CN109264663B - 高温压力传感器后端封装结构及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高温压力传感器后端封装结构及封装方法，解决了高温压力传感器在恶劣服役环境下，结构不合理导致其在高温环境受热失效无法正常工作的问题。本发明包括带有夹层的圆柱形壳体，夹层内填装有防热辐射材料，圆柱型壳体的一端安装有螺纹连接头、另一端安装有电缆固定头和紧固压母，圆柱型壳体、电缆固定头内安置有带导线通孔的纳米多孔气凝胶体，紧固压母内封装有导线伸至导线通孔内的导线接头，互联头内进行钨针与导线焊合接头的封装。本发明具有结构合理，管壳散热性能良好、保护内部电路稳定可靠运行的优点，满足压力传感器在高温环境下进行压力测量的需求。

Description

高温压力传感器后端封装结构及其封装方法

技术领域

本发明涉及高温压力传感器的封装技术领域，具体是一种高温压力传感器后端封装结构及其封装方法。

背景技术

高温压力传感器是一种在高温环境下对各种气体、液体的压力进行测量的传感器，广泛应用于各种工业自控环境中，主要用在测量锅炉、管道、高温反应容器内的压力、井下压力和各种发动机腔体内的压力、高温油品液位与检测、油井测压等。

但是高温压力传感器所面对的一个突出问题是，如果高温压力传感器前端工作环境温度很高，造成有大量热量沿传感器方向传递，影响后端元器件的工作，不仅主板线路、零部件、密封圈以及机芯有可能会因温度过高而失效，同时由于高温氧化也会导致后端导线、极板间键合部位的失效。因此通过高温传感器的后端进行粗略热场分析，通过结构设计以及相应的专用材料制备，获得绝热性能良好且能有效保护后端部件正常工作的高温传感器后端封装结构。

由此可以看出，封装方式正确与否，不仅关乎高温压力传感器的测量精度，还与高温压力传感器的使用寿命有关联。另一方面，对于在高温的极端苛刻环境中的高温压力传感器，可以通过改善高温压力传感器后端的封装结构，来可持续工作。

发明内容

本发明的目的是为了解决高温压力传感器在恶劣服役环境下，结构不合理导致其在高温环境受热失效无法正常工作的问题，而提供一种高温压力传感器后端封装结构及其封装方法，以获得绝热性能良好且能有效保护后端部件正常工作的高温传感器后端封装结构。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种高温压力传感器后端封装结构，包括圆柱型壳体、螺纹连接头、电缆固定头和紧固压母；圆柱型壳体的壳壁为夹层设计，该夹层的一端敞口、另一端封闭，该夹层内填装有防热辐射材料；螺纹连接头安装在圆柱型壳体的一端端口上且完全封闭住夹层的敞口，电缆固定头安装在圆柱型壳体的另一端端口上，紧固压母安装在电缆固定头的外端端口上；圆柱型壳体的内腔内安置有第一纳米多孔气凝胶体，电缆固定头的内端端口内安置有第二纳米多孔气凝胶体，紧固压母的内端端口内安置有互联头，第一纳米多孔气凝胶体、第二纳米多孔气凝胶体及互联头依次紧邻对接设置，并且第一纳米多孔气凝胶体、第二纳米多孔气凝胶体及互联头上沿其轴线方向开设有贯穿其整体的两个导线通孔；紧固压母的外端端口内安置有导线接头，导线接头上的两根导线分别穿插在两个导线通孔内。

作为优选的技术方案，圆柱型壳体是由碳纳米管与镍合金复合而成的镍基复合材料制作而成的；防热辐射材料是由铝箔和纤维布间隔层层堆叠而成的复合材料制作而成的；螺纹连接头、电缆固定头和紧固压母均由304不锈钢制作而成的。进一步的，本发明还提供了上述高温压力传感器后端封装结构的封装方法，包括如下步骤：

1）在真空室内，先将防热辐射材料填装在圆柱型壳体的夹层内，然后在螺纹连接头与圆柱型壳体的连接处夹一层环形铝箔，进行瞬间液相扩散焊，从而将螺纹连接头安装在圆柱型壳体上，并且螺纹连接头完全封闭住圆柱型壳体夹层的敞口端；

2）将连接好螺纹连接头的圆柱型壳体从真空室取出，将高温压力传感器上带有两根钨针的集管封装在螺纹连接头外端端口内，两根钨针穿插在圆柱型壳体的内腔内；

3）将第一纳米多孔气凝胶体、第二纳米多孔气凝胶体及互联头依次对接好并套装在两根钨针上，同时将第一纳米多孔气凝胶体安置在圆柱型壳体的内腔内；

4）将导线接头上的两根导线分别穿插在互联头上的两个导线通孔内，使得两根钨针的末端分别与两根导线的末端接触，然后采用超声波热压法将其焊接在一起；

5）将电缆固定头套装在第二纳米多孔气凝胶体及互联头外，并与圆柱型壳体的端口连接固定，再将紧固压母套装在导线接头上，并与电缆固定头的端口连接固定即可。

一、基于高效热管理的高温压力传感器后端封装结构的设计。

本发明封装结构的设计思想为：以圆柱型壳体为依托对热量进行疏导，以高效的防热辐射材料作为填充，保证圆柱型壳体内部器件处于安全工作温度以内。在圆柱型壳体散热方面，拟采用热导率高且成型工艺成熟的金属材料镍作为壳体材料，即将热导率极高的碳纳米管复合入镍中获得镍基复合材料。在圆柱型壳体内部绝热部分，其传热方式主要为辐射传热和传导传热，由此，圆柱型壳体的壳壁设计成一端闭合一端敞口的夹层结构，使圆柱型壳体的壳壁夹层处于真空状态，隔绝了热量以热传导的方式进入壳体。再利用由铝箔和纤维布间隔层层堆叠而成的复合防热辐射材料充填夹层，将夹层中的热辐射传导将至最低，由此隔绝外部热量的传入。壳体内部，可通过纳米多孔气凝胶体的隔热材料对热传导的热量进行阻隔。热导率极低的纳米多孔气凝胶材料，一方面通过借助气凝胶极低的热导率隔绝热量，另一方面通过多孔材料中的纳米孔洞提高折射率，降低热传导效应。由此，本发明封装结构双管齐下，从减小热辐射和热传导两方面有效隔绝壳体上的热量向壳体内部的元件传递。

本申请中的圆柱型壳体需要解决散热的问题，而且要有足够的结构支撑。所以本申请中通过粉末冶金使碳纳米管复合入镍合金中制得镍基复合材料，依此材料来制造壳体。镍的熔点为1453°C，热导率为91.4W/(m·°C)，具有很高的熔点和极小的热膨胀系数，能够保证在高低温间工作时不因膨胀系数差异而造成键合失效。可通过平均热膨胀系数和瞬时热膨胀系数来计算材料的热变形，进而知道结构受热后的尺寸精度。此外，碳纳米管具有极高的热导率，通过在镍合金中加入碳纳米管，能有效提高镍基复合材料的散热性能，同时获得具有良好强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给镍基复合材料的性能带来极大的改善。

本申请中的圆柱型壳体的夹层中间为真空部分，能够承担绝热的功能。高温压力传感器后端主要为导热和热辐射两种热量传递的方式，由此可知，夹层壳壁的设计只要尽可能地阻碍导热和热辐射，就能达到绝热的目的。真空下，没有微观粒子的相互碰撞，即没有微观粒子的热运动，无法进行导热；在夹层的中间真空部分加入由铝箔和纤维布间隔层层堆叠而成的复合材料，铝的法向黑度为0.04~0.06，是金属中除金银外最低的。因为铝箔具有很低的发射率和密度，所以常用作多层隔热材料中的反射屏和绝热结构的外保护层，铝箔和纤维布复合后的铝箔表面光滑平整，光反射率高。将铝箔及纤维布间隔的层层堆叠，能降低辐射散热量，提高了结构的绝热性能，使其防热辐射性能会更优，而且即使在最极端的热条件，铝箔也不会分层。铝箔、纤维布绝热叠层主要是反射并带走热量，从而可以更好地保护高温压力传感器的后端，保证高温压力传感器后端的线性度和工作稳定性。传热过程为稳态传热，根据传热学基本原理，铝箔、纤维布绝热叠层每一层的传热方式为辐射换热。

本申请中的圆柱型壳体及电缆固定头内部通过填装纳米多孔气凝胶体对热量进行阻隔。纳米多孔气凝胶作为无定型纳米多孔材料，其结构可控，具有连续的三维网络结构。并且其密度在3-500mg/cm³之间可调，孔隙率可达80%～99.8%，孔径尺寸在1～100nm之间，比表面积可高达1000m²/ g。由于纳米多孔气凝胶独特的纳米多孔结构，使其具有极低的热导率及密度。另外，气凝胶熔点高且绝缘性好，气凝胶在温度达到1200摄氏度时才会熔化，气凝胶的绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍。气凝胶的热导率为0.018W/(m·K)，是目前所知热导率最低的固体材料，极低的热导率可以极大地减少导热的作用。由于纳米多孔气凝胶材料极高的空隙率和极小的孔径尺寸，可以提高折射率，有效地限制了局域热激发的传播，也会降低导热。纳米多孔气凝胶材料可以降低绝热材料成本，极大地降低导热，而且有足够的机械强度。

二、高温压力传感器后端封装结构的封装方法。

高温压力传感器后端封装结构的封装方法主要包括：高温压力传感器的钨针与导线接头的导线进行互联键合及其保护。键合方法既要保证互联键合接头的导电性能，又要考虑互联键合接头的高温结构稳定性，所以本申请通过不断的试验验证后，最终采用超声波热压法对高温压力传感器的钨针与导线接头的导线进行焊接。

本发明的有益效果如下：

1）通过合理的高温压力传感器后端封装结构设计和制造，更好地保护了高温压力传感器后端内部的键合部位，防止其氧化失效或受外界干扰，保证高温压力传感器在高温的服役环境下可以正常工作，不会因为高温环境影响测量精度。

2）保证了高温压力传感器后端封装结构需要的尺寸精度，并具有足够的机械强度和使用寿命。

3）本发明封装结构具有管壳散热性能良好、保护内部电路稳定可靠运行等优点，满足压力传感器在高温环境下进行压力测量的需求。

4）本发明封装结构设计科学、结构合理、使用方便，降低了高温压力传感器的成本。

附图说明

此处的附图用来提供对本发明的进一步说明，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用来解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明封装结构的结构示意图。

图2为本发明封装结构对传感器后端进行封装的示意图。

图中：1-圆柱型壳体、2-螺纹连接头、3-电缆固定头、4-紧固压母、5-防热辐射材料、6-第一纳米多孔气凝胶体、7-第二纳米多孔气凝胶体、8-互联头、9-导线通孔、10-导线接头、11-导线、12-集管、13-钨针。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，一种高温压力传感器后端封装结构，包括依次装配在同一轴线上的螺纹连接头2、圆柱型壳体1、电缆固定头3和紧固压母4，螺纹连接头2、电缆固定头3和紧固压母4都开设有轴向的通孔；圆柱型壳体1的中部为贯通的内腔，圆柱型壳体1的壳壁为真空的夹层设计，该夹层的一端敞口、另一端封闭，敞口端便于隔热材料的装入，封闭端保证其内的真空环境；圆柱型壳体1的材质是由碳纳米管与镍合金复合而成的镍基复合材料制作而成的，可通过粉末冶金法制备；圆柱型壳体1的夹层内填装有防热辐射材料5，防热辐射材料5是由铝箔和纤维布间隔层层堆叠而成的复合材料制作而成的，可通过热压扩散来制备；螺纹连接头2是由304不锈钢制作而成的，耐高温、易于加工、焊接性良好，螺纹连接头2密封安装在圆柱型壳体1的一端端口上且完全封闭住夹层的敞口端，使得夹层内为真空状态；电缆固定头3通过螺纹连接安装固定在圆柱型壳体1的另一端端口上，紧固压母4通过螺纹连接安装固定在电缆固定头3的外端端口上，电缆固定头3和紧固压母4是由304不锈钢制作而成的，耐高温、易于加工、焊接性良好；圆柱型壳体1的内腔内安置有第一纳米多孔气凝胶体6，第一纳米多孔气凝胶体6可通过溶胶-凝胶法制备，第一纳米多孔气凝胶体6的整体形状与圆柱型壳体1的内腔形状相适配，并且第一纳米多孔气凝胶体6的一少部分安置在螺纹连接头2的内端端口内；电缆固定头3的内端端口内安置有第二纳米多孔气凝胶体7，第二纳米多孔气凝胶体7可通过溶胶-凝胶法制备，第二纳米多孔气凝胶体7的整体形状与电缆固定头3的轴向通孔相适配，紧固压母4的内端端口内安置有互联头8，第一纳米多孔气凝胶体6、第二纳米多孔气凝胶体7及互联头8依次紧邻对接设置，第二纳米多孔气凝胶体7与互联头8之间可通过螺纹连接实现对接固定，第一纳米多孔气凝胶体6、第二纳米多孔气凝胶体7及互联头8上沿其轴线方向开设有贯穿其整体的两个导线通孔9；紧固压母4的外端端口内安置有导线接头10，导线接头10上的两根导线11分别穿插在两个导线通孔9内，导线接头10上的两根导线11是由金属铜制作而成的。

通过本发明封装结构对高温压力传感器的后端进行封装时，如图2所示，将高温压力传感器上带有两根钨针13的集管12封装在螺纹连接头2外端端口内，两根钨针13依次穿过第一纳米多孔气凝胶体6、第二纳米多孔气凝胶体7及互联头8上的导线通孔9，并与导线接头10上的两根导线11对接，最后将接头处进行焊接固定即可。

进一步的，上述高温压力传感器后端封装结构的封装方法，包括如下步骤：

1）1）在真空室内，先将防热辐射材料5填装在圆柱型壳体1的夹层内，然后在螺纹连接头2与圆柱型壳体1的连接处夹一层环形铝箔，进行瞬间液相扩散焊，从而将螺纹连接头2安装在圆柱型壳体1上，并且螺纹连接头2完全封闭住圆柱型壳体1夹层的敞口端，使得夹层内部空间为真空环境；

2）将连接好螺纹连接头2的圆柱型壳体1从真空室取出，将高温压力传感器上带有两根钨针13的集管12封装在螺纹连接头2外端端口内，两根钨针13穿插在圆柱型壳体1的内腔内；

3）将第一纳米多孔气凝胶体6、第二纳米多孔气凝胶体7及互联头8依次对接好并套装在两根钨针13上，同时将第一纳米多孔气凝胶体6安置在圆柱型壳体1的内腔内；

4）将导线接头10上的两根导线11分别穿插在互联头8上的两个导线通孔9内，使得两根钨针13的末端分别与两根导线11的末端接触，然后采用超声波热压法将其焊接在一起；

5）将电缆固定头3套装在第二纳米多孔气凝胶体7及互联头8外，并与圆柱型壳体1的端口连接固定，再将紧固压母4套装在导线接头10上，并与电缆固定头3的端口连接固定即可。

高温压力传感器后端封装结构设计及制造是基于高温压力传感器后端的高温工作环境实施的。通过高温压力传感器后端封装结构设计及制造，以获得绝热性能良好且能有效保护后端部件正常工作的高温传感器后端封装结构。保证其可以隔绝大部分热量，以保护后端元器件的正常工作，同时防止因高温氧化而导致后端键合部位的失效。

上面是对本发明实施例中的技术方案进行了清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种高温压力传感器后端封装结构，其特征在于：包括圆柱型壳体（1）、螺纹连接头（2）、电缆固定头（3）和紧固压母（4）；圆柱型壳体（1）的壳壁为夹层设计，该夹层的一端敞口、另一端封闭，该夹层内填装有防热辐射材料（5）；螺纹连接头（2）安装在圆柱型壳体（1）的一端端口上且完全封闭住夹层的敞口端，电缆固定头（3）安装在圆柱型壳体（1）的另一端端口上，紧固压母（4）安装在电缆固定头（3）的外端端口上；圆柱型壳体（1）的内腔内安置有第一纳米多孔气凝胶体（6），电缆固定头（3）的内端端口内安置有第二纳米多孔气凝胶体（7），紧固压母（4）的内端端口内安置有互联头（8），第一纳米多孔气凝胶体（6）、第二纳米多孔气凝胶体（7）及互联头（8）依次紧邻对接设置，并且第一纳米多孔气凝胶体（6）、第二纳米多孔气凝胶体（7）及互联头（8）上沿其轴线方向开设有贯穿其整体的两个导线通孔（9）；紧固压母（4）的外端端口内安置有导线接头（10），导线接头（10）上的两根导线（11）分别穿插在两个导线通孔（9）内。

2.根据权利要求1所述的高温压力传感器后端封装结构，其特征在于：圆柱型壳体（1）是由碳纳米管与镍合金复合而成的镍基复合材料制作而成的；防热辐射材料（5）是由铝箔和纤维布间隔层层堆叠而成的复合材料制作而成的；螺纹连接头（2）、电缆固定头（3）和紧固压母（4）均由304不锈钢制作而成的。

3.如权利要求1或2所述的高温压力传感器后端封装结构的封装方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）在真空室内，先将防热辐射材料（5）填装在圆柱型壳体（1）的夹层内，然后在螺纹连接头（2）与圆柱型壳体（1）的连接处夹一层环形铝箔，进行瞬间液相扩散焊，从而将螺纹连接头（2）安装在圆柱型壳体（1）上，并且螺纹连接头（2）完全封闭住圆柱型壳体（1）夹层的敞口端；

2）将连接好螺纹连接头（2）的圆柱型壳体（1）从真空室取出，将高温压力传感器上带有两根钨针（13）的集管（12）封装在螺纹连接头（2）外端端口内，两根钨针（13）穿插在圆柱型壳体（1）的内腔内；

3）将第一纳米多孔气凝胶体（6）、第二纳米多孔气凝胶体（7）及互联头（8）依次对接好并套装在两根钨针（13）上，同时将第一纳米多孔气凝胶体（6）安置在圆柱型壳体（1）的内腔内；

4）将导线接头（10）上的两根导线（11）分别穿插在互联头（8）上的两个导线通孔（9）内，使得两根钨针（13）的末端分别与两根导线（11）的末端接触，然后采用超声波热压法将其焊接在一起；

5）将电缆固定头（3）套装在第二纳米多孔气凝胶体（7）及互联头（8）外，并与圆柱型壳体（1）的端口连接固定，再将紧固压母（4）套装在导线接头（10）上，并与电缆固定头（3）的端口连接固定即可。

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