CN104819788A - 一种密封装置 - Google Patents

Abstract

一种气密封装装置，以及密封装置的一部分，例如但不限于具有MEMS传感器的部分。

Description

一种密封装置

技术领域

涉及形成气密或真空封装的装置的一个或更多实施方式，并且涉及制造这种装置的方法的一个或更多实施方式。

技术背景

存在多种传统方法用于形成密封，以防止液体、气体以及类似物从封装的一个局部泄漏至另一个局部。形成密封的传统方法包括：(a)使用O形圈；(b)焊接；(c)钎焊；(d)粘合等。许多传统方法在密封不太敏感或重要的环境中是可接受的。然而，在许多场合，包括传感器置于封装的不同结构方向来测量介质压力，获得良好的气密封或气密封装十分重要，而传统的方法不合适使用。

在典型的传统压力传感器件中，弯曲的金属薄膜被焊接在压力传递通路上，用于密封充满气体的腔室(从而减少气体从腔室的泄露)。在制造其它类型的传统压力传感器件时，金属壳体用不锈钢合金制成(因为其抗腐蚀性能)。在这种情况，密封方法通常涉及激光束或者电子束(“e-beam”)来熔化金属以形成密封。

MEMS(“Micro-Electro-Mechanical System”微电子机械系统)压力传感器的封装会涉及到将硅基芯片安装在金属基座上，金属基座材料例如可伐合金或因瓦合金，其热膨胀系数与硅基芯片极其接近(通常，不能使用不锈钢)。由于存在低成本压力传感器件的持续性需求，希望壳体采用诸如黄铜、紫铜和铝等而非不锈钢制成。然而，使用传统的激光焊接方法直接将热匹配的金属基座(例如可伐合金或因瓦合金)连接至金属壳体(用黄铜、紫铜或铝等非热匹配金属制成)通常会导致焊接裂纹。换言之，使用这些基于金属焊接的传统方法不能成功的形成密封。并且，铜焊或者钎焊等其它等效密封方法，其工艺过程温度超过800℃，高于制造MEMS传感器的破坏温度，造成器件损坏。

摘要

具有气密或真空密封装置的一个或更多实施方式，例如但不限于包括MEMS传感器在内的压力传感器。在不破坏传感器的情况下，制造这种装置的方法的一个或更多实施方式，例如但不限于包括制造MEMS传感器的方法。特别是，用于制造的方法的一个或更多进一步的实施方式包括不同类型的金属焊封材料的使用以密封装置的部件，从而MEMS传感器可被使用。进一步的，特别是，一个或更多这种进一步的用于制造的方法的实施方式，包括卷边装置的使用用以使金属密封材料在装置内实现密封。更一步的，特别是，制造方法的一个或更多实施方式通过压力提供密封，实现与焊接方法相等的泄漏率，并且不会引起泄漏。

附图说明

图1A为根据一个或更多实施方式制造的密封装置的立体图；

图1B示出图1A所示装置的三种实施方式的截面图——根据第一加工实施方式制造的使用径向密封的第一装置实施方式，根据第二加工实施方式制造的使用全密封的第二装置实施方式以及根据第三加工实施方式制造的使用“面”密封的第三装置实施方式；

图2为根据第一加工实施方式，也即使用径向密封环，用于制造具有第一装置实施方式的零件的立体分解图；

图3A为用于制造一个或更多实施方式的颈圈的立体图；

图3B为图3A所示的颈圈的截面图；

图4A为用于制造一个或更多实施方式的附有MEMS传感器的应力隔离器的立体图；

图4B为图4A所示的附有MEMS传感器的压力传感器的截面图；

图5A为根据第一加工实施方式，用于制造具有密封的一个或更多第一装置实施方式的径向密封件的立体图；

图5B为图5A所示径向密封环的截面图；

图6A为根据第一加工实施方式，用于制造形成密封的一个或更多第一装置实施方式的壳体的立体图；

图6B为图6A所示壳体的截面图；

图7为根据用于制造一个或更多第一装置实施方式的一个或更多第一加工实施方式实施的径向密封卷边步骤详解；

图8为根据第二加工实施方式，也即使用全密封，用于制造具有第二装置实施方式的零件的立体分解图；

图9A为用于制造一个或更多实施方式的颈圈的立体图；

图9B为图9A所示的颈圈的截面图；

图10A为用于制造一个或更多实施方式的附有MEMS传感器的应力隔离器的立体图；

图10B为图10A所示的附有MEMS传感器的应力传感器的截面图；

图11A为根据第二加工实施方式，用于制造具有密封的一个或更多第二装置实施方式的全密封的立体图；

图11B为图11A所示的全密封的截面图；

图12A为根据第二加工实施方式，用于制造具有密封的一个或更多第二装置实施方式的壳体的立体图；

图12B为图12A所示的壳体的截面图；

图13为根据用于制造一个或更多第二装置实施方式的一个或更多第二加工实施方式实施的全密封卷边步骤详解；

图14为根据第三加工实施方式，也即使用“面”密封，用于制造具有第三装置实施方式的零件的立体分解图；

图15A为用于制造一个或更多实施方式的颈圈的立体图；

图15B为图15所示颈圈的截面图；

图16A为用于制造一个或更多实施方式的附有MEMS传感器的应力隔离器的立体图；

图16B为图16A所示的附有MEMS传感器的应力隔离器的截面图；

图17A为根据第三加工实施方式，用于制造具有密封的一个或更多第三装置实施方式的“面”密封的立体图；

图17B为如图17A所示的“面”密封的截面图；

图18A为根据第二和第三加工实施方式，用于制造一个或更多第二装置实施方式的壳体的立体图；

图18B为图18A所示壳体的截面图；

图19为根据用于制造一个或更多第三装置实施方式的一个或更多第三实施方式实施的，“面”密封卷边步骤详解。

具体实施方式

实施方式将参照附图描述，其中，相同的组件、零件等等用相同的附图标记贯穿于多幅附图。并且，在此提供诸如压力值、材料、尺寸、维度、形状等的特定参数，意为示例性的而非限制。

一个或更多加工实施方式被用于形成密封的方法中，从而密封装置的部分(诸如，例如但不限于压力传感器装置或者器件)，并且，特别的，诸如，例如但不限于具有MEMS(微电子机械系统)传感器的部分。根据一个或更多这种加工实施方式，这种方法涉及在壳体空腔内，使密封环变形而实现密封的步骤，其中的壳体包括一个安装在应力隔离器的MEMS传感器。根据一个或更多这种加工实施方式，密封环可由金属制成，该金属优选为软金属，该软金属可以为但不限于铜或者铜合金。然而，一个或更多进一步加工实施方式还包括使用其它金属或者非金属来形成密封。可以确信，如上所述的一个或更多加工实施方式，通过施加机械压力使得金属密封件“熔化”或者“软退火”，从而实现气密或真空封装(也即，形成“类钎焊”密封，实现气密或真空封装)。

进一步，一个或更多上述实现密封装置的实施方式，也可针对装置的一部分进行密封，例如但不限于包括MEMS传感器的局部。

图1A为密封装置1的立体图，根据一个或更多加工实施方式制成。如图1A所示，装置1包括：具有空腔4的壳体2，附有MEMS传感器12的应力隔离器8以及颈圈10。MEMS传感器12通常被用于感知和测量液体或者气体的压力。没有在图1A中示出的是设置在应力隔离器8和空腔4的内壁之间的密封。

图1B示出图1A所示装置的三种装置实施方式的截面图。图1B中示出的第一装置实施方式根据使用径向密封的第一加工实施方式制成，第一加工实施方式参照图2-7被描述；图1B中示出的第二装置实施方式根据使用全密封的第二加工实施方式制成，第二加工实施方式参照图8-13被描述；图1B中示出的第三装置实施方式根据使用表面密封件的第三加工实施方式制成，第三加工实施方式参照图14-19被示出。

图2为构成一个或多个第一装置实施方式的压力传感器装置其中一部分的立体分解图，且该装置具有气密封装结构。如图2所示，空腔4形成于装置的壳体2中(例如但不限于金属壳体)。根据该第一装置实施方式，并且如图2进一步所示，第一装置实施方式使用径向密封环6(例如但不限于，由诸如黄铜的软金属制成)，应力隔离器8以及颈圈10(例如但不限于，由高强度钢制成)制造。如图2进一步所示，MEMS传感器12被安装在应力隔离器8上。

图3A为颈圈10的立体图，图3B为颈圈10的截面图；图4A为附有MEMS传感器12的应力隔离器8的立体图，图4B为附有MEMS传感器12的应力隔离器8的截面图；图5A为径向密封环6的立体图，而图5B为径向密封环6的截面图；图6A为具有空腔4设置于内的壳体2的立体图，而图6B则为具有空腔4设置于内的壳体2的截面图。

根据一个或更多这种第一装置实施方式，壳体2可由金属制成，金属可以为但不限于不锈钢、紫铜以及铝，或者其可由具有金属插入件的塑料模零件制成。并且，壳体2可由其它材料或者金属组合物制成，只要它们能够承受在此描述的制造加工的应力和形变，并且它们具有适于保持气密封装的材料特性。进一步的，壳体2包括空腔4。根据第一或更多这种实施方式，空腔4的壁可具有任何与径向密封环6紧配的形状(在此，紧配指的是紧配合，但不如压配合那么紧)。注意在此实施方式中，壳体2的孔延伸至空腔4的底部(指的是图6B)，并不是向上延伸进入，而是延伸在空腔4的壁之间。

根据一个或更多实施方式，应力隔离器8由具有低热膨胀系数的金属制成，并且具有小于空腔4的直径。根据一个或更多这种实施方式，具有合适的热膨胀系数的金属可为但不限于铁基合金，例如但不限于因瓦合金或可伐合金，其包括42％质量百分比的镍以及平衡适量的铁。

根据一个或更多实施方式，颈圈10可由高强度钢制成，例如但不限于合金，以及SUS300、SUS400、SUS600等适于机加工的不锈钢。根据一个或更多实施方式，颈圈10内壁与空腔4的外壁为紧配。

根据一个或更多这种第一装置实施方式，径向密封环6(如图5A和5B所示)可由诸如，例如但不限于软黄铜的金属制成——其中软黄铜这个术语通常意为100％的黄铜，几乎没有或者没有其他合金。并且，径向密封环6可由其他材料制成，其他材料诸如，例如但不限于特氟龙(聚四氟乙烯)、铝以及其他诸如软黄铜合金的软金属材料。当根据一个或更多加工实施方式组装装置时，径向密封环6以径向的形式围绕或封装应力隔离器8。根据一个或更多实施方式，径向密封环6的直径小于空腔4的直径，但是大于应力隔离器8的直径，从而形成两者之间的紧配。根据一个或更多实施方式，虽然径向密封环6被示为具有圆柱形状，但并不限于该形状。根据一个或更多实施方式，径向密封环6的壁部并不延伸至空腔4的壁部的顶端。

虽然图4A所示的MEMS传感器12安装在应力隔离器8的顶部，但显然存在更多的实施方式，可被安装至应力隔离器8顶端以外的多个位置。根据一个或更多实施方式，MEMS传感器12可为任何传统的当前可用的MEMS传感器。另外，根据一个或更多实施方式，应力隔离器8可以为任何形状，只要其可由径向密封环6包围。

图7为一个或多个实施方式的径向密封的步骤说明，以此来完成一个或多个第一装置。首先，第一卷边器20被用于将径向密封6放置于壳体2的空腔4内。接着，第一卷边器20被用于将附有MEMS传感器的应力隔离器8放置于空腔4中的径向密封环6内。接着，第一卷边器20被用于将压力施加于应力隔离器8的顶端(例如但不限于例如0.5tons psi的压力)以将应力隔离器8和所附的MEMS传感器12向下完全压入径向密封环6中。接着，第二卷边器30被用于将颈圈10放置于应力隔离器8上，从而它的壁绕空腔4的外壁延伸。接着，第二卷边器30被用于在颈圈10的顶端施加压力(例如但不限于约为2tons psi的压力)，从而空腔4的壁部被卷下来(也指压下来)至径向密封环6和应力隔离器8。相应的，径向密封环6产生变形，并且其充满应力隔离器8和空腔4的内壁之间的空隙(被认为是“熔化”)，并且空腔4的壁部被卷下来至应力隔离器8，从而提供其保持在壳体2内的保持力——该保持力防止应力隔离器8在气体或液体的压力下从空腔4分离。结果，径向密封环6在空腔4的内壁与应力隔离器8之间产生挤压形变，从而对壳体2的空腔4实现很好的气密或气密封装的效果。换言之，金属密封件被挤压在由空腔壁包围的区域内，该空腔壁由壳体一体形成，该壳体还包括安装有传感器的应力隔离器。也即，外部卷边被压配在空腔壁外侧，结果，空腔壁被下弯在压力传感器基座上，并且保持施加力在应力隔离器基座。

图8为根据第二加工实施方式，即使用全密封，用于制造具有第二装置实施方式的零件的立体分解图。如图8所示，根据第二加工实施方式制造的该装置类似于以上描述的根据第一加工实施方式制造的装置，除了壳体和密封彼此不同。并且，以下还将进一步描述，用于制造对应密封的卷边加工不同。

如图8所示，空腔24形成于该装置的壳体22(例如但不限于金属壳体)。根据该第二装置实施方式，并且进一步如图8所示，第二装置实施方式使用全密封26(例如但不限于由诸如黄铜的软金属形成)、应力隔离器8以及颈圈10(例如但不限于由高强度钢形成)制造。如图8进一步所示，如上所述的对应于第一装置实施方式，MEMS传感器12被安装至应力隔离器8。

图9A为颈圈10的立体图，图9B为颈圈10的截面图；图10A为附有MEMS传感器12的应力隔离器8的立体图，而图10B为附有MEMS传感器12的压力传感器8的截面图；图11A为全密封26的立体图，而图11B为全密封的截面图；图12A为具有空腔24设置于内的壳体22的立体图，图12B为具有空腔设置于内的壳体22的截面图。

颈圈10和附有MEMS传感器12的应力隔离器8的材料已在上面描述过。

根据一个或更多这种第二装置实施方式，壳体22可由金属制成，例如但不限于不锈钢、紫铜和铝，或者由具有金属插入物的塑料模部件制成。壳体22也可由其它材料或者金属复合材料制成，只要它们能够承受在此描述的制造加工的应力和形变，并且具有适于保持密封的材料特性。进一步的，壳体22包括空腔24。根据一个或更多这种实施方式，空腔24可具有任何适于紧密接受全密封6在内的形状。注意在此实施方式中，壳体22内的流道(或管道)的孔延伸进入空腔24(参照图12B)。

根据一个或更多这种第二装置实施方式，全密封件26(如图11A和11B所示)可由金属制成，例如但不限于软黄铜。全密封件26也可由其它材料制成，例如但不限于特氟龙、铝、软黄铜合金等软金属材料。在根据一个或更多第二加工实施方式的装置组装过程中，应力隔离器8紧密地坐落于全密封件26内，并且一旦其被放置进入壳体22的空腔24内则位于全密封件26的上方。根据一个或更多实施方式，全密封件26被示为具有带开口顶端的环形。然而，全密封件26并不限于该特殊形状，并且存在进一步的实施方式，可为任何合适的形状，只要其能够使得应力隔离器28配合于全密封件26内。根据一个或更多实施方式，全密封件26的壁部不会延伸至空腔24的壁部的顶端。

图13为用于制造一个或多个第二装置的一个或多个第二加工实施方式的(全密封卷边加工的)步骤详解。首先，第三卷边器25被用于将全密封件26放入壳体22的空腔24内。接着，第一卷边器20被用于将附有MEMS传感器12的应力隔离器8放入空腔24内的全密封26中。接着，第一卷边器20被用于向应力隔离器8的顶端施加压力(例如但不限于大约0.5ton psi的压力)从而将应力隔离器8和所附的MEMS传感器12完全压入全密封件26的壁部或边缘之间。接着，第二卷边器30被用于将颈圈放至应力隔离器8的上方从而其壁部围绕空腔24的外壁延伸。接着，第二卷边器30被用于向颈圈10的顶端施加压力(例如但不限于约2ton pis的压力)，从而空腔24的壁部被卷下至全密封件26和应力隔离器8之上。对应的，全密封26件产生形变，充满应力隔离器8外壁和空腔24内壁之间的狭缝(认为已经“熔化”)，并且空腔24的壁部被卷下至应力隔离器8之上以提供其在壳体22内的保持力。结果，全密封件26被变形为提供壳体22内的空腔24在应力隔离器8的外壁、全密封件26以及空腔24的内壁之间的气密与真空封装。

图14为根据第三加工实施方式，也即使用面密封方式，用于制造具有第三装置实施方式的零件的立体分解图。如图14所示，根据第三加工实施方式制造的装置类似于以上描述的用第二加工实施方式制造的装置，只是密封方式彼此不同。并且，以下将详细描述，制造对应的密封的卷边加工工序不同。

如图14所示，空腔24形成于壳体22内。根据该第三装置实施方式，并且如图14进一步所示，第三装置实施方式使用表面密封件36(例如但不限于黄铜等软金属)、应力隔离器8以及颈圈10(例如但不限于由高强度钢形成)制造而成。如图14进一步所示，就像已经在上文描述的第一装置实施方式那样，MEMS传感器12被附至应力隔离器8。

图15A为颈圈10的立体图，图15B为颈圈10的截面图；图16A为安装有MEMS传感器12的应力隔离器8的立体图，图16B为安装有MEMS传感器12的应力隔离器8的截面图；图17A为表面密封件26的立体图；图17B为表面密封件36的截面图；图18A为包含空腔24的壳体22的立体图，18B为包含空腔24的壳体22的截面图。

颈圈10和附有MEMS传感器12的应力隔离器8的材料已在上面描述过。并且，壳体22的制造材料已经在上文中描述过。根据一个或更多实施方式，空腔24可具有任何适于紧密接受面密封的形状。

根据一个或更多这种第三装置实施方式，表面密封件36(如图17A和17B)可由例如但不限于软黄铜的金属制成，也可由其它材料形成，其它材料例如但不限于特氟龙、铝以及任何其他软金属材料。在根据一个或更多第三加工实施方式组装装置时，应力隔离器8紧密坐落于空腔24内，一旦它们被放置于壳体22的空腔24内，应力隔离器8位于表面密封件36的上面。根据一个或更多实施方式，表面密封件36可为碟状，然而并不限于这种特殊形状。显然存在进一步的实施方式，其中表面密封件可具有任何适合的形状，只要其可紧密位于空腔24的壁部内。

图19为用于制造一个或多个第三装置的一个或多个第三实施方式(面密封卷边加工)步骤详解。首先，第一卷边器20被用于将表面密封36放置于壳体22的空腔24内。接着，第一卷边器20被用于将附有MEMS传感器12的应力隔离器8放置于空腔24内。接着，第一卷边器20被用于向应力隔离器8的顶端施加压力(例如但不限于约0.5tons psi的压力)从而将应力隔离器8以及所附的MEMS传感器12完全下压至表面密封36的上面。接着，第二卷边器30被用于将颈圈10置于应力隔离器8的上方，从而它的壁部沿着空腔24的外壁延伸。接着，第二卷边器30被用于在颈圈10上施加压力(例如但不限于约2tonspsi的压力)从而空腔24的壁部被卷下至表面密封件36和应力隔离器8的上面。相应的，表面密封件产生形变，并充满应力隔离器8底表面和空腔24内壁之间的狭隙(认为已经“熔化”)，并且空腔24的壁部被卷下至应力隔离器8的上面，从而在壳体22内施加力并保持。结果，表面密封件36产生形变，为应力隔离器8底面、表面密封件36、空腔24内壁之间形成的空腔提供真空或气密封装。

以上所描述的实施方式为示例性的。例如，许多特定细节被设定，诸如部件、尺寸、温度范围、材料、机械设计等等，从而能够深入理解本发明。然而，作为所属领域技术人员能够认识到，本发明在不用凭借前面设定的特定细节的情况下可被实施。同样的，在本发明的保护范围内，对于所属领域技术人员而言能够对前文描述作出改变和修改(也即，基于此处的原理和教导，多个实施方式的细化和替代是可能的)。并且，用于制造实施方式的材料、方法和机械装置通过提供特定的非限制性的例子和/或依赖于本领域技术人员的知识在以上被描述。为了简便起见，以上描述的适于用于制造多种实施方式或更多实施方式的部分的材料、方法和机械装置没有被重复，然而需要被理解的，对于所属领域技术人员而言，多个实施方式或者多个实施方式的部分可通过以上描述的相同或类似的材料、方法或机械装置制造。同样的，本发明的保护范围应当参照所附的权利要求连同其等价的全部范围来确定。

Claims (14)

1.一种密封装置，包括：

壳体，其具有带壁部的空腔；

可压的密封件，位于所述空腔内；和

装置部件，其位于所述空腔内，与所述可压的密封件接触；

其中：

所述可压的密封件与所述空腔的所述壁部接触；以及

所述壁部被卷下至所述装置部件上面，从而提供给所述装置部件在所述壳体内的保持力。

2.权利要求1所述的装置，其中，所述可压密封件由软金属组成。

3.权利要求2所述的装置，其中，所述软金属为软黄铜。

4.权利要求2所述的装置，其中，所述软金属为软黄铜合金。

5.权利要求3所述的装置，其中，所述壳体由不锈钢、紫铜和铝中的一种或多种组成。

6.权利要求1所述的装置，进一步包括被压在所述空腔的所述壁部的颈圈。

7.权利要求6所述的装置，其中所述颈圈由钢组成。

8.权利要求7所述的装置，其中所述钢为高强度钢。

9.权利要求2所述的装置，其中所述可压密封件为径向密封环，其装配为围绕所述空腔的所述壁部的内部；并且，所述装置部件被设置在空腔内，位于可压的径向密封环内。

10.权利要求2所述的装置，其中所述可压的密封件为可压的全密封件，其具有环形形状，并且所述可压全密封件的外壁被装配为围绕所述空腔的所述内壁；并且，所述装置部件被设置在空腔内，位于所述可压全密封件内。

11.权利要求2所述的装置，其中所述可压的密封件为可压的面密封件，其被装配为围绕所述空腔的所述内壁；并且，所述装置部件被设置在空腔内，位于可压面密封件上。

12.权利要求9所述的装置，其中所述装置为压力传感器装置，并且所述装置部件包括应力隔离器。

13.权利要求10所述的装置，其中所述装置为压力传感器装置，并且所述装置部件包括应力隔离器。

14.权利要求11所述的装置，其中所述装置为压力传感器装置，并且所述装置部件包括应力隔离器。