紋的圓心、t型圓波紋的圓心和外平直邊圓平面的圓心均與所述中心圓平面的圓心重合。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片，其特征在于，所述t型圓波紋和多個所述s型圓波紋的波紋深度為0.06mm～0.11mm。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片，其特征在于，所述外平直邊圓平面的直徑為d1，金屬膜片的工作直徑為d2，金屬膜片的工作直徑d2的計算公式為：d2＝(0.8～0.9)×d1。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片，其特征在于，所述t型圓波紋的波紋高度為h1，h1＝(0.01～0.13)×d1；其中，d1為外平直邊圓平面的直徑；

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片，其特征在于，多個所述s型圓波紋的波紋深度均為δ1，s型圓波紋的波紋深度δ1的計算公式為：δ1＝(0.6～0.8)×h1。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片，其特征在于，所述中心圓平面的直徑為d1，中心圓平面直徑d1的計算公式為：d1＝(0.22～0.25)×d2。

7.一種權(quán)利要求1～6任一所述的應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片的設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于壓力傳感器的金屬膜片及其設(shè)計方法，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，金屬膜片中心圓平面和T型圓波紋，中心圓平面和T型圓波紋之間設(shè)置有多個S型圓波紋，T型外波紋的外緣處設(shè)置有外平直邊圓平面，金屬膜片采用上述結(jié)構(gòu)設(shè)置，可以降低金屬膜片自身的剛度，提升金屬膜片對壓力的感知效果。通過對T型外波紋和多個S型圓波紋的尺寸、排列、數(shù)量等組合設(shè)計的改進，可降低金屬膜片感知初始壓力的損耗，提升其壓力傳導(dǎo)的效率，從而提升金屬膜片的初始靈敏度，解決現(xiàn)有技術(shù)中的金屬膜片因靈敏度不足而導(dǎo)致難以滿足小型化、微壓力、高精度傳感器需求的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：侯良云,廖春惠,楊海瑞,鄒捷,沈圓,李泰吾
受保護的技術(shù)使用者：成都凱天電子股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9