CN111094923A - 陶瓷压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种陶瓷压力传感器(1)，该陶瓷压力传感器包括陶瓷体(2)和由该陶瓷体(2)支撑的电子电路(3a,3b,3c)，该陶瓷体(2)包括由陶瓷材料制成的柔性膜(4)，该柔性膜能够由于要感测的压力而变形，以及由陶瓷材料制成的刚性支撑件(5)，该刚性支撑件用于支撑该柔性膜(4)，该电子电路(3a,3b,3c)被配置为根据该柔性膜(4)的该变形而生成电信号，还设置了由陶瓷材料制成的保护元件(6)，该保护元件永久性地接合到该陶瓷体(2)，该保护元件(6)与该陶瓷体一起界定用于容纳该电子电路(3a,3b,3c)的至少一部分的容纳室(7)，该容纳室(7)具有用于将该电子电路(3a,3b,3c)的该部分与该容纳室(7)的外部连接起来的电连接装置(8)。

Description

陶瓷压力传感器

具体实施方式

本发明涉及一种陶瓷压力传感器。

在诸如工业、医疗、汽车、民用和航空的各种应用领域中，使用整合到换能器中的陶瓷压力传感器来测量液态或气态流体的压力是已知的。

陶瓷传感器既具有机械强度，又能够在侵蚀性环境下操作，并且具有可靠性和稳定的性能。

陶瓷膜是化学惰性的，不需要任何类型的分隔物，并且可以与大多数流体(甚至一些侵蚀性最强的流体)直接接触。

长期稳定性以及在压力和温度两方面的宽操作范围是有利于陶瓷压力传感器具有多功能性和可靠性的其他重要因素。

这些方面以及在所有类型的应用中的整合简便性使得压阻和电容陶瓷传感器均相对于其他技术解决方案更令人关注且更具优势，这都是因为它们的性价比出色并且应用范围广泛。

具有陶瓷膜的压阻传感器通常由氧化铝等制成，并且可以有两种类型：平面传感器，其中膜固定在仍然由陶瓷制成的不同机械支撑件上；或者单片传感器，其包括单个陶瓷元件，其中一个或多个较薄部件充当敏感元件，并且一个或多个较厚部件充当机械支撑件。敏感元件通常称为“膜”。

膜由于压力而弯曲，并且可以通过通常布置在惠斯通电桥中的压阻元件的电阻变化来检测这种弯曲。由压阻材料制成的电阻器的定位方式使得，在膜弯曲时，两个电阻器(属于电桥的相对两侧)伸长，从而导致电阻增加，同时其他两个电阻器被压缩，从而导致电阻降低。电桥不平衡，并且输出电压与引起变形的压力差成比例。

在电容式而不是压电式传感器中，通过由于电容器板(一个板印在膜上，另一个板印在机械支撑件上)的相对位移而引起的电容器容量变化来检测压力信号。将这种变化与另一个电容器进行比较，该另一个电容器的板则是固定的。

对于所有陶瓷压力传感器，在一些情况下，支撑件的腔体处有一个孔：如果该孔打开，则系统将用作相对或差动传感器，而如果该孔闭合并且腔体密封，则系统将用作绝对传感器。

平面压阻传感器通常通过以下方式制成：将膜上的该电阻电桥通过丝网印刷而印刷在与流体接触的一侧相对的一侧上，并将该膜连接到通常通过模制或激光切割平片而获得的机械支撑件上。为了保证膜的变形空间充足并且为了限定其移动空间，支撑件设置有中央凹陷部和孔，所述中央凹陷部通常为圆形，置于膜的可变形区域处，压阻元件置于该可变形区域处，而孔置于所述腔的外部，导电材料沉积在所述孔的壁上，并且在机械连接(例如通过焊接或利用导电树脂粘合)后，所述孔电连接到膜上的迹线。生产电容传感器遵循相同的过程。

单片传感器比平面传感器更容易制造，因为它们不需要膜与支撑件之间的电连接和机械连接，但通常仅用作相对传感器而不是绝对传感器。

应当注意，电容传感器不能以这种方式制造，因为必须具有两个彼此面对且非常靠近的壁，如在对其操作原理的描述中所解释的。

已知的陶瓷压力传感器通常使用厚膜技术制成，该技术允许将导电油墨、压阻油墨或其他类型的油墨印刷在诸如陶瓷的材料上。

从许多角度来看，使用陶瓷材料具有很大的优势。

从化学角度来看，所用的陶瓷对大多数酸和碱(包括几乎所有汽车或医疗液体)都是惰性的。

从机械角度来看，所用的陶瓷具有高结构强度(抗弯强度介于300和700MPa之间，抗压强度介于1800和4200MPa之间)。

从技术角度来看，所用的陶瓷可抵抗高达1500-1700℃的温度，并且具有低膨胀系数和热传导系数。

就平面陶瓷压力传感器而言，所用的陶瓷通过在高温(400-850℃)下烧制的玻璃态树脂使膜与支撑件之间的粘合成为可能。

在平面和绝对陶瓷压力传感器中，用于根据柔性膜的变形而生成电信号的电子器件在两个部件之间形成的封闭室中受到保护，但是用于调节所生成的电信号的电子器件置于该室的外部。

在单片陶瓷压力传感器中，彼此结合的支撑件和膜不保护用于根据柔性膜的变形而生成电信号的电子器件或用于调节所生成的电信号的电子器件。

因此，在某些有严格要求的应用中，并且一般为了改善传感器的性能，有必要对未保护的电子电路进行机械、热和化学保护。

为此，使用基于树脂或油墨的涂层和/或将传感器插入其中的相关保护性金属或塑料外壳。

这些保护技术可能比较复杂且庞杂，会造成严重的组装、密封和兼容性问题，并且无法达到陶瓷所允许的性能水平。

本发明的技术任务是消除所描述的现有技术的缺点。

在该技术任务的背景下，本发明的目的是有效但简单且低成本地保护安装在陶瓷压力传感器上的电子器件，以在测量精密度和准确度方面提高其耐用性和性能。

该技术任务以及这些目的和其他目的通过一种陶瓷压力传感器实现，该陶瓷压力传感器包括陶瓷体和由陶瓷体支撑的电子电路，所述陶瓷体包括由陶瓷材料制成的柔性膜，该柔性膜能够由于要感测的压力而变形，以及由陶瓷材料制成的刚性支撑件，该刚性支撑件用于支撑柔性膜，所述电子电路被配置为根据柔性膜的变形而生成电信号，该陶瓷压力传感器的特征在于其进一步包括由陶瓷材料制成的保护元件，该保护元件永久性地接合到所述陶瓷体，所述保护元件与所述陶瓷体一起界定用于容纳所述电子电路的至少一部分的容纳室，所述容纳室具有用于将所述电子电路的所述至少一部分与所述容纳室的外部连接起来的电连接装置。

将陶瓷用于保护元件的巨大优势包括其出色的化学惰性和热惰性及其出色的机械特性。

这些方面和其他方面将通过以下对本发明一些实施方案的描述而变得清楚，这些实施方案必须作为非限制性实例来考虑。

该描述参考了附图，在附图中：

图1a、图1b、图1c、图1d和图1e示意性地示出了根据本发明的平面陶瓷压力传感器的变体的剖视图；

图2a、图2b、图2c、图2d和图2e示意性地示出了根据本发明的单片陶瓷压力传感器的变体的剖视图；

图3示出了根据本发明的传感器(例如平面传感器)的可能布局，其中朝向外部的电连接件穿过保护元件与支撑件之间的接合区域；

图4示出了根据本发明的传感器(例如平面传感器)的可能布局，其中朝向外部的电连接件借助于保护元件的通孔而实现。

在本发明的各个优选实施方案中，使用相同的参考标号来表示等效部件。

陶瓷压力传感器1包括陶瓷体2和由陶瓷体2支撑的电子电路3a、3b、3c。

电子电路3a、3b、3c设置有导电连接迹线9。

陶瓷体2又包括由陶瓷材料制成的柔性膜4，该柔性膜能够由于要感测的压力而变形，以及由陶瓷材料制成的刚性支撑件5，该刚性支撑件用于支撑柔性膜4。

电子电路3a、3b、3c被配置为根据柔性膜4的变形而生成电信号。

电子电路3a、3b、3c包括用于生成电信号的模拟级3a、用于调节所获取的电信号的级3b以及用于输出所获取的信号并对其进行外部读取的级3c。级3c被制成与现有技术中可用的电连接方法兼容(它可由引脚、镀锡焊盘或其他焊盘、连接器等构成)。该级中所用的材料通常是惰性的，或者即使在侵蚀性环境中也适用于操作，有时会对其提供保护。

生成级3a包括例如由印刷在柔性膜4上的压阻油墨形成的惠斯通电桥。惠斯通电桥例如与一个或多个输出校准和热漂移补偿电阻相关联，后者用具有适于该目的的热漂移特性的油墨印刷。

有利地，提供了由陶瓷材料制成的保护元件6，该保护元件永久性地接合到陶瓷体2。

保护元件6与陶瓷体2一起界定容纳室7，用于容纳电子电路3a、3b、3c的至少一部分。

根据压力传感器1的类型，容纳室7将调节级3b和/或生成级3a容纳在其内部。

容纳室7气密地封闭并且可以置于真空下，填充有惰性气体或受控湿度的空气。

提供了电连接装置8，用于将电子电路3a、3b、3c的内部与电子电路3a、3b、3c在容纳室7外部的部分连接起来。

至少输出级3c总是存在于容纳室7的外部。

电连接装置8包括穿过容纳室7的壁的导电元件8a、8b、8c、8d。

导电元件8a、8b、8c、8d可以包括导电迹线9的部分8a，这些部分在保护元件6与陶瓷体2之间的接合区域18中与容纳室7的壁交叉(图1a、图2a、图1c、图2c中所示的解决方案)。在这一意义上，电路3a、3b、3c的信号的输出部分3c可以在刚性支撑件5的其余电子电路3所在的同一面6a上实现(图1a、图2a中所示的解决方案)或在保护元件6的外表面、特别是上表面上实现(图1c、图2c中所示的解决方案)。在后一种情况下，导电迹线9在保护元件6的侧壁上延伸。

另选地，导电元件8a、8b、8c、8d可以包括穿过保护元件6的壁的金属化孔8b(图1b、图2b中所示的解决方案)或在保护元件6内部的特定柱30内实现并穿过保护元件6的壁的金属化孔8c(图1d、图2d中所示的解决方案)，柱30能够与保护元件6在单件中实现。

另选地，导电元件8a、8b、8c、8d可以包括位于保护元件6内部并延伸穿过孔31(其穿过保护元件6的壁)的引脚8d(图1e、图2e中所示的解决方案)。在这种情况下，引脚8d可以焊接到设置在调节电路3b的分立元件之间的焊盘上。然后孔31可以用适当的焊珠32围绕每个孔封闭。容纳室7外部的引脚8d的端部构成信号输出级3c。

更精确地，保护元件6是具有平坦开放基部6a的凹形元件。

保护元件6优选地完全定位在陶瓷体2的平面14、19的周边内。因此，在实践中，参考附图，保护元件6的尺寸包含在陶瓷体2的侧壁向上的竖直延伸部的内部。

保护元件6与陶瓷体2的接合通过焊接例如SMT(表面安装技术)或通过用树脂或低熔点玻璃粘合而实现。

选择陶瓷材料(例如但不一定是基于氧化铝的材料)，以使保护元件6具有合适的耐温性和稳定性、刚性以及机械和化学强度特性。

参考图1a-1e、图3、图4，示出了平面陶瓷压力传感器1，其中陶瓷体2由以电和机械方式相互连接的两个不同零件形成，一个零件限定柔性膜4，另一个零件限定支撑件5。这两个零件由厚度不同的两个重叠平片形成，这两个重叠平片被取向成它们的主放置平面平行。

这两个片可具有圆形或多边形形状。

最薄的片限定柔性膜4，最厚的片限定支撑件5。

支撑件5设置有通孔10，这些通孔具有例如由金属制成的导电涂层17，用于在模拟生成级3a与调节级3b之间实现电连接。

机械连接系统适当地使柔性膜片4和支撑件5的主相邻面保持距离。

机械连接系统包括一定厚度的粘合剂珠11，例如玻璃，其沿着封闭路径延伸，以便与柔性膜4和支撑件5的主相邻面13、15一起界定封闭空间12，该封闭空间包含用于生成电信号的模拟级3a。

如有必要，为了向连接提供稳定性和抵抗性，可以一种围绕另一种地提供各种粘合剂珠11。

最内侧的珠11还界定膜4的柔性区域。

在图1a-1e、图3、图4中所示的传感器1的实现方式优选地使用混合厚膜技术和丝网印刷方法。

形成膜4和支撑件5的片由陶瓷材料(例如但不限于氧化铝)制成。

利用丝网印刷方法，将电子电路3a、3b、3c和相关组件的导电迹线印刷在膜4和支撑件5上，例如对于信号生成级3a，将电阻电桥的电阻印刷在膜4的与支撑件5相邻的主面13上；对于调节级，将用于复位电阻电桥的电阻、用于校正传感器热漂移的PTC或NTC以及用于校正电池灵敏度的电阻印刷在支撑件5的与膜4相对的主面14上。也可以将此类电阻印刷在主面13上。可以与此类元件同时印刷另外的元件，例如对温度变化敏感的元件。

调节级3b也可不包括适合于信号的数字校准的任何复位电阻或补偿电阻，特别是在要使用分立组件的情况下。

加压流体作用在膜4的与电信号生成级3a所在的主面相对的主面21(在图1a、图1b、图1c、图1d、图1e中由箭头示出)上。

还将导电迹线9印刷在支撑件5的与膜4相对的主面14上。

还将用于机械接合的粘合玻璃11印刷到膜4和支撑件5的主相邻面13、15上。

在每次印刷操作之后，可在烤箱中进行烧结步骤。

此时，膜4和支撑件5接合，并且在烤箱中进行进一步烧结。

通过使膜4和支撑件5重叠来进行耦接，使得玻璃区域16重叠成一件。

此时，在有或没有诸如芯片和电线或CSP(芯片级封装)的封装的情况下，组装调节级3b、3c的分立组件，诸如电容器、晶体管、集成电子电路和连接器。

最后，将保护元件6施加在支撑件5的与膜4相对的主面14上。

具体参考图1a。传感器的保护元件6与上述部件之间的机械接合和任何电接合可以以各种方式执行，这些方式中的每一种都是有效的并且为容纳室7提供了密封的可能性。在第一意义上，保护元件6可以利用SMT技术焊接，使得平坦壁的基部焊接到适当设置在主面14上的面焊盘上。在这种情况下，电接合与机械接合同时进行，从而适当地提供焊接点。另选地，有关机械接合还是电接合，都可以与针对膜与支撑件之间的接合描述的方式相似的方式使用低熔点玻璃。另选地，可使用树脂，可以将其预形成或沉积在接触的一个或两个面上。在这种情况下，只要在电接触区域中使用导电树脂，就可以同时进行机械接合和电接合。在仅有机械接触和气密密封的区域，也可以使用非导电树脂。使用两种不同的树脂要求它们具有兼容的聚合过程。为此，保护元件6的基部6a可具有沟槽6b，导电迹线9穿过所述沟槽，但是另选地，可以不设置此类沟槽，因为迹线的厚度相对于有关保护元件6与支撑件5的接合的材料珠的厚度可以忽略。此外，由于玻璃具有一定的流动性，因此它可以平衡这种厚度，从而在与导电迹线9重叠的区域中也实现均匀的珠。保护元件6的壁被布置成横跨导电迹线9，因此所述导电迹线能够在容纳室7外部传导电子电路的电信号。

参考图2a-2e，示出了单片陶瓷压力传感器1，其中陶瓷体2形成在单件中，该单件在其较薄区域中限定柔性膜4，而在其厚度增大的区域中限定支撑件5。

电子电路3a、3b、3c中的部件3a，3b完全定位在膜4的主面19上，该主面与膜4的加压流体所作用的主面20(在图2a-2e中由箭头示出)相对。

同样，在图2a-2e中所示的传感器1的实现方式优选地使用混合厚膜技术和丝网印刷方法。

陶瓷体2由陶瓷材料例如氧化铝制成。

利用丝网印刷方法，将电子电路3a、3b、3c和相关部件的导电迹线印刷在膜4的主面19上，例如，对于生成级3a，印刷电阻电桥的电阻；对于调节级，印刷用于复位电阻电桥的电阻、用于校正传感器热漂移的PTC或NTC以及用于校正电池灵敏度的电阻。可以与此类元件同时印刷另外的元件，例如对温度变化敏感的元件。

调节级3b也可不包括适合于信号的数字校准的任何复位电阻或补偿电阻，特别是在要使用分立组件的情况下。

还将导电迹线9印刷在膜4的主面19上。

在每次印刷操作之后，可在烤箱中进行烧结步骤。

此时，安装调节级3b的分立组件，诸如电容器、晶体管、集成电路和连接器。

最后，将保护元件6施加在膜4的主面19上。

以与上文针对平面陶瓷传感器所述的方法类似的方法施加保护元件6。

具体参考图2a。保护元件6的壁被布置成横跨导电迹线9，因此所述导电迹线能够在容纳室7外部传导电子电路的电信号。为此，保护元件6的基部6a具有沟槽6b，导电迹线9穿过所述沟槽。

本发明提供了一种保护安装在陶瓷体2上的电子部件的新型且更有效的方法。

该保护是由于陶瓷元件6可以具有可变的形状和大小，并且被实现为在其内部具有合适尺寸的容纳室7以容纳要保护的物体。

要保护的物体可以是电子的(微控制器、电阻等)、传感器的模拟部件(各种墨)或连接器、焊盘、引脚等。

更一般地，可以保护容纳在容纳室7中的具有合适的大小和形状的任何物体。

如上所述，陶瓷元件6永久性地耦接到陶瓷体2，以使传感器1的内容物密封。

陶瓷元件6还进一步协作以实现朝向传感器1的外部的电连接。

从化学、热和机械角度来看，这样实现的传感器具有上述陶瓷的所有优点。通过本发明，不必严格要求引入外壳或另一类型的其他保护元件。

以受控气氛、真空或受控湿度形成气密封闭的容纳室可以防止由于腐蚀、冷凝等引起的任何问题。

陶瓷体2的材料可与陶瓷保护元件6的材料不同，但是与所述过程兼容。

如本文所设想的压力传感器易于进行许多修改和变化，所有这些都落入发明构思的范围内；此外，所有细节均可替换为技术等同要素。

在实践中，所使用的材料以及尺寸可以根据需要和现有技术而定。

例如，出于描述目的，上文参考了压阻陶瓷压力传感器，但是本发明的教导内容可以扩展到电容式陶瓷传感器。

Claims (14)

1.一种陶瓷压力传感器(1)，包括：陶瓷体(2)，所述陶瓷体包括由陶瓷材料制成的柔性膜(4)，所述柔性膜能够由于要感测的压力而变形，以及由陶瓷材料制成的刚性支撑件(5)，所述刚性支撑件用于支撑所述柔性膜(4)；以及电子电路(3a,3b,3c)，所述电子电路由所述陶瓷体(2)支撑并且包括导电连接迹线(9)和丝网印刷在所述柔性膜(4)上的电阻电桥以及丝网印刷在所述刚性支撑件(5)上的导电迹线(9)，所述电子电路(3a,3b,3c)被配置为根据所述柔性膜(4)的所述变形而生成电信号，所述陶瓷压力传感器的特征在于其进一步包括由陶瓷材料制成的保护元件(6)，所述保护元件永久性地接合到所述陶瓷体(2)的面(6a)，所述保护元件(6)与所述陶瓷体(2)的所述面(6a)一起界定用于容纳所述电子电路(3a,3b,3c)的至少一部分的容纳室(7)，进一步设置有用于将所述电子电路(3a,3b,3c)的所述至少一部分与所述容纳室(7)的外部连接起来的电连接装置(8)，所述电子电路(3a,3b,3c)包括用于生成所述电信号的模拟级(3a)、用于调节所获取的电信号的级(3b)以及用于输出所获取的信号并对其进行外部读取的级(3c)，所述级(3b)包括在所述陶瓷体(2)的所述面(6a)上定位在所述容纳室(7)中的分立组件。

2.根据权利要求1所述的陶瓷压力传感器(1)，其特征在于，所述电连接装置(8)包括所述导电迹线(9)的部分(8a)，所述部分在所述保护元件(6)与所述陶瓷体(2)之间的接合区域(18)中穿过所述容纳室(7)。

3.根据权利要求1所述的陶瓷压力传感器(1)，其特征在于，所述电连接装置(8)包括穿过所述保护元件(6)的壁的金属化孔(8b)。

4.根据权利要求1所述的陶瓷压力传感器(1)，其特征在于，所述电连接装置(8)包括在支撑在所述保护元件(6)内部的柱(30)内形成的金属化孔(8c)，所述金属化孔(8c)穿过所述保护元件(6)的所述壁。

5.根据权利要求1所述的陶瓷压力传感器(1)，其特征在于，所述电连接装置(8)包括支撑在所述保护元件(6)内部并延伸穿过孔(31)的引脚(8d)，所述孔穿过所述保护元件(6)的所述壁。

6.根据前述权利要求中任一项所述的陶瓷压力传感器(1)，其特征在于，所述导电迹线(9)在所述保护元件(6)的外表面上延伸。

7.根据权利要求1所述的陶瓷压力传感器(1)，其特征在于，所述保护元件(6)是刚性的。

8.根据权利要求1所述的陶瓷压力传感器(1)，其特征在于，所述容纳室(7)被气密密封。

9.根据前一权利要求所述的陶瓷压力传感器(1)，其特征在于，所述气密密封的容纳室(7)处于真空下或者填充有惰性气体或湿度受控的空气。

10.根据前述权利要求中任一项所述的陶瓷压力传感器(1)，其特征在于，所述容纳室(7)将所述生成级(3a)和所述调节级(3b)均容纳在其内部，并且将所述输出级(3c)容纳在其外部。

11.根据前述权利要求中任一项所述的陶瓷压力传感器(1)，其特征在于，所述容纳室(7)仅将所述生成级(3a)容纳在其内部，并且将所述输出级(3c)和所述调节级(3b)容纳在其外部。

12.根据前述权利要求中任一项所述的平面陶瓷压力传感器(1)，其特征在于，所述生成级(3a)被容纳在将所述膜(4)与所述支撑件(5)分开的封闭空间(12)内。

13.根据权利要求1所述的陶瓷压力传感器(1)，其特征在于，获取级(3a)包括由印刷在所述柔性膜(4)上的压阻油墨形成的惠斯通电桥。

14.根据权利要求1所述的陶瓷压力传感器(1)，其特征在于，所述保护元件(6)通过SMT焊接焊接到所述陶瓷体(2)上。

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