CN102322893A - 充油式温度压力复合传感器 - Google Patents

Abstract

充油式温度压力复合传感器，属于温度压力复合传感器技术领域。它解决了采用两种传感器组装形成的温度压力复合传感器不能同时对局部区域的信号进行测量的问题。它由管座、压力芯片、温度芯片、金丝引线、银钯丝、外引出线束、陶瓷环、封堵塞、波纹膜片和压环组成，将压力芯片和温度芯片近距离的装配在管座内，通过共晶焊的方式将其焊接在管座上，在使用时，进行真空充油后，压力芯片和温度芯片同时被保护起来，再通过波纹膜片感受压力。本发明适用于对局部区域的温度和压力的同时测量。

Description

充油式温度压力复合传感器

技术领域

本发明涉及一种充油式温度压力复合传感器，属于温度压力复合传感器技术领域。

背景技术

现有的温度压力复合传感器主要有两种形式：一种是将不同的温度传感器和压力传感器组装在一起，这种方式组合的两个传感器通常相距较远，至少在cm数量级，不能同时感受小的局部区域的温度信号和压力信号，而且由于温度传感器和压力传感器需要分别进行封装和与被测介质隔离，因此导致传感器的整体体积较大，制造成本较高；另一种是将温度传感器和压力传感器制作在同一个芯片上，实现单芯片复合，由于温度传感器的标准感受膜为铂膜，而感受压力的敏感电阻为单晶硅，因此这种单芯片复合的方式在制作工艺上兼容性较差，使复合传感器的性能较差。

发明内容

本发明的目的是解决采用两种传感器组装形成的温度压力复合传感器不能同时对局部区域的信号进行测量的问题，提供一种充油式温度压力复合传感器。

本发明所述充油式温度压力复合传感器，它由管座、压力芯片、温度芯片、金丝引线、银钯丝、外引出线束、陶瓷环、封堵塞、波纹膜片和压环组成，

管座为回转体，管座的上表面中心具有圆形凹槽，圆形凹槽底部开有注油孔和外引线孔，注油孔和外引线孔均靠近圆形凹槽的槽壁处，注油孔的底端设置有封堵塞，

压力芯片和温度芯片共晶焊接在管座的圆形凹槽内，压力芯片和温度芯片的相邻表面相距距离为d，陶瓷环固定设置在圆形凹槽内，并且压力芯片和温度芯片位于陶瓷环内，陶瓷环的外壁表面与圆形凹槽的槽壁之间具有均匀间隙，陶瓷环与注油孔和外引线孔相对应的侧壁上均设置有通孔，外引出线束穿过外引线孔延伸至圆形凹槽内，外引出线束在外引线孔内通过玻璃烧结的方式与管座固定连接，

压力芯片的每个电极通过金丝引线与外引出线束中的一根导线的末端键合，温度芯片的每个电极通过银钯丝-与外引出线束中的一根导线的末端焊接；

管座的上端面焊接有波纹膜片，该波纹膜片覆盖管座上的圆形凹槽上部，使该圆形凹槽为密闭空间，波纹膜片的上表面上设置压环，压环通过氩弧焊接与管座的上端面连接，将波纹膜片压紧，

管座的圆形凹槽内充满填充油。

本发明的优点是：本发明将压力芯片和温度芯片近距离的装配在管座内，通过共晶焊的方式将其焊接在管座上，在使用时，进行真空充油后，压力芯片和温度芯片同时被保护起来，再通过波纹膜片感受压力。由于采用这种方式，压力芯片和温度芯片可以实现mm级的距离间隙，因此可以同时感受小的局部区域的温度信号和压力信号，进行准确的测量，解决了同时测量同一区域压力和温度信号的技术难题，同时对压力传感的温度补偿具有很好的效果。

本发明装置自身的体积小，压力芯片和温度芯片被填充油保护，不直接与被测介质接触，具有较高的稳定性和可靠性；本发明装置易于装配，可以批量生产。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的充油式温度压力复合传感器，它由管座1、压力芯片2、温度芯片3、金丝引线4-1、银钯丝4-2、外引出线束5、陶瓷环6、封堵塞7、波纹膜片8和压环9组成，

管座1为回转体，管座1的上表面中心具有圆形凹槽，圆形凹槽底部开有注油孔和外引线孔，注油孔和外引线孔均靠近圆形凹槽的槽壁处，注油孔的底端设置有封堵塞7，

压力芯片2和温度芯片3共晶焊接在管座1的圆形凹槽内，压力芯片2和温度芯片3的相邻表面相距距离为d，陶瓷环6固定设置在圆形凹槽内，并且压力芯片2和温度芯片3位于陶瓷环6内，陶瓷环6的外壁表面与圆形凹槽的槽壁之间具有均匀间隙，陶瓷环6与注油孔和外引线孔相对应的侧壁上均设置有通孔，外引出线束5穿过外引线孔延伸至圆形凹槽内，外引出线束5在外引线孔内通过玻璃烧结的方式与管座1固定连接，

压力芯片2的每个电极通过金丝引线4-1与外引出线束5中的一根导线的末端键合，温度芯片3的每个电极通过银钯丝4-2与外引出线束5中的一根导线的末端焊接；

管座1的上端面焊接有波纹膜片8，该波纹膜片8覆盖管座1上的圆形凹槽上部，使该圆形凹槽为密闭空间，波纹膜片8的上表面上设置压环9，压环9通过氩弧焊接与管座1的上端面连接，将波纹膜片8压紧，

管座1的圆形凹槽内充满填充油。

本实施方式所述的充油式温度压力复合传感器与将不同的温度传感器和压力传感器组装在一起的复合方式相比，具有体积小，易于生产，可精确测量同一位置的温度和压力信号的优点；与将温度传感器和压力传感器制作在同一个芯片上的单芯片复合方式相比，由于压力芯片2和温度芯片3是分别制作的，在避免了压力芯片2和温度芯片3不同工艺的兼容性问题的同时，可同时测量小的局部区域内的压力和温度信号。

银钯丝4-2与外引出线束5中的一根导线的焊接，为保证焊接强度，先将银钯丝4-2在外引出线束5中的一根导线上缠绕两圈，然后用氩弧焊接进行焊接。

设置陶瓷环6的目的是为了使填充油尽量少，使用陶瓷环6来占据管座1的圆形凹槽内无法加工的无用空间。

填充油用来进行压力传递，可采用甲基硅油。其填充方法为将甲基硅油进行脱水、脱气处理后，抽真空灌注到管座1内。灌注完成后在注油孔的底端采用冲压方法或储能焊接方法用封堵塞7进行封堵。封堵塞7可以采用钢球。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述d的范围为0.5mm-2mm。

压力芯片2和温度芯片3之间通过合理的距离设计，共晶焊焊接到管座1内，利用氩弧焊接将波纹膜片8焊接到管座1上端面上，采用真空注油的方法向管座1内注入填充油，该填充油可以为硅油，注油完成后进行注油孔封堵，即完成充油式温度压力复合传感器的制作。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一或二的进一步说明，所述压力芯片2由SOI衬底、四个单晶硅压力敏感电阻和SiO₂层组成，四个单晶硅压力敏感电阻与SOI衬底之间通过SiO₂层隔离。

本实施方式中压力芯片2以SOI片为衬底材料，利用上层的单晶硅作为力敏电阻材料，在电阻与衬底之间通过SiO₂层隔离，去除了传统扩散硅压阻式传感器中的P-N隔离结，因而具有良好的高低温稳定性，通过静电键合同7740玻璃封接在一起，形成压力敏感芯片。

四个单晶硅压力敏感电阻均为标准Pt1000电阻，外形尺寸为2×4。

压力芯片2采用SOI衬底作为感压芯片，利用压阻式感压原理，在SOI衬底的底部用静电封接工艺封接玻璃，可以是表压，也可以是绝压，玻璃的背面蒸发或溅射有金层。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一至三的进一步说明，所述温度芯片3由陶瓷基片、铂膜和表面包封层组成，陶瓷基片上表面贴附铂膜，铂膜上表面贴附表面包封层。

本实施方式中温度芯片3设计成陶瓷基片、铂膜和表面包封三层结构，铂膜紧密的贴附于陶瓷基片衬底及表面包封层之间。如三层材料的热性能匹配，使陶瓷基片衬底对铂膜的压应变和表面包封层引起的压应变相互抵消，不仅能拓宽铂薄膜热敏电阻使用温度，而且能提高其可靠性、稳定性和重复性。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一至四的进一步说明，管座1与波纹膜片8的焊接采用氩弧焊接。

具体实施方式六：本实施方式为对实施方式四的进一步说明，所述陶瓷基片的外表面上蒸发或溅射有金层。

具体实施方式七：本实施方式为对实施方式一至六的进一步说明，所述管座1上与压力芯片2和温度芯片3的共晶焊接处镀有金层，采用的共晶焊料为AuSn焊料片。

在管座1上需要共晶焊处镀有金层，AuSn共晶焊料的熔点为280℃，钎焊温度约300℃～310℃，具有强度高、抗蠕变、导热和导电性能好、浸润性优良、低粘性和抗腐蚀等特点。需要在真空环境下进行无助焊剂的AuSn共晶回流焊接，真空回流焊接可以大大降低焊接的空洞率，提高焊接质量。

具体实施方式八：本实施方式为对实施方式一至七的进一步说明，所述金丝引线4-1与外引出线束5中的一根导线的键合采用金属球超声热压焊。

具体实施方式九：本实施方式为对实施方式一至八的进一步说明，银钯丝4-2与外引出线束5中的一根导线的焊接为氩弧焊接。

具体实施方式十：本实施方式为对实施方式一至九的进一步说明，所述管座1和外引出线束5采用可伐合金材料制成。

外引出线束5中的每根导线的外部镀有金属金，与管座1通过玻璃烧结进行连接。

Claims (10)

1.一种充油式温度压力复合传感器，其特征在于：它由管座(1)、压力芯片(2)、温度芯片(3)、金丝引线(4-1)、银钯丝(4-2)、外引出线束(5)、陶瓷环(6)、封堵塞(7)、波纹膜片(8)和压环(9)组成，

管座(1)为回转体，管座(1)的上表面中心具有圆形凹槽，圆形凹槽底部开有注油孔和外引线孔，注油孔和外引线孔均靠近圆形凹槽的槽壁处，注油孔的底端设置有封堵塞(7)，

压力芯片(2)和温度芯片(3)共晶焊接在管座(1)的圆形凹槽内，压力芯片(2)和温度芯片(3)的相邻表面相距距离为d，陶瓷环(6)固定设置在圆形凹槽内，并且压力芯片(2)和温度芯片(3)位于陶瓷环(6)内，陶瓷环(6)的外壁表面与圆形凹槽的槽壁之间具有均匀间隙，陶瓷环(6)与注油孔和外引线孔相对应的侧壁上均设置有通孔，外引出线束(5)穿过外引线孔延伸至圆形凹槽内，外引出线束(5)在外引线孔内通过玻璃烧结的方式与管座(1)固定连接，

压力芯片(2)的每个电极通过金丝引线(4-1)与外引出线束(5)中的一根导线的末端键合，温度芯片(3)的每个电极通过银钯丝(4-2)与外引出线束(5)中的一根导线的末端焊接；

管座(1)的上端面焊接有波纹膜片(8)，该波纹膜片(8)覆盖管座(1)上的圆形凹槽上部，使该圆形凹槽为密闭空间，波纹膜片(8)的上表面上设置压环(9)，压环(9)通过氩弧焊接与管座(1)的上端面连接，将波纹膜片(8)压紧，

管座(1)的圆形凹槽内充满填充油。

2.根据权利要求1所述的充油式温度压力复合传感器，其特征在于：所述d的范围为0.5mm-2mm。

3.根据权利要求1或2所述的充油式温度压力复合传感器，其特征在于：所述压力芯片(2)由SOI衬底、四个单晶硅压力敏感电阻和SiO₂层组成，四个单晶硅压力敏感电阻与SOI衬底之间通过SiO₂层隔离。

4.根据权利要求1或2所述的充油式温度压力复合传感器，其特征在于：所述温度芯片(3)由陶瓷基片、铂膜和表面包封层组成，陶瓷基片上表面贴附铂膜，铂膜上表面贴附表面包封层。

5.根据权利要求1或2所述的充油式温度压力复合传感器，其特征在于：管座(1)与波纹膜片(8)的焊接采用氩弧焊接。

6.根据权利要求4所述的充油式温度压力复合传感器，其特征在于：所述陶瓷基片的外表面上蒸发或溅射有金层。

7.根据权利要求1所述的充油式温度压力复合传感器，其特征在于：所述管座(1)上与压力芯片(2)和温度芯片(3)的共晶焊接处镀有金层，采用的共晶焊料为AuSn焊料片。

8.根据权利要求1所述的充油式温度压力复合传感器，其特征在于：所述金丝引线(4-1)与外引出线束(5)中的一根导线的键合采用金属球超声热压焊。

9.根据权利要求1所述的充油式温度压力复合传感器，其特征在于：银钯丝(4-2)与外引出线束(5)中的一根导线的焊接为氩弧焊接。

10.根据权利要求1所述的充油式温度压力复合传感器，其特征在于：所述管座(1)和外引出线束(5)采用可伐合金材料制成。

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