CN101421601A - 一次性压力传感器系统及其封装 - Google Patents

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S·R·希菲尔
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Abstract

一次性压力传感器系统包括一次性传感器组件，其具有承载在壳体或框架上的至少一个传感元件和用于将(多个)传感元件连接到外部设备或装置上的至少一个电连接器和/或机械连接器。机械连接器和/或电连接器集成到壳体或框架中，使得(多个)连接器和(多个)传感元件封装于单个部件中。组件可集成到或附连到诸如透析筒的流体承载模块上，使得(多个)传感元件可传感该模块中的流体。

Description

一次性压力传感器系统及其封装
技术领域
实施例大体而言涉及传感器，更具体地涉及压力传感器和制造这种传感器的方法。实施例另外还涉及一次性压力传感器和用于医学应用和其它应用的一次性压力传感器系统。实施例还涉及用于一次性流体承载模块的一次性压力组件，一次性流体承载模块诸如在医学应用中使用的流体筒和管道。
背景技术
在单次使用型应用中，诸如医学系统和仪器，其中由于清洁和消毒要求，传感器的重复使用是不利的，因此需要一次性传感器，这种一次性传感器可以以成本效益方式来实施。
用于传感器的电子封装(package)通常具有用于容纳传感器的基础级封装，之后为用于容纳电连接和机械连接的另一级封装，需要这种电连接和机械连接使得传感器与装置适当地连接。因此，由于相对较多的组成构件数目，昂贵的材料和/或处理要求，以及生产已封装的传感器和将它们集成到应用的仪器或设备内所需的较多制造-工艺步骤数目，典型的传感器组件/封装并不特别地适合于这种应用。
因此需要压力传感方案，特别是一次性传感器来提供超低成本的组件，其可更容易地且更具成本效益地集成到最终应用或系统内。
因此，本文所公开的实施例直接解决了现有压力传感器的缺点，其提供低成本的一次性压力传感器组件和与其相关联的封装，该封装可简单地且具有成本效益地集成到仪器及其它器械内。
发明内容
提供下文的发明内容以便于理解本发明独特的创新特征中的某些特征，并且发明内容不是本发明的全面描述。通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要作为一个整体来获得本发明的各种方面的全面的认识。
因此，一个方面提供一种用于压力传感器的改进的一次性封装。
另一方面提供一种一次性压力传感器。
又一方面提供一种用于诸如血压传感的医学应用的一次性压力传感器系统。
再一方面提供一种形成一次性压力传感器系统的方法。
现将如本文所述来获得前述方面和其它目的和优点。本发明公开了用于压力传感器的一次性封装。该封装具有用于在其上承载至少一个传感元件的壳体或框架和用于将(多个)传感元件连接到外部设备上的至少一个机械连接器和/或电连接器。一个或多个连接器集成到壳体中使得(多个)连接器和(多个)传感元件封装于单个部件中。
通过将诸如(多个)压力传感器管芯的(多个)传感元件合并到与电连接器相同的框架或壳体上，排除了制造传感器所必需的某些部件和电连接。举例而言，不再需要单独的专用壳体来容纳传感器。而且，将电连接器合并到框架上排除了对提供单独的电缆连接器组件来将传感器电连接到外部设备的协作连接器上的需要。而且，多个传感元件可附连到同一个壳体上。因此，可利用较少的部件和相关联的工艺步骤来制造传感器系统，从而能够提供低成本的传感器系统。
一个或多个机械连接器可采用整体地形成于壳体或框架中用于将传感器连接到诸如透析筒的流体承载模块上的(多个)机械连接的形式。可选地或另外地，壳体可包括整体地形成的机械连接和/或电连接来将(多个)传感器连接到用于测量(多个)传感器的输出信号的测量设备上。一次性封装可包括也整体地形成于壳体中用于将流体压力传递到(多个)传感元件的一个或多个窗口或端口，传感元件可例如为压力传感元件。用于将(多个)壳体窗口或端口密封到装置的相应流体端口的一个或多个密封接合或连接器也可集成到壳体中。
壳体或框架可为模制塑料件，其具有图案化的金属化层以便形成将传感器合并到该应用中所需的电连接。
根据另一方面，一次性压力传感系统具有一次性传感器组件，一次性传感器组件具有承载于壳体或框架上的一个或多个传感元件。用于将(多个)传感元件连接到设备或装置上的一个或多个电连接器和/或机械连接器集成到壳体中，用于将流体压力传递到(多个)传感元件上的窗口或端口也可集成到壳体中。一个或多个密封连接件可集成到壳体中用于将壳体密封到装置上，使得(多个)传感元件可检测该装置所保持的或流经该装置的流体的压力。
机械连接器中的一个或多个可为用于将压力传感器组件牢固地附连到流体承载模块和/或测量设备上的机械连接。
一次性压力传感器系统可包括流体承载模块，诸如用于透析机的筒，集成到壳体中的机械连接器中的一个或多个可为被构造成与流体承载模块上的相应连接件相协作的机械连接件。举例而言，筒和壳体的机械连接可被构造成使得压力传感器组件可被按扣或闩锁到筒上。
如果必要的话，壳体或框架可与流体承载模块集成在一起。流体承载模块可例如为导管或透析筒。一个或多个调整构件可承载于壳体上且电连接到(多个)传感元件，用于调整或偏置(多个)传感元件的输出信号。(多个)传感元件可为(多个)反应性离子刻蚀膜片，从而进一步减少压力传感器的成本。
根据本发明的又一方面，形成一次性压力传感器系统的方法包括形成壳体或框架，在框架中整体地形成连接部分，在连接部分上沉积导电材料以便将至少一个电连接器集成到壳体中，将至少一个压力传感元件附连到壳体上，以及将传感元件电连接至导电材料。
附图说明
附图还说明了本发明且与本发明的具体实施方式一起用于解释本发明的原理，在所有独立的附图中，类似的附图标记表示相同或功能类似的元件，且附图结合到说明书中并且构成说明书的一部分。
图1表示压力传感器系统的截面图，该压力传感器系统具有附连到一次性流体承载模块上的一次性压力传感器组件的第一实施例。
图2表示从图1所示的压力传感器组件的后侧所取得的平面图，但移除了用于盖住一个压力传感元件中的一个保护性盖子，
图3表示从压力传感器系统的上方所取得的平面图，该压力传感器系统具有一次性压力传感器组件的第二实施例，该一次性压力传感器组件与一次性流体承载模块对准，以附连到该一次性流体承载模块上，
图4表示压力传感器系统的截面图，该压力传感器系统具有部分地插入到一次性流体承载模块内的一次性压力传感器组件的另一实施例，
图5表示自图4的组件上方所取得的前部透视图，其中该压力传感器组件完全插入到流体承载模块内，以及
图6表示图4的按扣式配合到外部控制器上的压力传感器组件的截面图，其中流体承载模块承载于压力传感器组件上，以及
图7与图8表示根据又一实施例的一次性医学压力传感器系统的透视图和分解图。
具体实施方式
参看附图中的图1和图2，其表示压力传感器系统的截面图和后视图，该压力传感器系统具有附连到流体承载模块上的压力传感器组件的第一实施例，压力传感器系统1具有压力传感器组件或封装2，其包括一个或多个压力传感元件4用于传感保持于一次性流体承载模块16中的流体8的压力，一次性流体承载模块16诸如用于血液透析机中的一次性筒。如将在下文中更详细地解释，压力传感器组件2包括壳体或框架3，其不仅用作传感元件4的衬底而且还形成将传感器合并到应用中所需的所有电连接和机械连接。因此，传感元件及其相关联的连接可一起封装到一个部件上，即封装到壳体3上，这能够在制造和使用的所有阶段减少材料和组装成本。
在图1所示的实施例中，壳体3由塑料，例如诸如聚碳酸酯材料的注塑聚合物形成，但壳体可由其它适当材料制成。而且，在图1的说明性实施例中，压力传感器组件2具有三个压力传感元件4用于传感保持于模块16的相应各个腔室18中的流体的压力，然而组件2可具有单个传感元件4或任意数目的传感元件4用于传感保持于任意数目的腔室18中的流体压力。而且，压力传感器组件2可用于传感由除了一次性模块16之外的设备所承载的流体压力。
壳体3包括面板5，面板5用作传感元件4的支承衬底，传感元件4利用诸如室温硫化硅(RTV)的适当结合材料来附连到面板的背面23上。传感元件4被布置成与形成于面板5中的相应窗口或入口14相连通，用于在压力下传输流体以便向流体8暴露(多个)传感元件的一侧且向例如大气压力的参考压力24暴露另一侧。
面板5还包括用于将压力传感器组件2牢固地附连到处于操作位置的模块16上的机械连接件21，在操作位置，入口14与模块的相应出口9邻近，使得传感元件可检测从相应腔室18传输到出口的流体8。形成于面板3上的密封接合表面25具有设置于其中的相应‘O’形环7，用于将入口14密封到相应出口9上。
在此特定实施例中，面板15的周向边缘形成机械连接件21，机械连接件21可利用从模块背面29的相对侧上垂直地延伸的一对闩锁臂20来闩锁到模块16上。然而，压力传感器组件2可使用其它技术来连接到模块16上，例如通过超声波或激光将机械连接件21焊接或结合到模块上。而且，不同于密封接合表面25的结构或除了密封接合表面25之外的结构可合并到壳体内，用于将入口14密封到出口9，诸如凸缘，螺纹端口或夹子。
传感元件4的电路利用丝焊件(wire bond)10电连接到金属化塑料接触盘(未图示)上，而金属化塑料接触盘连接到金属化塑料电互连件或迹线27。壳体3还包括臂6，臂6从面板后部23垂直地延伸，并且在其上承载电端子11以便限定电连接器30。电端子11利用电互连件27电联接到丝焊件10，电端子11被布置成用于电连接到测量设备(未图示)的相应配合连接件上，压力传感器组件2可附连到该测量设备上。将压力传感器组件2机械地附连到测量设备上造成电端子11与测量设备的相应配合连接件相配合，使得可向测量设备提供传感元件4的输出信号用于信号调节和处理。
在此特定实施例中，通过例如使用本领域中已知的金属沉积工艺，诸如Cybershield所研发的ExactTM工艺向壳体3上沉积导电材料而形成电端子11和互连件27，或可选地，利用诸如喷墨的直接写入工艺来沉积金属和导电聚合物/复合物。导电材料的沉积也可用于形成接地平面金属化(ground plain metallization)和屏蔽来自传感器的射频干扰的其它类似方法。
图1所示的电连接器30为矩形卡构造，但电连接器30可通过塑料壳体3的适当模制和形成电路迹线或端子11而被制造成任何所期望的形状或格式。有利地，电路迹线27可从传感器的丝焊件10或其它传感器互连件持续地延伸到任何形状的电连接器30而无需任何额外的组装。
在图1的说明性实施例中所示的传感元件4是微加工压阻式(PZR)硅装置。优选实施例使用含有空腔的管芯，该空腔具有通过在硅中对膜片进行反应性离子刻蚀(DRIE)而在管芯上形成的垂直侧壁。由于空腔具有垂直侧壁，可获得比标准各向异性湿法刻蚀所能获得的更小的管芯尺寸。采用这种方式，在6＂晶圆上的管芯数目可高达30,000，其可造成减少的单位管芯成本。举例而言，面积(覆盖区(footprint))仅为650μm×650μm的管芯可在市场上获得。可选地，可采用其它MEMS压力传感元件，特别是表面微加工结构，由于制造了薄的膜片，其可允许较小的尺寸。
图1所示的每个PZR-Si传感元件4被布置为管芯(“裸管芯”)上的惠斯登电桥。为了满足应用的精确度和灵敏度以及偏置要求，可使用本领域中已知的调整构件来提供额外调整和信号调节。在图1的说明性实施例中，通过诸如安装到面板后部23上的电阻器表面的相关电阻器13来对每个传感元件4进行这种调整，电阻器13利用电互连件29与电桥电串联以提供量程调整。举例而言，一个表面安装电阻器13可在生产测试后并联添加，并且其它的电阻器在测试之前装配以便能够仅使用在应用中所用的四个连接来进行校准测试测量(+/-供应和+/-输出)。例如，可提供所得的串联电阻，以在5V供电下100mV输出将压力量程设定到1巴度量(gage)。可采用另一调整组件来在诸如环境(0巴度量)的参考压力下使用校准来提供该应用中的偏差校正。
替代地，可利用单个厚膜电阻器来替换电阻器13，单个厚膜电阻器的电阻可通过向激光暴露而被改变(即，可由激光调整的电阻器)。
如果例如使用直接沉积于硅压力管芯上的铬硅(CrSi)电阻器来实现芯片级调整，那么可省略诸如电阻器13的外部调整构件，以便允许更少的构件和更低的总传感器成本。可在处于晶圆形式的同时或在将传感元件附连到壳体上之后，例如通过对传感器管芯进行激光调整来执行该芯片级调整处理，从而允许对封装导致的偏置进行补偿。
可采用夹持到或结合到传感元件4和电路上方的面板后部上的保护性盖子12或帽来提供传感元件和电路机械保护。如果传感元件和电路需要例如在蒸汽消毒过程中防止受到液体和/或气体或者受到化合物、微粒、与之相关的杂质的破坏，可使用O形环、RTV、环氧树脂或胶粘剂来将盖子12密封于适当位置。在需要参考诸如大气的压力介质24的情况下，如在图1的说明性实施例的情况下，盖子12包括通风材料或多孔材料31，诸如PTFE，其形成透气孔/过滤器来提供对大气压力的参考同时防止水分等的侵袭或进入。或者，可施加PTFE涂层来将保护性盖子12密封到壳体上，从而形成透气层。
若需要，可采用电路迹线11、27，丝焊件10和/或传感元件4的钝化来防止这些部件向局部环境下的液体/气体和/或清洁流体暴露。举例而言，可使用在本领域中已知的PTFE(Teflon)涂层技术，如GVDcorporation，Massachusetts所提供的技术。或者，可施加本领域中标准的诸如硅凝胶的凝胶填充材料来提供传感元件和/或电连接和/或管芯附连材料与介质和/或参考环境的物理隔离和/或电隔离。
而且，如果需要隔离电磁干扰，则盖子12可被金属化，并且如果必要的话，可使用导电性胶粘剂来将其连接到塑料壳体的金属化上的公共点。盖子12还可根据需要支承标签或甚至智能标签，诸如RFID标记来提供用于组件的各种数据/数据储存。
优选地，为了易于生产组件，利用卷到卷工艺来制造压力传感器组件，诸如在2005年6月23日公开的名称为“Plastic Lead FramesUtilizing Reel-to-Reel Processing”的Shiffer等人的美国专利申请公开No.US2005/013659 A1中所公开的卷到卷工艺，该专利申请以引用的方式结合到本文中。塑料部件或衬底在承载件上运输用于基于初始部件来制造压力传感器组件。卷到卷原理允许多个制造操作在初始部件上实施，诸如用于形成壳体的塑料成型操作和用于形成电路的电路构造操作，从而形成最终压力传感器组件。
优选地，壳体3经过全自动组装线，其中金属化工艺之后为传感元件的附连(RTV/环氧树脂/倒装芯片结合)，丝焊件10或其它形式的导电结合，诸如各向异性导电胶粘剂，以与传感元件4进行电连接，之后为构件的装配和/或校准/调整/测试，之后为钝化和/或保护帽12的附连。组装部件保持为卷的形式以供应到用于整个系统的组装线内，例如OEM制造线，诸如用于制造一次性筒/盒的制造线，其中可分离低成本传感器组件并将其夹持并密封到适当位置。
现参看图3，其表示具有一次性压力传感器组件的第二实施例的压力传感器系统的平面图，该一次性压力传感器组件与一次性流体承载模块对准以附连到该一次性流体承载模块上，该压力传感器组件102的构造类似于图1所示的实施例的压力传感器组件2的构造，除了壳体103包括单个电接头或插头106用于将所有三个传感元件104电连接到仪器或器械上用于处理来自传感元件104的输出信号。传感器组件102可牢固地附连到模块116上，模块116具有与图1的模块16类似的构造。传感器组件102可按扣配合、结合或焊接到模块116上。
图4和图5分别表示具有部分地且完全地按扣配合到一次性流体承载模块316上的压力传感器组件的无源传感器系统的另一实施例的截面图和透视图，在此特定实施例中，一次性流体承载模块316包括用于连接到相应的永久性/可重复使用的器械上的一次性筒。压力传感器组件302的构造类似于与图1的压力传感器组件2的构造，但所示的壳体部分303具有单个入口或端口314用于从筒316中的空腔317传输流体318到压力传感器(未图示)。壳体303被构造成使得在压力传感器组件按扣配合到筒316上时使端口314插入到筒的相应端口309内。
如在图5中最佳地说明，用于将压力传感器组件302电连接到永久性器械上的电连接器306包括布置于壳体后部中的多个电接触端子311。参看图6，其表示连接到永久性器械350上的压力传感器组件302以及组件302附连到其上的一次性盒316的截面侧视图。压力传感器组件302的壳体303被构造置成可闩锁到永久性器械350的空腔360内，使得压力组件302和相关的盒316可牢固地附连到永久性器械上。永久性器械350包括安装于空腔360中的弹簧加载接触点356，其被布置成在压力组件闩锁于永久性器械中适当位置时与组件302的相应电端子311进行电连接，使得来自压力传感器组件302的输出信号可被供应到永久性器械用于进一步处理。
一次性壳体302和永久性设备350可具有替代图6所示的机械连接和/或电连接的机械连接和/或电连接，用于将附连到盒上压力组件机械连接和/或电连接到永久性器械上。而且，根据对于流体传输/控制/测量的应用要求，一个或多个通道或通路和/或端口(未图示)可模制于同一个壳体303中，例如如图3所示。
根据又一实施例的压力传感器系统示于图7和图8中，其表示一次性医学压力传感器系统的透视图和分解图。压力传感器系统400被实施为用于从身体抽吸流体或将流体引入到身体内的一次性导管400。压力传感器组件的壳体或框架405的一端450整体地形成于导管流量管416的侧壁中，以便将压力传感器组件合并到流量管内。框架405具有在基本上垂直于流量管轴线460的方向远离流量管延伸的矩形构造。通过将压力传感器管芯404在端部450定位于框架上侧451上，将压力传感器管芯404直接安装到流量管416上。传感器管芯密封于在传感器管芯与流量管416的内部之间连通的压力端口或通路(未图示)上，使得流经流量管的流体可施加到压力传感器管芯从而进行传感。盖或帽472也可在端部450附连到上侧451，以便覆盖并保护传感器管芯404和传感器互连件461。
形成于框架上侧451上、采用导电迹线或互连件的形式的电连接件411远离压力传感器互连件461延伸到框架远端452，框架远端452被构造成可插入到测量设备的电内螺纹连接器430的接收通路内。框架405和电连接件411一起限定塑料引线框架405、411。框架405和电连接件411限定电连接器406，其用于与用于测量压力传感器的输出信号的测量设备的相应连接器430电连接。
用于控制流体到流量管416内的流量的截止阀470也整体地形成于流量管中，如同用于接收利用管夹或夹钳474而紧固到其上的管道的配件471-473上的各种按钮。
在图7的说明性实施例中，流体承载部件是导管流量管，但是壳体或框架可集成到流量管之外的流体承载部件内，诸如，图1所示的压力传感器系统的筒。而且，集成的流量管和框架形成为注塑单一结构。然而，也可采用适合于将流量管和框架形成为能够承载流体和框架传感器管芯以及相关电路的单一结构的其它材料。
通过将框架405合并到流量管416或其它流体承载部件内，无需提供单独的机械连接器或连接件来将压力组件连接到流体承载部件上。而且，通过将压力传感器管芯合并于塑料引线框架405、411上，排除了制造压力传感器组件所必需的许多部件和电连接件。举例而言，不再需要单独的专用壳体来容纳压力传感器。而且，将电连接器合并于框架上排除了提供用于将传感器电连接到内螺纹连接器上的单独的电缆连接器组件的需要。因此，可利用较少的部件和相关工艺步骤来制造压力传感器系统，从而能够提供低成本的压力传感器系统。
所陈述的描述不是本发明的详尽描述或者限制本发明的范围。在不偏离权利要求书的范围的情况下，鉴于上文的教导内容，可能做出许多修改和变化。举例而言，本领域技术人员应了解的是，如本文的说明性实施例所示，具有集成的电连接器和机械连接器的金属化塑料壳体可应用于其它传感系统，诸如温度、速度和位置传感系统。应了解，本发明的使用可涉及具有不同特征的构件。预期本发明的范围可由权利要求书限定，从而对等效物在所有方面进行完全地认识。
提供本文所陈述的实施例和实例来最好地解释本发明及其实践应用，从而使得本领域技术人员能够制造和利用本发明。然而，本领域技术人员应认识到的是，前文的描述和实例仅是出于说明和实例目的。本发明的其它变化和修改对于本领域技术人员将显而易见，并且权利要求书意欲涵盖这种变化和修改。

Claims (10)

1.一种用于压力传感器的一次性封装，其包括：
用于在其上承载至少一个传感元件的外壳或框架；和
用于将所述至少一个传感元件连接到外部设备上的至少一个连接器，所述至少一个连接器集成到所述壳体内。
2.根据权利要求1所述的一次性封装，其特征在于，所述至少一个连接器包括用于将所述至少一个传感元件附连到流体承载模块和/或其它装置上的机械连接件。
3.根据权利要求1所述的一次性封装，其特征在于，所述一次性封装还包括至少一个窗口或端口，其整体地形成于所述壳体中用于将流体压力传递至所述至少一个传感元件。
4.根据权利要求1所述的一次性封装，其特征在于，所述至少一个电连接器包括沉积于所述壳体上的导电材料。
5.根据权利要求1所述的一次性封装，其特征在于，所述一次性封装包括用于接收多个所述传感元件的附连部分和用于将所述传感元件电连接到相应的所述电连接器上的电互连件。
6.根据权利要求1所述的一次性封装，其特征在于，所述壳体包括塑料，并且所述塑料壳体被金属化以便形成在其上具有所述至少一个电连接器的塑料引线框架。
7.一种一次性压力传感器系统，其包括：
一次性传感器组件，其包括：
承载于壳体或框架上用于传感流体压力的至少一个传感元件，和
用于将所述至少一个传感元件连接到至少一个设备或装置上的至少一个连接器，所述至少一个连接器集成到所述壳体中。
8.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述系统还包括窗口或端口，其集成到所述壳体中用于将流体压力传递至所述至少一个传感元件。
9.一种形成压力传感器系统的方法，所述方法包括：
形成壳体或框架；
在所述框架中整体地形成连接部分；
在所述连接部分上沉积导电材料，以便将至少一个电连接器集成到所述壳体中；
将至少一个压力传感元件附连到所述壳体上，以及
将所述至少一个压力传感元件电连接到所述导电材料上。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述壳体中整体地形成至少一个机械连接器用于将所述壳体连接到流体承载模块上，使得所述至少一个传感元件检测承载于所述模块中的流体的压力。
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C06 Publication
PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication