CN103080718A - 具有压阻式传感器芯片元件的压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及压力传感器，包括：压阻式传感器芯片元件（2），其具有用于测量环绕元件（2）流动的压力介质（14）的压力的封闭的芯片腔（27）和元件底面（5）；以及支承件（6），其具有支承件顶面（7），传感器芯片元件（2）的底面（5）被固定到支承件顶面上，其中底面（5）包括粘合区域（8）和外部边缘（10），并且底面（5）粘合在支承件顶面（7）上的粘合区域（8）中。底面（5）包括非粘合区域（9），其中底面（5）在非粘合区域（9）中不与支承件顶面（7）粘附。此外，非粘合区域（9）至少在设置于底面（5）上的中心的圆形表面（15）上延伸，圆形表面具有元件底面（5）的总面积的三分之一，且包括至少一个从圆形表面（15）至底面（5）的边缘（10）的连接区域（16）。由此压力介质（14）中的压力可通过连接区域（16）散布到元件底面（5）上的非粘合区域（9）下方的空间中。根据本发明，支承件（6）在传感器芯片元件（2）下方的中心具有凹部（20）。

Description

具有压阻式传感器芯片元件的压力传感器
技术领域
本发明涉及一种具有封闭的芯片腔的压力传感器，其包括：压阻式传感器芯片元件，用于测量围绕所述芯片流动的压力介质（Druckmedium）的压力，该传感器芯片元件具有元件底面；以及支承件，其具有支承件顶面，传感器芯片元件的底面被固定到支承件顶面上，其中，所述底面包括粘合区域，具有外部边缘，并且粘合在所述支承件顶面上的粘合区域中。
背景技术
压阻式压力传感器与其它的压力传感器、特别是压电式压力传感器的不同之处在于，压阻式压力传感器可以在很长的时间内可靠地测量压力。压电式压力传感器总是需要“重置”以便为新的测量重新做好准备，因为它们会随着时间的推移而失去电荷和“漂移”。
绝对压力传感器的示例是压阻式传感器，特别是充油的压阻式压力传感器。这种传感器包括被安装在支承件上或通孔（Durchführung）上的传感器芯片元件。通常用粘合剂粘接传感器芯片元件。最终使得在膜下方的传感器芯片元件被油环绕。如果膜的外部被施加压力，膜下方的油也被置于压力之下。该传感器芯片在压力作用下产生相应的信号，该信号最终由两个或更多个触点以及连接导线被传输给分析装置。这样的传感器可以被设计成没有膜。于是，传感器芯片便直接暴露于外部的压力介质。
已经发现，在这里所描述的传感器随着时间的推移还会发生信号漂移。这意味着所指示出的压力在相同的负载下随着时间的推移稍有变化。这种漂移远小于使用压电式压力传感器时的漂移，因为它具有其它的物理原因。压电元件随着时间的推移会失去电荷，而压阻式则不会。压阻式压力传感器的漂移约在0.1％。
而且，压力被均匀地作用于支承件的表面或通孔上，传感器芯片元件被安装在支承件上的或通孔上的中心。尤其是在超过50巴的高压下通孔会稍微发生弯曲，使得传感器芯片元件下方中心形成轻微的凹陷。已经发现，通孔与传感器芯片元件之间的粘合剂经过一段时间后会向内部蠕行，以填充该凹陷。此外，该粘合剂可由传感器芯片元件和支承件的边缘区域中的压力而压缩（gestaucht，压实），从而使传感器芯片元件变形。这种压缩在一段时间后通过粘合剂的蠕行得以补偿。这导致信号漂移，因为从下面到传感器芯片元件上的反压力的情况随着时间的推移而改变。
为了解决此问题，在某些情况下应省去粘合剂。传感器芯片元件便仅固定至触点。不过有时振动会毁坏这些触点，该传感器因此可能无法再传输测量值。
从US6543292已知一种矩形传感器芯片元件，其在四个下方角部的每一个之处通过粘合剂滴与支承件连接。由此应可避免在支承件与芯片之间的热应力。但是，已经证明，通过在传感器芯片元件底面与支承件顶面之间的缝隙中的毛细作用，粘合剂或者在涂布时已经在此缝隙中移动，或者在随后的使用过程中在此缝隙中移动。由此粘合剂可在缝隙的很大的面积上分布，甚至可能填充整个缝隙空间。由粘合剂滴覆盖的表面的大小是不可控的。上述信号漂移的问题因此无法得到解决，在此应用中，传感器芯片元件仍然可能被压缩。
此外，在使用几乎不具有毛细管作用的糊状粘合剂时，安装困难。用于将传感器芯片元件2安装到粘合剂上的压力不能完全地进行控制。因此，该粘合剂在元件2下方不受控制地被挤压，而不能确定粘合区域向元件5的中心推进多远。
除了本发明所涉及的绝对压力传感器之外，差压传感器也是已知的。不同于绝对压力传感器，差压传感器的芯片腔体不是封闭的，而是与第二压力介质呈压力连接。由于该元件计算环境压力与腔体压力之间的压差，支承件本身不承受负载。这样的示例在JP61-226627中示出。其元件用夹子固定，夹子通过弹性力固定该元件。由于不使用粘合剂，元件也可不发生压缩。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是描述一种新颖的针对上述类型的压阻式压力传感器中的传感器芯片元件的固定，其不会引起信号漂移并且在振动时不会对触点带来额外的负载。
该目的由独立权利要求中的特征来实现。从属权利要求涉及本发明的特别有利的实施例。
为此，本发明涉及上述类型的压力传感器，其中，元件底面包括非粘合区域，并且在所述非粘合区域中，所述底面未粘附到支承件顶面上，所述非粘合区域至少在设置于所述底面中心的圆形表面上延伸，所述圆形表面具有元件底面总面积的三分之一。此外，所述非粘合区域包括至少一个从该居中的表面至所述底面的边缘的连接区域。由此，所述压力介质中的压力可通过所述连接区域传递到所述元件底面上的所述非粘合区域下方的空间。
根据本发明，压力传感器的支承件在传感器芯片元件下方的中心具有凹部。这样的凹部可以很容易地通过孔来提供。由此确保了粘合区域最多占据支承件顶面的未相对于该凹部设置的区域。非粘合区域相应地至少占据与元件底面相对的凹部区域。从而，至少形成凹部与元件底面的共同表面。
粘合剂通过毛细作用不能散布到传感器芯片元件的底面的中央区域上，这是因为凹部区域在那里与支承件顶面形成很大的距离。
该凹部应至少在设置于底面上的中心的圆形表面上延伸，该圆形表面具有元件底面总面积的三分之一。另外，所述凹部包括至少一个从圆形表面至超出底面的边缘的连接区域，使得压力介质中的压力可通过所述连接区域传递到元件底面上的非粘合区域下方的空间中。
通过使凹部在至少一个位置突伸超出底面的边缘上来形成一种隧道，压力介质通过该隧道总是具有到达元件底面的中央区域的通路。
通过这种设置，压力可以从各方面也包括从下面对传感器芯片元件进行作用。然而，最重要的是，该粘合区域并不在传感器芯片元件的中央区域。已经表明，如果支承件自身在所施加的压力的高负荷下出现弯曲，则支承件与传感器芯片元件之间的中央连接可以引起传感器芯片元件的变形。这种变形本身并不是问题，因为该变形在校准压力传感器时同样会发生。
但是，在持续高压下经过较长的时间，中央连接因为粘附通常会缓慢地消退而失去张力。由此传感器芯片元件缓慢地变形到其初始形状，这体现在测量元件的被错误地作为压力变化的数据输出中。
根据本发明将传感器芯片元件安装在支承件上，使得传感器芯片元件始终保持其原有的形状，且传感器芯片元件自身不随着支承件顶面的变形而变形。共计不到传感器芯片元件的整个底面的三分之二、优选少于三分之一的粘合区域位于该元件的边缘处。该粘合区域受支承件弯曲的影响最小，因此不会导致传感器芯片元件的弯曲。传感器芯片元件的非粘合区域与支承件之间的空间通过连接区域与压力室进行压力交换，并且致使传感器芯片元件的底面上的力始终保持恒定。通过在边缘上进行固定，传感器芯片元件被安置为使得其对振动具有很高的抵抗力。
已经发现，通过根据本发明的粘合使得信号漂移从传统实施方式的约0.1％减少约10倍。
附图说明
下面参照附图更详细地解释本发明。图中示意性示出：
图1示出了根据现有技术的充油型压阻式压力传感器的横截面；
图2示出了在支承件上具有根据现有技术的粘合的传感器芯片元件；
图3a示出了压力负载下的根据图3的传感器芯片元件；
图3b示出了压力负载下一定时间之后的根据图3的传感器芯片元件；
图4a示出了在传感器芯片元件的底面上的根据本发明的传感器芯片粘合；
图4b示出了一种可选的在传感器芯片元件的底面上的根据本发明的传感器芯片粘合；
图4c示出了另一种可选的在传感器芯片元件的底面上的根据本发明的传感器芯片粘合；
图5示出了压力负载下在支承件上具有根据本发明的传感器芯片粘合的传感器芯片元件；
图6示出了支承件的透视图，其中带有根据本发明的传感器芯片粘合的指示标记；
图7示出了根据本发明的压力传感器。
具体实施方式
所有的附图标记在所有的附图中具有相同的含义。
图1示出了根据现有技术的压力传感器1的示意图。压阻式传感器芯片元件2位于壳体12中，并以其元件底面5安装于支承件6上。在本实施方式中，传感器芯片元件2包括压阻式芯片3，其位于块状的芯片基座4上。在芯片3和基座4之间包围一芯片腔27。芯片3总是测量在芯片腔27中的基准压力与从外部作用到芯片3上的压力之间的压差。压力介质14在传感器芯片元件2周围除了其底面5之外的所有表面上流动，并且该传感器芯片元件在施加压力时产生测量信号，这测量信号通过触点（接触部）25传输。这些触点延伸穿过支承件6，该支承件在这里被设计为通孔（Durchführung）。绝缘部11用于密封具有压力介质14的压力腔。测量信号最终在这里未示出的分析装置中被进一步处理。
在本实施例中，壳体1通过膜13相对于压力室26封闭。由此，保护触点25和传感器芯片元件2免受来自压力室26的机械的和化学的影响。在这些实施例中，围绕传感器芯片元件2的空间通常填充有压力介质14油，通过使用柔性膜13，使得其总是具有与压力室26相同的压力。此外，等同的设计可以没有膜13。由此，传感器芯片元件2直接暴露于压力室26的压力介质14。
传感器芯片元件2具有元件底面5，该元件底面位于芯片基座4上与芯片3相对。该传感器芯片元件通过该元件底面5被安置于支承件6的朝向压力室26的表面7上。在根据现有技术的实施例中，粘合区域8占据元件底面5的整个表面，其中传感器芯片元件2通过该粘合区域8被粘合在支承件6上。通常使用粘合剂24来进行粘合。
图2中示出了在支承件6上的根据图1的已知的传感器芯片元件2的横截面。粘合剂24被均匀地施涂在元件底面和支承件顶面之间。该图2对应于未施加压力的设置。
图3a和图3b示出了与图2的传感器芯片元件2在压力负荷下，在施加压力的时刻（图3a）和很长一段时间后（图3b）的情形。由于本发明涉及的是长期使用的压力传感器，即其可以在数月或数年内可靠地测量而不需要“重置”，所以其（重置）之间的时间相应地可以很长。
传感器芯片元件2周围的箭头示出了作用于传感器芯片元件上的压力介质14的压力负荷。在图3a和图3b二者中，支承件6由于压力负载变挠曲，这导致支承件顶面7的弯曲。
在图3a中，在开始施加压力的时候，压力负荷在元件底面5上的中心处较低，因为粘合剂24朝向支承件顶面7牵拉该区域。因此，传感器芯片元件稍有变形，这导致测量值轻微增加，这由芯片3进行计算。元件上的虚线夸张地示出了这种挠曲。
压力还从侧面作用于粘合剂24。连同在元件底面5下面的中央形成的负压，粘合剂24随着时间的推移慢慢地向中心蠕行，如在图3b中所示。由此，在恒定的压力下，元件底面5上的压力发生变化，从而测量信号也发生变化。传感器芯片元件2松弛而再次接近它在图3中未施加压力时的形状。沿传感器芯片元件的横截面的相等长度的箭头相应地表示出这种情况。
然而，一旦压力室中的压力降低到环境压力，并且支承件重新呈现其原来的平坦形状，粘合剂在中央（即在此期间粘合剂累积的地方）对传感器芯片元件增加挤压，从而产生误差信号，这可能导致错误地得出在压力室中的压力增加了。
在根据本发明的压力传感器的实施例中，元件底面5不是完全粘合在支承件6上，而是仅在排除中央区域的区域中进行粘合。图4a中示出了元件底面5以及外部边缘10。在该边缘10内部的该元件底面5被划分成以条纹标记的粘合区域8和无标记的非粘合区域9。虽然元件底面5在整个非粘合区域9中绝不可以粘合在支承件6上，但是它并不一定要强制性地在整个粘合区域中都粘合在支承件6上。也就是说，粘合必须在粘合区域8的内部进行，但并不一定要完全覆盖该粘合区域。
根据本发明，支承件6的中央具有凹部20。这确保了在装配时非粘合区域9不会由于毛细管作用而被粘合剂填充。可能被过多施涂的多余的粘合剂可以流入凹部20，但不会致使在非粘合区域9中发生粘合。
根据本发明，非粘合区域9占据元件底面5的至少三分之一，优选至少二分之一，它限定设置于中央的圆形表面15。此外，非粘合区域9具有至少一个从圆形表面15至元件底面5的边缘10的连接区域16。由此确保了，压力介质14中的压力可通过连接区域16被传递到非粘合区域9中，尤其是被传递到在元件底面5上的设置于中央的圆形表面15处的空间中。
在图5中出现的力在本实施例中可能仍然是从粘合区域8作用在传感器芯片元件2上的力。图5示出了在压力负载下的根据本发明的传感器芯片元件2的截面。支承件6的曲率/弯曲被极其夸大地示出。由于粘合区域8仅位于边缘10附近并且空出中央区域，此外，由于压力还从内侧即从中央作用到粘合区域8中的连接，几乎没有力作用于传感器芯片元件2上，由此该传感器芯片元件几乎不会再变形。因此，这些可忽略的力甚至在较长一段时间之后几乎与开始施加压力时没有不同，从而测量信号即使在较长时间之后也不会改变。
决定性的因素是，非粘合区域9在设置于元件底面5上的中心的圆形表面15上延伸，所述圆形表面具有元件底面5总面积的至少三分之一。由此确保了在支承件顶面7弯曲时，几乎不再有更多的力经粘合区域8被传递到传感器芯片元件2上。
此外还重要的是，压力介质14具有至少一个经由连接区域16到达设置于中央的圆形表面15的通道，以使压力可以从各侧起作用。
图4b示出了另一种根据本发明的粘合区域8的设置。根据本发明，粘合剂24基本上位于与传感器轴线17同心环绕的圆周线18上。由于沿该圆周线18的变形都是一样的，所以作用于粘合剂24上的力在这些区域是相等的。粘合区域8位于越靠外的位置，该力就越小。优选地，粘合区域8由离散的点或离散的区段组成，从而总是确保至少一个通向非粘合区域9的连接。
由于传感器芯片元件2通常被设计为矩形，有利的是，将粘合区域8设置在元件底面5的角部位置（Eckpunkten，角点）19，如在图4b和4c中所示出的。优选地，粘合区域8应总共占据元件底面5的不到20％，优选占据元件底面5的不到5％。已经发现，这对于在支承件6与传感器芯片元件2之间产生足够的粘合是完全足够的。
最初，根据本发明的压力传感器1是为具有非常高的压力（特别是高于50巴的压力）的应用而设计的。典型的应用领域是在海洋学、在石油和天然气的采掘以及天然气的输送。但已经表明，如果压力传感器1根据本发明进行设计时，在1-5巴的范围内压力传感器便已实现显著改善。
如在图6中以透视图所示出的，当凹部20被设计为圆形并且置于通常呈矩形的传感器芯片元件下面的中央，则根据本发明的压力传感器1是特别有利的。这样的凹部20可容易地被设置成孔。根据本发明，这里凹部20的直径21大于矩形元件底面5的边缘长度22并小于对角线23的长度。这确保了，始终存在与非粘合区域9形成压力连接的连接区域16，如图4c和图5所示。
非粘合区域9因此是圆形凹部20与矩形的元件底面5的共同表面。这示于图4c中。粘合区域在位于孔20外侧的矩形元件底面5的角部19上延伸。在传感器芯片元件2被安装在支承件6上之前，合适的粘合剂24可以平坦的或呈点状地施加在元件底面5上或支承件上。由于凹部20，始终确保了所需要的非粘合区域以及压力介质14至传感器芯片元件底面5的通道。
传感器芯片元件2优选地通过粘合剂24粘附在支承件6上。粘合剂24表现为粘附在两个表面上的介质。已经证实，柔软、弹性的粘合剂24比硬质粘合剂提供更好的结果。特别是具有至少100％、优选为200％的拉伸伸长（率）（Streckdehnung）的粘合剂24传递较小的力，所以比其它刚性粘合剂更受青睐。这是因为，粘合剂层通常被施涂得非常薄。而甚至在薄层时也有可能发生切向位移。
最后，图7例如沿着按照图4c中的传感器芯片元件2的对角线23示出了根据本发明的具有凹部20的压力传感器1。如所示出的，其可以没有膜13，或者，如在图1中所示，其被设计为具有膜13。
附图标记列表
Figure BDA00002874781100091

Claims (12)

1.一种压力传感器，包括压阻式传感器芯片元件（2）和支承件（6），该压阻式传感器芯片元件具有：封闭的芯片腔（27），用以测量围绕所述元件（2）流动的压力介质（14）的压力；和元件底面（5），其中该支承件具有支承件顶面（7），所述传感器芯片元件（2）的底面（5）被固定到所述支承件顶面上，其中，所述底面（5）包括粘合区域（8）和外部边缘（10），并且所述底面（5）粘合到所述支承件顶面（7）上的所述粘合区域（8）中，其中所述底面（5）包括非粘合区域（9），在所述非粘合区域中，所述底面（5）不与所述支承件顶面（7）粘附，并且所述非粘合区域（9）至少在设置于所述底面（5）上的中心的圆形表面（15）上延伸，所述圆形表面具有所述元件底面（5）的总面积的三分之一，所述非粘合区域（9）具有至少一个从所述圆形表面（15）至所述底面（5）的所述边缘（10）的连接区域（16），使得所述压力介质（14）中的压力能通过所述连接区域（16）传递到所述元件底面（5）上的所述非粘合区域（9）下方的空间中，其特征在于，所述支承件（6）在所述传感器芯片元件（2）下面的中心具有凹部（20）。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述凹部（20）是孔。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，所述元件底面（5）呈矩形，并且所述凹部（20）的直径大于所述元件底面（5）的边缘长度（22），且小于所述元件底面的对角线（23）。
4.根据前述权利要求中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述非粘合区域（9）至少具有与所述元件底面（5）相对置的所述凹部（20）的区域。
5.根据前述权利要求中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述凹部（20）至少在设置于所述底面（5）上的中心的圆形表面（15）上延伸，所述圆形表面具有所述元件底面（5）总面积的三分之一，并且其中所述凹部（20）具有至少一个从所述圆形表面（15）至超出所述底面（5）的所述边缘（10）的连接区域（16），使得所述压力介质（14）中的压力能通过所述连接区域（16）传递到所述元件底面（5）上的所述非粘合区域（9）下方的空间中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述粘合区域（8）大致设置在与传感器轴线（17）同心的圆周线（18）上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述粘合区域（8）由离散的点或离散的区段组成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述粘合区域（8）被设置在所述底面（5）的角部位置（19）。
9.根据前述权利要求中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述粘合区域（8）总共占据所述底面（5）的不到20％，优选不到5％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述传感器是高压传感器，其适于测量超过50巴的压力。
11.根据前述权利要求中任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述传感器芯片元件（2）通过粘合剂（24）粘附在所述支承件（6）上。
12.根据权利要求11所述的压力传感器，其特征在于，所述粘合剂（24）能承受至少100％、优选为200％的拉伸伸长率。
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