CN114001846A - 一种集成式隔离封装的压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于压力传感器领域，公开了集成式隔离封装的压力传感器，包括烧结基座；烧结基座一端上设置压圈，压圈与烧结基座之间设置隔离膜片；烧结基座另一端上设置基板，基板上设置补偿电路，补偿电路与烧结基座的管脚连接；基板与烧结基座之间设置塑料垫圈；烧结基座内设置陶瓷厚膜电路基底，陶瓷厚膜电路基底上设置连接电路、MEMS硅电容压力芯片和ASIC信号处理芯片；MEMS硅电容压力芯片通过连接电路与ASIC信号处理芯片连接，ASIC信号处理芯片通过连接电路与烧结基座的管脚连接；烧结基座一端上开设硅油灌注孔，硅油灌注孔内设置密封件，烧结基座内填充硅油。可以实现在更小尺寸下获得更高的灵敏度和测量精度，对热效应较不敏感，可承受超过更大的过压。
Description
技术领域
本发明属于压力传感器领域，涉及一种集成式隔离封装的压力传感器。
背景技术
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，一般普通压力传感器的输出为模拟信号，模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。目前，普遍的压力测量技术是压阻技术，通过在薄片表面形成半导体变形压力，通过压力使薄片变形而产生压电阻抗效果，从而使阻抗的变化转换成电信号。
但是，基于压阻技术的压力传感器受温度变化的影响很大，随着时间的推移会出现明显的零点和量程漂移，并且很容易被意外的过压破坏，导致其改善空间有限，越来越难适应高灵敏度的压力测量需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种集成式隔离封装的压力传感器。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种集成式隔离封装的压力传感器，包括烧结基座；
烧结基座一端上设置压圈，压圈与烧结基座之间设置隔离膜片；烧结基座另一端上设置基板，基板上设置补偿电路，补偿电路与烧结基座的管脚连接；基板与烧结基座之间设置塑料垫圈；烧结基座内设置陶瓷厚膜电路基底，陶瓷厚膜电路基底上设置连接电路、MEMS硅电容压力芯片和ASIC信号处理芯片；MEMS硅电容压力芯片通过连接电路与ASIC信号处理芯片连接，ASIC信号处理芯片通过连接电路与烧结基座的管脚连接；烧结基座一端上开设硅油灌注孔，硅油灌注孔内设置密封件，烧结基座内填充硅油；
其中，MEMS硅电容压力芯片用于将被测压力转换为电容信号，并发送至ASIC信号处理芯片；ASIC信号处理芯片用于电容信号的温度补偿和非线性修正，得到修正电容信号；补偿电路用于修正电容信号的滤波和输出。
本发明进一步的改机在于：
所述补偿电路为输出为I2C接口协议的补偿电路。
还包括接插件，接插件与补偿电路的输出端连接。
所述烧结基座的外侧开设密封环槽，密封环槽内设置密封圈。
所述密封环槽的宽度为2.4mm或3.5mm。
所述陶瓷厚膜电路基底为双面厚膜电路基底，连接电路设置在双面厚膜电路基底的两侧，双面厚膜电路基底远离MEMS硅电容压力芯片和ASIC信号处理芯片的一侧上设置覆盖该侧连接电路的绝缘层。
所述MEMS硅电容压力芯片和ASIC信号处理芯片粘接在陶瓷厚膜电路基底上。
所述陶瓷厚膜电路基底为96％Al2O3陶瓷材质。
所述陶瓷厚膜电路基底的热膨胀系数与MEMS硅电容压力芯片和ASIC信号处理芯片的热膨胀系数之间的误差不大于3.0ppm/℃。
所述烧结基座为不锈钢一体化烧结基座，所述压圈与烧结基座焊接连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明集成式隔离封装的压力传感器，通过将MEMS硅电容压力芯片与ASIC信号处理芯片同时置入传感器腔体内部，最大限度的减小两只芯片距离，降低整个压力传感器的体积，并有利于ASIC信号处理芯片接收到MEMS硅电容压力芯片输出的小信号，创新性的在传感器腔体内部填充硅油，被测压力通过隔离膜片和灌注的硅油传递到具有精密力学结构的MEMS硅电容压力芯片上，实现了被测压力和电容信号的精确转换，继而实现被测压力的准确测量。同时，通过应用精度和稳定性更高的MEMS硅电容压力芯片和ASIC信号处理芯片，避开了现有扩散硅原理的部分缺点，可以实现在更小尺寸下获得更高的灵敏度和测量精度，同时自身对热效应较不敏感，并且可承受超过更大的过压。
进一步的，该集成式隔离封装的压力传感器的密封环槽的宽度为2.4mm或3.5mm，在压力≤3.5Mpa时可采用宽度为2.4mm的密封环槽，在压力＞3.5MP时，可采用宽度为3.5mm的密封环槽，以适应不同的压力环境。
进一步的，该集成式隔离封装的压力传感器的陶瓷厚膜电路基底为双面厚膜电路基底，连接电路设置在双面厚膜电路基底的两侧，双面厚膜电路基底远离MEMS硅电容压力芯片和ASIC信号处理芯片的一侧上设置覆盖该侧连接电路的绝缘层。采用双面厚膜电路基底，将连接电路设置在双面厚膜电路基底的两侧，以最大程度上降低陶瓷厚膜电路基底的体积，进而降低整个压力传感器的体积，提升对工作环境的适应性。
进一步的，集成式隔离封装的压力传感器的陶瓷厚膜电路基底的热膨胀系数与MEMS硅电容压力芯片和ASIC信号处理芯片的热膨胀系数之间的误差不大于3.0ppm/℃，以尽量减小热效应对测量的影响，保证测量精度。
附图说明
图1为本发明的集成式隔离封装的压力传感器爆炸图；
图2为本发明的陶瓷厚膜电路基底正面示意图；
图3为本发明的陶瓷厚膜电路基底背面示意图。
其中：1-压圈；2-隔离膜片；3-MEMS硅电容压力芯片；4-ASIC信号处理芯片；5-陶瓷厚膜电路基底；6-烧结基座；7-密封圈；8-密封件；9-塑料垫圈；10-基板；11-接插件；5-1-金线；5-2-银导线；5-3-玻璃釉；5-4-陶瓷；5-5-绝缘层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明一实施例中，提供一种集成式隔离封装的压力传感器，包括烧结基座6；烧结基座6一端上设置压圈1，压圈1与烧结基座6之间设置隔离膜片2；烧结基座6另一端上设置基板10，基板10上设置补偿电路，补偿电路与烧结基座6的管脚连接；基板10与烧结基座6之间设置塑料垫圈9；烧结基座6内设置陶瓷厚膜电路基底5，陶瓷厚膜电路基底5上设置连接电路、MEMS硅电容压力芯片3和ASIC信号处理芯片4；MEMS硅电容压力芯片3通过连接电路与ASIC信号处理芯片4连接，ASIC信号处理芯片4通过连接电路与烧结基座6的管脚连接；烧结基座6一端上开设硅油灌注孔，硅油灌注孔内设置密封件8，烧结基座6内填充硅油；其中，MEMS硅电容压力芯片3用于将被测压力转换为电容信号，并发送至ASIC信号处理芯片4；ASIC信号处理芯片4用于电容信号的温度补偿和非线性修正，得到修正电容信号；补偿电路用于修正电容信号的滤波和输出。
压力传感器基本功能是将被测压力通过硅电容传感器转化为高精度的电信号，采用上述的集成式隔离封装传感器的结构，考虑到电容类的传感器易产生寄生效应，通过上述设计有效减少噪声的影响，具体的，采用集成式设计，将MEMS硅电容压力芯片3与ASIC信号处理芯片4同时置入传感器腔体内部，最大限度的减小两只芯片距离，降低整个压力传感器的体积，并有利于ASIC信号处理芯片4接收到MEMS硅电容压力芯片3输出的小信号，创新性的在传感器腔体内部填充硅油，被测压力通过隔离膜片2和灌注的硅油传递到具有精密力学结构的MEMS硅电容压力芯片3上，实现了被测压力和电容信号的精确转换，继而实现被测压力的准确测量。同时，通过应用精度和稳定性更高的MEMS硅电容压力芯片3和ASIC信号处理芯片4，避开了现有扩散硅原理的部分缺点，可以满足更高要求的使用，可以实现在更小尺寸下获得更高的灵敏度和测量精度，同时自身对热效应较不敏感，并且可承受超过更大的过压。
在一种可能的实施方式中，该集成式隔离封装的压力传感器的补偿电路为输出为I2C接口协议的补偿电路易与现有产品系列形成组合，满足不同工况的需求，提供更多的使用选择。
在一种可能的实施方式中，该集成式隔离封装的压力传感器还包括接插件11，接插件11与补偿电路的输出端连接，通过接插件11的设计，便于压力传感器与其他器件之间连接和组合使用。
在一种可能的实施方式中，该集成式隔离封装的压力传感器的烧结基座6的外侧开设密封环槽，密封环槽内设置密封圈7，提升密封性能。
在一种可能的实施方式中，该集成式隔离封装的压力传感器的密封环槽的宽度为2.4mm或3.5mm，在压力≤3.5Mpa时可采用宽度为2.4mm的密封环槽，在压力＞3.5MP时，可采用宽度为3.5mm的密封环槽，以适应不同的压力环境。
在一种可能的实施方式中，该集成式隔离封装的压力传感器的陶瓷厚膜电路基底5为双面厚膜电路基底，连接电路设置在双面厚膜电路基底的两侧，双面厚膜电路基底远离MEMS硅电容压力芯片3和ASIC信号处理芯片4的一侧上设置覆盖该侧连接电路的绝缘层。采用双面厚膜电路基底，将连接电路设置在双面厚膜电路基底的两侧，以最大程度上降低陶瓷厚膜电路基底5的体积，进而降低整个压力传感器的体积，提升对工作环境的适应性。
参见图2和3，陶瓷厚膜电路基底5包括用于连接的金线5-1和银导线5-2，以及玻璃釉5-3、陶瓷5-4和设置在背面的绝缘层5-5，用于设置在背面的银导线5-2的绝缘。厚膜电路布线设计上也增大了地线屏蔽面积，MEMS硅电容压力芯片和ASIC信号处理芯片的周围进行包地处理，减少线路上的信号对MEMS硅电容压力芯片和ASIC信号处理芯片的干扰。
在一种可能的实施方式中，该集成式隔离封装的压力传感器的MEMS硅电容压力芯片3和ASIC信号处理芯片4粘接在陶瓷厚膜电路基底5上，一般采用0.5mm厚的陶瓷厚膜电路基底5。
在一种可能的实施方式中，该集成式隔离封装的压力传感器的陶瓷厚膜电路基底5为96％Al2O3陶瓷材质，MEMS硅电容压力芯片3和ASIC信号处理芯片4的热膨胀系数约为3.0ppm/℃，96％Al2O3陶瓷材质的热膨胀系数约为6.0ppm/℃，与其它的材质相比较，这两种材质的热膨胀系数更为匹配。
在一种可能的实施方式中，集成式隔离封装的压力传感器的陶瓷厚膜电路基底5的热膨胀系数与MEMS硅电容压力芯片3和ASIC信号处理芯片4的热膨胀系数之间的误差不大于3.0ppm/℃，以尽量减小热效应对测量的影响，保证测量精度。
在一种可能的实施方式中，该集成式隔离封装的压力传感器的烧结基座6为不锈钢一体化烧结基座6，所述压圈1与烧结基座6焊接连接，保证连接的稳定性，具体采用了通用的Φ19mm传感器外形，电气接口部分使用JST的SH系列插件连接。
在一种可能的实施方式中，该集成式隔离封装的压力传感器的ASIC信号处理芯片4在使用前进行标定。标定硬件使用的电路板，一般使用外部供电或USB供电，电路板上共有24路信号通路，每一路使用4针插头连接，并对应1只待标定的传感器；电路板可集联进行多路标定测试；标定软件上可以设置4～10个温度点，考虑到电容与压力的非线性关系，每个温度点下最少需设置6个压力点，最大可设置50个压力点，通过拟合计算出补偿的系数并写入ASIC信号处理芯片4，使用电脑通过连接上述标定硬件后连通压力传感器，再与高低温箱和压力控制记仪相接，随后可完成标定、测试。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种集成式隔离封装的压力传感器，其特征在于，包括烧结基座(6)；
烧结基座(6)一端上设置压圈(1)，压圈(1)与烧结基座(6)之间设置隔离膜片(2)；烧结基座(6)另一端上设置基板(10)，基板(10)上设置补偿电路，补偿电路与烧结基座(6)的管脚连接；基板(10)与烧结基座(6)之间设置塑料垫圈(9)；烧结基座(6)内设置陶瓷厚膜电路基底(5)，陶瓷厚膜电路基底(5)上设置连接电路、MEMS硅电容压力芯片(3)和ASIC信号处理芯片(4)；MEMS硅电容压力芯片(3)通过连接电路与ASIC信号处理芯片(4)连接，ASIC信号处理芯片(4)通过连接电路与烧结基座(6)的管脚连接；烧结基座(6)一端上开设硅油灌注孔，硅油灌注孔内设置密封件(8)，烧结基座(6)内填充硅油；
其中，MEMS硅电容压力芯片(3)用于将被测压力转换为电容信号，并发送至ASIC信号处理芯片(4)；ASIC信号处理芯片(4)用于电容信号的温度补偿和非线性修正，得到修正电容信号；补偿电路用于修正电容信号的滤波和输出。
2.根据权利要求1所述的集成式隔离封装的压力传感器，其特征在于，所述补偿电路为输出为I2C接口协议的补偿电路。
3.根据权利要求1所述的集成式隔离封装的压力传感器，其特征在于，还包括接插件(11)，接插件(11)与补偿电路的输出端连接。
4.根据权利要求1所述的集成式隔离封装的压力传感器，其特征在于，所述烧结基座(6)的外侧开设密封环槽，密封环槽内设置密封圈(7)。
5.根据权利要求1所述的集成式隔离封装的压力传感器，其特征在于，所述密封环槽的宽度为2.4mm或3.5mm。
6.根据权利要求1所述的集成式隔离封装的压力传感器，其特征在于，所述陶瓷厚膜电路基底(5)为双面厚膜电路基底，连接电路设置在双面厚膜电路基底的两侧，双面厚膜电路基底远离MEMS硅电容压力芯片(3)和ASIC信号处理芯片(4)的一侧上设置覆盖该侧连接电路的绝缘层。
7.根据权利要求1所述的集成式隔离封装的压力传感器，其特征在于，所述MEMS硅电容压力芯片(3)和ASIC信号处理芯片(4)粘接在陶瓷厚膜电路基底(5)上。
8.根据权利要求1所述的集成式隔离封装的压力传感器，其特征在于，所述陶瓷厚膜电路基底(5)为96％Al2O3陶瓷材质。
9.根据权利要求1所述的集成式隔离封装的压力传感器，其特征在于，所述陶瓷厚膜电路基底(5)的热膨胀系数与MEMS硅电容压力芯片(3)和ASIC信号处理芯片(4)的热膨胀系数之间的误差不大于3.0ppm/℃。
10.根据权利要求1所述的集成式隔离封装的压力传感器，其特征在于，所述烧结基座(6)为不锈钢一体化烧结基座(6)，所述压圈(1)与烧结基座(6)焊接连接。
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