CN108168766B - 一种重载压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重载压力传感器及其制造方法，公开的压力传感器装置包括：采用基于金属衬底的先进复合工艺技术构造的压电转换单元；压电转换单元与压力接口通过电子束焊接；信号处理电路通过全自由度自约束支座固定；外壳,与压力接口配合，并为密封件和端钮提供支撑；信号处理电路与端钮互联。该传感器构造简单，有利降低生产成本和失效风险；全金属封装结构，适合重载恶劣工况的应用。

Description

一种重载压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及压力传感器，具体涉及一种重载压力传感器及其制造方法。

背景技术

具备环境感知能力的各种传感器是推动智能制造的关键环节。其中，各种压力传感器被广泛应用于车辆、医疗、家用电器等领域，尤其以基于MEMS(微机电系统)技术的硅压力传感器应用十分普遍；以典型的车辆领域的应用为例，如TMPS、胎压传感器、油箱压力传感器。由于现有封装技术及硅材料本身特性的限制，硅压力传感器难以被应用于高压、高温及腐蚀性等恶劣环境。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种重载压力传感器及其制造方法，采用全金属封装结构，可应用于高压、高温及腐蚀性等恶劣环境。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种重载压力传感器，包括金属外壳、支座、压电转换单元、压力接口和信号处理电路，所述支座、压电转换单元和信号处理电路设于所述金属外壳内；所述压电转换单元包括金属衬底和设置在金属衬底的上平面的压力感测元件，其底部设有压力传导孔连通于压力接口；所述压力转换单元和所述支座相配合；所述压力接口设于所述压电转换单元的下方，与所述压电转换单元同轴配合，并且与金属外壳过盈配合；所述信号处理电路与所述支座的上平面配合，并与所述压电转换单元互联；所述压力转换单元和压力接口的配合处通过电子束焊接方式结合。

进一步地，所述压力感测元件与所述金属衬底致密牢固结合。

进一步地，所述信号处理电路通过锡焊与压电转换单元的焊盘互联。

进一步地，所述信号处理电路上设置有至少一处定位孔，所述支座的上平面至少一个定位柱，定位柱与支座采用非同轴方式布置，定位孔与定位柱同轴配合；所述定位柱的上端的尺寸大于下端。

进一步地，所述支座上设置有定位切边，所述压电转换单元设有与所述定位切边配合的切边；所述支座的内侧设置有固定卡点；所述支座与所述压电转换单元相扣合，所述定位切边与所述切边配合，固定卡点与压电转换单元的第二平面扣合。

进一步地，所述信号处理电路设置有处延伸接地触点，其与金属外壳联通。

进一步地，所述金属外壳和压力接口的配合端面之间通过密封垫圈密封；所述金属外壳的上方设有端钮，所述端钮与金属外壳的上端采用压铆连接，端钮和金属外壳的配合端面采用密封圈密封；另外，所述端钮和所述信号处理电路锡焊互联。

进一步地，所述信号处理电路在金属外壳的内部采用“Z”字形折弯，并利用信号处理电路折弯后的回弹力按压在所述支座的上平面。

上述重载压力传感器的制造方法，包括如下步骤：

S1将压电转换单元与压力接口同轴配合，并采用立式电子束批量焊接；其中，压电转换单元是通过将压力感测元件采用弱腐蚀技术、PECVD、高温氧化、3D打印或飞秒激光固化致密牢固结合在金属衬底上而形成；

S2将信号处理电路的触点通过锡焊与压电转换单元的焊盘互联；

S3支座与压电转换单元相扣合，所述支座的定位切边和压电转换单元的定位切边配合，所述支座的内侧的固定卡点与压电转换单元的第二平面扣合；

S4将信号处理电路翻转后与支座的上平面贴合，且信号处理电路的圆孔与支座上平面的定位柱配合；

S5金属外壳与压力接口过盈配合，并通过密封垫圈使两者之间端面密封；

S6端钮与信号处理电路焊接，并通过压铆方式与金属外壳固定，同时将信号处理电路的外延伸接地触点与金属外壳压合；信号处理电路在金属外壳的内部采用“Z”字形折弯，端钮与金属外壳的配合端面设置密封圈。

本发明的有益效果在于：

1、压电转换单元采用金属衬底，且通过电子束焊接的方式焊接于压力接口，该全金属封装结构使传感器具备高量程、介质兼容的能力；

2、采用立式电子束焊接，有利于焊接过程中实现批量化自动焊接；

3、内部电路互联工艺无金丝、铝丝键合，提升传感器抵抗冲击振动的能力；

4、生产工艺简单，降低传感器制造工艺过程中失效风险。

附图说明

图1为本发明实施例中重载压力传感器的总体构造剖视图；

图2为本发明实施例中重载压力传感器的分解示意图；

图3为本发明实施例中压电转换单元的结构示意图；

图4为本发明实施例中压电转换单元与压力接口焊接组件剖视图；

图5为本发明实施例中支座的结构示意图；

图6为本发明实施例中重载压力传感器的构造过程状态示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，以下实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1-2所示，一种重载压力传感器100包括金属外壳130、支座140、压电转换单元160、压力接口180和信号处理电路150。

如图3所示，所述压电转换单元160由金属衬底169和设置在金属衬底169上平面的压力感测元件161，所述压力感测元件161通过弱腐蚀技术、PECVD、高温氧化、3D打印及飞秒激光固化等复合工艺技术与金属衬底169形成致密牢固结合。进一步地，压电转换单元160底部设置配合圆柱164，可提供立式电子束焊接；在配合圆柱164与金属衬底169之间设置至少一道应力隔离槽165，用于隔离装配过程中产生的热/机械应力。进一步地，压电转换单元160与介质接触部分为底部的压力传导孔168和感压平面167(如图4所示)，被测介质与压力感测元件161完全隔离，因此，传感器100具备广泛的介质兼容性优势。

如图4所示，所述压力接口180与压电转换单元160同轴配合，配合处181通过立式电子束焊接方式结合为一体。采用立式电子束焊接方式可以实现真空环境下批量焊接，有利于大幅提升生产效率。另外，电子束深熔焊，可提供可靠的密封及连接强度，使传感器100具备承受高压力量程的优点。同时，所述压力接口180设置有与压电转换单元160的压力传导孔168相连通的压力传导孔184，以及提供与外壳130过盈配合的圆孔182。

如图6所示，所述信号处理电路150通过锡焊与压电转换单元160中的焊盘166互联。特别地，信号处理电路150上设置有至少一处定位孔151，以及至少设置有一处延伸接地触点152。锡焊连接强度优于金丝、铝丝键合，无需涂覆保护凝胶，加工工艺简单，承受机械冲击、振动的能力更高。

如图5所示，所述支座140材料为热塑性材料；支座140上设置有至少一处定位切边146；支座140内侧设置有至少两处固定卡点(本实施例优选三处固定卡点143、144、145)。所述支座140与压电转换单元160扣合，且定位切边146与压电转换单元的切边162配合，用于约束支座140轴向旋转，固定卡点143、144、145与压电转换单元160的第二平面163扣合，用于约束支座轴向自由度。另外，特别地，支座140的上平面142至少一个定位柱141，定位柱141与支座140采用非同轴方式布置，所述信号处理电路150翻转180°与上平面142配合，且定位孔151与定位柱141同轴配合，采用热熔工艺将定位柱141上端热熔塑形，上端尺寸大于下端，从而约束信号处理电路150在轴向的自由度147。

如图1和图2所示，重载压力传感器100还包括金属外壳130、密封垫圈170、端钮110和密封圈120。所述金属外壳130通过过盈配合与压力接口180配合，二者配合端面之间通过密封垫圈170密封，端钮110与信号处理电路150锡焊互联，并与金属外壳130上端采用压铆连接，二者配合端面采用密封圈120密封。因此，重载压力传感器100内部腔体处于完全密封状态。特别地，压铆连接的同时，信号处理电路150上设置的外延伸接地触点152与金属外壳130联通，有利于压力传感器100的电性能稳定性；信号处理电路150在外壳130内部采用“Z”字形折弯，并利用信号处理电路150折弯后的回弹力按压在支座140上平面142。

上述重载压力传感器100的制造方法如下，结构状态变化如图6所示：

(200)压电转换单元160与压力接口180配合，并采用立式电子束批量焊接；

(210)信号处理电路150锡焊在压电转换单元上表面的焊盘166；

(220)支座140与压电转换单元160扣合，配合后的支座140在各方向的自由度均被自约束；

(230)翻转信号处理电路150至180°，与支座140上平面142贴合，且信号处理电路150的定位孔151与定位柱141配合，通过热熔工艺重塑定位柱141结构，使定位柱141上端尺寸大于下端，从而在定位柱141上端形成防止信号处理电路轴向移动的定位结构231；

(240、250)金属外壳130与压力接口180过盈配合，二者通过密封垫圈170端面密封；

(260、270)端钮110与信号处理电路150焊接，并通过压铆方式与金属外壳130固定，同时将信号处理电路150的外延伸接地触点152与金属外壳130压合，信号处理电路150在金属外壳130内部采用“Z”字形折弯，端钮110与外壳130配合端面设置密封圈120。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种重载压力传感器的制造方法，其特征在于，所述重载压力传感器包括金属外壳、支座、压电转换单元、压力接口和信号处理电路，所述支座、压电转换单元和信号处理电路设于所述金属外壳内；所述压电转换单元包括金属衬底和设置在金属衬底的上平面的压力感测元件，其底部设有压力传导孔连通于压力接口；所述压力转换单元和所述支座相配合；所述压力接口设于所述压电转换单元的下方，与所述压电转换单元同轴配合，并且与金属外壳过盈配合；所述信号处理电路与所述支座的上平面配合，并与所述压电转换单元互联；所述压力转换单元和压力接口的配合处通过电子束焊接方式结合；所述压力感测元件与所述金属衬底致密牢固结合；所述信号处理电路通过锡焊与压电转换单元的焊盘互联；所述信号处理电路上设置有至少一处定位孔，所述支座的上平面设置至少一个定位柱，定位柱与支座采用非同轴方式布置，定位孔与定位柱同轴配合；所述定位柱的上端的尺寸大于下端；所述支座上设置有定位切边，所述压电转换单元设有与所述定位切边配合的切边；所述支座的内侧设置有固定卡点；所述支座与所述压电转换单元相扣合，所述定位切边与所述切边配合，固定卡点与压电转换单元的第二平面扣合；所述信号处理电路设置有处延伸接地触点，其与金属外壳联通；所述金属外壳和压力接口的配合端面之间通过密封垫圈密封；所述金属外壳的上方设有端钮，所述端钮与金属外壳的上端采用压铆连接，端钮和金属外壳的配合端面采用密封圈密封；另外，所述端钮和所述信号处理电路锡焊互联；所述信号处理电路在金属外壳的内部采用“Z”字形折弯，并利用信号处理电路折弯后的回弹力按压在所述支座的上平面；

所述制造方法包括如下步骤：

S1将压电转换单元与压力接口同轴配合，并采用立式电子束批量焊接；其中，压电转换单元是通过将压力感测元件采用弱腐蚀技术、PECVD、高温氧化、3D打印及飞秒激光固化致密牢固结合在金属衬底上而形成；

S2将信号处理电路的触点通过锡焊与压电转换单元的焊盘互联；

S3支座与压电转换单元相扣合，所述支座的定位切边和压电转换单元的定位切边配合，所述支座的内侧的固定卡点与压电转换单元的第二平面扣合；

S4将信号处理电路翻转后与支座的上平面贴合，且信号处理电路的圆孔与支座上平面的定位柱配合；

S5金属外壳与压力接口过盈配合，并通过密封垫圈使两者之间端面密封；

S6端钮与信号处理电路焊接，并通过压铆方式与金属外壳固定，同时将信号处理电路的外延伸接地触点与金属外壳压合；信号处理电路在金属外壳的内部采用“Z”字形折弯，端钮与金属外壳的配合端面设置密封圈。

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