CN116296042A - 一种硅压阻式单芯体差压传感器 - Google Patents
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Abstract
一种硅压阻式单芯体差压传感器，属于传感器制造技术领域，本发明为解决现有差压传感器存在高静压环境中无法测量，工作温度范围窄，不能用于腐蚀性的流体介质测量的问题。它包括：陶瓷环和压力敏感芯片粘接在管座一端上，压力敏感芯片置于陶瓷环内环里，陶瓷环、压力敏感芯片和管座同轴相接，压力敏感芯片电极连接到管座引脚上；陶瓷环外部设置有波纹膜片，波纹膜片通过压环焊接在管座上，波纹膜片和压环对管座的感压腔室进行密封，构成正压腔；管座另一端设置有波纹膜片，波纹膜片和压环对管座感压腔室进行密封，构成负压腔；正压腔和负压腔的波纹膜片接触被测介质，被测介质压力差作用在压力敏感芯片上形成压差输出。本发明用于差压检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种单芯体差压传感器，属于传感器制造技术领域。
背景技术
硅压阻式传感器因其响应快、精度高、功耗低、尺寸小、温度范围宽和高可靠性，被广泛用于航空、航天、石油、化工、工业自动化控制等领域，不仅可以用于发动机汽缸内的检测压力、测量空气流量，以控制喷油时间和点火时间，而且还可用于测量运动机械的动态特性以及运载火箭的整流罩和助推肩部外表面脉动空气压力信号、空调、超净过滤系统、煤矿瓦斯监控系统等，是设备压力监测及控制系统中的关键基础部件。
目前常见的差压传感器大多为双芯体集成产品，存在如下问题：
1、体积大、对称性差，耐受压力过载冲击能力差；
2、工作温度范围窄；
3、由于采用双芯体测量差压信号，无法在高静压环境下进行测量，大幅降低了可靠性和稳定性。
此外，常见的差压传感器还有蓝宝石单芯体差压传感器，采用金属膜片隔离被测介质，其存在的问题是：芯片表面直接接触被测介质，芯片表面引线也暴露在被测介质内，芯片及引线部分易受影响，不仅可靠性低，而且不能用于具有一定腐蚀性的流体介质。
而谐振式传感器以及硅电容式传感器，精度相对较高，但其工艺复杂，加工成本高，不适宜大批量生产。
发明内容
本发明目的是为了解决现有差压传感器存在高静压环境中无法测量，工作温度范围窄，不能用于腐蚀性的流体介质测量的问题，提供了一种硅压阻式单芯体差压传感器。
本发明所述的一种硅压阻式单芯体差压传感器，它包括压力敏感芯片、陶瓷环、管座、波纹膜片和压环；
陶瓷环和压力敏感芯片粘接在管座的一端上，且压力敏感芯片置于陶瓷环的内环里，陶瓷环、压力敏感芯片和管座同轴相接，压力敏感芯片的电极连接到管座的引脚上，通过管座的引脚将电信号引出；陶瓷环上相对于管座的另一侧设置有波纹膜片，波纹膜片通过压环焊接在管座的一端上，波纹膜片和压环同轴设置，波纹膜片和压环对管座的感压腔室进行密封，构成正压腔；
管座的另一端设置有波纹膜片，波纹膜片通过压环焊接在管座的另一端上，波纹膜片和压环同轴设置，波纹膜片和压环对管座的感压腔室进行密封，构成负压腔；
正压腔的波纹膜片和负压腔的波纹膜片接触被测介质，正压腔和负压腔接触的被测介质的压力差作用在压力敏感芯片上，形成压差输出。
优选的，它还包括内引线，所述内引线设置在管座的引脚内，压力敏感芯片的电极通过引线键合工艺与内引线连接。
优选的，所述管座的正压腔和负压腔内均充入二甲基硅油。
优选的，它还包括钢球，正压腔和负压腔的注油孔通过钢球进行密封。
优选的，正压腔和负压腔的二甲基硅油的充油面与波纹膜片之间的距离为0.4mm。
优选的，所述压环的内环直径为16mm，压环的厚度为1.5mm，所述波纹膜片的厚度为0.03mm～0.15mm。
优选的，所述管座包括玻璃、管壳和转接端子；
转接端子通过玻璃烧结在管壳上，转接端子与内引线相连接。
优选的，所述转接端子的直径为0.5mm，玻璃的烧结厚度为5mm。
本发明提出的一种硅压阻式单芯体差压传感器，具有如下优点：
1、采用单芯体双膜片差压芯体结构，不需要双芯体分别感受高、低端压力，保证了产品可承受更大的静压值，并保证产品零点静压影响在±1％FS范围内，满量程静压影响在±1％FS范围内。静压后零点输出满足±1mV。
2、采用SOI敏感芯片能够在较宽的温度环境下使用，产品使用温度可以达到-55℃～125℃。
3、具有较好的精度，重复性、迟滞均能控制在0.1％FS以内，非线性控制在0.2％FS以内，精度能控制在0.3％FS以内。
4、压力敏感芯片与被测介质间使用金属膜片(波纹膜片)隔离，可在具有一定腐蚀性的流体介质中使用。
附图说明
图1是本发明所述一种硅压阻式单芯体差压传感器的结构示意图；
图2是本发明所述管座的结构示意图；
图3是用于补偿时零点输出为负值时调节零点的恒流源补偿电阻网络图；
图4是用于补偿时零点输出为正值时调节零点的恒流源补偿电阻网络图。
具体实施方式
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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例1：
下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种硅压阻式单芯体差压传感器，它包括压力敏感芯片205、陶瓷环204、管座206、波纹膜片202和压环203；
陶瓷环204和压力敏感芯片205粘接在管座206的一端上，且压力敏感芯片205置于陶瓷环204的内环里，陶瓷环204、压力敏感芯片205和管座206同轴相接，压力敏感芯片205的电极通过引线键合工艺连接到管座206的引脚上，通过管座206的引脚将电信号引出；陶瓷环204上相对于管座206的另一侧设置有波纹膜片202，波纹膜片202通过压环203焊接在管座206上，波纹膜片202和压环203同轴设置，波纹膜片202和压环203对管座206的感压腔室进行密封，构成正压腔；
管座206的另一端设置有波纹膜片202，波纹膜片202通过压环203焊接在管座206的另一端上，波纹膜片202和压环203同轴设置，波纹膜片202和压环203对管座206的感压腔室进行密封，构成负压腔；
正压腔的波纹膜片202和负压腔的波纹膜片202接触被测介质，正压腔和负压腔接触的被测介质的压力差作用在压力敏感芯片205上，形成压差输出。
本实施方式中，敏感芯片采用SOI敏感芯片，将陶瓷环204粘贴在管座206上，能够减少管座206内部的充油量，充分拓宽传感器的工作温度范围(使用温度在-55℃～125℃之间)，降低传感器因温度带来的影响，保证全温区的精度。
本实施方式中，采用两端设置的波纹膜片202感受正、负压力腔的介质压力，通过管座206内的两个注油腔室结构传递正负压腔的压力，正、负端压力不同而产生微小形变，引起压力敏感芯片205电阻阻值的变化，并形成压差信号。
本实施方式中，波纹膜片202和压环203通过专用的焊接夹具，根据量程不同采用电子束焊接或氩弧焊接，使波纹膜片202、压环203和管座206保证同轴进行三位一体焊接。
进一步的，它还包括内引线201，所述内引线201设置在管座206的引脚内，压力敏感芯片205的电极通过引线键合工艺与内引线201连接。
本实施方式中，陶瓷环204上开有四个引线槽，内引线201延引线槽完成第一焊点与第二焊点之间的键合。通过陶瓷环204减少充油量，并使正压腔、负压腔的充油量尽量一致，保证产品的对称性。
再进一步的，所述管座206的正压腔和负压腔内均充入二甲基硅油208。
再进一步的，它还包括钢球207，正压腔和负压腔的注油孔通过钢球207进行密封。
本实施方式中，通过两个注油孔，分别向正压腔和负压腔注入二甲基硅油208作为介质传递压力，使用钢球207通过储能焊封堵注油孔。
再进一步的，正压腔和负压腔的二甲基硅油208的充油面与波纹膜片202之间的距离为0.4mm。
本实施方式中，本发明提出的硅压阻式单芯体差压传感器能够双向感压，因此，能够减小封装结构带来的误差。在结构设计上保证高、低压端结构的对称，同时感压芯片双侧的容腔体积尽可能一致，为减少管座206内充油量，管座206正压腔、负压腔充油底面与波纹膜片202的间距均设计为0.4mm，降低封装带来的附加温度误差，从而保证传感器的静压误差在期望的范围内。
再进一步的，所述压环203的内环直径为16mm，压环203的厚度为1.5mm，所述波纹膜片202的厚度为0.03mm～0.15mm。
本实施方式中，波纹膜片202、压环203和管座206焊接处的直径均为18.5mm。
再进一步的，所述管座206包括玻璃101、管壳102和转接端子103；
转接端子103通过玻璃101烧结在管壳102上，转接端子103与内引线201相连接。
再进一步的，所述转接端子103的直径为0.5mm，玻璃101的烧结厚度为5mm。
本实施方式中，管壳102的高度越高，烧结的玻璃101越厚，密封性越好，但是其高度受传感器外形尺寸的限制，为保证传感器的可靠性，烧结玻璃孔的高度(厚度)5mm、孔径Φ1.6mm可满足抗压强度。
本发明中，使用硅橡胶或730胶将陶瓷环204粘接在管座206上，在陶瓷环204孔内使用硅橡胶或730胶将压力敏感芯片205粘接在管座206上，压力敏感芯片205使用金丝通过金丝键合的方式与管座206的内引线201连接在一起，金丝沿引线槽完成第一焊点与第二焊点之间的键合。波纹膜片202、压环203、管座206之间采用氩弧焊接或电子束焊接完成管座的感压腔室密封，通过两个注油孔分别向正压腔、负压腔充二甲基硅油208，并使用储能焊将钢球207焊接到管座206上，完成传感器的密封。
本发明中，隔离式封装结构采用不锈钢材质，产品采用氟橡胶密封圈密封，所以介质可选择对不锈钢和氟橡胶兼容的液体或气体。
本发明提出的硅压阻式单芯体差压传感器，采用双“O”型圈密封，由正压端的波纹膜片202接触高压力被测介质，由负压端的波纹膜片202接触低压力被测介质，正压腔和负压腔与芯体内部的压力敏感芯片205充分隔离，使压力敏感芯片205和内引线201不受介质侵蚀和冲击，进而增加了传感器的可靠性。
本发明提出的硅压阻式单芯体差压传感器，采用单芯体硅压阻的形式来实现差压传感器，传感器自身体积小、灵敏度高、精度高、动态特性好，并且具有良好的重复性并可以批量生产，便于实现压力传感器的单片集成，也可以通过密集安装将多种传感器采用混合集成的办法装配在一起，来缩小体积、减轻重量。芯片与被测介质间使用金属膜片隔离，可用于具有一定腐蚀性的流体介质中使用。
本发明中，利用补偿电阻网络，如图3和图4，其中，图3是用于补偿时零点输出为负值时调节零点，图4是用于补偿时零点输出为正值时调节零点，当芯体为正温漂系数时R1<R3，当芯体为正温漂系数时R1>R3。能够实现恒流源供电时传感器热零点漂移、热灵敏度漂移的补偿和零点输出和满量程输出的调试；R1、R2、R3为热零点补偿电阻，通过测试芯体三温点零点输出和桥臂电阻计算得到；R4为热灵敏度补偿电阻，通过测试芯体三温点满量程输出和桥压计算得到；R2和R5分别为调零电阻和调幅电阻，可通过公式计算或直接利用电阻箱调节得到。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (8)
1.一种硅压阻式单芯体差压传感器，其特征在于，它包括压力敏感芯片(205)、陶瓷环(204)、管座(206)、波纹膜片(202)和压环(203)；
陶瓷环(204)和压力敏感芯片(205)粘接在管座(206)的一端上，且压力敏感芯片(205)置于陶瓷环(204)的内环里，陶瓷环(204)、压力敏感芯片(205)和管座(206)同轴相接，压力敏感芯片(205)的电极连接到管座(206)的引脚上，通过管座(206)的引脚将电信号引出；陶瓷环(204)上相对于管座(206)的另一侧设置有波纹膜片(202)，波纹膜片(202)通过压环(203)焊接在管座(206)的一端上，波纹膜片(202)和压环(203)同轴设置，波纹膜片(202)和压环(203)对管座(206)的感压腔室进行密封，构成正压腔；
管座(206)的另一端设置有波纹膜片(202)，波纹膜片(202)通过压环(203)焊接在管座(206)的另一端上，波纹膜片(202)和压环(203)同轴设置，波纹膜片(202)和压环(203)对管座(206)的感压腔室进行密封，构成负压腔；
正压腔的波纹膜片(202)和负压腔的波纹膜片(202)接触被测介质，正压腔和负压腔接触的被测介质的压力差作用在压力敏感芯片(205)上，形成压差输出。
2.根据权利要求1所述的一种硅压阻式单芯体差压传感器，其特征在于，它还包括内引线(201)，所述内引线(201)设置在管座(206)的引脚内，压力敏感芯片(205)的电极通过引线键合工艺与内引线(201)连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种硅压阻式单芯体差压传感器，其特征在于，所述管座(206)的正压腔和负压腔内均充入二甲基硅油(208)。
4.根据权利要求3所述的一种硅压阻式单芯体差压传感器，其特征在于，它还包括钢球(207)，正压腔和负压腔的注油孔通过钢球(207)进行密封。
5.根据权利要求3所述的一种硅压阻式单芯体差压传感器，其特征在于，正压腔和负压腔的二甲基硅油(208)的充油面与波纹膜片(202)之间的距离为0.4mm。
6.根据权利要求4或5所述的一种硅压阻式单芯体差压传感器，其特征在于，所述压环(203)的内环直径为16mm，压环(203)的厚度为1.5mm，所述波纹膜片(202)的厚度为0.03mm～0.15mm。
7.根据权利要求6所述的一种硅压阻式单芯体差压传感器，其特征在于，所述管座(206)包括玻璃(101)、管壳(102)和转接端子(103)；
转接端子(103)通过玻璃(101)烧结在管壳(102)上，转接端子(103)与内引线(201)相连接。
8.根据权利要求7所述的一种硅压阻式单芯体差压传感器，其特征在于，所述转接端子(103)的直径为0.5mm，玻璃(101)的烧结厚度为5mm。
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| CN202211609549.1A CN116296042A (zh) | 2022-12-14 | 2022-12-14 | 一种硅压阻式单芯体差压传感器 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211609549.1A CN116296042A (zh) | 2022-12-14 | 2022-12-14 | 一种硅压阻式单芯体差压传感器 |
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| CN116296042A true CN116296042A (zh) | 2023-06-23 |
Family
ID=86817436
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202211609549.1A Pending CN116296042A (zh) | 2022-12-14 | 2022-12-14 | 一种硅压阻式单芯体差压传感器 |
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2022
- 2022-12-14 CN CN202211609549.1A patent/CN116296042A/zh active Pending
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