CN101769772B - 具有带传导性互连件的密封件的热风速仪流量传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有带传导性互连件的密封件的热风速仪流量传感器装置，具体而言，提供了一种流量传感器装置和方法。本发明提供了一种带有传导性互连件的密封件，该密封件包括安装在外壳上的质量流量传感元件，质量流量传感元件包含厚膜和/或薄膜桥接结构，用于感测流量管中的介质(例如质量流)。这种密封件有效地将丝焊焊盘及电气连接与所感测的介质隔离开。无论是液体或气体的介质都可能包含离子，其最终会污染质量流量传感元件的顶部。带有传导性互连件的密封件的使用因而密封住电气连接，并防止了暴露于所感测的介质。

Description

具有带传导性互连件的密封件的热风速仪流量传感器装置

临时申请的交叉引用

本申请要求享有题名为“Thermal Anemometer Flow SensorApparatus with a Conductive Seal”的序列号为No.61/140,309的美国临时专利申请的优先权，该申请于2008年12月23日提交，并通过引用而结合在本文中。

技术领域

实施例一般地涉及流量传感器。实施例还涉及热风速仪。另外，实施例还涉及热风速仪流量传感器装置。

背景技术

在例如用于汽车发动机的燃料控制的应用中需要精确地测量空气流的质量流率。质量流量测量在大多数住宅、商业和工业应用中是关键部分。适当的流量测量可确保平衡、能量效率和成本效率。热风速仪可用于测量所感测介质的质量流量和温度。

大多数现有技术的热风速仪包括使用质量流量传感元件，其安装在陶瓷衬底上并包含带有离散信号调节电路的厚膜和/或薄膜桥接结构。离散信号调节电路可用于将所感测的流量转换成比例模拟输出信号。利用印刷电路板(PCB)或陶瓷衬底上的丝焊(wire bond)和导线可将质量流量传感元件和信号调节电路连接起来。典型地，这种丝焊和导线具有进一步与所感测的介质相互作用并形成离子污染的倾向，这可能导致错误的电信号或导致最终故障。另外，丝焊可能增加了不期望的紊流并改变流响应。在例如液流的高质量通量环境中，导线还容易由于其细薄和清洁传感器的尝试而受损。不幸的是，这种热风速仪容易由于丝焊和导线反复或长期地暴露于例如湿气、化学物品等的外部环境中而受到由此造成的损伤。

基于前面所述，认为目前存在对于一种改进的热风速仪流量传感器装置的需求，该热风速仪流量传感器装置具有带传导性互连件的密封件，该密封件用于将传感芯片桥(die bridge)(薄膜或厚膜)电连接到信号调节电路上并提供密封，以便将传感桥物理地从外部环境隔开，如本文中更详细地所述。这种结构的设计使得能够以合理的成本进行广泛的质量流量感测，并在迄今不利的环境中提供无故障运行。

发明内容

提供以下概述以促进对所公开实施例的某些独特新颖的特征的理解，而不是意在成为完整的描述。通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要视为一个整体，可获得对实施例的各个方面的完整的理解。

因此，本发明的一个方面是提供一种改进的质量流量传感器装置和形成该装置的方法。

本发明的另一方面是提供一种具有带传导性互连件的密封件的改进的热风速仪流量传感器装置，包括其方法。

如本文所述，现在可以实现前述方面以及其它的目的和优势。本发明公开了一种具有带传导性互连件的密封件的热风速仪流量传感器装置，包括其方法，该装置包括安装在外壳上的质量流量传感元件，该质量流量传感元件包含用于感测流量管中的质量流量的厚膜和/或薄膜桥接结构。带有传导性互连件的密封件可用于将传感桥电连接到信号调节电路上，从而提供密封来将传感桥物理地从湿气、化学物品等隔离开。流量传感桥输出可传递给信号调节电路，以便将所感测的质量流量转换成比例模拟输出信号。这种流量传感器装置消除了对于从流量传感桥至信号调节电路的丝焊的需求，这减小了传感器的整个基底面(footprint)。

带传导性互连件的密封件可用作用于感测质量流量的流动通道的一部分。质量流量传感元件还可与带传导性互连件的密封件进行电气结合，以便将若干外部电气端子或引线框电连接到质量流量传感元件上。桥接结构提供了对流量传感元件上的空气或其它气体流的灵敏而快速的响应。带传导性互连件的密封件可用于倒置地安装流量传感元件，从而防止湿气进入以及尘粒堆积在热风速仪流量传感器装置中。带传导性互连件的密封件将与流量传感元件相关联的传导垫与湿气隔离开，从而防止传导垫受到湿气相关的腐蚀。

与流量管相关联的盖子可添加到流量传感元件的一个侧面上，该盖子包括入口和出口。流量传感桥元件典型地连接在惠斯通桥接电路中，以便将所感测的质量流量转换成相应的电压。带传导性互连件的密封件可将功率从流量传感桥应用于信号调节电路上，并将流量传感桥的输出传递给信号调节电路。流量管可用于引导穿过热风速仪的流量传感元件的非紊流流量。这种流量传感器装置较小，成本低廉，更为强健，并且更容易利用带传导性互连件的密封件进行装配，从而消除了对于丝焊的需求。

所公开的实施例提供了许多优势，包括得益于带传导性互连件的密封件的好处，该密封件将丝焊焊盘及电气连接与所感测的介质隔离开。不管是液体或气体的介质都可能包含离子，介质最终会污染质量流量传感元件的顶部。如果带传导性互连件的密封件已经密封住这些电气连接，并防止了暴露于所感测的介质，那么这种情形将不会发生。

附图说明

附图进一步显示了实施例，并与具体实施方式一起用于解释这里所公开的实施例，其中，相似的标号指贯穿各个视图中相同的或功能上相似的元件，并且这些附图结合在说明书中并形成说明书的一部分。

图1显示了可在其中实施本发明的实施例的热风速仪流量传感器装置的分解图；

图2显示了根据一个优选实施例的图1中所描绘的热风速仪流量传感器装置的侧截面图；

图3显示了根据一个优选实施例的图1中所描绘的热风速仪流量传感器装置的前截面图；

图4显示了根据一个优选实施例的与U形流量管相关联的热风速仪流量传感器装置的透视图；

图5显示了根据一个优选实施例的图4中所描绘的热风速仪流量传感器装置的侧截面图；

图6显示了根据一个优选实施例的图4中所描绘的热风速仪流量传感器装置的前截面图；和

图7显示了运行流程图，其显示了利用具有带传导性互连件的密封件的热风速仪流量传感器装置感测质量流量的方法的逻辑运行步骤，该热风速仪流量传感器装置可根据一个备选实施例而实现。

具体实施方式

这些非限制性的示例中所讨论的特定的值和结构是可变的，并且仅仅被引用来显示至少一个实施例，而并不意图限制其范围。

图1显示了本发明的实施例可在其中实现的热风速仪流量传感器装置100的透视图。注意热风速仪流量传感器装置100可采用适合于具体的住宅、商业或工业应用的各种广泛的形式。流量传感器装置100可设计成利用半导体技术。装置100通常包括外壳150和与流量盖110相关联的流量管170。热风速仪流量传感器装置100还包括质量流量传感元件130，该传感元件可与专用集成电路(ASIC)190集成一体。质量流量传感元件130可构造成包括薄膜和/或厚膜桥接结构(即未显示的厚膜)，用于感测流量管170中的质量流量。薄膜的一个示例是例如基于硅的MEMS结构或用于质量流量传感元件的微桥(microbridge)。厚膜的一个示例是一种基于混合的结构。

质量流量传感元件130还可与带传导性互连件的密封件140电气地结合，从而将若干外部电气端子或引线框160电连接到空气流量传感元件130上。空气流量传感元件130和密封件140可结合到金属或塑料外壳150中，电气端子或引线框160可模制于该外壳150中。密封件140可充当流量管170的一部分，用于感测所感测介质的流量。注意如本文所用，术语“介质”通常指流过流量管170的流体、空气、气体等。

图2显示了根据一个优选实施例的热风速仪流量传感器装置100的侧截面图。注意在图1-7中，相同、相似的部件或元件通常由相同的标号表示。密封件140将流量传感元件130电连接到引线框端子上。根据一个备选实施例，外壳可备选地包含ASIC芯片190，并且流量传感元件的输出信号可连接在ASIC的输入上。例如，本文提到的ASIC芯片可包含大型功能，例如微处理器、存储块或通信块，其可通过少量的胶合逻辑而配合。集成在传感器装置100中的ASIC芯片190导致信号放大。

整个热风速仪流量传感器装置100可通过任何其它塑性连接工艺进行热密封或连接。注意外壳150可由诸如塑料等的材料形成。另外，流量管170允许传感器装置100通过流动路径120而与质量流量相接触。流量管170适合于供现有的流量系统使用，并因此成形为圆形的横截面形状。

图3显示了根据一个优选实施例的热风速仪流量传感器装置100的前截面图。通常，可利用流量传感器装置100来感测和测量介质内气体的质量流率。流量传感元件130可由薄的硅材料制成，从而具有小的热质量，并能够感测非常小的流率。流量传感元件130的输出可传递给ASIC芯片190，以便将所感测的流量转换成比例模拟输出信号。带传导性互连件的密封件140消除了从流量传感元件130到ASIC芯片190的丝焊的需求。ASIC芯片190提供了对来自传感器装置100的流量信号的高阶校准和信号处理，处理后的信号输出代表流量。处理后的信号输出可储存在存储模块中。

图4显示了根据一个优选实施例的与U形流量管610相关联的热风速仪流量传感器100的透视图。如图4中所示，流量传感器装置100可构造成包括U形流量管610，介质能够通过该流量管而移动。U形流量管610与模制端口相关联，该端口可添加到压力传感元件130的一个侧面上。U形流量管610可优选地由金属或热塑性材料构造而成。然而，注意U形流量管610可具有变化的尺寸，即在某些位置具有更小或更大的横截面尺寸，以便相应地改变流率范围能力。注意在此特定的实施例中，可通过两件分开的Z轴传导材料提供电气连接。

U形流量管610可以以入口终结，入口用于将流量传感器装置100附加到现有的流动系统中。通过使介质穿过流量传感元件130可以测量U形流量管610中的压力差异，从而计算介质中的压力。本领域中的技术人员将会认识到可在封装中包括各种端口的构造和定位，以产生各种构造和各种压力测量。

图5显示了根据一个优选实施例的与U形流量管610相关联的热风速仪流量传感器100的侧截面图。再次提醒，注意在图1-7中，相同、相似的部件或元件通常由相同的标号表示。因而，如图5中所示，通过流量传感元件130可感测U形流量管610中的压力，流量管优选地用带传导性互连件的密封件140进行封装。密封件140可由弹性材料构成，该弹性材料对于传感器装置100将在其中运行的介质是不能渗透的。应该懂得，对于在各种环境中广泛的温度和压力范围下的预期用途，可选择密封件140的硬度和压缩性，以提供对流量传感元件130的有效密封。

图6显示了根据一个优选实施例的带有U形流量管610的热风速仪流量传感器100的前截面图。因而，本文公开的传感器装置100可在流动系统(未显示)中用于测量空气或气体的流率。注意本文论述的实施例通常涉及质量流量感测系统或装置。然而，可以理解，这种实施例可在其它传感系统和设计的背景中实现，并且不局限于流量传感技术。如本文中所呈现的质量流量传感系统的论述仅仅是为一般说明性的目的而展示。装置100包括用于感测U形流量管610中的质量流量的流量传感元件130。流量传感元件130的元件可典型地连接在惠斯通桥接电路中，以便将所感测的质量流量转换成相应的电压。还可利用流量传感元件130通过平衡桥接电路来测量未知电阻。

质量流量传感元件130的输出可传递给信号调节ASIC芯片190。ASIC芯片190还可储存校准数据和传感器相关的信息。可以懂得，取决于设计考虑，还可利用其它类型的ASIC装置来实现信号调节的ASIC芯片190。这种热风速仪流量传感器装置100可提高感测输出信号的精度。

图7显示了运行的流程图，其显示了可根据一个备选实施例而实现的利用带密封件140的热风速仪流量传感器装置100感测质量流量的方法700的逻辑运行步骤。如图7中的框710所示，包括用于感测质量流量的质量流量传感元件130的流量传感器装置100可安装在流量管170或610中。质量流量传感器装置100可用于测量和感测例如气体的质量流率。之后，如图7的框720所示，流量传感器装置100的流量传感元件130可利用与空气流量传感元件130相关联的密封件140而与信号调节电路进行电连接，信号调节电路可以是ASIC芯片190。

ASIC芯片190可用于读取流量传感元件130的输出，并将输出信号进一步转换成等效模拟信号。如框730处所示，可将功率从ASIC芯片190应用于流量传感器装置100的流量传感元件130上。如框740所述，可将流量传感元件130的输出传递给ASIC芯片190。相对于流量传感元件130的输出，ASIC芯片190产生模拟信号，如框750所示。这种质量流量传感器设计可使得能够在广泛的范围内以合理的成本进行质量流量感测，并在迄今不利的环境中提供无故障操作。

该装置100可以很容易适应各种操作范围，具有相对较低的构造成本，易于装配，在装配或运行期间呈现很低的损伤电子装置的风险，运行精确而且可靠，并且比已知的现有技术更容易清洁。当用于上面所示和所述的优选流通实施例中时，本发明还建立具有最小紊流和干扰的流动，并从而提供了可重复且精确的输出读数。

流量传感器装置100消除了对于厚膜或薄膜上的传感元件130至ASIC芯片190的丝焊的需求，这减小了整个传感器的基底面。流量管170或610可用于越过热风速仪100的传感元件130而引导非紊流流量。这种流量传感器装置100较小，成本低廉，更为耐用，且更容易利用密封件140进行装配，从而消除了对于丝焊的需求。

所公开的实施例因而能够提供许多优势，包括得益于使用带传导性互连件的密封件的主要好处，该密封件将丝焊焊盘及电气连接与所感测的介质隔离开。无论液体或气体的介质都可能包含离子，介质最终会污染质量流量传感元件的顶部。如本文公开的实施例所指出的那样，如果密封件已经密封住这些电连接，并防止了暴露于所感测的介质，那么这种情形将不会发生。

本领域中的技术人员从前面的具体实施方式和附图将会想到各种变体和改型。将会懂得，可将上面公开的变体以及其它特征和功能或其备选例恰当地组合成许多其它不同的系统或应用。本领域中的技术人员接下来可做出各种目前未预见到的或未曾预料到的备选例、变型、变体或改型，它们也意在包括在所附权利要求内。

Claims (13)

1.一种流量传感器装置，所述装置包括：

外壳，所述外壳包括若干电气端子；

与流量传感桥相关联的流量传感元件，其中所述流量传感元件和所述流量传感桥安装在外壳上，并共同感测流量管中的质量流量；和

带传导性互连件的弹性密封件，其中所述弹性密封件与所述流量传感桥相关联，这种带所述传导性互连件的所述弹性密封件提供了密封，该密封将所述流量传感桥物理地从外部环境隔离开，并且所述弹性密封件的所述传导性互连件完成了所述流量传感元件和所述外壳的所述电气端子之间的电连接，从而消除了对相对于所述流量传感器装置的丝焊的需求。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

离散信号调节电路，其将所感测的流量转换成比例模拟输出信号，其中所述离散信号调节电路与所述流量传感元件及所述流量传感桥相关联，并且其中所述流量传感桥电路电连接在所述信号调节电路上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

与所述流量管相关联的盖子，所述盖子包括添加到安装于所述外壳上的所述流量传感元件的一个侧面上的入口和出口。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述外壳的所述电气端子完成了所述流量传感元件经由所述弹性密封件的传导性互连件而和所述信号调节电路之间的电连接。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流量传感桥设置在惠斯通桥接电路的环境中，所述惠斯通桥接电路将所述感测的质量流量转换成相应的电压。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，带所述传导性互连件的所述弹性密封件将功率从所述信号调节电路传递到所述流量传感桥上，并将所述流量传感桥的输出传递给所述信号调节电路。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，带所述传导性互连件的所述弹性密封件容许所述流量传感元件安装在倒置位置上，从而防止湿气进入以及尘粒堆累在所述流量传感器装置中。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流量管越过所述流量传感元件引导非紊流流量。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流量传感桥包括厚膜网络。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流量传感桥包括薄膜网络。

11.一种流量传感器装置，所述装置包括：

与流量传感桥相关联的流量传感元件，其中所述流量传感元件和所述流量传感桥安装在外壳上，并共同感测流量管中的质量流量；

与所述流量管相关联的盖子，所述盖子包括相对于安装在所述外壳上的所述流量传感元件的一个侧面而构造的入口和出口；和

布置在所述流量传感元件和所述外壳之间的带传导性互连件的弹性密封件，其中带所述传导性互连件的所述弹性密封件提供了密封，该密封将所述流量传感桥物理地从外部环境隔离开，并且所述弹性密封件的所述传导性互连件完成了所述流量传感元件和所述外壳的若干电气端子之间的电连接，从而消除了对相对于所述流量传感器装置的丝焊的需求。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

离散信号调节电路，其将所感测的质量流量转换成比例模拟输出信号，其中所述离散信号调节电路与所述流量传感元件及所述流量传感桥相关联，并且其中所述流量传感桥电路电连接在所述信号调节电路上。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述外壳的所述电气端子完成了所述流量传感元件和信号调节电路之间的电连接。