CN103477199A

CN103477199A - 耐压封装的压差传感器

Info

Publication number: CN103477199A
Application number: CN2012800155340A
Authority: CN
Inventors: 英·图安·塔姆; 弗兰克·帕斯勒; 拉斐尔·泰伊朋
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: US9054222B2; EP2691754B1; DE102011006517A1; CN103477199B; US20140021563A1; WO2012130512A1; EP2691754A1

Abstract

一种压差传感器（1）包括：封壳（2），其具有陶瓷封壳主体（20）和在其内部的换能器座，在换能器座中布置具有测量膜元件（33）和至少一个支承元件（31、32）的半导体压力测量换能器（3），其中测量膜元件（33）与至少一个支承元件（31、32）以压力密闭方式连接，支承元件具有压力入口（37、38），其中导管（27、28）分别从封壳（2）的外表面延伸到换能器座内；其中压力入口与第一导管连通，其中压力能够通过压力入口（38）施加于测量膜（33）的一侧，其中支承元件（32）通过接合部42与换能器座的壁以压力密闭方式连接，接合部42包围第一压力入口和第一导管（28）进入换能器座内的开口，并且其中测量膜的第二侧与其第一侧液压地隔离并且与第二导管（37）连通。

Description

耐压封装的压差传感器

技术领域

本发明涉及一种压差传感器，特别地具有半导体材料或陶瓷材料的换能器芯的压差传感器。

背景技术

在已知的压差传感器中，换能器芯包括特别地压阻或电容换能器，使得将换能器芯的测量膜的压差相关的偏转换能为电信号。这样的换能器芯通常安装于由金属材料——特别是钢——组成的测量设备中。这造成在构造和接合技术方面的严重问题，因为硅（用于半导体压力测量换能器的确认材料）的热膨胀系数为约3×10^-6/K，而此处相关的不锈钢的热膨胀系数在10×10^-6/K与16×10^-6/K之间。为了适应这种情形，换能器芯常常首先被安装于去耦主体上，该去耦主体然后被例如利用粘合剂或通过钎焊而固定到含钢的表面上。例如在德国专利申请DE10 2007 053 859A1中公开了一种具有半导体插座的相对应构造。DE10 2006 057 828A1公开了一种压差换能器，在此案例中，换能器芯包括在测量膜支承件上的压阻硅芯片，其中测量膜支承件被固定于玻璃主体的表面上。硅晶片在玻璃支承件上的直接固定适用于相对压力传感器，但对于压差传感器则产生问题，因玻璃通常具有比硅更小的压缩模量。这导致相对于静压的交叉敏感性，如DE10 2006 062 222A1中所描述的。最后，DE11 2004 000 818T5公开了一种压力传感器封壳，在此案例中，半导体绝对压力传感器被金属外壳中的压力传递液体等静压地包围，其中压力传感器的半导体主体经由荷载隔离元件被压力密闭地固定在压力传感器封壳的金属壁中的通路处，该荷载隔离元件包括陶瓷材料并且其相对于半导体压力传感器具有较小的截面积。尽管这种解决方案能够用于绝对压力传感器，它完全不适合于压差传感器，因为压差传感器主要需要到换能器芯的相对于彼此密封的两个压力供应管线。

未公布的德国专利申请DE10 2010 043043公开了一种差测量换能器，在此案例中，半导体换能器芯被柔软地置于弹性支承件之间的壳体。这个方案的确很有意思，但是其对于静压之间的压差和静压的载荷能力有所限制。此外，硅芯片的柔软安放需要最小体积，以使得分别安放在硅芯片与金属外壳之间的弹性密封的去耦效果能有效。

因此，本发明的目的在于提供一种压差换能器，其克服了现有技术的缺点。

发明内容

根据本发明，通过在独立专利权利要求1中所限定的差压计实现了这个目的。

本发明的压差传感器包括：封壳，其具有陶瓷的封壳主体，其中封壳在其内部具有换能器座，其中在换能器座中布置半导体压力测量换能器，该半导体压力测量换能器具有测量膜主体和至少一个支承主体，其中测量膜主体沿着周围边缘与至少一个支承主体压力密闭地连接，其中支承主体具有至少一个压力入口，其中第一导管和第二导管从封壳的外表面延伸到换能器座内；其中压力入口与第一导管连通，其中面向至少一个支承主体的测量膜的第一侧通过至少一个压力入口与通过第一导管引入的压力可接触，其中至少一个支承主体接触压力承载接合部，该压力承载接合部压力密闭地包围第一压力入口，包围第一导管进入换能器座内的开口并且与换能器座的壁压力密闭地连接；以及其中背向测量膜的第一侧的测量膜的第二侧与测量膜的第一侧液压地隔离并且与第二导管连通。

在本发明的进一步发展中，半导体压力测量换能器芯的支承主体具有第一有效热膨胀系数α₁，其中封壳主体的陶瓷材料具有第二热膨胀系数α₂，其中|(α₁–α₂)/(α₁+α₂)|<0.25，特别地<0.2，优选地<0.15。

在本发明的进一步发展中，在第一换能器芯与换能器座的壁之间的至少一个第一接合部包括玻璃。

在本发明的进一步发展中，接合部具有不大于100μm，特别地不大于75μm并且优选地不大于50μm的厚度。

在本发明的进一步发展中，封壳主体具有第一主体部和第二主体部，其中第一主体部和第二主体部沿第二接合部彼此压力密闭地接合。

在本发明的进一步发展中，第二接合部包括玻璃。

在本发明的进一步发展中，第一主体部和第二主体部基本上彼此对称。

在本发明的进一步发展中，其中换能器芯包括第二支承主体，其中测量膜主体被布置于第一支承主体与第二支承主体之间并且与两支承主体压力密闭地连接。

在本发明的此进一步发展的实施例中，第二支承主体用第三接合部与换能器座的壁压力密闭地连接。

在本发明的进一步发展中，换能器芯基本上对称地构造并且对称地布置于换能器腔室中。

在本发明的进一步发展中，第三接合部具有开口，该开口与第二导管对准，其中第二支承主体具有压力入口，该压力入口与测量膜的第二侧连通，其中压力入口被布置成与第二导管对准，以便向测量膜的第二侧供应通过第二导管引入的压力。

在本发明的进一步发展中，换能器座具有电接触点，经由该电接触点以倒装芯片技术接触换能器芯，其中该接触点经由电引线而被引导至压力封壳的外表面上的电连接件。

在本发明的进一步发展中，第一主体部和第二主体部在第一或第三接合部区域中具有第一陶瓷材料，该第一陶瓷材料的热膨胀系数与换能器芯的有效热膨胀系数匹配，并且其中在每种情况下第一主体部和第二主体部在背向第一接合部或第三接接合部的区域中具有第二陶瓷材料，该第二陶瓷材料的热膨胀系数与金属材料的热膨胀系数匹配，其中在每种情况下第一导管和第二导管止于包括第二陶瓷材料的第一主体部或第二主体部的外表面的区域中，其中第一导管和第二导管分别与由金属材料组成并且与封壳压力密闭地连接的第一毛细管线和第二毛细管线连通，以便将第一压力或第二压力引入到换能器座内。

在本发明的进一步发展中，换能器座形成换能器芯被布置于其中的压力密闭的换能器腔室。

在本发明的进一步发展中，第二导管与换能器芯外侧的换能器腔室中的体积连通，以便向换能器芯在其外表面上等静压地供应经由第二导管引入的压力。

附图说明

现将基于附图中给出的示例性实施例来解释本发明，其中：

图1为本发明的压差测量换能器实施例的第一例的纵截面图；和

图2为本发明的压差测量换能器的实施例的第二例的纵截面图。

具体实施方式

在图1中所示的压差传感器1包括封壳2，半导体压力测量换能器芯3布置于封壳2中。封壳2包括陶瓷的封壳主体20，陶瓷封壳主体20由两个陶瓷主体部21、22形成，两个陶瓷主体部21、22沿着接合部23——特别是包括玻璃焊料的接合部23——而彼此连接。半导体压力测量换能器芯3包括第一支承主体31、第二支承主体32和测量膜主体33，测量膜主体33压力密闭地固定到两个支承主体上。支承主体31、32中的每一个在其面向测量膜的一侧具有腔35或36，其中界定腔35和36的支承主体31和32的表面可特别用作膜床，在过载的情况下测量膜33能够抵靠膜床放置。第一支承主体31和第二支承主体32中的每一个具有孔37或38，测量膜33通过孔37或38与压力p₁或p₂可接触，其中测量膜33经历偏转，该偏转取决于压差p₁-p₂。在本例的实施方式中，半导体压力测量换能器芯为电容压力测量换能器，其中第一支承主体和第二支承主体各具有至少一个对电极，并且其中每个对电极与测量隔膜之间的电容用来确定压差p₁-p₂。

支承主体31、32和测量膜33特别地包括硅，其中测量膜优选高度掺杂硅，并且其中对电极同样通过掺杂或经由金属涂层而制备。为了将半导体压力测量换能器芯3的电信号传出，设置穿过封壳主体2延伸的电引线39，其中，电引线39在支承主体31、32的基体表面上接触半导体压力测量换能器芯，特别地通过倒装芯片技术。半导体压力测量换能器芯3通过相应压力承载接合部41、42支承于封壳主体的两主体部上的由封壳主体2内部中的腔25、26所形成的换能器腔室中，其中接合部特别地包括玻璃。贯穿第一主体部和第二主体部并且穿过半导体压力测量换能器芯3与主体部21、22之间的接合部的是相应的导管27、28，导管27、28与膜支承主体中的相应压力入口37、38对准，使得半导体压力测量换能器芯3通过导管27、28与第一压力和第二压力可接触，以确定其压差。主体部、主体部之间的接合部和半导体与半导体压力测量换能器芯之间的接合部的材料以及接合部的厚度和主体部21、22中端面中的腔25、26的深度与半导体压力测量换能器芯3的尺寸匹配，以使得尽管所涉及的材料具有不同的热膨胀系数，由于温度波动造成的机械应力并不导致破坏半导体压力测量换能器芯或者讹误测量值。适合于封壳主体的材料特别地为堇青石、莫来石、碳化硅、氮化硅和氮化铝。特别适合于接合部的是玻璃焊料。在半导体压力测量换能器芯35、36中的腔能够通过常用的半导体加工方法来制备，特别是各向异性蚀刻、光刻方法或激光烧蚀。为了向半导体压力测量换能器芯1供应第一压力p₁和第二压力p₂，例如，金属毛细管线51、52能够通过硬焊料或钎料接合部53、54而被固定到封壳主体2上的导管27、28处。

在图2中所示的压差传感器101包括封壳102，半导体压力测量换能器芯103布置于封壳102中。封壳102包括陶瓷封壳主体120，该陶瓷封壳主体120由两个陶瓷主体部121、122形成，该两个陶瓷主体部121、122沿着接合部123——特别地沿着玻璃焊料接合部123——彼此压力密闭地连接。

半导体压力测量换能器芯103被布置于封壳主体120内部由第二主体部122中的腔126形成的换能器腔室中并且利用压力承载接合部142固定到封壳主体的第二主体部122，其中接合部特别包括玻璃焊料。相应的导管127、128贯穿第一主体部121和第二主体部122，以把待确定压差的两个压力引入换能器腔室中。半导体压力测量换能器芯103与第二主体部122之间的接合部142包围至半导体压力测量换能器芯的通路，其中，穿过第二主体部122的导管128与该通路对准。

半导体压力测量换能器芯103包括支承主体132和测量膜主体133，该测量膜主体133被压力密闭地固定到支承主体上，其中半导体压力测量换能器芯与第二主体部122之间的接合部142被形成于支承主体132与第二主体部之间。支承主体132可选地在其面向测量膜的端部包括腔134，该腔134有助于在测量膜133两侧上封壳中的体积对称化。支承主体132包括孔135，测量膜133通过孔135与压力p₂可接触。孔135与通过接合部142的通路对准并且与通过第二主体部的导管128对准。

测量膜133在其背向支承主体132的外侧与压力p₁可接触，可通过导管127引入压力p₁，导管127贯穿第一主体部121到测量单元内，其中该压力p₁不仅作用于测量膜133的外侧，而且也作用于支承主体132的外表面到接合部142外侧，使得半导体压力测量换能器103大致等静压地安放。那么，除了由于静压所造成的材压缩之外，半导体压力测量换能器芯的机械荷载由两个压力之间的压差p₁-p₂给出。在可预知所考虑的压力中哪一个更大的情况下，目前优选的是将较大压力作为p₁引导至半导体压力测量换能器芯103外侧。

在本例的实施方式中，半导体压力测量换能器芯103被实施为压阻压力测量换能器芯，其中测量膜133具有掺杂测量电阻器，特别地呈全桥电路的形式。在本发明的目前优选的实施例中，测量膜133以及支承主体132都包括硅。

为了将半导体压力测量换能器芯103的电信号传出，通过封壳主体102设置电引线139，其中，在此实施例中，电引线139并不与半导体压力测量换能器芯103直接接触。而是，结合线137从测量隔膜133的边缘上的接触表面引导至金属导电迹线138，该金属导电迹线138形成于第二主体部122的端面上。这些导电迹线由延伸穿过第一主体部121的电引线139接触。

适合用作封壳主体102的主体部121、122的材料特别是堇青石、莫来石、碳化硅、氮化硅和氮化铝。接合部特别地包括玻璃焊料。

为了向半导体压力测量换能器芯101供应第一压力p₁和第二压力p₂，例如金属毛细管线151、152能够借由硬焊料或钎料接合部153、154而在导管127、128处被固定到封壳主体102上。

Claims

1.一种压差传感器（1），包括：

封壳（2），其具有陶瓷的封壳主体（20），其中所述封壳（2）在其内部具有换能器座，

其中在所述换能器座中布置半导体压力测量换能器芯（3），所述半导体压力测量换能器芯（3）具有测量膜主体（33）和至少一个支承主体（31、32），其中所述测量膜主体（33）沿着周围边缘与所述至少一个支承主体（31、32）压力密闭地连接，其中所述支承主体具有至少一个压力入口（37、38），

其中第一导管和第二导管（27、28）从所述封壳（2）的外表面延伸到所述换能器座内；

其中所述压力入口与所述第一导管连通，

其中面向所述至少一个支承主体（32）的所述测量膜（33）的第一侧通过所述至少一个压力入口（38）与通过所述第一导管（28）引入的压力可接触，

其中所述至少一个支承主体（32）接触压力承载接合部（42），所述压力承载接合部（42）压力密闭地包围所述第一压力入口，包围所述第一导管（28）进入所述换能器座内的开口，并且与所述换能器座的壁压力密闭地连接；以及

其中背向所述测量膜的第一侧的所述测量膜的第二侧与所述测量膜的第一侧液压地隔离并且与所述第二导管（37）连通。

2.根据权利要求1所述的压差传感器，其中所述半导体压力测量换能器芯的所述支承主体具有第一有效热膨胀系数α₁，并且其中所述封壳主体的陶瓷材料具有第二热膨胀系数α₂，其中|(α₁–α₂)/(α₁+α₂)|<0.25，特别地<0.2，优选地<0.15。

3.根据权利要求1或2所述的压差传感器，其中在所述换能器芯与所述换能器座的壁之间的至少一个第一接合部包括玻璃。

4.根据权利要求3所述的压差传感器，其中所述接合部的厚度不超过100μm，特别地不超过75μm，并且优选地不超过50μm。

5.根据前述权利要求中任一项所述的压差传感器，其中所述封壳主体具有第一主体部和第二主体部，其中所述第一主体部和第二主体部沿着第二接合部彼此压力密闭地接合。

6.根据权利要求5所述的压差传感器，其中所述第二接合部包括玻璃。

7.根据权利要求6所述的压差传感器，其中所述第一主体部和所述第二主体部基本上彼此对称。

8.根据前述权利要求中任一项所述的压差传感器，

其中所述换能器芯包括第二支承主体，

其中所述测量膜主体被布置于所述第一支承主体和所述第二支承主体之间并且与两个支承主体压力密闭地连接。

9.根据权利要求8所述的压差传感器，其中所述第二支承主体通过第三接合部与所述换能器座的壁压力密闭地连接。

10.根据前述权利要求中任一项所述的压差传感器，其中所述换能器芯基本上对称地构造并且对称地布置于换能器腔室中。

11.根据权利要求9所述的压差传感器，其中，所述第三接合部具有开口，该开口与所述第二导管对准，其中所述第二支承主体具有压力入口，所述压力入口与所述测量膜的第二侧连通，其中所述压力入口被布置成与所述第二导管对准，使得向所述测量膜的第二侧供应通过所述第二导管引入的压力。

12.根据前述权利要求中任一项所述的压差传感器，其中所述换能器座具有电接触点，经由所述电接触点以倒装芯片技术接触所述换能器芯，其中所述接触点经由电引线引导至压力封壳的外表面上的电连接件。

13.根据权利要求5所述和根据权利要求11所述的压差传感器，其中所述第一主体部和所述第二主体部在所述第一接合部或所述第三接合部的区域中具有第一陶瓷材料，所述第一陶瓷材料的热膨胀系数与所述换能器芯的所述有效热膨胀系数匹配，并且其中在每种情况下，所述第一主体部和所述第二主体部在背向所述第一接合部或所述第三接接合部的区域中具有第二陶瓷材料，所述第二陶瓷材料的热膨胀系数与金属材料的热膨胀系数匹配，其中在每种情况下，所述第一导管和第二导管终止于由所述第二陶瓷材料组成的所述第一主体部或所述第二主体部的外表面的区域中，其中在每种情况下，所述第一导管和第二导管与由金属材料组成并且与所述封壳压力密闭地连接的第一毛细管线和第二毛细管线连通，使得把第一压力或第二压力引入到所述换能器座内。

14.根据前述权利要求中任一项所述的压差传感器，其中所述换能器座形成压力密闭的换能器腔室，所述换能器芯被布置于该压力密闭的换能器腔室中。

15.根据权利要求14所述的压差传感器，其中所述第二导管与所述换能器芯的外侧的所述换能器腔室中的体积连通，使得在其外表面上向所述换能器芯等静压地供应经由所述第二导管引入的压力。