CN115507999A - 一种被动散热的压力传感器及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动散热的压力传感器及测试方法，属于高温介质的压力传感器领域。本发明的被动散热的压力传感器，将叠片散热器的支撑、散热、导压三项功能进行了拆分，隔热支架的设置在保证结构强度的前提下，减小了散热器重量，毛细管得到中空支架保护，利用热导率低的玻璃来连结金属件，切断了金属直连的热传导通道，用很短的距离实现了更大的降温梯度。本发明基于毛细管的散热装置和中空支架，在重量减轻的同时被动散热效率更高。而支架的隔热结构，完全切断了温度在金属界面的传导；隔离膜片前置，对于压力变化的应变压响应更快。

Description

一种被动散热的压力传感器及测试方法

技术领域

本发明属于高温介质的压力传感器领域，尤其是一种被动散热的压力传感器及测试方法。

背景技术

扩散硅压力传感器基于其MEMS压敏芯片固有特性限制，一般适用的介质温度范围在-40℃～125℃，后端封装配用的电子电路和接插件等适用温度范围还可能更窄。对于高温(小于300℃的)流体介质的压力测量，最为常用方法是在压力接口前端增加散热装置。如图1所示，圆形的不锈钢散热片层叠，中轴内打有细长孔，导入压力介质(热水或热油等)，在远端焊接常规压力传感器，由于盲管内的介质不流动，不会通过对流现象导热，散热片可以将测量介质的高温向周围环境辐射，最终对远端压力传感器实现降温保护。

而该传感器结构缺点：散热效能低，单位长度降温能力不足。散热片式结构，散热效果取决于散热片数量和环境温度，对于高于150℃的情况，散热片数量需要增加，使得散热器长度变得更长，以至于不可行。对于200℃以上的应用，这种结构在实践上基本不可行。另一方面，设计上没有做到完全隔离，热量传导的三种形式，由高到低分别为对流，传导和辐射，该散热片与前端的压力接口为同样的不锈钢材质，经过外壁圆周焊接实现物理连接。这种连接方式使得散热片与热源直接相连，热源的热量会源源不断向传感器一端传导，同时介质在中轴内要保留细长孔用于压力传递，基于结构强度需要，中轴直径会比较大，同样增加了传导面积。本设计发明使用金属毛细管传递压力，用中空支架保证连接强度，同时对毛细管提供保护，支架结构上设计了玻璃隔热装置，避免了金属的直接接触，切断了热量传导途径。还有，高温介质导入细孔，容易堵塞，该结构将传感器整机后置远端，由压力接口到传感器的隔离膜片之间开设一条细长孔道，直接将被测介质导入其中。对于高温水可能会因结垢而堵塞细孔，对于粘稠性介质也可能因为流动性不足产生介质粘连附着。本设计发明细孔封闭，介质只与隔离膜片接触，易于清洗。同时，细孔空气腔可能导致测压不准，细长的盲孔会存有空气，安装完毕后无法排除空气，对于较高精度的液体压力测量，液体导入后会对气体进行压缩，空气压缩比很大，对于压力响应速度会有不利影响。本设计发明，将隔离膜片前置，细孔内的导压硅油为真空灌充，不存在空气腔，热端介质可直接与隔离膜片接触，响应快。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种被动散热的压力传感器及测试方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种被动散热的压力传感器，包括压力接头与矩形压圈，两者之间夹持有波纹膜片，波纹膜片与压力接头及矩形压圈之间均留有空腔，压力接头上设有导压孔，压力接头的另一端设有转接片，两者之间留有空腔；

转接片的另一端与隔热支架的一端相连，隔热支架的另一端通过支架盖板连接有传感器基座，支架盖板和传感器基座之间设有空腔；

隔热支架内设有盘旋状的毛细管，所述毛细管的一端固定在转接片上，另一端固定在支架盖板内；

毛细管的两端分别通过第一绝缘子和第二绝缘子固定在转接片及支架盖板内；

所述空腔及毛细管内均充满硅油。

进一步的，所述传感器基座的内部空腔粘贴有感压芯片；

传感器基座背部开有的注油口，注油口由钢珠焊接密封；

传感器基座背部中心开有背压孔；

细针引线穿过传感器基座背部进入传感器基座的内部空腔，细针引线和传感器基座之间由玻璃固定和绝缘。

进一步的，细针引线与感压芯片在传感器基座利用金丝焊接连通。

进一步的，转接片与隔离支架的端面通过玻璃隔热环连接固定。

进一步的，隔热支架与支架盖板焊接为一体；

支架盖板和传感器基座焊接为一体；

矩形压圈与压力接头焊接为一体；

压力接头和转接片焊接为一体。

进一步的，毛细管的一段盘旋的设置在隔热支架内，盘旋的设置毛细管的底部和顶部均与隔热支架相接触。

进一步的，毛细管的内径为0.6mm，外径为2mm。

一种压力测试方法，包括以下操作：

将本发明所述的被动散热的压力传感器通过压力接头安装于管道外接的压力表缓冲管末端，蒸气经缓冲管进入到传感器内；

波纹膜片将蒸气与毛细管内的硅油进行物理隔离，并将压力传递给硅油，进而沿毛细管传递到感压芯片，从而进行压力的测试。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的被动散热的压力传感器，将叠片散热器的支撑、散热、导压三项功能进行了拆分，隔热支架的设置在保证结构强度的前提下，减小了散热器重量，毛细管得到中空支架保护，利用热导率低的玻璃来连结金属件，切断了金属直连的热传导通道，用很短的距离实现了更大的降温梯度。本发明基于毛细管的散热装置和中空支架，在重量减轻的同时被动散热效率更高。而支架的隔热结构，完全切断了温度在金属界面的传导；隔离膜片前置，对于压力变化的应变压响应更快。

进一步的，盘旋设置增加了毛细管的长度，与环境空气充分接触散热直接；更小的毛细管内孔，在保证导压的情况下减小了充油体积量。

进一步的，去除了暴露的导压盲孔，消除了介质堵塞隐患。

本发明的压力测试方法，在测试过程中无论是蒸气还是硅油都不存在流动，不存在热对流，管道热源在传向远端的过程中，通过热辐射向远端的压力传感器传递，效率极低，始终能保持一个相对稳定的温度梯度，远端温度不损坏传感器。

附图说明

图1为在压力接口前端增加散热装置的压力传感器的结构示意图；

图2为本发明的三维图；

图3为本发明的结构示意图，其中，图3(a)为左视图，图3(b)为主视图，图3(c)为右视图；

图4为本发明的剖视图；

图5为本发明的散热模块的结构示意图，其中，图5(a)为主视图，图5(b)为剖视图。

其中：1-压力接头；2-转接片；3-隔热支架；4-支架盖板；5-传感器基座；6-细针引线；7-毛细管；8-波纹膜片；9-注油口；10-钢珠；11-感压芯片；12-第一绝缘子；13-第二绝缘子；14-玻璃隔热环；15-第一焊道；16-第二焊道；17-第三焊道；18-第四焊道；19-矩形压圈；20-导压孔；21-密封圈。

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：

本发明的被动散热的压力传感器如图2所示，在现有的扩散硅隔离式压力传感器结构基础上做了改进创新，将压力传感器的隔离膜片与感压芯片之间拆开，中间增加一个散热隔热装置，毛细管与空气充分接触散热，隔热环实现金属支架与热源的传导交换隔离。该结构形式拥有更为优异的散热和隔热效果，能够有效提高压力传感器的适用温度上限。结构上的主要改进点有以下几个：隔离膜片前置，可与测量介质近距离接触；受支架保护的毛细管，提升更优异的被动环境散热；散热装置前端内置玻璃环，使金属材料与热源完全隔离。

参见图3，图3为本发明的结构示意图，图3(a)为左视图，图3(b)为主视图，图3(c)为右视图，本发明的被动散热的压力传感器包括以下三大模块：压力接口模块，散热器模块及压力传感器模块；压力接口模块包括外螺纹的压力接头1与矩形压圈19，压力接头1与矩形压圈19中间同心夹持有波纹膜片8，三者在圆周结合面焊接而成，材料均为不锈钢；波纹膜片8与位于其两侧的波纹膜片8、矩形压圈19之间均留有空腔，压力接头1上设有导压孔20，压力接头1与转接片2之间留有空腔。

参见图5，图5为本发明的散热模块的结构示意图，其中，图5(a)为主视图，图5(b)为剖视图，由机加工和细切割制成的隔热支架3，沿中轴线安装有毛细管7，隔热支架3左端通过玻璃隔热环14与转接片2连接，右端与支架盖板4装配并焊接。毛细管7左端穿过隔离支架3的通孔装配，再次穿过转接片2中孔，毛细管7左末端与转接片2中孔之间套有第一绝缘子12，经烧结固为一体。毛细管7右端穿过隔离支架3，毛细管7右末端与隔离支架3中孔之间套有第二绝缘子13，经烧结固为一体。散热器模块左右两端都预留有焊接位置。

结合图3和图4，压力传感器模块，包括传感器基座5，内部空腔中间位置粘贴有感压芯片11，细针引线6从传感器基座5中穿过，两者之间有玻璃固定和绝缘；传感器基座5背部开有的注油口9，注油口9由钢珠10焊接密封；传感器基座5背部中心开有背压孔8，背压孔8与感压芯片11的背部连通；细针引线6与感压芯片11在传感器基座5利用金丝焊接连通。

以上三大模块，先分别独自加工，三大模块之间在同轴方向装配，在圆周接缝处进行激光焊接。装配完成后，整机进行真空充油，硅油经传感器基座5后背的注油口9流入整个空腔和毛细管道，注油口9放置钢珠10，经电阻焊完成油道密封。

利用了玻璃与金属的烧结熔合技术，设计了一种应用于压力传感器的隔热结构；散热器模组作为独立的功能件，一端可以和各种压力接口适配，另一端可以和各种量程的压力传感器适配，提供了更为多样的灵活性。传感器隔离膜片前置设计，与被测介质直接接触，介质不需要进入细长的盲孔传导递压力，避免了细孔被堵塞的情况，提升了传感器的可靠性。

本发明的工作原理：

某蒸气管道，内部压力约3MPa，饱和蒸气温度230℃，管道外部有保湿层包覆，压力检测点所处位置的环境温度为32℃。将本发明的压力传感器压力接头安装于管道外接的压力表缓冲管末端，高温蒸气经过缓冲管后温度降至205℃，传感器的波纹膜片将205℃的蒸气与内部毛细管灌充的硅油进行物理隔离，将压力传递给硅油，进而沿毛细管传递到感压芯片。由于压力接口模块与散热器模块之间有热不良体隔离，抑制了温度传导，高温只能通过热辐射向远端的压力传感器传递，效率极低，故传感器外壳将保持在80℃以下的安全温度内。硅油在向传感器芯片的传导中，经过折弯的毛细管油量极少，通行路径长，毛细管处于32℃的环境温度下，可以保证硅油接触芯片时温度处于较低的状态。

从管道到传感器的感压芯片，是个单端开口的盲管，所以在测试过程中无论是蒸气还是硅油都不存在流动，所以不存在热对流。管道热源在传向远端的过程中，采用这些措施使其失热，最终能保持一个相对稳定的温度梯度，远端温度可以不损坏传感器。

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 (8)

1.一种被动散热的压力传感器，其特征在于，包括压力接头(1)与矩形压圈(19)，两者之间夹持有波纹膜片(8)，波纹膜片(8)与压力接头(1)及矩形压圈(19)之间均留有空腔，压力接头(1)上设有导压孔(20)，压力接头(1)的另一端设有转接片(2)，两者之间留有空腔；

转接片(2)的另一端与隔热支架(3)的一端相连，隔热支架(3)的另一端通过支架盖板(4)连接有传感器基座(5)，支架盖板(4)和传感器基座(5)之间设有空腔；

隔热支架(3)内设有盘旋状的毛细管(7)，所述毛细管(7)的一端固定在转接片(2)上，另一端固定在支架盖板(4)内；

毛细管(7)的两端分别通过第一绝缘子(12)和第二绝缘子(13)固定在转接片(2)及支架盖板(4)内；

所述空腔及毛细管(7)内均充满硅油。

2.根据权利要求1所述的一种被动散热的压力传感器，其特征在于，所述传感器基座(5)的内部空腔粘贴有感压芯片(11)；

传感器基座(5)背部开有的注油口(9)，注油口(9)由钢珠(10)焊接密封；

传感器基座(5)背部中心开有背压孔(8)；

细针引线(6)穿过传感器基座(5)背部进入传感器基座(5)的内部空腔，细针引线(6)和传感器基座(5)之间由玻璃固定和绝缘。

3.根据权利要求2所述的一种被动散热的压力传感器，其特征在于，细针引线(6)与感压芯片(11)在传感器基座(5)利用金丝焊接连通。

4.根据权利要求1所述的一种被动散热的压力传感器，其特征在于，转接片(2)与隔离支架(3)的端面通过玻璃隔热环(14)连接固定。

5.根据权利要求4所述的一种被动散热的压力传感器，其特征在于，隔热支架(3)与支架盖板(4)焊接为一体；

支架盖板(4)和传感器基座(5)焊接为一体；

矩形压圈(19)与压力接头(1)焊接为一体；

压力接头(1)和转接片(2)焊接为一体。

6.根据权利要求1所述的一种被动散热的压力传感器，其特征在于，毛细管(7)的一段盘旋的设置在隔热支架(3)内，盘旋的设置毛细管(7)的底部和顶部均与隔热支架(3)相接触。

7.根据权利要求1所述的一种被动散热的压力传感器，其特征在于，毛细管(7)的内径为0.6mm，外径为2mm。

8.一种压力测试方法，其特征在于，包括以下操作：

将权利要求1-7任一项所述的被动散热的压力传感器通过压力接头安装于管道外接的压力表缓冲管末端，蒸气经缓冲管进入到传感器内；

波纹膜片(8)将蒸气与毛细管(7)内的硅油进行物理隔离，并将压力传递给硅油，进而沿毛细管(7)传递到感压芯片(11)，从而进行压力的测试。

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