CN101371118B - 基于硅压阻技术的湿/湿放大式压差传感器的设计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了使用在潮湿环境中的压力传感器。根据本发明，压力传感器组件具有壳体，该壳体具有被壁部件所分隔的一对腔体。继而被包含在一个腔体中的是传导弹性密封垫、压力传感器和弹性介质密封件。把压力帽连到壳体上，以致压力帽和壳体一起形成气密密封件。压力帽具有孔口，以允许气体在压力下进入第一腔体中。把信号放大器定位在第二腔体中并且把该信号放大器封在第二腔体中。穿过壁部件的电连接器形成在压力传感器和信号放大器之间的电连接。引线框穿过壳体延伸并且形成与压力传感器和信号放大器的电连接。

Description

基于硅压阻技术的湿/湿放大式压差传感器的设计

发明背景

发明领域

本发明涉及压力传感器，或者更特别地涉及使用在潮湿环境中的压力传感器。

相关技术的描述

在潮湿应用场合中，压力传感器与具有高湿量的流体或气体相接触。这种湿气会损坏被使用来接合传感器和压敏电阻器的引线接合部，该压敏电阻器掺在传感器的表面上。所以，硅压阻传感技术迄今仅仅被直接使用于干介质的应用场合中并且通过用环氧物来保护它而使用在潮湿应用场合中。然而，在现有技术中对在湿介质中直接测量压力还是有很大的需求，因为环氧物会干扰测量。对于这种应用场合，对放大式压力传感器也存在需求。此外，一些应用场合需要具有包含在传感器组件(sensor package)中的信号修整/信号放大。大多数湿压差传感器使用金属电容压力传感器。目前，没有基于带有表面贴装技术(SMT)组件的压阻传感技术的湿放大式压差传感器。SMT封装的压力传感器可提供小的、低成本的、高价值的压力传感器，可把该压力传感器安装在带有较小垫尺寸的印刷电路板(PCB)上，因此确保在PCB上占据更小的空间。这还有利于降低安装成本和消除二次操作。这种传感器可满足许多医用传感器应用场合的需求，该应用场合需要SMT组件并且其中还使用放大的压力读数。

在现有技术中公知的是提供传感器组件。美国专利6,117,292提供了一种化学传感器设备，在该化学传感器设备中，把离子灵敏硅片夹在被包含于壳体中的弹性介质密封件和传导弹性垫之间。美国专利6,153,070提供了一种使用热熔技术的传感器组件。公开了一种环境传感器设备，在该环境传感器设备中，把环境灵敏硅片夹在被包含于壳体中的弹性介质密封件和传导弹性垫之间。美国专利5,184,107提供了一种带有传导弹性密封件的压阻压力换能器。压阻压力换能器使用预封弹性密封件，在该预封弹性密封件中，至少一个密封件是电传导的。在两件式壳体中，在一对预封的弹性密封件之间把压阻应力传感器保持在它的边缘处，该压阻应力传感器呈具有变厚边缘的半导体材料的隔片形式。在这些中没有一个应用被定位在壳体的一个隔间中的压力传感器和被定位在壳体的分离隔室中的信号放大器，以便把信号放大器从相对苛刻的、潮湿压力传感环境中分离开。

现在已经发现的是，可通过将塑料壳体分成两半来制备改进了的传感器组件。在一半中，把压力传感器夹在电传导的密封件和弹性介质密封件之间，而在另一半中，提供呈专用集成电路(ASIC)形式的信号放大器。ASIC上方的帽可利用超声波进行焊接，而传感器上方的帽可进行超声波焊接或热熔。传导密封件可替换引线接合物，以建立在压力传感器和引线框之间的电接触。可使用弹性密封件，即介质密封件来隔离流体以避免侵袭传感器表面上的金属接触物。为了包含对传感器输出的放大，可应用ASIC/仪表放大器/运算放大器。ASIC可致使连同信号放大一起的信号修整。当把ASIC包含在这种类型的布置中时，它可避免与会损坏ASIC功能的流体或存在于气体中的湿气相接触。在这点上，本发明的机械封装布置将壳体分割成两半。在一半中，封装带有传导密封件和介质密封件的压力传感器，而在另一半中，封装ASIC。

发明概要

本发明提供了一种压力传感器组件，该压力传感器组件包括：

a)其中具有第一腔体和第二腔体的壳体，以及分隔第一腔体和第二腔体的壁部件；

b)定位在第一腔体中的传导弹性垫；

c)定位在传导弹性垫上的压力传感器；

d)定位在压力传感器上的弹性介质密封件；

e)在弹性介质密封件上的压力帽，把该压力帽连到壳体上，以致压力帽和壳体一起形成气密密封件(hermetic seal)，该气密密封件防止气体穿过气密密封件逃逸或进入；所述压力帽还具有孔口(port)，以允许气体在压力下穿过该孔口进入第一腔体中；

f)定位在第二腔体中的信号放大器，以及在第二腔体上的盖，该盖把信号放大器封在第二腔体中；

g)穿过壁部件的、形成在压力传感器和信号放大器之间的电连接的电连接器；

h)包括穿过壳体延伸的多个电连接器的引线框，所述引线框形成与压力传感器和信号放大器的电连接。

本发明也提供了生产压力传感器组件的方法，该方法包括：

a)提供其中具有第一腔体和第二腔体的壳体，以及分隔第一腔体和第二腔体的壁部件；

b)把传导弹性垫定位在第一腔体中；

c)把压力传感器定位在传导弹性垫上；

d)把弹性介质密封件定位在压力传感器上；

e)在弹性密封件上方把压力帽连到壳体上，以致压力帽和壳体一起形成气密密封件，该气密密封件防止气体穿过气密密封件逃逸或进入；所述压力帽还具有孔口，以允许气体在压力下穿过该孔口进入第一腔体中；

f)把信号放大器定位在第二腔体中，然后把盖定位在第二腔体上，该盖把信号放大器封在第二腔体中；

g)提供穿过壁部件的并且形成在压力传感器和信号放大器之间的电连接的电连接器；

h)提供引线框，该引线框包括穿过壳体延伸的多个电连接器，并且形成在引线框和压力传感器之间的、以及在引线框和信号放大器之间的电连接。

本发明还提供了确定流体压力的方法，该方法包括：

i)提供压力传感器组件，该压力传感器组件包括：

a)其中具有第一腔体和第二腔体的壳体，以及分隔第一腔体和第二腔体的壁部件；

b)定位在第一腔体中的传导弹性垫；

c)定位在传导弹性垫上的压力传感器；

d)定位在压力传感器上的弹性介质密封件；

e)在弹性介质密封件上的压力帽，把该压力帽连到壳体上，以致压力帽和壳体一起形成气密密封件，该气密密封件防止气体穿过气密密封件逃逸或进入；所述压力帽还具有孔口，以允许气体在压力下穿过该孔口进入第一腔体中；

f)定位在第二腔体中的信号放大器，以及在第二腔体上的盖，该盖把信号放大器封在第二腔体中；

g)穿过壁部件的、形成在压力传感器和信号放大器之间的电连接的电连接器；

h)包括穿过壳体延伸的多个电连接器的引线框，所述引线框形成与压力传感器和信号放大器的电连接；

ii)使流体穿过孔口流到第一腔体中；

iii)用压力传感器测量腔体中的流体压力并且把电信号发到信号放大器，该电信号对应于来自压力传感器的被测压力；

iv)用信号放大器放大电信号以形成放大信号，该电信号对应于来自压力传感器的被测压力，并且将放大信号发到与引线框连接的电连接部上；

v)在被电连接到引线框上的显示器上显示对应于被测压力的标记。

附图的简要描述

图1显示了根据本发明的压力传感器组件的分解透视图。

图2显示了根据本发明的压力传感器组件的截面图。

图3显示了根据本发明的压力传感器组件的可选实施例的分解透视图，其中压力帽通过多个柱连到壳体上。

图4显示了压力传感器组件的另一个实施例的分解透视图，该压力传感器组件具有在压力传感器腔体和信号放大器腔体之间的导热通道。

图5显示了图4的实施例的顶视图。

图6显示了图4的实施例的截面图。

发明的描述

参考图1和图2，图示了根据本发明的传感器组件10的实施例。所图示的传感器组件具有壳体12，该壳体具有位于壳体12中的第一腔体14和第二腔体16。壁部件18分隔第一腔体14和第二腔体16。继而夹在第一腔体14中的是被定位在第一腔体中的电传导弹性垫20、在电传导弹性垫20上的压力传感器22和被定位在压力传感器22上的弹性介质密封件24。然后，压力帽26封住弹性介质密封件。把压力帽26连到壳体12上，以致压力帽26和壳体12与电传导弹性垫20、压力传感器22和弹性介质密封件24一起形成气密密封件，该气密密封件防止气体穿过气密密封件逃逸或进入。在图1中所示的实施例中，压力帽26装配在壳体上方，并且把压力帽利用超声波焊接到壳体上。在图3所述的实施例中，把穿过压力帽26的对应孔42压配合在壳体12中的柱40上方并且加热成永久密封件。压力帽26还具有孔口28，以允许气体在压力下穿过该孔口进入到第一腔体14中。定位在第二腔体16中的是信号放大器30。被定位在第二腔体16上的盖32把信号放大器30封在第二腔体16中。优选地穿过壁部件18被定位的电连接器形成在压力传感器22和信号放大器30之间的电连接。引线框32包括穿过壳体12延伸的多个电连接器34。引线框32形成与压力传感器20和信号放大器30的到外部电路上的电连接，该外部电路可在图未示的印刷电路板上。使用如在图2中所见的定位销36可把整个传感器组件10安装在印刷电路板上。在本发明另外的实施例中，压力传感器组件还可包括穿过壳体12的第二孔口38，以允许气体在压力下进入第一腔体14中。当使用第二孔口38时，与进入孔口38的气体相比，压力传感器组件可测量在进入孔口28的气体之间的压差。

在有效的实施例中，壳体12、压力帽26、孔口28与孔口38、柱40和盖32都由塑料材料构造并且优选地是任何热塑性工程级别塑料，该塑料适应于用来检测环境。这些是被选定以抵抗介质环境类型的材料，把压力传感器暴露到该介质环境中。弹性介质密封件24具有一定大小以使得它的侧壁适合于与(第一腔体)14的壁相邻接触。介质密封件24优选地具有用于与第一腔体孔14对准的中心通孔。介质密封件可由不受介质影响的弹性材料构成，将压力传感器设计成暴露到该介质中。一种适当的材料是带有10％至35％压缩的50-60硬度计的三元乙丙胶(EDPM)，可使用该材料防止介质环境进入第一腔体14和压力传感器的内部部件中。应该注意的是，即使在本文中使用弹性材料组成介质密封件，但是对本领域中的那些技术人员而言很好理解的是可用其它材料和技术来替换，比如适应的垫圈、密封件化合物等等，以便提供在传感器设备的电子组件和介质环境之间的密封件。本领域中的那些技术人员将能理解的是刚才所描述的热密封件方法是许多方法中的一种，可使用该方法来提供壳体12的气密密封件，比如应用材料熔合技术，该材料熔合技术使用激光、超声波、辐射热等等。此外，通过应用液体或半液体密封件化合物来有效地形成气密密封件，也可实现气密密封件。

设计压力传感器或(硅)片22以将介质密封件24邻接在该压力传感器的第一侧上。压力传感器的第二侧包含对组件的操作是必需的电引线的图形。把一个或多个引线连接到信号放大器30上，而把另外的引线连到一个或多个电连接器34上。对本发明有效的压力传感器在本领域中是公知的，并且一般可在商业上获得。适当的传感器是硅压阻传感器，比如MEMS硅压阻传感器。从Honeywell国际股份有限公司可买到其它适当的传感器，如型号24PC压力传感器。在一个实施例中，压力传感器具有带检测区域的第一侧和带图形电引线的、与弹性传导密封件20电连通的第二相对侧。检测区域与第一腔体14流体连通。

邻接压力传感器22第二侧的是弹性传导密封件20，该弹性传导密封件在商业上公知为带有被放置在其中的导电银条的“银堆叠连接器(silver stacks connector)”，以允许穿过传导密封件厚度的电传导，由此当在壳体14中把部件装载成彼此相对时，可提供在压力传感器22和引线框导体34之间的电连接。对本发明有效的传导弹性密封件非排他地包括传导区域，该传导区域由硅树脂橡胶和充满银的硅树脂橡胶的重复层组成。因为硅树脂橡胶的非传导层对于充满银的硅树脂橡胶条而言用作为绝缘体，所以电流仅仅在传导弹性密封件的相对侧之间传导。硅树脂橡胶层和充满银的层的交替公知为标准银堆叠(Standard Silver Stax)，这种材料由Elastomeric科技股份有限公司制造。

定位在第二腔体16中的是信号放大器30，该信号放大器与压力传感器电接触并且放大来自压力传感器的信号，该信号代表在第一腔体14中的流体比如空气或空气和水蒸气的压力。信号放大器优选地是在本领域中非常公知的专用集成电路(ASIC)。还可把ASIC使用于MEMS硅树脂压阻传感器的信号修整。可应用ASIC来校准和补偿压力传感器，其中在它的操作压力范围中总误差小于满量程输出(FSO)的±1％。总误差包括由于偏移和灵敏度所产生的结果，以及偏移和灵敏度的温度系数。因为对于压阻压力传感器的典型输出信号取决于温度，所以ASIC是有效的。有效的ASIC包括来自日本Tohoku的Fujikura有限公司的基于DSP的电路，该电路校正传感器的偏移和灵敏度。Fujikura的电路从-30℃操作到80℃。以0.7pm的双层多晶硅、双层金属n阱CMOS工艺制造Fujikura的ASIC。它具有sigma-delta 16位模数转换器、带有内置温度传感器的参考电压、16位DSP内核、101个多晶硅保险丝、电压增压调整器、10位数模转换器(DAC)、以及4MHz振荡器。使用多晶硅保险丝存储被校正的系数。通过串口或由10位DAC所提供的模拟信号可获得输出代码。这个电路还可补偿二次温度特征。它具有120个串口。内置的电荷泵使得它工作在额定3V下的电路中。“睡眠”模式减少了功率消耗。由新加坡的Microelectronics学院生产了另一种ASIC，该ASIC是带有熔线阵列的完全定制的模拟ASIC，其可获得从-40℃到125℃的上述性能。以0.8pm的双层多晶硅、双层金属CMOS工艺制造该ASIC。ASIC由内核模拟信号处理器、64位熔线阵列以及串联熔线接口构成。ASIC的数字部分提供在模拟信号处理器和控制器之间的接口。这个控制器通过串入串出通信协议把数据写到接口上并且从它读回数据。可把串口中的数据装载到熔线阵列中，以控制在模拟信号处理器中的各种电阻网络。可把这些电阻网络使用于各种可编程函数中。所有这些可编程元件使得可能对第一序列补偿校准、灵敏度和温度影响。ASIC的特征是使用5V电源输出0.5V至4.5V。对本发明有效的其它适当的信号放大器非排他地包括ZMD31050RB^IC系列的高级压差传感器的信号调理器，这在商业上可从纽约的Melville的ZMD美国股份有限公司获得。

再次参考图1-3，可以看到介质密封件22放置在第一腔体14中，该第一腔体与第一腔体孔连通。然后，把压力传感器22以与介质密封件24相接触的方式放置在第一腔体14中，以便它的检测区域与介质密封件24对准，朝着传导密封件20放置压力传感器22的图案化的电引线。把传导密封件20放置在第一腔体14中，以便它的传导条接触压力传感器22的图案化的电引线。一旦把压力帽26压配合在壳体12上，柱40就可用作为模制元件。在一种情形中，把压力帽26降低到柱40的上方，并且与壳体12一起热熔合。然后，柱材料熔化并且流到压力帽孔中以熔合塑料，由此提供与气密密封件大致齐平的盖。如在图3中所看到的，柱40穿过压力帽延伸。可选地，可利用超声波密封压力帽和壳体。然后，柱是备选的。在这点上，压力传感器的所有部件都夹在第一腔体中，把该第一腔体大致锁定在适当的位置中。

在图4-6中显示了本发明另外的实施例。为了检测在湿/湿压力传感器中的介质温度，压力腔体需要与ASIC(信号修整)腔体隔离。通过ASIC检测介质温度以补偿感应压阻桥的温度相关误差。在本实施例中，也存在两个腔体，用于容纳压力传感器(硅)片的第一腔体14和用于容纳ASIC的第二腔体16。ASIC具有用于热补偿的内置温度传感器。然而，在图1-3的构造中，对于湿/湿应用场合，第二腔体16与介质的隔离是热隔离和物理隔离。在这种情形下，ASIC将仅仅检测在它的第二腔体16中的周围温度，而不检测在第一腔体14中的介质温度，这对热补偿是重要的。

图4-6显示了具有导热通道44的压力传感器组件的另外实施例，该导热通道在压力传感器腔体14和信号放大器腔体16之间延伸。导热通道44确保在第二腔体16中的温度大致与第一腔体14中的温度相同。导热通道44优选地由高热导材料例如金属或热灌注混合物组成。为了确保较少的热损失和较快的热响应，本领域中的那些技术人员可易于确定最佳横截面和通道长度。这种导热通道帮助介质温度从包含第一腔体14的压力介质传输到包含第二腔体16的ASIC，同时仍然将包含第二腔体16的ASIC与湿压力介质隔离。对导热通道和具有内置温度传感器的ASIC的使用消除了对包含第一腔体14的压阻(硅)片中的额外热传感器的需要，并且还消除了将热传感器连接到ASIC上的所需的相互连接。由于在PCB上没有空间用于额外的热传感器和被包含的相关相互连接，所以这提供了对于SMT压力传感器组件的温度补偿的理想方式。这还利用了在ASIC中的内置热传感器并且省去了引入作为压阻压力传感器(硅)片的一部分的额外热传感器。这提供了低成本、紧凑、易于实施的技术，其中压阻压力传感器和信号修整ASIC二者都是相同的温度，因此使得校准更精确。

尽管已经特别图示和参考优选实施例描述了本发明，但是本领域中的那些普通技术人员将易于理解的是在不偏离本发明精神和范围的情况下可做出各种变化和修改。预期的是被解释的权利要求覆盖所公开的实施例、在上面已被讨论的那些可选方案以及所有那里的等价物。

Claims (14)

1.一种压力传感器组件，所述压力传感器组件包括：

a)其中具有第一腔体和第二腔体的壳体，以及分隔所述第一腔体和所述第二腔体的壁部件；

b)定位在所述第一腔体中的传导弹性垫；

c)定位在所述传导弹性垫上的压力传感器；

d)定位在所述压力传感器上的弹性介质密封件；

e)在所述弹性介质密封件上的压力帽，所述压力帽连到所述壳体上，以致所述压力帽和所述壳体一起形成气密密封件，所述气密密封件防止气体穿过所述气密密封件逃逸或进入；所述压力帽还具有孔口，以允许气体在压力下穿过所述孔口进入所述第一腔体中；

f)定位在所述第二腔体中的信号放大器，以及在所述第二腔体上的盖，所述盖把所述信号放大器封在所述第二腔体中；

g)穿过所述壁部件的、形成位于所述压力传感器和所述信号放大器之间的电连接的电连接器；

h)包括穿过所述壳体延伸的多个电连接器的引线框，所述引线框与所述压力传感器及所述信号放大器形成电连接。

2.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于，所述压力传感器组件还包括穿过所述壳体的第二孔口，以允许气体在压力下进入所述第一腔体中。

3.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于，所述压力帽通过超声波焊接连到所述壳体上。

4.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于，所述压力帽通过多个柱连到所述壳体上。

5.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于，所述压力传感器组件还包括从所述第一腔体延伸到所述第二腔体的导热通道。

6.一种生产压力传感器组件的方法，所述方法包括：

a)提供其中具有第一腔体和第二腔体的壳体，并提供分隔所述第一腔体和所述第二腔体的壁部件；

b)把传导弹性垫定位在所述第一腔体中；

c)把压力传感器定位在所述传导弹性垫上；

d)把弹性介质密封件定位在所述压力传感器上；

e)在所述弹性密封件上方把压力帽连到所述壳体上，以致所述压力帽和所述壳体一起形成气密密封件，所述气密密封件防止气体穿过所述气密密封件逃逸或进入；所述压力帽还具有孔口，以允许气体在压力下穿过所述孔口进入所述第一腔体中；

f)把信号放大器定位在所述第二腔体中，然后把盖定位在所述第二腔体上，所述盖把所述信号放大器封在所述第二腔体中；

g)提供穿过所述壁部件的、并且形成在所述压力传感器和所述信号放大器之间的电连接的电连接器；

h)提供引线框，所述引线框包括穿过所述壳体延伸的多个电连接器，并且形成位于所述引线框和所述压力传感器之间的、以及位于所述引线框和所述信号放大器之间的电连接。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括穿过所述壳体的第二孔口，以允许气体在压力下进入所述第一腔体中。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括把所述压力帽通过超声波焊接连到所述壳体上。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括把所述压力帽通过多个柱连到所述壳体上。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述压力传感器组件还包括从所述第一腔体延伸到所述第二腔体的导热通道。

11.一种确定流体压力的方法，所述方法包括：

i)提供压力传感器组件，所述压力传感器组件包括：

a)其中具有第一腔体和第二腔体的壳体，以及分隔所述第一腔体和所述第二腔体的壁部件；

b)定位在所述第一腔体中的传导弹性垫；

c)定位在所述传导弹性垫上的压力传感器；

d)定位在所述压力传感器上的弹性介质密封件；

e)在所述弹性介质密封件上的压力帽，把所述压力帽连到所述壳体上，以致所述压力帽和所述壳体一起形成气密密封件，所述气密密封件防止气体穿过所述气密密封件逃逸或进入；所述压力帽还具有孔口，以允许气体在压力下穿过所述孔口进入所述第一腔体中；

f)定位在所述第二腔体中的信号放大器，以及在所述第二腔体上的盖，所述盖把所述信号放大器封在所述第二腔体中；

g)穿过所述壁部件的、在所述压力传感器和所述信号放大器之间形成电连接的电连接器；

h)包括穿过所述壳体延伸的多个电连接器的引线框，所述引线框与所述压力传感器和所述信号放大器形成电连接；

ii)使流体穿过所述孔口流到所述第一腔体中；

iii)用所述压力传感器测量所述腔体中的流体压力并且把电信号发到所述信号放大器，所述电信号对应于来自所述压力传感器的所测压力；

iv)用所述信号放大器放大所述电信号以形成放大信号，其中所述电信号对应于来自所述压力传感器的所测压力，并且将所述放大信号发到与所述引线框连接的电连接部上；

v)在被电连接到所述引线框上的显示器上显示对应于所测压力的标记。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括穿过所述壳体的第二孔口，以允许气体在压力下进入所述第一腔体中。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述压力传感器组件还包括穿过所述壳体的第二孔口，以允许气体在压力下进入所述第一腔体中；使第二流体穿过所述第二孔口流到所述第一腔体中；且步骤(iii)包括测量在所述流体和所述第二流体之间的压差。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述压力传感器组件还包括从所述第一腔体延伸到所述第二腔体的导热通道。

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