CN115468686A - 一种温度压力传感器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种温度压力传感器，其包括：壳体，内设有密闭的工作腔体；基板，其设置于壳体内并将工作腔体隔断为顶侧的上腔和底侧的下腔；基板上开设有导压孔；接头管，其固定于壳体的底部一端，并与下腔连通；电路板，其设置于基板的顶面上；压力敏感元件，其设置于基板的顶面上且电连接至电路板，其感压面经导压孔连通至下腔；温度敏感元件，其设置于接头管内或从接头管中朝底部一侧伸出；及底部与温度敏感元件的连接端子一一对应连接的多个导电体，其顶端分别穿设基板后与电路板电连接。上述的温度压力传感器通过导电体直接穿过基板与电路板连接，取消了弹片以及用于保护弹片的绝缘座，避免了接触失效的风险，也降低了组装难度。

Description

一种温度压力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种温度压力传感器。

背景技术

本部分中的陈述仅提供与本发明相关的背景信息并且可以不构成现有技术。

温度压力传感器是集成了温度敏感元件与压力敏感元件的传感器。其中，传感器上设有接头管向腔体内引入待测介质，其通过温度感测元件和压力感测元件对待测介质进行测量。由于温度梯度的存在，在压力传感器内的待测介质并不是各处相同；而由于连通器原理，只要压力感测元件与待测介质连通，即能测得准确的压力。因此，为了准确地测量待测介质的温度，需要将温度感测元件尽量地设置于接送管内的外端部一侧。

另外，硅压阻式压力传感器由于一些公认的优异特性，其已被广泛使用。硅压阻式压力传感器通常设置为背压式，即压力芯片的电阻设置于待测介质的相对一侧，压力芯片则设置于基板上。同时，为了保护压力芯片，基板需要将传感器的内腔进行密封隔断。

以上要求使得对于使用硅压阻式压力传感器的温度压力传感器，压力感测元件与温度感测元件必然位于基板之相对两侧。而为了对两者测得的信号进行处理，处理电路需要分别与两者连接。一般地，为了保护处理电路，处理电路通常设置于基板的靠近压力芯片的一侧。这就使得，温度感测元件与处理电路的电连接成为难题。

对于上述难题，现有的处理方法主要有两种。其中一种方法如CN102980714A、CN107817015A所公开的集成式压力与温度传感器那样，通过良好导热的金属壳体将温度感测元件与待测介质相隔离，从而使温度感测元件与压力感测元件两者之间无需被隔开，但必须在金属壳体与温度传感器元件之间填充导热材料。由于温度梯度的存在，其所测的温度数据准确度较低、响应时间较长，而且使工艺复杂化。

另外一种方法则是如CN112611504A所公开的那样，将温度敏感元件设置于绝缘座上，并通过导电弹片、导电元件(例如金属探针)与电路板实现电连接。但在实际制作上述的温度压力传感器时，存在以下难点：第一，导电弹片的上端朝上弹性抵接于导电元件的下端，两者的连接处在长时间使用时容易导致失效，在振动工作条件下尤是如此；第二，在对穿过基板的导电元件进行密封时，需要使用复杂的过孔金属化工艺，即先镀以Mo-Mn合金，再镀一层金属Ni，并用Au-Cu合金焊料钎焊，从而达到热膨胀系数(CTE，coefficient ofthermal expansion)的过渡和适配，以避免温度对测量精度的不利影响。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种温度压力传感器，以降低其失效风险。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种温度压力传感器，其包括：

壳体，内设有密闭的工作腔体；

基板，其设置于壳体内并将工作腔体隔断为顶侧的上腔和底侧的下腔；基板上开设有导压孔；

接头管，其固定于壳体的底部一端，并与所述下腔连通；

电路板，其设置于基板的顶面上；

压力敏感元件，其设置于基板的顶面上且电连接至所述电路板，其感压面经导压孔连通至下腔；

温度敏感元件，其设置于接头管内或从接头管中朝底部一侧伸出；

及底部与温度敏感元件的连接端子一一对应连接的多个导电体，其顶端分别穿设所述基板后与所述电路板电连接。

优选地，所述基板由陶瓷制成。

优选地，所述导电体的顶端从所述基板上开设的过孔中穿过，并与所述过孔之间通过密封体密封，所述密封体为烧结玻璃。

优选地，所述导电体包括自顶部至底部一体连接的顶段、过渡段及底段，顶段相对于底段位于接头管的径向外侧；所述顶段从所述基板上开设的过孔中穿过，并与所述过孔之间通过密封体密封，所述密封体为烧结玻璃。

优选地，所述顶段和底段均平行于所述接头管的轴线设置，所述底段的靠近底端的部分形成板体。

优选地，上述的多个导电体绕接头管的轴线均匀间隔分布，且设置于接头管的子午面上。

优选地，还包括套设于所述接头管内的保护套管，所述保护套管包括管体及垂直固定于盘体顶端的盘体；所述温度敏感元件设置于保护套管内或从保护套管中朝底部一侧伸出。

优选地，所述壳体内壁上形成一个第三台阶，所述第三台阶朝顶部一侧抵接于所述盘体的底部端面上；所述盘体的顶端边缘顶接于基板的底面上。

优选地，所述管体的管孔之顶端扩张形成缓冲腔。

优选地，所述导电体包括自顶部至底部一体连接的顶段、过渡段及底段，顶段相对于底段位于接头管的径向外侧；所述顶段从所述基板上开设的过孔中穿过，并与所述过孔之间通过密封体密封，所述密封体为烧结玻璃；所述盘体的顶端朝内凹陷形成多个容纳腔；所述过渡段设置于所述容纳腔中。

优选地，所述盘体的顶端外缘处设有多个卡脚；所述卡脚朝顶部卡接于所述基板的底部设置的卡槽中。

优选地，所述保护套管的底端管壁上开设有多个沿径向正对于所述温度敏感元件的多个缺口。

优选地，所述保护套管的中部管壁上设置有沿所述保护套管的周向间隔分布的多个卡筋。

优选地，所述保护套管由弹性材料制成。

优选地，所述壳体包括外壳和顶盖，所述外壳的底端与所述接头管固定，所述外壳的顶端朝内形成包边，包边朝底部一侧抵压于所述外壳的周缘上；电路板上电连接有多个导电针，导电针朝壳体外密封地穿设所述顶盖。

本发明的有效技术效果主要体现在以下几个方面：

一、温度敏感元件通过导电体直接穿过基板与电路板连接，取消了弹片以及用于保护弹片的绝缘座，避免了接触失效的风险，也降低了组装难度；

二、进一步地，通过将基板设置为陶瓷板，降低压力敏感元件的温度漂移，提升温度敏感元件与基板之间的密封性能，降低密封失效的风险；

三、进一步地，通过在保护套管顶部设置盘体，能够进一步地对保护套管进行定位，同时对温度敏感元件进行保持以提高其刚度，还能够增加密封性。

附图说明

图1为本发明的温度压力传感器的立体图；

图2为本发明的温度压力传感器的侧视图；

图3为本发明的温度压力传感器的沿图2中所示A-A的平面剖视图；

图4为本发明的温度压力传感器的沿图2中所示A-A的立体剖视图；

图5为本发明的温度压力传感器的主视图；

图6为本发明的温度压力传感器的沿图5中所示B-B的平面剖视图；

图7为本发明的温度压力传感器的俯视图；

图8为本发明的温度压力传感器的沿图7中所示C-C的立体剖视图；

图9为本发明的温度压力传感器的部分结构的立体图；

图10为本发明的保护套管与导电体的立体图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。下列的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。在以下描述中，相同的标记用于表示相同或等效的元件，并且省略重复的描述。

还应当进一步理解，在本发明说明书和对应的权利要求书中使用的术语“和/或”是指所列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合。

如图1至图6所示，本申请的温度压力传感器，其主要包括壳体(未标记)、接头管14、基板3、电路板5、压力敏感元件6、温度敏感元件7。其中，壳体内设有密闭的工作腔体。基板3设置于壳体内，并将工作腔体隔断为顶侧的上腔(未标记)和底侧的下腔(未标记)。

壳体可以是一体式的，但为了方便制造最好是分体式的，例如，壳体可以包括外壳1和顶盖2电路板5上电连接有多个导电针9。导电针9朝顶端一侧向外密封地穿设顶盖2，从而与外部电子设备电连接。其中，外壳1、顶盖2、基板3、电路板5最好设置成圆形，也可以设置成矩形等其他适合的形状。

在一些优选的实施例中，顶盖2可包括盖板201及由盖板201的边缘朝下延伸形成的支撑筒202。支撑筒202的底端支撑于外壳1的内壁上形成的第二台阶10b上。外壳1的顶端朝内对应形成包边101，包边101朝底部一侧抵压于外壳1的周缘上。这样，外壳1、顶盖2及基板3之间相连接且形成准确的定位。其中，外壳1的内壁上形成朝上的第一台阶10a，基板3的底面将第一台阶10a压紧于第一台阶10a上，从而形成密封。较佳地，顶盖2的顶部周缘形成定位台阶203，包边101朝底部一侧抵压于定位台阶203上。

在其他的一些实施例中，优选地，顶盖2由绝缘材料制成，导电针9嵌埋于顶盖2内。较佳地，导电针9的底部之近端部扩径形成扩径部901，这样能够避免导电针9脱出。其中，导电针9可以是弹簧探针。容易理解的是，当测量相对压力时，还可以在上腔内引入参考压力，例如上腔可通过透气孔或透气膜与大气连通，以测量下腔内相对于参考压力的相对压力。

在另外的一些可变通的实施例中，外壳1和顶盖2的连接方式，还可以是其他已经的方式，例如外壳1和顶盖2可以通过卡接形成可拆卸的连接。

接头管14固定于壳体的底部一端，并与下腔连通。在使用时，接头管14一般连接于填充有待测介质的管道等待测容器上，因此，接头管14的在垂直于自身轴向的外径最好小于外壳1的对应外部尺寸，例如当外壳1为圆形时，接头管14的外径小于外壳1的底部外径。接头管14外壁的接近外壳1之处，可设有环槽10d，环槽10d内可设有第一密封圈12。

温度敏感元件7设置于接头管14内，以对接头管14内的待测介质进行测温。在其他的一些变通的实施例中，温度敏感元件7还可以从接头管14中朝底部一侧伸出以暴露于待测介质中，这样可以测得更准确的待测介质的温度。不过，为了避免温度敏感元件7的损伤，可以使温度敏感元件7从接头管14中稍微向外探出，或稍微向内缩入。

电路板5和压力敏感元件6固定于压力敏感元件6设置于基板3的顶面上，压力敏感元件6电连接至电路板5。压力敏感元件6的感压面朝底部一侧设置，且正对于基板3上开设的一导压孔30a，从而下腔内的待测介质可从导压孔30a内引导至压力敏感元件6的感压面。较佳地，导压孔30a的底端扩张形成喇叭口30c。

压力敏感元件6最好是硅压阻式的压力敏感元件，其通常由在硅芯片顶面经扩散或溅射形成具有压阻效应薄膜电阻，薄膜电阻连接形成惠斯通电桥；硅芯片邦定于电路板上，并输出电信号至电路板5。电路板5上可设置处理电路对上述电信号进行处理，并通过导电针9向外部输出测量结果。较佳地，电路板5上在压力敏感元件6的位置处对应开设窗口50a，以给压力敏感元件6进行让位。电路板5上可设置有与导电针9的下端电连接的第一焊盘502。电路板5的顶面可固定有围框501，以将压力敏感元件6围在内部，并可在围框501内灌入保护凝胶，从而保护压力敏感元件6。

其中，温度敏感元件7通过多个导电体8与基板3另一侧的电路板5电连接。导电体8的数量与温度敏感元件7的连接端子701的数量相同，一般为两个。导电体8的顶端穿设基板3后与电路板5电连接，导电体8底端对应地与温度敏感元件7的连接端子701电连接。温度敏感元件7最好为细长形状。

上述实施例的温度压力传感器，与现有技术相比，避免了弹片的弹性接触，由导电体直接穿过基板与电路板连接，因此，降低了失效的风险；同时也无需要使用绝缘座以固定弹片，因此也易于制造和装配。

在其他的一些实施例中，优选地，基板3可由陶瓷制成。由于硅材料与陶瓷材料具有很接近的CTE，因此能够使硅压阻式的压力敏感元件6在测量待测介质的压力时减小温度引起的测量结果漂移。

进一步优选地，导电体8的顶端可从基板3上开设的过孔30b中穿过，并与过孔30b之间通过密封体11密封。密封体11可优选为烧结玻璃，由于玻璃与陶瓷材料都是由金属氧化物组成的无机材料，因此两者具有较为接近的CTE或更容易调整至适配的CTE，从而减小温度应力的损害，例如在多次温度循环下可能导致玻璃产生裂纹甚至开裂，进而影响密封性；更为重要的是，能够避免现有技术中，金属与陶瓷制基板的过孔之间封接时复杂的过孔金属化工艺，大大降低了成本和工艺复杂性。

请结合参阅图9、图10，以上的各实施例中，导电体8可优选地包括自顶部至底部一体连接的顶段801、过渡段802及底段803。顶段801相对于底段803位于接头管14的径向外侧。顶段801从基板3上开设的过孔30b中穿过，并与过孔30b之间通过密封体11密封。密封体11可以为由玻璃粉烧结而成的玻璃。通过多段式的设计，能够使导电体8具有较高的结构刚度。更佳地，上述的多个导电体8绕接头管14的轴线均匀间隔分布，且设置于接头管14的子午面上。

进一步地，顶段801和底段803均可平行于接头管14的轴线设置。底段803的靠近底端的部分还形成板体804，以方便地与温度敏感元件7的连接端子701进行焊接。

以上的各实施例中，温度压力传感器还可包括套设于接头管14内的保护套管4。保护套管4包括管体401及垂直固定于盘体402顶端的盘体402。温度敏感元件7设置于保护套管4内或从保护套管4中朝底部一侧伸出。

请结合参阅图4，在其他的一些实施例中，优选地，外壳1的内壁上形成一个第三台阶10c。第三台阶10c朝顶部一侧密封地抵接于盘体402的底部端面上。盘体402的顶端边缘密封地顶接于基板3的底面上。这样，在对保护套管4进行定位的同时，能够使下腔与上腔之间在外部边缘处形成更好的密封。

请结合参阅图3，在其他的一些实施例中，优选地，管体401的管孔之顶端扩张形成缓冲腔40a。

请结合参阅图7至图10，在其他的一些实施例中，优选地，导电体8包括自顶部至底部一体连接的顶段801、过渡段802及底段803。顶段801相对于底段803位于接头管14的径向外侧。顶段801从基板3上开设的过孔30b中穿过。并与过孔30b之间通过密封体11密封，密封体11为烧结玻璃。盘体402的顶端朝内凹陷形成多个容纳腔40b，过渡段802设置于容纳腔40b中。较佳地，过渡段802紧贴地设置于容纳腔40b中，从而使容纳腔40b对过渡段802进行限制，进一步地提高导电体8的刚度，尤其是避免导电体8在水平上面上的变形。同时设置缓冲腔40a和容纳腔40b时，还能够进一步使待测介质的压力波动时进行缓冲，以降低压力波动对压力敏感元件6产生的损害。

请结合参阅图6，在其他的一些实施例中，优选地，盘体402的顶端外缘处设有多个卡脚403。卡脚403朝顶部卡接于基板3的底部设置的卡槽30d中。较佳地，卡槽30d的周向两端分别周向抵接于一个上述卡脚403上，从而限制卡脚403的周向转动，以在周向上定位上述保护套管4。较佳地，卡脚403可设置为两组，每组两个，基板3底部的卡槽30d共设置两个，每组的两个卡脚403均卡接于一个上述的卡槽30d中。

请结合参阅图9，在其他的一些实施例中，优选地，保护套管4的底端管壁上开设有多个沿径向正对于温度敏感元件7的多个缺口404，从而使得温度敏感元件7即使缩入管体401内部，也能够使温度敏感元件7与待测介质进行直接接触换热。

较佳地，保护套管4的中部管壁上设置有沿保护套管4的周向间隔分布的多个卡筋405，卡筋405可径向抵近与接头管14的内壁，或与之形成过盈配合。

以上的各实施例中，保护套管4可进一步由弹性材料制成，这样能够使盘体402的顶端与基板3之间，以及盘体402的底端与第三台阶10c均形成更好的密封，同时还能够在测量一些特定性质的待测介质时，部分地抵消待测介质的膨胀，例如部分抵消尿素溶液在结冰时产生的体积膨胀，从而对保护压力敏感元件6在过大的体积应力作用下失效。

本公开内容的范围不是由详细描述限定，而是由权利要求及其等同方案限定，并且在权利要求及其等同方案范围内的所有变型都解释为包含在本公开内容中。

Claims (10)

1.一种温度压力传感器，其特征在于，包括：

壳体，内设有密闭的工作腔体；

基板(3)，其设置于壳体内并将工作腔体隔断为顶侧的上腔和底侧的下腔；基板(3)上开设有导压孔(30a)；

接头管(14)，其固定于壳体的底部一端，并与所述下腔连通；

电路板(5)，其设置于基板(3)的顶面上；

压力敏感元件(6)，其设置于基板(3)的顶面上且电连接至所述电路板(5)，其感压面经导压孔(30a)连通至下腔；

温度敏感元件(7)，其设置于接头管(14)内或从接头管(14)中朝底部一侧伸出；

及底部与温度敏感元件(7)的连接端子(701)一一对应连接的多个导电体(8)，其顶端分别穿设所述基板(3)后与所述电路板(5)电连接。

2.根据权利要求1所述的温度压力传感器，其特征在于，所述基板(3)由陶瓷制成。

3.根据权利要求2所述的温度压力传感器，其特征在于，所述导电体(8)的顶端从所述基板(3)上开设的过孔(30b)中穿过，并与所述过孔(30b)之间通过为烧结玻璃密封。

4.根据权利要求2所述的温度压力传感器，其特征在于，所述导电体(8)包括自顶部至底部一体连接的顶段(801)、过渡段(802)及底段(803)，顶段(801)相对于底段(803)位于接头管(14)的径向外侧；所述顶段(801)从所述基板(3)上开设的过孔(30b)中穿过，并与所述过孔(30b)之间通过烧结玻璃密封。

5.根据权利要求4所述的温度压力传感器，其特征在于，所述顶段(801)和底段(803)均平行于所述接头管(14)的轴线设置，所述底段(803)的靠近底端的部分形成板体(804)。

6.根据权利要求4所述的温度压力传感器，其特征在于，上述的多个导电体(8)绕所述接头管(14)的轴线均匀间隔分布，且设置于接头管(14)的子午面上。

7.根据权利要求1所述的温度压力传感器，其特征在于，还包括套设于所述接头管(14)内的保护套管(4)，所述保护套管(4)包括管体(401)及垂直固定于盘体(402)顶端的盘体(402)；所述温度敏感元件(7)设置于保护套管(4)内或从保护套管(4)中朝底部一侧伸出。

8.根据权利要求7所述的温度压力传感器，其特征在于，所述壳体内壁上形成一个第三台阶(10c)，所述第三台阶(10c)朝顶部一侧抵接于所述盘体(402)的底部端面上；所述盘体(402)的顶端边缘顶接于基板(3)的底面上。

9.根据权利要求7所述的温度压力传感器，其特征在于，所述导电体(8)包括自顶部至底部一体连接的顶段(801)、过渡段(802)及底段(803)，顶段(801)相对于底段(803)位于接头管(14)的径向外侧；所述顶段(801)从所述基板(3)上开设的过孔(30b)中穿过，并与所述过孔(30b)之间通过密封体(11)密封，所述密封体(11)为烧结玻璃；所述盘体(402)的顶端朝内凹陷形成多个容纳腔(40b)；所述过渡段(802)设置于所述容纳腔(40b)中。

10.根据权利要求7至9中的任一项所述的温度压力传感器，其特征在于，所述保护套管(4)由弹性材料制成。

Images