CN103196953A - 平板式氧传感器的封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平板式氧传感器的封装结构，其主要改进在于：对用于定位并密封氧传感器芯片的套座和上定位陶瓷件的结构进行了改进，对芯片电极引脚与导线端子的导通结构进行了改进，对用于保护芯片头部的探头罩进行了改进，从而使得氧传感器芯片的装配过程变得简单易操作，在保证封装后的芯片其信号能够有效导通，并能有效探测气体的基础上，有效防止了气体的泄漏，大大提高了氧传感器检测的精确性。

Description

平板式氧传感器的封装结构

技术领域

本发明涉及一种车用气体传感器领域，特别是一种平板式氧传感器的封装结构。

背景技术

气体传感器安装在发动机排气管上，用于检测汽车尾气中的某种气体浓度，其核心元件一般为长条形平板式传感芯片，最常用的一种气体传感器如平板式氧传感器。平板式氧传感器通过测量尾气中的氧成分浓度，并将测得结果反馈给发动机控制器，发动机控制器以此为依据对燃烧状态进行优化，从而使有害物质的排放达到最小化。平板式氧传感器芯片的结构如图1所示，芯片1测试气体的一端附有外电极11，与尾气接触；芯片1内设有空气腔13通道，其开口在芯片1连接线的一端，与外界空气接触，空气腔13内附有内电极12；外电极11与内电极12通过附在芯片1上的电极引线14与芯片1连接线一端的信号电极引脚15连通。一般芯片1内部还附有加热电极16，加热电极16与芯片1连接线一端的加热电极引脚17连通。芯片1尾端的电极引脚15、17与传感器的导线端子接触，通过导线输出信号。

上述平板式氧传感器封装结构如图2所示。

平板式氧传感器的芯片1穿过圆柱形下定位陶瓷件5、密封粉块4和圆柱形上定位陶瓷件6的中部后，伸出芯片头部和芯片尾部，然后再在下定位陶瓷件5、密封粉块4和上定位陶瓷件6外部安装金属基座3进行保护。封装此部分结构时，通过同时对密封粉块4两边的定位陶瓷件5、6进行压装，使密封粉块4粉碎并且成型，达到将芯片1固定和密封的作用，以保证芯片1两端的尾气与空气不互相泄露。在压装定位陶瓷件的过程中，要保持密封粉块4的密封性，需在压紧定位陶瓷件6的同时收口金属基座3使定位陶瓷件6保持对密封粉4的压紧力，这一工序所需的收口装置比较复杂，收口过程也容易使内部芯片1滑动造成轻微漏气。

平板式氧传感器的探头侧装配用于保护芯片1头部的探头罩2，探头罩2上设有多个气孔用于流通气体。目前探头罩2多为单层结构，使得芯片1容易被废气中的碳烟和水腐蚀，降低氧传感器的使用寿命；如果采用双层结构则会影响气体的流通性，降低氧传感器的测量精度。

平板式氧传感器芯片1的尾部安装在陶瓷套座7中，陶瓷套座与金属基座之间的芯片裸露设置。平板式氧传感器带导线9的导线端子8卡装在陶瓷套座7与芯片尾部之间，陶瓷套座7的外部采用弹性金属卡座10将陶瓷套座夹紧，使芯片1电极引脚15、17和导线端子8保持接触导通。这种结构的芯片电极引脚15、17封装过程也较为复杂，容易出现芯片电极引脚与导线端子8不能良好接触，从而导致不能可靠导通。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种平板式氧传感器封装结构，使得平板式氧传感器芯片的封装过程方便可靠，不仅能够使封装后的氧传感器密封性好，还能够保证芯片的引脚与导线端子可靠导通。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

平板式氧传感器的封装结构，所述氧传感器芯片的中间段位于上定位陶瓷件、密封粉块以及下定位陶瓷件的中心孔中，所述上定位陶瓷件、密封粉块以及下定位陶瓷件的外部设置有用于密封芯片的基座；所述芯片头部设置有连接在基座上用于防护芯片头部的探头罩；所述芯片尾部设置有用于卡接与芯片电极引脚相压接的导线端子的陶瓷套座；

所述下定位陶瓷件、密封粉块以及上定位陶瓷件均为圆柱形结构，其中上定位陶瓷件为直径不同并相接的两段圆柱，上定位陶瓷件的第一段圆柱与第二段圆柱之间为用于基座收口的斜面台阶，所述斜面台阶与第一段圆柱外圆面之间的夹角为40～50°；

所述基座的内腔为三段直径不同的圆孔，三段圆孔的直径自芯片头部至芯片尾部依次增大，所述下定位陶瓷件卡装在第二段圆孔中，密封粉块和上定位陶瓷件的第一段圆柱卡装在第三段圆孔中；

所述基座第三段圆孔端部与上定位陶瓷件斜面台阶相应的位置设置有收口端，所述收口端为上口薄端底厚的斜面段，斜面段与收口端内圆面之间的夹角为10～15°；

所述上定位陶瓷件第二段圆柱的末端与陶瓷套座相接，所述芯片电极引脚和导线端子均位于第二段圆柱的末端，第二段圆柱末端还设置有用于插入导线端子的方孔，导线端子的头部位于方孔的底端；所述陶瓷套座与导线端子底部相应的位置设置有用于卡紧导线端子的卡口。

所述导线端子的具体结构为：所述导线端子为金属长条片弯曲而成的具有弹力的弓形结构，导线端子的头部宽度小于方孔的宽度，导线端子与芯片电极引脚相卡接的部位宽度大于方孔的宽度。

本发明的改进在于：所述第二段圆柱末端的方孔开口处设置有便于导线端子插入的倒角。

所述探头罩的具体结构为：所述探头罩为由内层罩和外层罩构成的双层结构，内层罩和外层罩上均设置有通气孔，内层罩的外圆柱面与外层罩的内圆柱面之间的间距为0.5mm~1mm，内层罩的底面与外层罩的底面相接；所述外层罩的开口端固定连接在基座上；所述内层罩套装在外层罩中，内层罩与基座连接的开口处设置有向外层罩撑开的台阶，台阶的外端卡装在外层罩的开口端与基座间。

所述探头罩的改进在于：所述外层罩的圆柱面上环圆柱面匀布有3～4圈外通气孔圈，每圈外通气孔圈上匀布有八个直径为2mm～3mm的外通气孔，外层罩的底面上设置有与芯片同中心轴的外同心孔；所述内层罩靠近台阶的圆柱面上环圆柱面设置有一圈内通气孔圈，该内通气孔圈上匀布有四个直径为1.5mm～2.5mm的内通气孔，内层罩的底面上设置有与芯片同中心轴的内同心孔；所述内通气孔圈位于外层罩上靠近开口端的两圈外通气孔圈之间。

所述探头罩的进一步改进在于：所述内层罩的外圆柱面上与外通气孔相应的位置设置有用于对气体流向进行导向的分流砖。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

采用本发明对氧传感器的芯片进行封装，可使整个装配过程简单易操作，本发明的封装结构在保证芯片信号能够有效导通，并能有效探测气体的基础上，有效防止了气体的泄漏，大大提高了氧传感器检测的精确性。

定位陶瓷件收口处圆锥形结构的设置和金属基座收口边圆锥斜面形结构的设置，使得收口过程更加简单方便，收紧效果更加明显，还可减轻对工装的磨损。弧形的工装收口面可以在下压过程中改变对基座口的受力方向，完成下压和收口两方向的力，使芯片的密封一次完成，不易滑动漏气。导线端子与芯片电极引脚连接处装配方便简单，导线端子受陶瓷套座的卡口限位，牢固可靠。

探头罩采用双层一体结构，装配简单方便，可有效保护芯片不受水滴落引起的热冲击损坏。此种结构的探头罩不易沉积颗粒如碳烟等，因此可以避免通气孔的堵塞，既能有效保护芯片，又能保证气体快速流通。

附图说明

图1是平板式氧传感器芯片功能结构图。

图2是传统平板式氧传感器的封装结构图。

图3是本发明平板式氧传感器的封装结构图。

图4是本发明平板式氧传感器密封收口部分示意图。

其中：1、芯片，11、外电极，12、内电极，13、空气腔，14、电极引线，15、信号电极引脚，16、加热电极，17、加热电极引脚，2、探头罩，21、内层罩，22、外层罩，23、台阶，24、外通气孔，25、外同心孔，26、内同心孔，27、内通气孔，3、基座，31、外螺纹，32、收口端，33、斜面段，34、内圆面，35、收口端底端，4、密封粉块，5、下定位陶瓷件，6、上定位陶瓷件，61、斜面台阶，62、方孔，7、陶瓷套座，71、卡口，8、导线端子，81、导线端子头部，82、导线端子中间部，9、导线，a、收口工装，b、收口面。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。

一种平板式氧传感器的封装结构，如图3所示。所述氧传感器芯片1密封在基座3内，基座3的外圆柱面上设置有外螺纹31。芯片1的中间段位于上定位陶瓷件6、密封粉块4以及下定位陶瓷件5的中心孔中，基座套装在上定位陶瓷件6、密封粉块4以及下定位陶瓷件5的外部。

上述下定位陶瓷件5、密封粉块4以及上定位陶瓷件6均为圆柱形结构，其中上定位陶瓷件6为直径不同并相接的两段圆柱，上定位陶瓷件6的第一段圆柱与第二段圆柱之间设置为过渡的斜面台阶61，该斜面台阶用于基座3收口；斜面台阶61与第一段圆柱外圆面之间的夹角为40～50°。本实施例中斜面台阶61与第一段圆柱外圆面之间的夹角为45°。

基座3的内腔为三段直径不同的圆孔，三段圆孔的直径自芯片头部至芯片尾部依次增大，所述下定位陶瓷件5卡装在第二段圆孔中，密封粉块4和上定位陶瓷件6的第一段圆柱卡装在第三段圆孔中。基座3的第三段圆孔端部与上定位陶瓷件6斜面台阶61相应的位置设置有收口端32，收口端32为上口薄端底厚的斜面段33，斜面段33与收口端32内圆面34之间的夹角为10～15°。在本实施例中斜面段33与收口端32内圆面之间的夹角为15°。

芯片的尾部设置有陶瓷套座7，陶瓷套座7用于卡接导线端子8，导线端子8位于芯片尾部与陶瓷套座之间，并与芯片电极引脚相压接。上述上定位陶瓷件6第二段圆柱的末端与陶瓷套座7相接，芯片电极引脚和导线端子8均位于第二段圆柱的末端，第二段圆柱末端还设置有方孔62，用于插入导线端子8，方孔62的数量与位置均与芯片电极引脚相应，方孔62的开口处设置有便于导线端子8插入的倒角。所述陶瓷套座7与导线端子8底部相应的位置设置有卡口71，用于卡紧导线端子8；所述导线端子8的头部位于方孔62的底端，导线端子8的尾部位于卡口71内，用于将导线端子卡紧，防止导线端子前后移动。

在本实施例中导线端子8为金属长条片弯曲而成的具有弹力的弓形结构，导线端子头部81的宽度小于方孔62的宽度，便于导线端子从方孔中装入；导线端子8与芯片电极引脚相卡接的部位宽度大于方孔62的宽度，利用导线端子形成的弓形结构产生弹力从而将芯片电极引脚压紧，以保持导线端子与芯片电极引脚接触良好。

芯片的头部设置有探头罩2，探头罩2连接在基座3上，用于防护芯片头部。探头罩2为由双层结构包括内层罩21和外层罩22，内层罩21和外层罩22上均设置有通气孔，内层罩21的底面与外层罩22的底面相接，内层罩21的外圆柱面与外层罩22的内圆柱面之间的间距为0.5mm～1mm，在本实施例中该间距为1mm。

其中外层罩22的开口端固定连接在基座3上，外层罩22的圆柱面上环圆柱面匀布有3~4圈外通气孔圈，每圈外通气孔圈上匀布有八个直径为2mm～3mm的外通气孔24，外层罩22的底面上设置有与芯片同中心轴的外同心孔25。本实施例中外层罩22的圆柱面设置有四圈外通气孔圈，外通气孔圈上外通气孔24的直径为3mm。

内层罩21套装在外层罩22中，内层罩21与基座（3）连接的开口处设置有向外层罩22撑开的台阶23，台阶23的外端卡装在外层罩22的开口端与基座3间。内层罩21靠近台阶23的圆柱面上环圆柱面设置有一圈内通气孔圈，内通气孔圈位于外层罩22上靠近开口端的两圈外通气孔圈之间，该内通气孔圈上匀布有四个直径为2.5mm的内通气孔27；该当然内通气孔的直径还可以为1.5～2.5mm之间的任意数值。所述内层罩21的底面上还设置有与芯片同中心轴的内同心孔26。内层罩21的外圆柱面上与外通气孔24相应的位置设置有分流砖，用于对气体流向进行导向。

本发明所述的封装结构，通过以下封装方法进行封装。

首先将氧传感器芯片1插入密封粉块4的中心孔中，将上定位陶瓷件6和下定位陶瓷件5分别从氧传感器芯片1的尾部和头部套入，然后将芯片放入基座3的内腔中，使下定位陶瓷件5正好通过第二段圆孔，并堵在第一段圆孔的台阶上；向上定位陶瓷件6施加预紧力使中间的密封粉块4初步粉碎和压紧，芯片1即被密封粉预夹紧在基座3中。

当然，上述步骤也可先将芯片1放入基座3内腔后，再依次套入下定位陶瓷件5、密封粉块4和上定位陶瓷件6，组装顺序可依据夹具设计改变。

第二步，将收口工装套入上定位陶瓷件6的第二段圆柱上，收口工装a的收口面b采用弧度为90度的圆弧面，如图4所示。将收口工装a下压，工装圆弧面b刚触碰基座3时与收口端32的斜面段33夹角小于40度，收口端32上口设置为倒圆角会使基座收口端32的受力角变得更小，收口端的斜面段33受较小的冲击力便开始向中心收紧。然后斜面段33沿着工装圆弧面b趋向水平，收口端底端35设置较厚的台阶，防止收口端底端35膨胀变形。受力后的斜面段33逐渐随着工装收口面b向下挤压上定位陶瓷件6，密封粉块4被进一步压碎和压紧，粉末填充实空隙。基座收口端32收口到位后，芯片1密封紧实。

第三步，将芯片1的电极引脚15、17包裹在上定位陶瓷件6第二段圆柱末端的方孔62内壁上，然后将导线端子8插入方孔62中，使导线端子头部81顶住方孔62底部，不可向前移动，此时导线端子8成弓形产生弹力夹紧芯片电极引脚15、17。然后将导线端子8的尾部卡入陶瓷套座7的卡口71中，使导线端子8不可向后移动。本发明中方孔62的方形尺寸正好包裹住导线端子8，使其不可左右晃动，整个导线端子8被固定后，保持与装配好的芯片1电极引脚接触导通，再通过导线9输出信号。

第四步，将内外层形成一体的探头罩2一次性装配在基座3上，可采用激光焊接的方式，也可以采用收口工装将探头罩固定在基座上。

最后，借助设置在基座外圆柱面上的外螺纹31将平板式氧传感器旋接在汽车排气管的接口位置，使氧传感器芯片的头部进入排管的废气流中，氧传感器芯片的尾部则位于排气管外。

在排气管中，双层结构的探头罩能够有效防止尾气中的冷凝水与碳烟颗粒堆积在芯片1的表面。平板式氧传感器在测量过程中，汽车尾气通过外层罩22的外通气孔24进入，在内层罩21外壁表面方向上转向，使冷凝水保留在内层罩的外壁表面上，防止冷凝水接触芯片1。外层罩22的外通气孔24处也不会沉积碳烟颗粒，碳烟颗粒自外通气孔24进入后，沉积在内层罩21外壁表面上，防止碳烟颗粒接触芯片1。内层罩、外层罩多孔交错的设置方式能够保持探头罩2内的气体与外界快速交换，且排气管中的废气波动形成围绕探头罩2区域的一个强的涡流，能够加速废气的交换。废气依次通过内层罩和外层罩底面的内同心孔26、外同心孔25流出平板式氧传感器。

堆积在内层罩上的冷凝水会随着温度的增加水蒸发，由于碳烟颗粒靠近芯片1，则会被芯片1加热的高温燃烧掉，因此内层罩的外壁上也不会堆积过多的废弃物。

Claims (6)

1.一种平板式氧传感器的封装结构，所述氧传感器芯片（1）的中间段位于上定位陶瓷件（6）、密封粉块（4）以及下定位陶瓷件（5）的中心孔中，所述上定位陶瓷件（6）、密封粉块（4）以及下定位陶瓷件（5）的外部设置有用于密封芯片的基座（3）；所述芯片头部设置有连接在基座（3）上用于防护芯片头部的探头罩（2）；所述芯片尾部设置有用于卡接与芯片电极引脚相压接的导线端子（8）的陶瓷套座（7）；其特征在于：

所述下定位陶瓷件（5）、密封粉块（4）以及上定位陶瓷件（6）均为圆柱形结构，其中上定位陶瓷件（6）为直径不同并相接的两段圆柱，上定位陶瓷件（6）的第一段圆柱与第二段圆柱之间为用于基座（3）收口的斜面台阶（61），所述斜面台阶（61）与第一段圆柱外圆面之间的夹角为40～50°；

所述基座（3）的内腔为三段直径不同的圆孔，三段圆孔的直径自芯片头部至芯片尾部依次增大，所述下定位陶瓷件（5）卡装在第二段圆孔中，密封粉块（4）和上定位陶瓷件（6）的第一段圆柱卡装在第三段圆孔中；

所述基座（3）第三段圆孔端部与上定位陶瓷件（6）斜面台阶（61）相应的位置设置有收口端（32），所述收口端（32）为上口薄端底厚的斜面段（33），斜面段（33）与收口端（32）内圆面之间的夹角为10～15°；

所述上定位陶瓷件（6）第二段圆柱的末端与陶瓷套座（7）相接，所述芯片电极引脚和导线端子（8）均位于第二段圆柱的末端，第二段圆柱末端还设置有用于插入导线端子（8）的方孔（62），导线端子（8）的头部位于方孔（62）的底端；所述陶瓷套座（7）与导线端子（8）底部相应的位置设置有用于卡紧导线端子（8）的卡口（71）。

2.根据权利要求1所述的平板式氧传感器的封装结构，其特征在于：所述导线端子（8）为金属长条片弯曲而成的具有弹力的弓形结构，导线端子（8）的头部宽度小于方孔（62）的宽度，导线端子（8）与芯片电极引脚相卡接的部位宽度大于方孔（62）的宽度。

3.根据权利要求2所述的平板式氧传感器的封装结构，其特征在于：所述第二段圆柱末端的方孔（62）开口处设置有便于导线端子（8）插入的倒角。

4.根据权利要求1所述的平板式氧传感器的封装结构，其特征在于：所述探头罩（2）为由内层罩（21）和外层罩（22）构成的双层结构，内层罩（21）和外层罩（22）上均设置有通气孔，内层罩（21）的外圆柱面与外层罩（22）的内圆柱面之间的间距为0.5mm～1mm，内层罩（21）的底面与外层罩（22）的底面相接；所述外层罩（22）的开口端固定连接在基座（3）上；所述内层罩（21）套装在外层罩（22）中，内层罩（21）与基座（3）连接的开口处设置有向外层罩（22）撑开的台阶（23），台阶（23）的外端卡装在外层罩（22）的开口端与基座（3）间。

5.根据权利要求4所述的平板式氧传感器的封装结构，其特征在于：所述外层罩（22）的圆柱面上环圆柱面匀布有3～4圈外通气孔圈，每圈外通气孔圈上匀布有八个直径为2mm～3mm的外通气孔（24），外层罩（22）的底面上设置有与芯片同中心轴的外同心孔（25）；所述内层罩（21）靠近台阶（23）的圆柱面上环圆柱面设置有一圈内通气孔圈，该内通气孔圈上匀布有四个直径为1.5mm～2.5mm的内通气孔（27），内层罩（21）的底面上设置有与芯片同中心轴的内同心孔（26）；所述内通气孔圈位于外层罩（22）上靠近开口端的两圈外通气孔圈之间。

6.根据权利要求5所述平板式氧传感器的封装结构，其特征在于：所述内层罩（21）的外圆柱面上与外通气孔（24）相应的位置设置有用于对气体流向进行导向的分流砖。

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