CN1112236A - 带有气密封接的应力隔绝座以保护传感器芯的压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种通过用有相似热膨胀系数的粘合剂将传感 器芯装到应力隔绝座上而改进了的电子压力传感 器。所说的粘合剂为应力隔绝座与压力传感器芯之 间提供了密封。应力隔绝座上的孔口为施加给传感 元件的压力提供一个开口。通过半刚性的粘合剂将 应力隔绝座装至塑料的封装体从而为包装体与应力 隔绝座之间的形式应力隔绝和密封。进入上述开口 的有害化学物质会接触传感器芯的裸露薄膜，但是， 该有害物质因所说气密封接而不会靠近前述敏感的 互联点。

Description

本发明一般地说涉及压力传感器，俱体地说，涉及到一种带有传感器芯元件的电子压力传感器，它通过一个气密封接的应力隔绝座来防止上述传感器芯受恶劣环境的影响。

联邦政府法规要求，到1996年美国所销售的每辆小汽车和轻型卡车上都得装配汽车燃料系统的气体压力传感器。燃料系统的石化环境是非常恶劣的。如所周知，已生产出不受有害化学环境影响的机械式压力传感器。但是，机械传感器很昂贵并表现为带有一应力仪压电式传感器芯的笨重金属外壳。这种传感器的尺寸与成本使得它无法在汽车上应用。

由于集成电路的成本、尺寸及可靠性方面的优点。所以希望把电子传感器技术用于汽车应用中的石化环境。电子压力传感器可在大气环境中使用。但是，对这项技术来说，将电子压力传感器用于石化环境就会出新问题。一个问题是与这种传感器相关的互联点的整体性。当前对电子压力传感器的使用可允许传感器引线接头、封装引线与所要传感的无害压力介质作紧密接触。来已证明，与有害化学物质的任何接触都会使传感器过早地损坏。

还希望能将电子压力传感器技术扩大至包括种种气体在内的高压应用。在这种情况下，所述传感器芯与互联点的脆弱性，则会产生常常导致传感器过早损坏的应力问题。

所以，需要一种低成本且可靠的能在有害化学及压力环境中使用的气密封接压力传感器。

图1是一气密封接的电子压力传感器的俯视图;

图2是图1的电子压力传感器的剖面图;

图3说明图2中传感器芯的进一步的细节;而

图4说明带有一批接收共同表压的背对背压力传感器的另一个实施例。

本发明提供了一种气密封接的电子压力传感器，这种传感器用于探测广范围的流体或气体的压力并给出表示外加压力的电信号。有一压敏半导体芯片用具有相似热膨胀系数的粘合剂粘接在压力隔绝座上并在该隔绝座与传感器芯之间形成气密封接。所述应力隔绝座包括一孔口，此孔口为用作于上述半导体传感器芯的压力孔口。用半刚性的粘合剂将上述应力隔绝座粘接到封装主体上，以便在这一塑料封装主体与应力隔绝座之间提供应力绝缘和气密封接。在上述传感器芯与封装引线之间通过引线接头而形成接续的电连接，以便将电信号传递给封装主体上的外部连接线上。

在不影响其可靠性及性能的情况下，所说的压力传感器可以检测各种类型流体与气体的广泛范围的压力，通常这些流体和气体被认为对上述传感器的部件有害。这类有害化学物质的实例包括：氯化钙、铜、蒸馏水、乙醇、乙二醇、甲酸、液压油、吲哚烯烃、异辛烷、甲醇、氯化钠、硝酸、硫酸、异丁基过氧化氢、叔丁基甲醚、甲苯、二甲苯以及锌。

参照图1，它示明了压力传感器10的俯视图，该传感器包括一应力隔绝座12，此隔绝座沿外周边安装在封装体16的边缘14上。传感器芯18安装在应力隔绝座12的下侧。应力隔绝座12被表示成透明的了。因此，可以从该俯视图中看到边缘14和传感器芯元件18。位于应力隔绝座12中心的孔口20为外部压力到达传感器芯18提供了一个孔口。用玻璃粘合剂将传感元件18粘接到应力隔绝座12上以便在孔口20周围形成气密封接。传感器芯18检测通过孔口20外加的压力与位于封装主体16空腔内的参照压力之间压力差。传感器芯18将所检测到的压力转换成电信号，此电信号表示该传感器两端的压力差。

封装主体16由酚醛环氧树脂模制而成并为传感器芯18提供了一个外壳及电连接。用于封装主体16的其它材料包括：有机环氧树脂，填充有无机物的弹性体以及具极性和非极性的化学稳定性的陶瓷。接合引线22、24、26和28最好由金制成并用通常的集成电路焊接技术连接到位于传感器芯18下侧处的铝焊垫上。接合引线22、 24、26和28还分别与封装主体的铜引线30、32、34和36相电连接。

应力隔绝座12由这样的材料制成，它具有与传感器芯18相似的热膨胀系数。用于应力隔绝座12的，通过使热膨胀系数相匹配而能提供应力绝缘的适当材料，包括硼硅酸盐玻璃、各种等级的氧化铝，堇青石以及滑石。用半刚性的粘合剂40将应力隔绝座12安装在封装主体16的边缘14上，所说的粘合剂能气密封隔封装主体16的内部空腔，从而使接合引线22-28以及位于传感器芯18后侧处的压电传感线路（网络）（图1中未显示出）免受有害化学物质的影响。应力隔绝座12还必须具有不渗透的特性，而得以在提供极性与非极性化学稳定性的同时保持气密封接的特性。用来形成应力隔绝座12的材料最好能模制出或钻出孔口20。

参照图2，它是压力传感器10的一个剖面图。应力隔绝座12与边缘14之间的热粘合剂40由于能使封装主体16作独立的热膨胀，从而可使应力隔绝并且提供了极性和非极性的化学稳定性。适用于通过使热膨胀系数相匹配而形成应力隔绝的粘合剂40的材料，包括刚性的半刚性的环氧树脂和人造橡胶。用玻璃粘合剂42围绕应力隔绝座12的周边将传感器芯18粘接到该座的下侧。粘合剂42必须具有非孔性以便保持应力隔绝座12与传感器芯18之间的气密封接和应力匹配。粘合剂42最好采用铅钛酸盐玻璃与各种铅硼酸玻璃之类的材料，这类材料具有与传感器芯18及应力隔绝座12相同的热膨胀系数，同时还能提供极性与非极性的化学稳定性。

图2中的接合引线26连接在传感器芯18后侧的通常焊接点与封装主体的引线34之间。封装主体16的后侧包括一通向压力传感器10内部空腔的压力入口48。压力入口48一般与一外部参照压力源相连接。相对着传感器芯18的后侧施加外部表压以便测出经由通孔20的外加压力与进入入口48的压力之间的压力差。

图3说明了传感器芯18的进一步的细节。传感器芯18由一侧经过微型机加工的硅片制成，以便设置传感膜50。在传感器芯18的下侧形成有压电压力传感线路52。一旦施加的流体或气体的压力差使压电线路52的电阻膜发生变化，传感膜50就会弯曲并导致各个电阻中电流量的相应变化。沿着压电线路52的电阻通路形成电流分接点或电连接点。在接合引线22-28的连接点与位于通常焊垫处的传感器芯18之间的接合处限定出所说的电连接点。上述电流量的变化表现为压电线路52的电流分接点上的电位差。所说的电流分接点通过接合引线22-28被分别电连接于封装主体的电引线30-36上。

压电线路52包括一内植式换能器，若干薄膜沉积式的电阻、金属蒸镀膜以及铝蒸镀的焊垫。用喷涂铝将上述换能器、电阻以及焊点连接起来。压电线路52的功能是根据外加的压力差来探测传感膜50的弯曲，并作为该外加的压力差的函数形式，为两个封装主体引线之间的电压所感生的直流电流提供可变电阻的通路。

本发明的关键特点是使压电线路52，接合引线22-28以及有关的焊点免受经由孔口20进入的有害化学物质的影响。用粘合剂40在边缘14和应力隔绝座12之间形成的气密封接，以及用粘合剂42在传感器芯18与应力隔绝座12之间形成气密封接，便为压电线路52和接合引线22-28提供了所需的绝缘。进入通孔20的有害化学物质与传感膜50接触，确定出作用在压电线路52上的压力，而产生出上所述一类电信号，但该有害化学物质则因所述的气密封接而不会靠近前述敏感的互联点。

图4中，示明了本发明的另一个实施例，它是一种带有共同表压力入口56的双封装压力传感器。图4中以相同参照序号标明具有与图1-3中所述相似功能的部件。这里的压力传感器封装包括两个完全背对背传感器芯18和60。传感器芯60的结构与工作方式同对传感器芯18所作的说明一样。入口56为传感器芯18和60提供了共用的外部压力。每个传感器芯18和60均测定相应内部空腔中的共用表压与分别施加给通孔20和62之间的压力差。传感器芯18通过接合引线26与上述封装引线34相连接。传感器芯60则通过接合引线64与封装引线66相连接以便指示传感器芯60上的压力差。

至此，应该注意，所说的压力传感器包括一个与其外壳相隔绝的应力隔绝座，从而使压电线路及互联点免受苛刻条件的影响。所述的压力传感器封装在多种有害环境中为电子压力传感器芯提供了保护，而所说的有害环境则包括燃油系统、液压系统具有腐蚀性的蒸气及液体化合物之类的制冷/制热系统，以及可以是极性、非极性或两者相结合的化工原料。与传感器芯和应力隔绝座有着同样热膨胀系数的玻璃粘合剂为此应力隔绝座与传感器芯之间提供了气密封接及应力匹配。所述应力隔绝座上的通孔使压力源能够接触传感器芯。所说的压力传感器封装包括一入口，此入口通向前述空腔的内部以形成所说的压力差。此外，所说的传感器封装也可以包含多个传感器芯，这些传感器芯共用经由入口施加给所述内部空腔的共同表压。

尽管上面已给出并说明了本发明的特定实施例，但是，对本项技术的专家来说，还可以作出其它的变型与改进型式。应该认识到，本发明并不局限于所示的具体形式，并把后附的权利要求书看作是它概括了所有不脱离本发明精神与范围的改进型式。

Claims (9)

1、一种压力传感器，特征在于，它包括：

一个带有孔口(20)的应力隔绝座(12)，而所说的孔口用于接收第一压力；

一个传感器芯(18)，此传感器芯用第一粘合剂(42)安装在上述应力隔绝座上，以便从上述应力隔绝座的孔口中接收前述第一压力；以及

一封装主体(16)，此封装主体带有边缘，该边缘用于通过第二粘合剂来安装前述应力隔绝座，而所说的第二粘合剂则能形成气密封接以保护位于上述封装主体之内部空腔中的传感器芯。

2、如权利要求1所述的压力传感器，特征在于，所说的封装主体包括一第二孔口（48），此孔口用于接收第二压力，使上述传感器芯上的形成压力差。

3、如权利要求2所述的压力传感器，特征在于：所说的传感器芯包括：

一个传感膜（50），此传感膜随所说的压力差而弯曲;

一个安装在上述传感膜上的压电线路（52），此线路随着前述传感膜的弯曲而改变电阻;以及

多个接合引线（22-28），这些接合引线连接在上述压电线路的分接点与封装主体导电引线之间。

4、如权利要求3所述的压力传感器，特征在于：所说的应力隔绝座由玻璃制成，而所说的玻璃则具有与上述传感器芯相似的热膨胀系数。

5、一种密封压力传感器的方法，特征在于，它包括以下步骤：

提供一带有孔口的应力隔绝座（12），而所说的孔口则用于收接一第一压力;

用第一粘合剂（42）将传感器芯（18）装配到上述应力隔绝座的开孔口上以便接收前述第一压力;以及

用第二粘合剂将前述压力隔绝座安装到封装主体（16）的边缘上，所说的第二粘合剂能形成密封以保护位于上述封装主体内部空腔中的传感器芯。

6、如权利要求5所述的方法，特征在于：它还包括下列步骤：在上述封装主体上设置一第二孔口（48）以便接收第二压力，从而在上述传感器芯上形成压力差。

7、一种压力传感器，特征在于，它包括：

一个第一传感器芯（18），此传感器芯具有第一和第二表面，以便探测第一与第二压力之间的压力差;

一个第二传感器芯（60），此传感器芯具有第一和第二表面，以便探测上述第二压力与第三压力之间的压力差;以及

一个带有第一和第二孔口的封装主体（56），此封装主体用于安装上述第一和第二传感器芯，而所说的孔口则分别用于接收前述第一和第三压力，所说的封装主体还包括一第三孔口，此孔口用于接收前述第二压力。

8、如权利要求7所述的压力传感器，特征在于，它还包括一个带有孔口的应力隔绝座（12），所说的孔口用于接收前述第一压力。

9、如权利要求8所述的压力传感器，特征在于：其中第一粘合剂（42）将所说的第一传感器芯安装到前述应力隔绝座上以便从该应力隔绝座的孔口中接收前述第一压力。