CN101852667B

CN101852667B - 流通压力传感器设备

Info

Publication number: CN101852667B
Application number: CN201010141768.2A
Authority: CN
Inventors: I·本特利; J·库克; L·F·里克斯; A·D·布拉德利; R·沃德
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2009-02-19
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2030-02-22
Also published as: EP2221594A3; US8312774B2; US20100206046A1; CN101852667A; EP2221594A2

Abstract

本发明涉及一种流通压力传感器设备(100，200，300，400)，其有助于减少感测管芯(180)与待测流体间的闭死空间。在例解的一个实施例中，流通压力传感器设备可包括安装到基板(130)的感测管芯(180)，其中基板(130)和压力感测管芯(180)安装在外壳(190，290，390)中。外壳(190，290，390)可整体地限定流动管道(110)，其具有在流入端口(120)和流出端口(125)之间延伸的流动路径。压力感测管芯(180)安装在外壳中，从而压力感测管芯(180)可对流动路径中的流体进行压力测量。一个或多个引线(140)可从外壳(190，290，390)延伸以传输电信号，该电信号与感测管芯(180)所感测的流动路径中流体的压力相关。某些情况下，根据需要，外壳(190，290，390)可实现表面安装封装配置(100)、单列直插(SIP)封装配置(200)或双列直插(DIP)封装配置(300，400)。

Description

流通压力传感器设备

技术领域

本发明实施例通常涉及感测装置和方法，例如，流量传感器，压力传感器，湿度传感器以及温度传感器。本发明实施例还涉及流通压力(flow-throughpressure)传感器。

背景技术

在不同的应用中，已经有一定数量的方法和装置被实施用以测量流率。可运用流通压力传感器与串联式孔口相结合来测量很低的流率，且具有可靠的精度。这样的压力传感器已经运用于，例如，各种流动感测装置(诸如医用感测装置的应用)，其中一些运用了硅压阻式感测技术以测量很低的压力。其它流动感测实现，例如，包括了环境应用。

大多数流通压力传感器的配置需要某种导管，以便可以将压敏部件部署为与压力待测的流体成流体连通。运用T型接头配件(T-fitting)或类似连接，可以将该导管连接至压力传感器。适用于大多数压力传感器的这种压力连接配置是端部“闭死”的(dead-ended)。“闭死”空间影响装置的清洁度，因为，在导管中的任何闭死空间都可以捕集(trap)一部分流体且收集污染物。当测量导管中流动的流体的压力时，闭死体积同样可能妨碍流体的平稳流动及层流。在高速动力学应用中，这样的管道及接头配件可以限制装置的频率响应。

另外，为了维持流体的最大纯度，迄今为止必需手动拆卸导管和/或变换器，且然后对可以达到流体的所有区域进行清洁，其成本很高且耗时。并且，这样的连接管道装置使得对介质的温度、或湿度、或介质的其它特性进行的测量是非常困难或不可能实现的。这样的传感器具有相对较大的、暴露于流体的表面积，其可以捕集污染物。因此对于小尺度的压力传感器而言也是有利的。典型地，传感器的尺度越小，则将其装配到受约束的操作环境中、和附连到各种尺度和形状的导管及容器就越容易。

基于前面所述的，相信存在着对一种经改进的、具有前述优点的流通压力传感器设备的需要，其在附连至导管时具有极其结实的附连点。同样，还需要提供一种具有良好动态响应的传感器。

发明内容

提供下面的总结以便利对所披露的实施例独有的某些创新特性的理解，而不是旨在进行充分的说明。要充分理解本发明实施例的各个方面，需要将整个说明书、权利要求书、附图及摘要作为整体而理解。

因此，本发明的一个方面是提供经改进的传感器方法和系统。

本发明的另一个方面是提供经改进的流通压力传感器设备。

本发明的又一个方面是提供经改进的具有绝对最小捕集体积的流通压力传感器设备。

现在可以实现如本文所说明的上述各个方面及其它目和优点。本发明披露了一种流通压力传感器设备，其减少了用来在压力感测管芯(die)与具有绝对最小捕集体积的流体之间提供流体连通的流动管道的闭死空间。具有双模塑端口的盖(例如塑料)可以采用模铸嵌入式(molded-in)焊接针脚来添加到压力感测管芯的一端以改善强度和刚度。压力感测管芯可根据设计要点而安装于或位于外壳中。温度和湿度传感器也可安装到流动路径中的基板(如陶瓷)，且可在相对侧上连接到可编程补偿集成电路，这是运用安装针脚的夹具末端或利用从加压区域之外的基板穿过的过孔而实现的。

压力感测管芯可安装在基板的顶部上、或底部上，以最小化灰尘或类似污染物被捕集在该设备中的机会。盖可模制成使得对流动路径的破坏最小化且不具有可以捕集污染物的硬边缘。感测管芯可利用或不利用玻璃约束层来安装以最小化内部闭死体积。温度可利用感测管芯、专用集成电路中的内部温度传感器加以测量，或者由直接安装在流动路径中的外部温度传感器进行测量。

这样的装置可以很容易就适用于不同尺度的流动管道，并且可与不同的连接部相连接，或者与模铸嵌入式连接器相连接。传感器外壳可实现为单列直插式封装(SIP)或双列直插式封装(DIP)，或者表面安装式封装(SMT)，其成本低且尺寸小。感测管芯和可编程补偿集成电路可在封装组件内部或外部电连接在一起。具有180度或90度拐角的流动管道也可以很容易地实现。这样一种设备减少了闭死空间且尺寸较小，因此，该设备可轻易地装配进受约束的操作环境中，并且可附连到多种尺寸和形状的流动管道和容器。

附图说明

下面的附图，在各个附图中，附图标记是表示相同的或功能相似的元件，这些附图合并入说明书并且形成说明书的一部分，它们连同详细的说明书，进一步例解了实施例，用来解释本文所披露的实施例。

图1图示出采用表面安装技术(SMT)的流通压力传感器设备的透视图，其可根据优选实施例实现；

图2图示出采用表面安装技术的流通压力传感器设备的正视图，其可根据优选实施例实现；

图3图示出采用表面安装技术的流通压力传感器设备的剖视图，其可根据优选实施例实现；

图4图示出采用标准单列直插封装配置的流通压力传感器设备的透视图，其可根据优选实施例实现；

图5图示出采用标准单列直插封装配置的流通压力传感器设备的正视图，其可根据优选实施例实现；

图6图示出采用标准双列直插封装配置的流通压力传感器设备的透视图，其可根据优选实施例实现；

图7图示出采用标准双列直插封装配置的流通压力传感器设备的正视图，其可根据优选实施例实现；

图8图示出具有弯曲到90度的流动管道的流通压力传感器设备的透视图，其可根据可替代实施例实现；

图9图示出根据可替代实施例，具有弯曲到90度的流动管道的流通压力传感器设备的透视图。

具体实施方式

在这些非限制的示例中，所讨论的个别值或特别的配置是可以有所变动的，且此处仅仅被引用来例解至少一个实施例而不是旨在限制其范围。

图1示出采用表面安装技术(SMT)的流通压力传感器设备100的透视图，其可根据优选实施例实现。设备100通常包括外壳190以及具有流入端口120和流出端口125的流动管道110，压力感测管芯180和可编程补偿集成电路170可置于基板130上，且被封装到表面安装技术封装外壳190里面，如图3所示。基板130的材料可以是由例如，陶瓷，氧化铝，或者玻璃纤维PC板材料(诸如FR4或FR5)这样的材料配置而成，然而还可采用其它陶瓷实现基板130。陶瓷材料具有较低的温度膨胀系数(TCE)，其可以与硅感测管芯180的TCE较为紧密地匹配，因此可由硅感测管芯180产生最佳的性能。例如，玻璃纤维板，可以成功地在高压下运用，或者在装置性能不太关键的情形下加以应用。

流经流动管道110的流体向流动管道110内表面施加流体压力。注意本文中所采用的术语“流体”，其通常代表液体或气体(如空气)。术语“介质”也可用来表示流经流动管道110的流体，空气，气体，液体等。流体可以是制药、食品加工过程中的配料成分，或者是在半导体器件(诸如集成电路)制造中所运用的流体。流通压力传感器设备100拥有绝对最小捕集体积，其具有穿过基板130的小洞以及具有紧挨着感测管芯180后面的体积。运用模铸嵌入式焊接针脚，可以将具有双模塑端口120和125的盖135添加到压力感测管芯180的一侧改进强度和刚度。

图2图示出运用表面安装技术的流通压力传感器设备100的正视图，其可根据优选实施例实现。请注意在图1至9中，相同的、类似的部分或元件通常用相同的附图标记表示。湿度传感器(未示出)可在流动路径中安装到基板130；且感测芯片180可在相对侧上连接到可编程补偿集成电路170，这是通过运用安装针脚150和155的夹具末端或利用从加压区域之外的基板130穿过的过孔而实现的。感测管芯180可利用或不利用玻璃约束层(未示出)来安装以最小化内部闭死体积。应注意到，一种可用以实现可编程补偿集成电路170的装置或系统是，例如，专用集成电路(ASIC)。当然可以理解的是，其它类型的集成电路配置也可用来实现电路170。

图3是运用表面安装技术的流通压力传感器设备100的剖视图，其可根据优选实施例实现。可编程补偿集成电路170通常可置于引线框架140上，从而使得可编程补偿集成电路170中的温度传感器可用于温度补偿。布置于140上的可编程补偿集成电路170可附连到流动管道110。整个传感器设备100可加以热密封或由任何其它塑性接合工艺而加以接合。集成在传感器设备100中的可编程补偿集成电路170产生信号放大。应注意到，外壳190可由诸如塑料这样的材料形成。类似地，根据设计需要，引线框架140也可设置为塑料的引线框架。另外，流体通道允许压力传感器设备100与流经流动管道110的流体相接触。可运用感测管芯180，温度传感器，或直接安装在流动路径中的外部温度传感器来测量温度。

图4图示出运用标准单列直插封装(SIP)配置的流通压力传感器设备200的透视图，这种配置在半导体行业中是常见的用于安装集成电路芯片的一种配置，该传感器设备可根据优选实施例实现。通常，SIP是具有从一个边缘突出的单行的大致扁平引线的电子器件或电路封装形式。扁平引线通常位于同一平面内。SIP封装可包含一个或多个电子器件，如，半导体器件或集成电路。待测压力输入到压力端口120，且压力感测管芯180的电特性的变化可在SIP封装290的引线针脚处以本领域技术人员熟知的方式测量出来。硅管芯180可电连接到SIP封装外壳290的预定的针脚140。盖135可用来在硅管芯180安装进SIP封装外壳290内并且连接到引线针脚140之后对该硅管芯加以密封或(覆盖)。

根据本领域技术人员熟知的标准IC实践，在封装290上附连该硅管芯180与该可编程补偿集成电路170的附连技术，可以是通过安装针脚150和155的夹具末端，或者是通过在加压区域之外穿过基板130的过孔。具体来说，具有两个模制端口120和125的盖135可以典型地添加到感测管芯180的相对的一侧，由此测量出施加于端口120与125之间的压力。本领域技术人员将会认识到，封装中可包括各种不同的对端口的定位以及端口的配置，以产生各种不同的配置和各种不同的压力测量。图5图示出采用标准单列直插封装配置的流通压力传感器设备200的正视图，其可根据优选实施例实现

图6图示出运用了在半导工业中常用的用于安装IC管芯的一种标准双列直插封装(DIP)配置的流通压力传感器设备300的透视图，其可根据优选实施例实现。DIP是一种电子器件封装，其可配置为具有矩形外壳(诸如外壳390)和两行平行的电连接针脚，所述针脚通常从封装的较长侧突出且向下弯曲，大致为引线框架140。DIP外壳390包括感测管芯180和可经由可编程补偿集成电路170的功能而提供的信号放大器。应注意到，可编程补偿集成电路170也可用于对流通压力传感器设备300进行信号调理。

可编程补偿集成电路是非常有用的，因为压力传感器的典型输出信号取决于温度。可用于实现信号调理可编程补偿集成电路170的一个实例是差动传感器信号调理器ZMD31050，由美国纽约11747，Suite204Melville，OldCountryRoad，SensorICsBusinessUnit201的ZMDAmerica公司供应。可以理解到，根据设计需要，也可采用其它类型的可编程补偿集成电路装置来实现信号调理可编程补偿集成电路170。图7图示出采用标准双列直插封装配置的流通压力传感器设备300的正视图，其可根据优选实施例实现。

图8图示出具有弯曲到例如90度的流动管道110的流通压力传感器设备400的透视图，其可根据优选实施例实现。需要再次提醒的是，在图1至9中，相同、相似的部分或元件通常用相同的附图标记表示。流经流动管道110的流体向流动管道110的内表面上施加流体压力。引线框架140在构造上通常是平面的，且位于封装外壳390内的在其中间平面附近的一个平面中。图9图示出根据一可选实施例的、具有弯曲到90度的流动管道110的流通压力传感器设备400的透视图。

压力感测管芯180可安装在设备100、200、300、400的顶部或底部上以最小化灰尘或类似污染物被截留或捕集在设备中的机会。盖135可模制成以便使得对流动路径的破坏最小化以及不具有会捕集污染物的坚硬边角。应注意的是，设备100、200、300和400可容易地适于不同大小的流动管道，且可与不同的连接部或模制嵌入式连接器相连接。流通压力传感器设备100、200、300和400可以安装在各种方向上以使得捕集体积最小化。本文中所披露的流通压力传感器设备拥有绝对最小捕集体积，且其仅仅具有穿过外壳190、290和390的小洞，以及紧挨着感测管芯180后面的体积。

设备100、200、300和400可容易地适用于各种操作的运行范围，具有相对较低的构造成本，且可以容易地组装。这样的设备在组装或操作期间也对电子器件产生很低的破坏风险，在操作中是精确可靠的，并且另外，与常规装置相比，其更易于清理。当运用于本文中所例解和描述的优选的流通压力传感器设备时，本发明也包括极其重要的优点即，其可提供所有前述优点、而同时在传感器中没有明显的闭死体积，从而使得传感器可以按高可靠度加以清洁、而来自前面的流体流动的材料不会给后面的流体流动带来污染物。即使在非流通应用中，本发明的前述优点中的某些优点也使得本发明成为一种用以进行压力测量的有竞争力的方法。本领域技术人员将会明白，根据本发明的前述详细说明和附图可以进行多种修改和变动。

将会理解到，上文中所披露的变型、以及其功能或替代，可以合意地被结合进很多其它不同系统或应用中。并且，可随后由本领域技术人员做出多种当前未见或未预料的变化，修改，变更和改进，它们均旨在涵盖于下面的权利要求书中。

Claims

1.流通压力传感器设备(100，200，300，400)，包括：

外壳(190，290，390)；

基板(130)，基板(130)具有穿过其中延伸的洞；

安装到基板(130)上的压力感测管芯(180)，使得具有紧挨着压力感测管芯(180)后面的体积，基板(130)和压力感测管芯(180)安装在外壳(190，290，390)中；

外壳(190，290，390)限定了流动管道(110)，流动管道(110)具有在流入端口(120)与流出端口(125)之间延伸的流体流动路径，压力感测管芯(180)与流动管道中的流体流动路径接触，从而使得压力感测管芯(180)可对流动路径中的流体进行压力测量；以及

从外壳(190；290；390)延伸的一个或多个引线(140)，该一个或多个引线(140)传输电信号，该电信号与压力感测管芯(180)所感测的流动路径中流体的压力相关。

2.根据权利要求1所述的流通压力传感器设备，其中压力感测管芯(180)通常沿着管芯平面延伸，且流动管道(110)基本上沿着与压力感测管芯(180)的平面相平行但偏移开的一个平面延伸。

3.根据权利要求2所述的流通压力传感器设备，其中流入端口(120)与流出端口(125)在相反的方向上延伸出去。

4.根据权利要求2所述的流通压力传感器设备，其中流入端口(120)和流出端口(125)以相对彼此约90度的角度延伸出去。

5.根据权利要求2所述的流通压力传感器设备，其中流入端口(120)和流出端口(125)以相对彼此约180度的角度延伸出去。

6.根据权利要求1所述的流通压力传感器设备，其中流动管道(110)模制为外壳(190，290，390)的一部分。

7.根据权利要求1所述的流通压力传感器设备，其中外壳(190，290，390)还包括一个或多个安装针脚(150，155)。

8.根据权利要求1所述的流通压力传感器设备，其中外壳(190，290，390)实现一种表面安装封装配置(100)、或一种单列直插(SIP)封装配置(200)或者一种双列直插(DIP)封装配置(300，400)。

9.根据权利要求1所述的流通压力传感器设备，其还包括安装到基板(130)上的信号调理电路(170)，其电连接至压力感测管芯(180)。

10.根据权利要求1所述的流通压力传感器设备，其还包括安装在外壳(190，290，390)中的温度传感器，且该温度传感器与流动路径热耦联，使得该温度传感器可对流动路径中的流体进行温度测量。

11.根据权利要求1所述的流通压力传感器设备，其还包括安装到外壳(190，290，390)中的基板的湿度传感器，且向流动路径暴露，使得该湿度传感器可对流动路径中的流体进行湿度测量。

12.根据权利要求1所述的流通压力传感器设备，其中流动管道(110)由塑料材料构造成。

13.根据权利要求1所述的流通压力传感器设备，其中基板(130)包括陶瓷。

14.根据权利要求1所述的流通压力传感器设备，其中基板(130)包括玻璃纤维。

15.一种制造流通压力传感器设备(100，200，300，400)的方法，包括：

将压力感测管芯(180)安装在基板(130)上，使得具有紧挨着压力感测管芯(180)后面的体积，基板(130)具有穿过其中延伸的洞；

将基板(130)和压力感测管芯(180)安装在外壳(190，290，390)中；其中外壳(190，290，390)包括流动管道(110)，流动管道(110)限定了在流入端口(120)和流出端口(125)之间延伸的流体流动路径，其中压力感测管芯(180)安装为与流动管道(110)的流动路径中的流体接触；

提供从外壳(190，290，390)延伸出的一个或多个引线(140)，该一个或多个引线(140)配置用来传输电信号，该电信号与压力感测管芯(180)所感测的流动路径中流体的压力相关。