CN108106777A - 压力传感器和用于制造压力传感器的方法 - Google Patents

Abstract

说明一种压力传感器（1），其具有壳体（2）；膜片（3），所述膜片与壳体（2）构成向外封闭的室（4）；以及用于对室（4）填充流体介质（5）的填充开口（6）。所述填充开口（6）借助钎焊封闭物或熔焊封闭物（7，8）封闭。此外还说明一种用于制造压力传感器（1）的方法，其中提供壳体（2），该壳体与膜片（3）构成室（4），通过填充开口（6）用流体介质（5）填充该室（4），然后借助钎焊或熔焊封闭所述填充开口（6）。

Description

压力传感器和用于制造压力传感器的方法

技术领域

说明了一种带有壳体的压力传感器，所述壳体被填充有流体介质。此外，还说明了一种用于制造压力传感器的方法。

背景技术

由文献US 3，559，488已知了压力传感器。

已知的用传输介质填充的压力传感器需要对于填充开口的封闭，经由所述填充开口填充入传输介质。为了运行，该封闭必须具有长期稳定的严密的密封性并且通常通过配合地压入金属滚珠或金属销来实现。

发明内容

至少几个实施方式的要解决的任务是说明压力传感器。至少几个实施方式的另外的任务是说明用于制造压力传感器的方法。

这些任务通过独立权利要求的主题来解决。这些主题的有利的实施方式和改进方案此外来自后面的说明和附图。

按照至少一个实施方式的压力传感器具有壳体。此外，该压力传感器具有膜片，所述膜片优选固定在该壳体处。该膜片例如可以通过熔焊或钎焊与壳体连接。膜片优选具有金属或由金属制成。膜片例如可以由不锈钢制成。代替地，膜片也可以具有塑料或玻璃。在该情况下，膜片例如也可以与壳体粘接。

按照另一实施方式，带有壳体的膜片构成向外封闭的室或者向外封闭的空腔。该室优选用流体介质填充。流体介质优选是惰性的、不导电的液体。流体介质例如可以是油、例如硅油或者杏仁油。这里并且下面可以将流体介质也称为传输介质、填充介质或者传送介质或传送液体。

按照另一实施方式，将传感器元件布置在该室中。传感器元件用于接收机械测量参量并将其转换为电信号。例如传感器元件具有带硅膜片的压电电阻式硅芯片，在所述硅膜片上向内扩散或者掺入电阻元件。硅芯片例如可以安装在玻璃体身或硅体身上。通过硅膜片的与压力有关的形变和施加在其上的与形变有关的电阻元件形成电压，通过该电压可以实现压力确定。

优选的是，传感器元件在该室中布置在壳体的凹处。该传感器元件可以例如借助接合线被接触，这些接合线与施加在壳体上的印制导线导电连接。

这里描述的压力传感器尤其是能够适于测量介质的绝对压力或相对压力或者适于测量两种介质之间的压力差。

按照另一种实施方式，该壳体具有填充开口。填充开口用于用流体介质填充该室。例如通道将填充开口与该室连接，使得该室可以通过填充开口经由该通道被流体介质填充。所述壳体可以具有一个或多个填充开口以及一个或多个通道用于用流体介质填充该室。这些通道在此可以任意地穿过壳体而设置。

按照另一个实施方式，填充开口借助钎焊封闭物来封闭。钎焊封闭物例如可以具有金属焊料。借助钎焊封闭物可以将填充开口或者压力传感器的壳体严密密封地封闭。

按照另一实施方式，填充开口借助熔焊封闭物来封闭。熔焊封闭物例如可以借助电阻焊、例如电阻块焊或者环块焊来产生。在应用用于封闭填充开口的熔焊方法中，实现了与借助钎焊的封闭物的封闭时类似的结果。

填充开口借助钎焊或熔焊封闭物的封闭尤其是具有长期稳定的严密的密封性。此外，与用压配合的密封不同，在填充开口借助钎焊或熔焊封闭时，不会改变压力传感器的壳体中的流体介质的体积。因此能够实现介质填充的压力传感器的严密密封的封闭，而无需介质体积的附加压入，所述介质体积的附加压入可能会导致在压力传感器的壳体中压力比的干扰性变化。

此外，在这里描述的压力传感器的填充开口的钎焊或熔焊封闭情况下，不需要遵守在配合情况下（如例如在压配合或其他类型的基于力啮合的封闭情况下）的严格的容差。由此可以在制造这里描述的压力传感器的情况下有利地实现成本节省，因为取消了配合精确的金属滚珠、金属销等等的费事的制造。

按照另一实施方式，该壳体具有陶瓷和/或玻璃和/或塑料和/金属或者由这些材料之一制成。按照另一实施方式，壳体是FR4壳体。尤其是，这里描述的压力传感器的壳体在填充开口的区域中可以具有上述材料中的一种或多种。填充介质的压力传感器的壳体由其制成的各种材料或原料由于其原料特性而不适于压配合。因此，不能应用借助用于许多壳体原料的压配合的传统封闭技术。这尤其涉及具有塑料、陶瓷或玻璃的壳体。

相对于已知的压力传感器，在这里描述的压力传感器中，用于壳体的材料的数量扩展了尤其是不允许压配合的原料。因此通过借助钎焊或熔焊封闭物封闭填充开口，也可以用陶瓷、塑料、玻璃或FR4壳体来严密密封地封闭填充介质的压力传感器。

按照另一实施形式，壳体在围绕填充开口的区域中具有金属层。金属层例如能够通过借助丝网压印方法施加到壳体上的金属膏来制造，所述金属膏接着在例如800至900℃的温度下被煅烧。优选填充开口被金属层包围，而不被其封闭。根据壳体材料的选择，金属层可以对于填充开口的长期稳定的严密的熔焊或钎焊封闭——例如在利用金属焊料的钎焊封闭的情况下——是有利的。

按照另一实施方式，填充开口直接通过焊料来封闭。在此，焊料封闭壳体的填充开口，而不使用附加的封闭部件。所述焊料例如可以在填充开口的区域中施加在壳体或者金属层上。

按照另一实施方式，焊料和流体介质分别具有表面应力，其中焊料的表面应力大于流体介质的表面应力。优选地，焊料的表面应力是流体介质的表面应力的十倍。按照一种特别有利的实施方式，焊料的表面应力是流体介质的表面应力的10倍至50倍之间，包括端值。在应用无铅的锡焊料形式的焊料和硅油作为流体介质的情况下锡焊料的表面应力处于硅油的25倍处。

因为焊料的表面应力有利地大于流体介质的表面应力，因此能够实现多余的流体介质通过该焊料从填充开口被移走并且硬化的焊料将壳体封闭。

按照另一实施方式，压力传感器具有封闭部件。该封闭部件优选在围绕填充开口的区域中与壳体熔焊或钎焊。尤其是，封闭部件与金属层熔焊或钎焊。封闭部件例如可以被实施为金属板。按照一个有利的、尤其是涉及熔焊封闭的实施方式，封闭部件在与金属层熔焊之前具有一个或多个隆起、所谓的焊块。在此其例如可以是布置在封闭部件的一侧上的环状隆起。封闭部件为了封闭填充开口而利用所述一个或多个隆起布置在壳体上或布置在壳体上的金属层上。在熔焊过程中，隆起至少部分地被熔化并且能够与壳体或与施加在壳体上的金属层形成稳定连接。

此外，说明了一种用于制造压力传感器的方法。可由此制造或者由此制造的压力传感器可以具有前述实施方式的一个或多个特征。在下面描述的实施方式同样适于压力传感器，正如其也适于用于制造压力传感器的方法。

按照另一实施方式，壳体被抽真空，其方式例如是，将空气从该室和所有处于壳体的中间空间和空腔中泵出。接着将该室用流体介质通过壳体的填充开口例如经由将填充开口与该室连接的通道填充。此后将该室封闭，其方式是借助钎焊或熔焊严密密封地将填充开口封闭。如上面已经描述地，可以直接通过焊料或者通过将封闭部件熔焊或钎焊到壳体上或施加于壳体上的金属层来封闭所述填充开口。

按照另一实施方式，在封闭该室时用流体介质至少将填充开口覆盖。例如该壳体可以为此至少利用填充开口被浸入所述流体介质中。按照另一实施方式，在封闭该室时将压力传感器完全浸入在流体介质中。例如压力传感器可以为了用流体介质填充而被置入到用流体介质例如硅油填充的壳中，使得压力传感器至少利用填充开口或者有利地也完全地浸入流体介质中并且硅油至少部分地或者整个地覆盖压力传感器的壳体并且尤其是覆盖填充开口。接着填充开口可以在使用硅油的情况下、也即可以说在油池中借助钎焊或熔焊被封闭，而不必事先清理填充开口或要熔焊或要钎焊的壳体表面，也即事先去油。

由此可以有利地保证，在封闭填充开口的过程中没有空气被封在该腔中。由此，可以在封闭过程中防止该腔的体积变化。

在直接通过焊料封闭填充开口时，可以将焊料例如在填充开口的区域中施加到壳体上或施加到金属层上，之后再将压力传感器用流体介质填充。接着，压力传感器可以如上所述地通过将壳体浸入流体介质中而用流体介质来填充，并且该焊料可以在用该流体介质湿润的情况下例如借助激光来加热，使得焊料将填充开口封闭。代替地，压力传感器可以首先用流体介质填充并且焊料在加热过程中在必要时被流体介质湿润的填充开口的区域中被施加到壳体上。

通过将要封闭的填充开口用优选惰性填充介质湿润，可以有利地防止为钎焊所需的金属表面例如金属层的氧化。

附图说明

压力传感器的其他优点和有利的实施方式从下面结合图1至4描述的实施方式得到。

其中：

图1示出了按照一个实施例的填充介质的压力传感器的示意性剖视图，

图2示出了按照另一实施例的用于制造压力传感器的方法的示意图，

图3示出了按照另一实施例的填充介质的压力传感器的示意性剖视图，和

图4示出了按照另一实施例的填充介质的压力传感器的示意性剖视图。

在这些实施例和图中，相同的或者功能相同的组成部分分别设置有相同的附图标记。所示的元件和其相互之间的大小关系原则上不看作合乎比例的，更确切地各个元件——例如层、部件和区域——为了更好的可示性和/为了更好的理解而被在尺寸上夸张地厚或大地示出。

具体实施方式

图1在示意性剖视图中示出了压力传感器1的实施例。压力传感器1具有壳体2，该壳体被实施为陶瓷壳体。代替地，壳体2也可以被实施为金属壳体、玻璃壳体、塑料壳体或FR4壳体或者具有所述材料的组合。

压力传感器1此外具有膜片3，该膜片与壳体2连接并且借助该膜片3构成向外封闭的室4。室4用流体介质5填充。流体介质5是硅油。代替地，流体介质5也可以是杏仁油或者其他不导电并且适于压力测量的液体。

壳体2具有凹处，传感器元件9布置在该凹处中。传感器元件9具有带有集成的电阻的压电电阻式硅膜片。在将力作用到硅膜片上的情况下硅膜片形变，由此例如连接在一起成为惠斯通电桥的电阻变化，由此能够实现压力确定。传感器元件9的硅膜片例如通过从硅衬底中去除材料、例如借助蚀刻来制造。

传感器元件9借助接合线14与布置在壳体2上的印制导线（未示出）导电连接。由此可以实现压力传感器1的外部电接触。

此外，压力传感器1还具有填充开口6，其通过通道13与室4连接。填充开口6在所示的实施例中被布置在壳体2的与膜片3相对的一侧上。压力传感器1尤其是在填充开口6的区域中具有陶瓷材料。填充开口6借助钎焊封闭物7封闭。代替地，填充开口6也可以借助熔焊封闭物8封闭。

通过填充开口6的钎焊封闭物7或熔焊封闭物8形式的封闭可以将具有陶瓷的壳体2严密密封地封闭，其中该壳体由于其原料特性而不适于压配合，例如以金属滚珠或金属销的压入配合的形式。

此外，填充开口6的钎焊封闭物7或熔焊封闭物8形式的封闭有利地不需要费事地处理壳体2，并且因此导致（尤其是与带有配合的壳体相比）成本降低。

在图2中示出了按照另一实施方式的用于制造压力传感器的方法的流程图。例如，可以借助所示的方法来制造按照图1的实施例的压力传感器。后面对压力传感器特征的引用因此在使用图1所示附图标记的情况下纯示例性地涉及图1的元件。

在第一方法步骤20中提供壳体2，该壳体2连膜片3构成室4。优选在壳体2中产生真空，其方式例如是将处于室4和/或壳体2的通道13中的空气从壳体2中泵出。

接着，在另一方法步骤21中通过填充开口6无气体地用流体介质5——例如硅油——填充室4。为此，将壳体用流体介质浸泡，其方式例如是将壳体2浸入到硅油中。由此，压力传感器1的整个内部体积用流体介质5填充，使得在压力传感器的稍后的运行中施加于膜片3上的压力能够尽可能无误地从膜片3经由作为传送液体的流体介质5被传输到传感器元件9上。

在接着的另外的方法步骤22中，借助钎焊方法或者借助熔焊方法将填充开口6封闭。在封闭过程中，优选至少将填充开口6用流体介质5、也即例如硅油覆盖，以便能够实现无气体进入的封闭。所述封闭因此优选通过钎焊或熔焊方法在油池中的所谓油熔化的情况下来实现。但是在这里描述的方法中有利地不需要在封闭之前清理要封闭的填充开口6。所述封闭即使在油池中的封闭之后也是严密密封的。

在使用钎焊方法时，封闭通过封闭部件的并合或者直接通过焊料来实现。在此，合适的几何设计能够通过焊料的表面应力实现壳体的封闭。

在通过钎焊方法进行封闭的情况下，钎焊优选在可钎焊的金属层或金属化结构——例如煅烧的厚层膏上进行，其中所述厚层膏必要时还是预先准备的（vorbelotet）。在此，使用不同的、利用或者不利用焊料的钎焊方法是可能的。尤其是可以在用流体介质5填充壳体之前就已经将焊料施加在填充开口的区域中并且在填充壳体之后将其加热。代替地，可以在填充壳体之后将焊料在加热过程中施加在壳体的填充开口的区域中。

流体焊料的表面应力优选大于流体介质5的表面应力，使得多余的流体介质5通过焊料从填充开口被移走并且硬化的焊料将壳体封闭。例如，焊料的表面应力在使用金属焊料和有机流体介质作为填充介质时为流体介质的表面应力的多倍。因此，例如在使用无铅的锡焊料并且用硅油作为流体介质时，焊料的表面应力为油的表面应力的大约25倍。

在代替地通过熔焊方法封闭填充开口时，金属层优选适配于并合方法。在电阻焊方法中例如通过熔化封闭部件的环块进行熔入。

由于在熔焊或钎焊情况下短的加热作用时间，可以忽略填充介质的膨胀。

这里所描述的用于制造压力传感器的方法特征尤其是在于，将压力传感器的填充介质的系统的体积变化最小化并且由此简化填充过程。

图3示出按照另一实施例的剖视图中的压力传感器1，其中填充开口6借助熔焊封闭物8被封闭。图3的压力传感器1具有在结合图1描述的元件：壳体2、膜片3和填充介质的室4。与图1的压力传感器不同的是，填充开口6纯示意性地布置在壳体2的、在其上膜片3与壳体2固定的相同侧上。此外，将填充开口6与室4连接的通道13被构造为U形。

在壳体2上布置有金属层10。该金属层10例如借助丝网压印方法被施加到壳体2上并且例如在800至900℃之间的温度情况下被煅烧。金属层施加在壳体上的尤其是围绕填充开口6的区域中，但是不封闭该填充开口6。例如被实施为金属板的封闭部件11与金属层10熔焊。

在与金属层10熔焊之前，封闭部件11具有隆起12，在借助熔焊将该封闭部件与金属层10连接之前，封闭部件11用所述隆起布置在金属层10上。为了可视性起见，在图3中的隆起12以熔焊之前的状态被示出。例如将隆起12构造为环状的焊块，其在熔焊过程中至少部分被熔化并且与金属层10进入稳定连接。

在图4中示出了按照另一实施例的压力传感器1的剖视图。压力传感器1在其原理性结构上相应于图3的压力传感器。与在图3中所示的实施例不同的是，填充开口6在图4的实施例中借助钎焊封闭物7被封闭。在此，被施加到金属层10上的焊料70直接封闭压力传感器1的填充开口6。焊料70的表面应力优选如上所述地比流体介质5的表面应力大，例如至少是其10倍，使得如前面所述地多余的流体介质5被移走并且硬化的焊料70可以封闭壳体。

本发明不通过借助实施例的描述被局限于这些实施例，而是包括每个新特征和特征的每种组合。这尤其是包括在权利要求中的特征的每种组合，即使该特征或组合本身没有明确在权利要求或实施例中被说明。

附图标记列表

1 压力传感器

2 壳体

3 膜片

4 室

5 流体介质

6 填充开口

7 钎焊封闭物

70 焊料

8 熔焊封闭物

9 传感器元件

10 金属层

11 封闭部件

12 隆起

13 通道

14 接合线

20，21，22 方法步骤。

Claims (12)

1.压力传感器（1），具有

-壳体（2），

-膜片（3），所述膜片与壳体（2）构成向外封闭的室（4），该室用流体介质（5）填充，以及

-在壳体（2）中用于对室（4）填充流体介质（5）的填充开口（6），

-其中所述壳体（2）具有材料陶瓷和/或玻璃中的一种或多种，

-其中所述壳体（2）在围绕填充开口（6）的区域中具有金属层（10），

-其中所述填充开口（6）直接通过焊料（70）封闭，

-其中所述焊料（70）和所述流体介质（5）分别具有表面应力，并且所述焊料（70）的表面应力大于所述流体介质（5）的表面应力。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中在所述室（4）中布置有传感器元件（9）。

3.根据前述权利要求之一所述的压力传感器，其中所述流体介质是油。

4.根据前述权利要求之一所述的压力传感器，其中所述油是硅油并且所述焊料是锡焊料。

5.根据前述权利要求之一所述的压力传感器，其中所述焊料的表面应力是所述流体介质的表面应力的至少10倍。

6.用于制造压力传感器（1）的方法，包括步骤：

A）提供壳体（2），所述壳体与膜片（3）构成室（4），其中所述壳体（2）具有用于对室（4）填充流体介质（5）的填充开口，

-其中所述壳体（2）具有以下材料中的一种或多种：陶瓷、玻璃、塑料，

-其中所述壳体（2）在围绕填充开口（6）的区域中具有金属层（10），

B）通过壳体（2）的填充开口（6）用流体介质（5）填充所述室（4），

C）直接通过焊料（70）封闭所述填充开口（6），其中所述焊料（70）和所述流体介质（5）分别具有表面应力，并且所述焊料（70）的表面应力大于所述流体介质（5）的表面应力。

7.根据权利要求6所述的方法，其中在封闭之前不对要封闭的填充开口（6）进行清理来消除由流体介质（5）造成的污染。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中在封闭所述填充开口期间多余的流体介质被所述焊料由于较高的表面应力而挤出。

9.根据权利要求6至8之一所述的方法，其中在用所述流体介质填充所述压力传感器之前将所述焊料施加在所述填充开口的区域中。

10.根据权利要求6至8之一所述的方法，其中在用所述流体介质填充所述压力传感器之后将所述焊料施加在所述填充开口的区域中。

11.根据权利要求7至10之一所述的方法，其中在封闭所述室（4）时用流体介质（5）将填充开口（6）覆盖。

12.权利要求7至10之一所述的方法，其中在封闭所述室（4）时将压力传感器（1）完全浸入在流体介质（5）中。