CN1726385B

CN1726385B - 压力传感器

Info

Publication number: CN1726385B
Application number: CN2003801058601A
Authority: CN
Inventors: J·沃格勒
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2023-12-10
Also published as: WO2004053449A1; EP1570247B1; AU2003294666A1; US7311007B2; CN1726385A; EP1570247A1; US20060048580A1

Abstract

本发明提供一种压力传感器，其具有为压力传感装置，如半导体装置，提供的壳体。壳体包括底部和具有通孔的中间件，该中间件形成压力传感装置腔体的侧壁。膜片附接到中间件上以覆盖腔体的开口，并允许压力从外侧传递到壳体内的传压介质从而传递到其中的压力传感装置。本发明还提供一种制造具有上述这种壳体的压力传感器的方法。

Description

压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，包括具有底部的壳体、向上延伸并在壳体上表面形成开口的侧壁、以及覆盖开口以在壳体内形成基本封闭腔体的膜片。从外部施加给膜片的压力可影响腔体内部的压力，该腔体内部压力可由压力传感装置检测并基于检测出的压力产生一个电信号。

背景技术

上述这种压力传感器可用于许多应用领域，例如用于内燃机、化工厂和制冷系统的操作。

在基于半导体的电子压力传感器中，具有半导体膜片区域的硅片构成压力传感元件。变形测定器安装于膜片区域用于记录在膜片区域受到介质压力时区域内的变形。

在迄今已公知的压力传感器中，硅片典型安装于玻璃制成的基底上。由硅片和玻璃基底构成的芯片装置安装在壳体内，该壳体包括用于将硅片与介质隔离的膜片。隔离膜片和壳体形成围绕芯片装置的密封空间。该空间通常完全由传压介质充满，例如压力可在其中传递的硅油。为了基本无压力损失地传递压力，壳体中的传压介质必须具有低可压缩性。当隔离膜片受到压力时，压力将被传递到硅片并引起半导体膜片的变形，其变形由变形测定器检测。

壳体的允许误差很窄，因此在制造上述这种压力传感器时通常采用昂贵且耗时的制造方法。壳体，尤其是其中的腔体，典型采用耗时持久的铣削方法制造，其中材料从铁坯固体块去除，或者壳体通过烧结以及后续机加工制成。不可避免地，这要占用昂贵的生产设备并花费相对较长的时间。

由于受到温度的变化时，通常传压介质的体积变化与壳体的体积变化不同，因此从半导体装置得到的压力信号依赖于温度。也就是说，为适应温度的特定变化，腔室的容积和传压介质的体积会发生不同变化。由于腔室被不可压缩介质完全充满且腔室密封，容积差异必须由弹性膜片的变形来补偿，因此产生一个压力信号偏差，所述偏差依赖于膜片的柔性和温度。通常，半导体装置电连接于一个电子电路，该电路包括用于补偿温度造成的偏差的装置。然而，这种补偿装置昂贵且需要空间，而且其尺寸依赖于补偿的需要程度。

为了降低由温度变化造成的偏差，有时试图限制腔体内半导体周围自由空间的量。有限的空间降低了填充腔体所需传压介质的量并因此降低了温度变化造成的影响。US 5436491和US 4502335中均披露了这种压力传感器。这几种精确的传感器包括模制形成或机加工主体腔形成的壳体，还包括用以减少腔体内自由空间的模制填充物。传感器的设计和相应的制造成本甚至比制造前述传统型传感器的成本更高，填充物的应用带来额外的制造步骤。

发明内容

本发明的目的在于解决与压力传感器制造的相关问题。因此，本发明第一方面要提供一种简介部分提到的那种压力传感器，其特征在于，所述壳体包括板状的中间件，所述中间件附接在底部和膜片之间并包括构成所述腔体的至少一部分的孔，其中在同一横剖面进行观察时，所述孔具有与压力传感装置的轮廓相对应的轮廓，所述底部具有用于在其上安装压力传感装置的上表面，压力传感装置为半导体装置，中间件的厚度基本上对应于从半导体装置的上表面到底部的上表面之间的距离。

由于采用了附接在底部和膜片之间的中间件，壳体可采用简单快速的生产步骤进行制造，如通过冲压或冲孔由板形主体制成的底部、中间件和/或膜片，并随后组装零件，如采用焊接方法。中间件中的孔可例如形成部分腔体侧壁。中间件可由多个零件构成。它可以具有一个由多个盘制成的层状结构或者它可以由半圆盘片断的扇区焊接而成。

如果希望限制传压介质的量，如降低传感器信号的补偿需要，腔体内围绕压力传感装置的空间可易于减小。在这种情况下，中间件可制出一个孔，该孔在相应的剖视图中具有与压力传感装置的轮廓相匹配的横剖面轮廓。当中间件附接到底部和膜片之间时，孔形成腔体的侧壁，并由于匹配孔和压力传感装置所具有的横剖面轮廓，填充腔体所需传压介质的量得到减小。孔所具有的可能稍微弯曲的轮廓可采用现有技术中任何便利的公知方法，如冲压法，在中间件中制出，并且因此即使在狭窄的尺寸误差内也能高速地制出该轮廓。如果需要额外空间用于压力传感装置和外部设备之间的电连接，孔可被冲压成任何形状并因此为这些附加组件提供所需空间。

作为一个例子，理想的是设置穿过底部进入腔体的连接管脚，用于建立穿过壳体的电连接。底部中的开口可以通过冲压或冲孔在一次和同一操作中得到，其中可制出底部的整体形状，且中间件可以具有孔，如有着星形横剖面形状，为压力传感装置留下中心空间并为连接管脚留下星形形状突出点或指部的空间。

在特别简单且容易制造的实施例中，中间件和底部通过配合平面结合。底部和/或中间件可由板状材料制成，如由诸如不锈钢的抗腐蚀材料、陶瓷材料或科瓦铁镍钴合金(Kovar)制成。类似地，膜片可由不锈钢圆片制成。

底部和中间件可通过激光焊、电子束焊(EBW)、钨极惰性气体焊(WIG)、电阻焊，或由钎焊或粘合等方式结合。膜片可通过任何类似工艺固定到中间件上，如采用沿膜片外圆周边界周向延伸并最好与该边界交迭的环。

优选地，压力传感装置为半导体装置，其具有一个如由玻璃制成的基底。

用于将诸如硅油的传压介质填充腔体的管道可被制成贯穿底部和中间件中的一个。该孔可被一个具有球体外形并通过诸如电阻焊之类的焊接方式固定于孔部的闭合件封闭。这种焊接可浸没在硅油中对壳体操作。在一个实施例中，通过在中间件和底部的结合表面内制槽，该管道被形成在底部和中间件之间。

进入腔体的导电管脚通过底部或中间件的孔为半导体装置和外部设备之间提供电连接，最好可与底部或中间件之间电绝缘，特别是在如果底部或中间件由导电材料制成的情况下。

膜片可以附接到中间件上表面的第一接触凸缘，即相对于中间件采用焊接、粘合或类似组装工艺附接到底部的表面。为了保证膜片更牢固固定到中间件上，可以在膜片的顶部固定一个支撑环，如采用焊接操作将支撑环焊接到膜片上并焊接到中间件上。

为了减少膜片和中间件之间的接触，第一接触凸缘可以形成上表面上沿周向延伸的凸起，使膜片支承在接触凸缘上并保持不被中间件的剩余部分支承。

在类似方式下，支撑环可以具有其下表面的第二接触凸缘，即附接到膜片和中间件时相对于支撑环上表面和外表面的表面。第二接触凸缘在第一接触凸缘之上附接到膜片的外表面，并为了减少膜片和支撑环之间的接触，第二接触凸缘可以形成下表面上沿周向延伸的凸起。

根据第二方面，本发明涉及一种制造压力传感器的方法，该传感器包括一个带腔体的壳体，在壳体上表面具有开口；一个设置在腔体内用于传感压力的压力传感装置；以及一个覆盖开口并附接于壳体用以在腔体内提供一个基本封闭空间的膜片，其中一个底部和一个中间件组装以形成壳体，其特征在于，膜片附接于中间件的接触表面。

具体来说，本发明提出了一种制造压力传感器的方法，所述传感器包括带有在壳体上表面具有开口的腔体的壳体、设置在腔体内用于传感压力的压力传感装置、和覆盖开口并附接到壳体上以在腔体内提供基本封闭的空间的膜片，其中底部和中间件组装形成壳体，其特征在于，所述中间件附接于底部和膜片之间并包括形成腔体的至少一部分的孔，其中在同一横剖面进行观察时，所述孔具有与压力传感装置的轮廓相对应的轮廓，所述底部具有用于在其上安装压力传感装置的上表面，压力传感装置为半导体装置，中间件的厚度基本上对应于从半导体装置的上表面到底部的上表面之间的距离。

特别是，底部和中间件中的一个可以由冲压方法制成。

该方法可以与任何需要的步骤结合以制造任何前述压力传感器实施例。

附图说明

下面，将结合附图更加详细地描述本发明，其中：

图1示出了根据本发明的压力传感器的第一优选实施例的分解视图；

图2示出了组装后图1所示压力传感器的等轴视图；

图3示出了图1所示压力传感器的剖视图；

图4示出了压力传感器的另一可选实施例的剖视图；

图5示出了沿图4中线C-C的压力传感器的剖视图；和

图6和7示出了压力传感器的其它可选实施例的剖视图。

具体实施方式

图1示出了电子硅基压力传感器1的分解视图，所述压力传感器1包括由板状底部2制成的壳体，该底部通过第一表面3固定于板状中间件4上。与底部2和柔性膜片6相结合，中间件被孔5穿透后形成用于容纳半导体装置7的封闭腔体(图2中数字28)。底部包括一个基底，用于将半导体装置固定于底部。压力传感器还包括支撑环9。底部2具有圆盘形状，其上制有四个穿透底部的孔10-13以形成进入腔体的孔。导电管脚14-17借助电绝缘玻璃材料布置并安装在孔内(显示在图2中)。每个管脚保持在特定位置，其中管脚的一小部分从底部2的上表面18凸出同时一大部分从相对的底部2的下表面19延伸出。此外，每个管脚均被定位使得它们不会接触到孔的内表面。除此四个孔之外，用来将传压介质如硅油填充到腔体内的油路20制成于底部中。油路由穿透底部的孔构成，且其具有圆形的横剖面形状。压力通道30将在后面更详细地描述。

接触凸缘21形成中间件上表面的周向延伸凸起。以一种相应的方式，支撑环的接触凸缘22还形成支撑环下表面的周向延伸凸起。

凸起凸缘21、22分别在膜片与中间件之间和与支撑环之间形成自由空间。自由空间可在图2中更好地看出。凸起凸缘用于将膜片与中间件之间和与支撑环之间的接触减少到最小，也就是说，使得接触仅存在于沿着零件的外周边缘，从而膜片的运动较小地受到壳体的影响。

半导体装置由胶粘剂37固定于基底。半导体装置包括通过静电处理结合在一起的芯片23和玻璃基底24。在一个区域中，芯片23形成半导体膜片25，也就是说，芯片的厚度相对较小。膜片可以是圆形、四边形或其它形状。半导体膜片区域基于承受的力发生变形，变形尺寸由变形测定器以其本身已公知的方式检测。半导体装置通过电线(未示出)连接到管脚。通过电线和导电管脚，将表示膜片形变的信号传递到压力传感器的壳体外成为可能。在所披露的实施例中，半导体装置具有矩形横剖面形状，但半导体可具有其它可选形状。

与底部相对应地，中间件具有圆盘形状。中间件上制出孔5以在壳体内形成孔，该孔被柔性膜片密封。如图4中所示，所述孔的内部横剖面形状匹配于半导体装置和管脚的外部横剖面形状。管脚被设置构成围绕半导体装置的矩形的角点，该半导体装置从而构成矩形的中心。

中间件的厚度和从半导体装置的上表面26到底部的上表面18之间的距离基本相对应。膜片6是具有同心褶皱27的薄圆板，该同心褶皱增强膜片的刚度并赋予膜片基本线性的压力/位移特性。支撑环9具有圆环形状。支撑环9、中间件4、底部2和膜片6由抗腐蚀材料制成，如不锈钢。最好采用不锈钢因为它易于通过焊接方法实现零件组装，但也可考虑选择其它材料以适合特殊应用情况下所施加的压力。

可选择底部、中间件和膜片的形状从而有利于易于制造的方式，如通过冲压或冲孔方法。

图2示出了组装后的压力传感器的等轴、剖视图。半导体装置设置在由管脚形成的矩形内。中间件通过诸如激光焊之类的焊接手段附接到底部上，这样它围绕半导体装置和管脚凸出底部上表面18的部分。膜片6同心设置在中间件的顶端，并借助支撑环9被焊接到中间件上。中间件和支撑环的凸起凸缘在图2中清晰可见，它们可以将膜片与中间件之间和与支撑环之间的接触减小到最小。

由壳体和膜片构建的腔体28被传压介质填充，例如通过油路20注入的硅油，并且随后通路被封闭球29封闭。封闭球可制成一定尺寸使得它必须被压入开口并藉此提供紧密封闭，或者该球可以通过诸如电阻焊之类的焊接方式附接在开口中从而在壳体中形成封闭腔体。

当膜片受到压力时，例如在化工厂，当压力传感器安装在压力管内时，进行压力测量。压力使膜片6变形并通过硅油传递给半导体装置。在半导体装置内，半导体膜片区域的变形由变形测定器检测，且表示压力的信号通过管脚传递到压力传感器之外。

图3示出了图2中压力传感器的剖视图。所示传感器包括一个压力通道30，该通道在半导体装置7的基准压力腔31与基准压力介质如环境大气之间形成流体连通。由于通道30，根据基准压力腔中的压力(大气压)和作用在膜片6上的介质压力之间的压力差，半导体膜片25发生变形。压力通道30为可选的，但如果具有压力通道30，那么它可在基准压力腔31内提供大气压。如果省去压力通道，基准压力腔形成典型真空密封，从而提供对应于基本为零的压力的基本固定的基准压力。

图4和5示出了一种可选实施例，其中封闭球29比前述实施例中的相应球大。球体通过沿结点38焊接固定在开口处以完全封闭油路20。同时中间件4和支撑环9也与图1-3中的不同。在该实例中，中间件的上表面和支撑环的下表面是平面。也就是说，接触凸缘不会从中间件的上表面和支撑环的下表面凸出。为了减少膜片分别与其它部件，即中间件和支撑环，之间的接触，膜片包括一个从中间件提升膜片中心部的褶皱32。

图4中清晰可见的是，本实施例中的压力传感器用于测量绝对压力，也就是传感器没有压力通道。

图5中清晰可见的是，中间件中的通孔具有与半导体装置形状相应的形状，即四边形。对于每个连接管脚，突出点或指部33径向向外延伸以将这些管脚合并入腔体。由通孔和腔体内的物体的形状配合所得到的缩小的体积改良了传感器，因为它减少了填充腔体所需传压油的量并因此减少了温度所引起偏差的补偿需要。

图6示出了压力传感器的一种可选实施例，其中底部34制出内缩凸缘，沿凸缘外表面周向形成护围环35。护围环可焊接到内表面上，如压力管的内表面(未示出)上。在示出的实施例中，底部形成轴向移位的凸缘，由此，类似方式下的焊接表面与图1-5的实施例相比沿轴向移位。通过轴向移位，被硅树脂填充的腔体和外表面之间的距离增大。由于仅有一部分的热量传递到腔体，因此增大的距离促使焊接效果更好，不会引起硅油热过载。依照本发明，底部的几何形状仍然简单并可用冲压或冲孔方法制造。

图7示出了压力传感器的第三实施例。类似地，底部制出内缩凸缘，但凸缘的外表面与图1-5所示实施例相比具有增大的表面积36。增大的面积提供更大的焊接面使得能够得到更坚固的焊接，例如需要测量大压力时。为了避免硅油热过载，或许需要在焊接过程中冷却压力传感器。同时，这种几何外形的底部也可用具有成本效率的方式通过冲压或冲孔生产。

任何附图中披露的压力传感器外壳至少由3个零件制成。底部和中间件由两个单独件通过焊接结合制成。这有利于采用冲压或冲孔方法进行简单制造，并由此能够降低制造成本。

Claims

1.一种压力传感器，包括壳体、压力传感装置(7)和膜片(6)，所述壳体具有底部(2)和向上延伸并在壳体上表面形成开口的侧壁，所述膜片覆盖所述开口以在壳体内提供基本封闭的腔体(28)，其特征在于，所述壳体包括板状的中间件(4)，所述中间件(4)附接在底部和膜片之间并包括构成所述腔体的至少一部分的孔(5)，其中在同一横剖面进行观察时，所述孔(5)具有与压力传感装置(7)的轮廓相对应的轮廓，所述底部具有用于在其上安装压力传感装置的上表面，压力传感装置为半导体装置，中间件的厚度基本上对应于从半导体装置的上表面到底部的上表面之间的距离。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述中间件形成腔体的侧壁。

3.根据权利要求1～2中任一项所述的传感器，其中所述中间件和底部通过配合平面结合。

4.根据权利要求1～2中任一顼所述的传感器，其中所述中间件通过焊接附接到底部上。

5.根据权利要求1～2中任一项所述的传感器，其中所述膜片固定到中间件上。

6.根据权利要求1～2中任一顼所述的传感器，其中所述中间件由板状材料经冲压方法制成。

7.根据权利要求1～2中任一顼所述的传感器，包括一条用来将传压介质充满所述腔体的通道，所述通道形成于底部和中间件之间。

8.根据权利要求1～2中任一项所述的传感器，其中所述膜片附接到中间件上表面的第一接触凸缘(21)上，所述第一接触凸缘形成所述上表面沿周向延伸的凸起。

9.根据权利要求8所述的传感器，还包括支撑环(9)，所述支撑环具有其下表面的第二接触凸缘(22)，所述第二接触凸缘附接到第一接触凸缘上的膜片的外表面上，所述第二接触凸缘形成所述下表面沿轴向延伸的凸起。

10.一种制造压力传感器的方法，所述传感器包括带有在壳体上表面具有开口的腔体的壳体、设置在腔体内用于传感压力的压力传感装置、和覆盖开口并附接到壳体上以在腔体内提供基本封闭的空间(28)的膜片(3)，其中底部和中间件组装形成壳体，其特征在于，所述中间件附接于底部和膜片之间并包括形成腔体的至少一部分的孔(5)，其中在同一横剖面进行观察时，所述孔(5)具有与压力传感装置的轮廓相对应的轮廓，所述底部具有用于在其上安装压力传感装置的上表面，压力传感装置为半导体装置，中间件的厚度基本上对应于从半导体装置的上表面到底部的上表面之间的距离。

11.根据权利要求10所述的方法，其中底部和中间件中至少其一由冲压方法形成。