CN110108398A - 一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及薄膜压力传感器技术领域，特别涉及一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器。本发明的热隔离封装结构避免了测量介质与敏感元件的直接接触，通过感压膜片与密封在热隔离结构里的油脂进行传压，消除了热扰动对传感器输出的影响，提升了瞬态温度变化时的测量精度；本发明的传感器靠性高，本发明的传感器长期稳定性好，本发明的传感器测量介质温区宽：本发明避免了测量介质与敏感元件的直接接触，改善了被测介质的温度特性对传感器测量结果的不利影响，拓宽了薄膜压力传感器的介质测量温区。

Description

一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器
技术领域
本发明涉及薄膜压力传感器技术领域，特别涉及一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器。
背景技术
传感器技术作为代表当今科学技术发展水平的重要标志，与计算机技术，通信技术一起构成了现在信息产业的三大支柱，在众多信号测量中，对压力信号进行可靠，稳定，准确的测量具有十分广泛的需求和重要的意义。目前，在诸如常温，低频压力信号等一般工况下工作的压力传感器已经得到充分的发展。
随着科学技术与现代工业的发展，广泛存在高温，高频等极端条件下的压力测量需求，特别是在航天、航空、航海、军工、石油化工、汽车等领域，对于火箭、导弹、卫星等耐热体，发动机腔体，火炮炮管等条件下的压力测量，经常要面对高温、低温环境以及瞬时高温或瞬时低温的冲击，常规压力传感器已经远不能满足压力测量需求。
薄膜压力传感器一般采用溅射，蒸镀等方式把合金沉积在弹性膜片上，薄膜应变层通过感受膜片的应变而产生相应的电阻变化，从而完成非电量到电量的转换。在进行一般介质压力测量时，相较于其他传感器，薄膜压力传感器具有精度高，稳定性好，耐腐蚀，温度特性较好且应用温度范围较宽等一系列优点。但是，在被测介质发生瞬态温度变化时，由于弹性膜片瞬间受热不均，产生热应力，引起局部变形，导致弹性膜片上的薄膜应变层也发生相应局部形变，从而引起电阻变化。与此同时，薄膜应变层本身的瞬间受热不均也会直接引起电阻变化，二者共同形成热干扰。被测压力信号与热干扰信号混杂在一起，严重影响传感器压力测量结果的真实性。
薄膜压力传感器敏感元件为溅射膜片，其表面为应变电阻图形，表面沉积SiO2保护膜层，这可以提高敏感元件的抗湿性能，防止应变电阻层被氧化和污染，有的薄膜压力传感器溅射膜片表面还会涂覆一层防潮胶。瞬时剧烈温度变化会让溅射膜片表面SiO2保护膜层因为热应力影响而遭到破坏，从而影响传感器绝缘性能；而多次瞬时高温会影响防潮胶胶的延展性和弹性恢复力，从而对传感器产生影响，导致传感器高温、低温输出信号发生漂移。
薄膜压力传感器敏感元件由金属制成，由于金属具有蠕变特性，而敏感元件及薄膜电阻多次遇到瞬态剧烈的温度变化，会加速蠕变，从而严重影响传感器性能的长期稳定性。
因此需要对薄膜压力传感器感压膜片进行防热处理。目前，有在传感器前端膜片上涂抹油脂，在测压孔灌油或吹气以及粘贴塑料薄膜等措施以达到防热效果的应用实例，但是存在以下不足：
(1)隔热介质中存在气泡导致测量精度不高；
(2)防热结构在较高温度和较低温度环境中均容易失效，适用温区窄；
(3)结构可靠性低，无法多次重复使用；
(4)不易长期贮存及远距离运输。
发明内容
本发明解决的问题是：克服现有技术的不足，提出一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器，克服了现有技术中薄膜压力传感器无法保证在被测介质发生瞬态温度变化时的有效测量，能够提高薄膜压力传感器的在进行瞬态高温介质测量时的精度、稳定性和可靠性，工艺简单，实现成本较低。
本发明的技术解决方案是：
一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器，该压力传感器包括基座、热隔离封装结构、支架、信号调理板、外罩和接插件；
所述热隔离封装结构包括敏感元件、隔离介质、热隔离结构件和感压膜片；
所述的热隔离结构件为外表面带有环形凸台的圆柱，圆柱内部带有“工”字型空腔，“工”字型空腔中注满隔离介质；
所述的敏感元件通过焊接固定连接在热隔离结构件的上表面，感压膜片通过焊接固定连接在热隔离结构件的下表面；
所述的基座带有引压腔，所述的支架带有出线孔；
热隔离封装结构的环形凸台下表面与基座的上表面焊接固定连接，且热隔离封装结构位于基座的引压腔中；热隔离封装结构的环形凸台上表面与支架的下表面焊接固定连接；
所述的信号调理板位于在支架的上表面；
所述的外罩为带有顶端的空心圆柱，顶端带有出线孔，外罩的下表面与支架的上表面焊接固定连接，且信号调理板位于外罩的空腔中；
所述的接插件固定安装在外罩的顶端，接插件与信号调理板通过引线连接，信号调理板与敏感元件通过引线连接。
隔离介质为硅油；
工作过程：将压力传感器的基座与待测试的产品连接，当被测发生瞬态温度变化时，被测介质通过基座的引压腔作用在感压膜片上，形成压力信号，压力信号通过隔离介质传导后作用在敏感元件上，而作用在感压膜片上的热扰动在隔离介质中的传递速度远小于压力信号，从而与压力信号区分开来；敏感元件上的薄膜电阻电桥将压力信号转化为电信号，再经过信号调理板进行数据处理、放大后得到放大后的电信号，放大后的电信号通过引线从接插件导出，实现薄膜压力传感器在被测介质发生瞬态温度变化时的有效测量。
有益效果
(1)本发明的传感器精度高：本发明的热隔离封装结构避免了测量介质与敏感元件的直接接触，通过感压膜片与密封在热隔离结构里的油脂进行传压，消除了热扰动对传感器输出的影响，提升了瞬态温度变化时的测量精度；
(2)本发明的传感器靠性高：本发明采用一体化结构设计，敏感元件与感压膜片，热隔离结构件以及硅油通过激光焊接方式共同组成热隔离结构的压力敏感组件，该压力敏感组件与基座通过激光焊接在一起，形成热隔离封装结构的压力传感器，可以避免瞬态热介质对薄膜敏感元件各功能膜层可能引起的应力失配，造成薄膜敏感元件的永久损伤，提升了压力传感器的可靠性。
(3)本发明的传感器长期稳定性好：本发明热隔离封装结构避免了敏感元件因多次瞬态剧烈温度变化导致的加速蠕变问题，提升了传感器的长期稳定性。
(4)本发明的传感器测量介质温区宽：本发明避免了测量介质与敏感元件的直接接触，改善了被测介质的温度特性对传感器测量结果的不利影响，拓宽了薄膜压力传感器的介质测量温区。
附图说明
图1为本发明的压力传感器的结构示意图；
图2为本发明的热隔离封装结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
图1为本发明热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器结构剖视图，包括基座1、热隔离封装结构2、支架3、信号调理板4、外罩5、接插件6；基座1与热隔离封装结构2一端通过激光焊接相连。热隔离结构2另一端与支架3一端焊接在一起，信号调理板4通过螺钉或者胶黏剂与支架3相连，外罩5与支架3另一端焊接在一起，从信号调理板4引出线缆与接插件6相连。
如图2所示，热隔离封装结构包括敏感元件21、硅油22、热隔离结构件23和感压膜片24；考虑到油封整体的可靠性、安全性及稳定性，感压膜片24的材料一般选用不锈钢(如：0Cr17，1Cr18，316L等)，热隔离结构件23一般选用不锈钢(如：0Cr17，1Cr18，316L等)，敏感元件21与热隔离结构件23、感压膜片24通过焊接的方式共同形成密封腔，硅油22填充在该密封腔内。
实施例
如图1和图2所示，一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器，该压力传感器包括基座1、热隔离封装结构2、支架3、信号调理板4、外罩5和接插件6；
所述热隔离封装结构2包括敏感元件21、隔离介质22、热隔离结构件23和感压膜片24；
所述的热隔离结构件23为外表面带有环形凸台的圆柱，圆柱内部带有“工”字型空腔，“工”字型空腔中注满隔离介质22；
所述的敏感元件21通过焊接固定连接在热隔离结构件23的上表面，感压膜片24通过焊接固定连接在热隔离结构件23的下表面；
所述的基座1带有引压腔，所述的支架3带有出线孔；
热隔离封装结构2的环形凸台下表面与基座1的上表面焊接固定连接，且热隔离封装结构2位于基座1的引压腔中；热隔离封装结构2的环形凸台上表面与支架3的下表面焊接固定连接；
所述的信号调理板4位于在支架3的上表面；
所述的外罩5为带有顶端的空心圆柱，顶端带有出线孔，外罩5的下表面与支架3的上表面焊接固定连接，且信号调理板4位于外罩5的空腔中；
所述的接插件6固定安装在外罩5的顶端，接插件6与信号调理板4通过引线连接，信号调理板4与敏感元件21通过引线连接。
隔离介质22为硅油；
工作过程：将压力传感器的基座1与待测试的产品连接，当被测发生瞬态温度变化时，被测介质通过基座1的引压腔作用在感压膜片24上，形成压力信号，压力信号通过隔离介质22传导后作用在敏感元件21上，而作用在感压膜片24上的热扰动在隔离介质22中的传递速度远小于压力信号，从而与压力信号区分开来；敏感元件21上的薄膜电阻电桥将压力信号转化为电信号，再经过信号调理板4进行数据处理、放大后得到放大后的电信号，放大后的电信号通过引线从接插件6导出，实现薄膜压力传感器在被测介质发生瞬态温度变化时的有效测量。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器，其特征在于：该压力传感器包括基座、热隔离封装结构、支架、信号调理板、外罩和接插件；
所述热隔离封装结构包括敏感元件、隔离介质、热隔离结构件和感压膜片；
所述的热隔离结构件内部带有空腔，空腔中注满隔离介质；
所述的敏感元件连接在热隔离结构件的上表面，感压膜片连接在热隔离结构件的下表面；
热隔离封装结构的环形凸台下表面与基座的上表面连接，且热隔离封装结构位于基座内；热隔离封装结构的环形凸台上表面与支架的下表面连接；
所述的信号调理板位于在支架的上表面；
所述的外罩的顶端带有出线孔，外罩的下表面与支架的上表面连接，且信号调理板位于外罩内；
所述的接插件固定安装在外罩的顶端，接插件与信号调理板通过引线连接，信号调理板与敏感元件通过引线连接。
2.根据权利要求1所述的一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器，其特征在于：所述的热隔离结构件为外表面带有环形凸台的圆柱，圆柱内部带有“工”字型空腔，“工”字型空腔中注满隔离介质。
3.根据权利要求1所述的一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器，其特征在于：所述的敏感元件通过焊接固定连接在热隔离结构件的上表面。
4.根据权利要求1所述的一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器，其特征在于：感压膜片通过焊接固定连接在热隔离结构件的下表面。
5.根据权利要求1所述的一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器，其特征在于：所述的基座带有引压腔，所述的支架带有出线孔。
6.根据权利要求5所述的一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器，其特征在于：热隔离封装结构位于基座的引压腔中。
7.根据权利要求1所述的一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器，其特征在于：热隔离封装结构的环形凸台下表面与基座的上表面焊接固定连接，热隔离封装结构的环形凸台上表面与支架的下表面焊接固定连接。
8.根据权利要求1所述的一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器，其特征在于：所述的外罩为带有顶端的空心圆柱，外罩的下表面与支架的上表面焊接固定连接，且信号调理板位于外罩的空腔中。
9.根据权利要求1所述的一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器，其特征在于：隔离介质为硅油。
10.根据权利要求1-9任一所述的一种热隔离封装结构的薄膜应变式压力传感器，其特征在于：该压力传感器的使用方法为：将压力传感器的基座与待测试的产品连接，当被测发生瞬态温度变化时，被测介质通过基座的引压腔作用在感压膜片上，形成压力信号，压力信号通过隔离介质传导后作用在敏感元件上，而作用在感压膜片上的热扰动在隔离介质中的传递速度远小于压力信号，从而与压力信号区分开来；敏感元件上的薄膜电阻电桥将压力信号转化为电信号，再经过信号调理板进行数据处理、放大后得到放大后的电信号，放大后的电信号通过引线从接插件导出，实现薄膜压力传感器在被测介质发生瞬态温度变化时的有效测量。
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