CN105181216A - 应变计式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种压力传感器组件、压力变送器和用于制造压力变送器的方法。本申请的压力变送器组件包括压力响应式隔膜和电子包装件，传感元件被安装至压力响应式隔膜，电子包装件包括适合通过引线接合设备电连接至传感元件的引线接合垫。隔膜和引线接合垫在变送器中被支承以使得隔膜和引线接合垫的位置彼此靠近且位于不相交的平面内。

Description

应变计式压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力变送器以及用于此类变送器的包装结构和构造方法，该压力变送器实施用于检测流体系统中压力变化的应变计技术以生成电信号。

背景技术

集成了微熔硅(microfusedsilicon)应变计技术的压力检测变送器已经在很多环境中使用得越来越多并且用于多种应用场合。上述压力测量变送器经常在空间限制是一项要素的环境中使用，并且因此希望这样的变送器尺寸小，例如大约直径可以是小于约1厘米(例如6-8mm)且长度是直径的约2至3倍。在对于此类变送器的很多应用场合当中包括在汽车工业中的应用，例如用于检测燃料系统、制动系统、车辆稳定性系统等系统中的压力。此类变送器通常包括将要监测的压力源(“压力环境”)与压力响应式隔膜连通的至少一条流体通道。至少一个测量元件例如应变计通常被安装至隔膜的一个面并且对隔膜的弯曲做出响应。应变计通过细引线连接至安装在变送器壳体中的印刷电路板上的接触垫片。电路板承载电子部件和电路以生成指示被监测系统的流体压力的电输出信号。通过可穿过变送器壳体进入的电连接部在变送器外部获取来自电路板的输出信号。在壳体中的变送器部件的配置影响整体的变送器尺寸，并且希望包装这些部件以使得能够减小包装件的整体尺寸，而无需损害变送器的性能或能力。另外，变送器内部部件的设置可以影响变送器的完整性和可靠性。本发明提供了用于此类变送器的改进的构造和方法。

发明内容

本申请公开了一种变送器组件，设有压力端口，压力端口包括一体的基部和从基部延伸的颈部。基部能够连接到与压力环境相关的配件或其它包含压力环境或以其他方式与压力环境连通的装置。压力端口的基部具有适于与压力环境连通的口和从口延伸到颈部的内部流体通路。流体通路和颈部构造成使得颈部的一部分限定沿着颈部的一侧的薄弹性隔膜，其能够响应流体通路内的流体压力的变化弹性弯曲。隔膜形成为沿着沿变送器的纵向轴线延伸或基本平行于变送器的纵向轴线的平面放置。一个或多个应变计固定到隔膜的外面，并且适于响应随压力环境的流体压力而变的隔膜上的应变。

本发明公开了一种电子包装件，包括由一构造支承在变送器内的印刷电路板，所述构造包括由导电引线框架和一体非导电支承框架构成的支承组件。包含用于变送器的电路的印刷电路板安装在金属引线框架上。支承组件安装在压力端口的基部部分并且接收压力端口的颈部，颈部包括隔膜。支承组件相对于压力端口布置以便支承印刷电路板，以使得将与应变计连接的PC板上的引线接合垫沿着基本平行于隔膜和安装到隔膜的应变计的平面的平面设置。PC板优选设置成其引线接合垫与应变计邻近。通过将PC板的引线接合垫的平面设置成基本平行于隔膜和应变计的平面，有助于通过传统引线接合机来进行PC板与应变计的引线接合。该构造使得能够使用较短的接合引线，并且提供接合引线与PC板和应变计上相关接触垫的更安全的电连接和机械连接。而且，将隔膜、应变计和PC板的引线接合垫定向在平行的平面简化了用于电连接应变计和PC板的引线接合垫的设计和组装方法。该构造还使得PC板能够沿变送器的纵向延伸，从而避免了对PC板的尺寸限制，而如果将PC板定向为垂直于隔膜和应变计的平面则会导致这种尺寸限制。

附图说明

参照附图根据以下对本发明的介绍将更加完整地领会本发明的目的和优点，在附图中：

图1是代表性变送器的等距视图；

图2是图1所示变送器的基部的底部视图；

图3是图1中变送器的顶部的俯视图；

图4是一个变送器实施例沿纵向直径面截取的纵向截面图；

图5是图4中实施例的支承组件的等距视图；

图6是图4中实施例的引线框架(leadframe)的等距视图；

图7是类似于图5的、将印刷电路板安装至图5中的支承组件的视图；

图8是压力端口实施例的等距视图；

图9是图8中压力端口的纵向截面图；

图10是结合了本发明原理的另一个变送器实施例的纵向截面图；

图11是图10的已组装实施例将盖移除后的视图；

图12是图10中压力端口的等距视图；

图13是图10中压力端口的纵向截面图；

图14是本发明第三实施例的侧面视图；

图15是图14中实施例的纵向截面图；

图16是图15中的支承组件的等距视图，其中引线框架被安装在支承框架中；

图17是图14至图16中的引线框架的等距视图；

图18是图15中压力端口的等距视图；

图19是图15中压力端口的截面图；

图20是另一个压力端口实施例的等距视图；

图21是图20中压力端口的纵向截面图；

图22是具有图20中压力端口的变送器的纵向截面图；

图23是代表性变送器的等距视图，在图中PC板的引线接合垫和隔膜位于平行的、间隔开的平面内并且示出了在应变计和PC板的引线接合垫之间实现引线接合的方式。

具体实施方式

图1示出了变送器10，其具有压力端口12和向上延伸的壳体14，所述壳体附接于压力端口的基部16并且在其上端18终止于电触点或连接器，通过该电触点或连接器可以传递并且利用电输出信号。在本实施例中，电触点可以呈接触垫20的形式，所述接触垫能够通过形成于设备的上端中的插口22接近。

如图4、图8和图9所示，压力端口12可以由各种材料形成为单件，且17-4号不锈钢是优选的材料。压力端口包括基部16和向上延伸的颈部24。基部16和颈部24的下部部分被形成为包括流体通路26，该流体通路终止于闭合的上端28。颈部的下部部分被形成为沿着其侧部包括平的外表面30，一个或更多应变计(在32处以虚线示出)安装至所述外表面。通路26的至少上部部分形成为具有这样的横截面，该横截面限定平的内表面33，该平的内表面与平的外表面30配合以沿颈部的区域限定薄的、柔性隔膜34。在该实施例中，通路的横截面可以是长圆形的(obround)，如图2所示。通路的长圆形横截面可以通过穿过基部以及颈部的下部部分钻孔并且使钻孔工具侧向平移而形成。通路的长圆形横截面留下纵向延伸的平的内表面33，该平的内表面与平的外表面30配合以限定用于隔膜34的细长构型。

颈部24的上部部分可以是平的并且由平的表面30的平面凹进，以提供用于安装在印刷电路板38上的电部件36的空间，如图4所示。颈部的最上端可以被形成为限定快速连接器元件40，其可以用于帮助将支承组件固定至颈部。

图5示出了支承组件42，PC板38通过该支承组件被支承在变送器中。支承组件42包括导电引线框架44和非导电支承框架46，它们一体地固定在一起。引线框架可以由导电并且结构上为足够刚性的任意合适材料形成。例如，引线框架可以由不锈钢板冲压形成。引线框架可以具有期望被电镀以增强其导电性的部分。支承框架可以由各种聚合物或工程材料中的任一种形成，诸如由液晶聚合物形成。引线框架可以与支承框架一起嵌件模制。当设备被组装时，支承组件42绕压力端口12的颈部24布置并且下端固定至基部22。在本实施例中，引线框架44的下端处的弧形段48限定支承组件42的下端。弧形段48与基部22的外形一致并且能够被激光焊接或者以其它方式固定至基部。在本实施例中，支承框架46附接至引线框架44的上端并且还支承连接至接触垫18(图6)的多个悬垂导电接片50，所述接触垫18能够通过形成于支承框架46中的插口20接近。接片50能够最初形成为引线框架44的一部分并且随后在限定接片50的部分已经可靠地安装在支承框架46中之后从框架切断。切断的接片50提供从PC板到能从外部接近的接触垫18的电绝缘的导电路径。

PC板44附接至引线框架44，优选地通过两者之间的钎焊连接部附接。为此，PC板的面向引线框架的表面包括金属制、结构可靠的表面，该表面能够钎焊至引线框架的面对表面52。与引线框架的连接部也用作PC板电路的地线(ground)。形成在PC板上的类似接触垫定向成与由支承框架46支承的导电接片50对准，使得这些接触垫能够被钎焊到导电接片50。引线框架固定至支承框架和所述基部，使得固定有PC板的引线框架的面对表面被布置成沿着平行于颈部的平的表面30和隔膜34的平面放置。图7示出其中PC板安装就位的支承组件。在本实施例中，PC板包括多个引线接合垫54，它们绕板中的开口56布置。开口56与应变计32(图4)对准(registry)。接合垫54布置在平行于隔膜34和应变计的平面的平面中。这种布置使得引线接合机(参见例如图23)能够将接合引线55的端部放置并且附接于PC板的选定接合垫54，使它们通过开口56并且将它们的另一端附接在应变计上的两个选定点。在引线接合连接部已经形成之后，引线、应变计以及引线接合垫可以被封装在凝胶57或其它合适的材料中以保护连接部。通过将应变计、隔膜和PC板引线接合垫定向在平行的平面中，变送器的这种设计得到简化，其中，不需要包括特殊设计的连接器元件来连接PC板和应变计。

图10-13示出了本发明的另一实施例，其与图1-9的实施例的不同之处在于通过压力端口的流体通路以不同的方式形成并且压力端口的基部包括适于与对应配件接合的接头，所述对应配件与压力环境连通。应当理解，变送器能够被形成为具有被不同构造以连接至任意类型的压力环境的基部并且可以包括特殊成形的基部，附图中示出的那些仅仅是示例性的。

图12和图13示出了图11的压力端口60。压力端口形成为包括基部62和从所述基部向上延伸的颈部64。颈部64形成为包括平的外表面66，应变计安装到所述外表面上。流体通路68穿过所述基部并穿过所述颈部的下部部分纵向地形成。在该实施例中，通路的横截面包括终止于颈部的下部部分的顶部附近的流体通路68。通过邻近流体通路68的上端穿过颈部后面机械加工出孔70并留下精加工的内表面72而沿着颈部的侧面限定出隔膜69，所得到的隔膜69的厚度对应于外表面66和内表面72之间的距离。然后孔70例如通过塞74封闭，所述塞可以牢固地被焊接以密封所述孔。颈部64的上部部分75可以从外表面66的平面凹进，从而在这种情况下为PC板38提供空间。如在该实施例中所示，PC板38的部件可以面朝外布置。在该实施例中，支承组件76与前面实施例中的支承组件类似，根据需要修改以适应内部部件的尺寸和构造。如图11和图12所示，PC板设置有引线接合垫78，所述引线接合垫大体上与隔膜69位于同一平面上。在该实施例中，接合引线77可以相对较短并且需要相对较小的弯曲，使得在接合以及使用中线路损坏的风险低。

图14-图19示出了本发明的第三实施例，其中压力端口80具有被截短的颈部82。该实施例示出了压力端口80可以由连接到一起的两个单独形成的部件制成。例如在通过基部的流体通路的横截面必须小于颈部中限定隔膜处的通道的横截面的应用下，这可能是希望的。在此情况下，基部部分81可以单独地形成并随后连接到颈部部分82。此处，通过颈部的通路83的横截面可以是长圆形，而通过基部的通路85的横截面可以是圆形。如图18和图19所示，隔膜沿着颈部82的平的外表面84被限定。颈部的上部部分86较短以在颈部82上方为支承在PC板上的电部件留有空间。

图16中示出了支承组件，其包括引线框架88和支承框架90，所述引线框架被结合到所述支承框架中。如图16和图17所示，在该实施例中，PC板34将被支承使得其引线接合垫54设置在平行于颈部82的下部部分上的隔膜84所处的平面的平面中。在该实施例中，支承框架90显示为延伸引线框架88的几乎整个长度。与之前描述的实施例相同，引线框架88(图17)包括结合表面92以及接触垫94和接片96，PC板可以焊接到所述结合表面上，所述接片能与PC板上的相应的接触垫相连接。在该实施例中，如图16和图17所示，隔膜84的平面和PC板上的引线接合垫54的平面被布置在彼此偏离的平行平面中。

图20、图21和图22示出了本发明的又一实施例，其具有与图15－图19类似的被截短的颈部，但是流体通路和隔膜以与图11－图14的实施例类似的方式形成。在该实施例中，端口100可以是一件式结构，其包括整体的基部102和颈部104，并具有通过基部和颈部二者钻孔的通路106。隔膜108通过产生穿过颈部104的后侧的孔、以与通道106连通并形成隔膜108的内表面110而形成。然后所述孔通过塞109闭合密封，所述塞被激光焊接就位。在该实施例中，与包含本发明的原理的变送器的所有实施例相同，包括引线框架112和支承框架114的支承组件被构造成提供牢固的支承以容纳装置的部件并按需要为特定应用提供电连接。应注意，在该实施例中，隔膜和应变计与PC板上的引线接合垫大致处于相同的平面中，以实现上面所讨论的优点。

图23示出了变送器，例如在组装过程的引线接合部分期间在图14－图19中所示出的变送器。具有进给头120(线122被引导通过该进给头)的计算机控制的机器实现了应变计32和PC板38上的引线接合垫54之间的引线接合。该机器包括相邻的超声结合锤124。进给头和结合锤能在与引线接合垫及应变计的平面平行的方向上运动以使它们与应变计上的特定接触垫或接触点定位到合适位置。进给头和锤平移以使它们相对于PC板上的结合垫或应变计上的点适当地定位。所述机器通过进给头进给一定长度的引线以使引线的一端位于应变计上的一点上，然后使超声锤向下以将引线夹持到应变计接触点。通过这样的夹持，超声焊接能量被施加到所述锤从而产生了将引线的所述端熔化到所述接触点的足够的热量。重复这样的操作以进行定位并将所述引线的另一端结合到所述垫上并且从引线供给部切断引线。重复这样的过程以将应变计连接到PC板上的其余引线接合垫。

应理解，术语“压力环境”并不意味着暗示了任何特定程度的高压或低压，方向性术语例如“顶”、“底”、“上”、“下”，“前”，“后”旨在描述变送器的部件的相对方向，而并不是指变送器本身与任何外部结构的方向或变送器本身相对于与其一起使用的系统的方向。所有这些术语仅为了方便描述本发明而使用。

从上文应理解，本发明提供了用于支承和封装压力变送器的部件的装置和方法，其简化了传感器元件和用于产生响应于传感器元件的输出信号的电路之间的电连接。本发明使得细的引线能够连接到传感元件上的连接点和引线接合垫并且引线损坏的风险减小。

应理解，本发明的上述描述意在仅仅是示意性的，在不偏离本发明的原理的情况下，其它实施方式、目的和优势对本领域技术人员也可能是明显的。

Claims (20)

1.压力传感器组件，包括：

压力端口，具有基部和从所述基部向上延伸的颈部，所述颈部包括侧壁；

流体通路，所述流体通路形成为穿过所述基部并且进入所述颈部，所述基部能够与流体压力环境连接；

隔膜，所述隔膜沿着所述颈部的侧壁设置，所述隔膜具有外面和内面，所述内面暴露于所述流体通路；

响应隔膜运动的传感元件，所述传感元件安装在所述隔膜的外表面上；

与所述颈部相邻安装的电子包装件，所述电子包装件包括引线接合垫以有助于所述电子包装件和所述传感元件之间的引线连接；

所述引线接合垫和所述隔膜设置在不相交的平面中。

2.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于：所述引线接合垫和所述隔膜布置在基本平行的平面中。

3.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于：所述引线接合垫和所述隔膜布置在基本共同的平面中。

4.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于：所述传感元件包括应变计。

5.根据权利要求4所述的压力传感器组件，还包括引线，所述引线接合到应变计和引线接合垫，以将应变计与电子包装件电连接。

6.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于：所述颈部的侧壁具有平的外表面，所述平的外表面限定了所述隔膜的外面。

7.根据权利要求6所述的压力传感器组件，其特征在于：所述隔膜的内表面被机加工成限定与所述隔膜的前面平行的平的内表面。

8.根据权利要求7所述的压力传感器组件，其特征在于：所述隔膜的平的内表面由横截面为长圆形的一段流体通路限定。

9.根据权利要求7所述的压力传感器组件，其特征在于：所述隔膜的平的内表面是圆形的。

10.根据权利要求9所述的压力传感器组件，还包括：

孔，所述孔形成为穿过所述颈部的与所述平的表面相反的一侧，所述孔与所述流体通路连通；以及

塞子，所述塞子覆盖和密封所述颈部中的孔。

11.根据权利要求1所述的压力传感器组件，还包括：

绕所述颈部和所述电子包装件设置的盖，壳体的下端固定到压力端口的基部并与其形成密封关系；

电子接口，使得能够在壳体外部连接电子包装件。

12.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于：电子包装件包括印刷电路板，所述印刷电路板被支承成沿着在压力端口的纵向上延伸的平面放置。

13.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于：基部和压力端口的颈部形成为单个整体件。

14.根据权利要求1所述的压力传感器组件，其特征在于：基部和压力端口的颈部形成为结合在一起的独立件。

15.压力变送器，包括：

压力端口，具有基部和从所述基部向上延伸的颈部；

流体通路，所述流体通路穿过所述基部和所述颈部延伸；

隔膜，所述隔膜设置在颈部上并且具有外面和内面，所述内面与流体通路连通；

具有引线接合垫的电子包装件；以及

安装在所述隔膜的外面上的至少一个应变计，

其特征在于：

隔膜沿着颈部的一侧设置；

隔膜和引线接合垫被支承和设置在不相交的平面中。

16.根据权利要求15所述的压力变送器，其特征在于：所述引线接合垫和所述隔膜的平面是平行的。

17.根据权利要求15所述的压力变送器，其特征在于：所述引线接合垫和所述隔膜放置在基本共同的平面中。

18.用于制造压力变送器的方法，包括：

提供压力端口，所述压力端口具有基部、从基部向上延伸的颈部和延伸穿过基部并进入颈部的流体通路；

形成所述颈部，以限定沿着颈部的一侧延伸的隔膜，所述隔膜沿着在压力端口的纵向延伸的平面放置；

在隔膜上安装传感器元件；

提供电子包装件，所述电子包装件具有引线接合垫以有助于所述电子包装件和所述传感元件之间的引线连接；

用引线接合垫支承电子包装件，其中，引线接合垫沿着与隔膜的平面不相交的平面放置；以及

利用引线接合机，将引线附接到应变计上的点和引线接合垫上的点之间。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：引线接合垫和隔膜设置在基本相同的平面。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：引线接合垫和隔膜设置在基本平行的平面。