CN116337293B - 一种扩散硅压阻式压力传感器模块 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种扩散硅压阻式压力传感器模块，其能减小扩散硅压阻式压力传感器模块受热膨胀带来的影响。其包括包封外壳，包封外壳内安装有基板、绝压传感器、专用集成电路，绝压传感器通过胶水固定在基板上，包封外壳上开设有介质入口，介质入口通过设于基板内的介质通道与绝压传感器正面的接触介质面相连通，包封外壳内还开设有活塞腔、石蜡腔，活塞腔内安装有活塞，活塞将活塞腔分隔形成与石蜡腔连通的连通腔一、与介质通道连通的连通腔二，绝压传感器的背面位于石蜡腔内，石蜡腔和连通腔一内填充有石蜡。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，具体为一种扩散硅压阻式压力传感器模块。
背景技术
压力传感器(Pressure Transducer)是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。其中，扩散硅压阻式压力传感器是在单晶硅膜片上利用集成电路的工艺，在单晶硅的特定方向扩散一组等值电阻，并将电阻接成桥路，单晶硅片置于传感器腔内。当压力发生变化时，单晶硅产生应变，使直接扩散在上面的应变电阻产生与被测压力成正比的变化，再由桥式电路获相应的电压输出信号。
在实际的使用环境中，因为运输、安装、测试、成本等方案的原因，扩散硅压阻式压力传感器更多的时候是以包含传感器、包封外壳、引线框甚至ASIC（Application SpecificIntegrated Circuit，专用集成电路，主要用于压力传感器的温度补充和输出信号调理）的组合模块的形式出现，例如，如图1、图2所示的就是现有的一种扩散硅压阻式压力传感器模块的内部结构图和俯视示意图，其包括位于包装外壳1内并且安装在基板2上的专用集成电路3（ASIC）、背压式绝压传感器4，专用集成电路3通过键合金属线5与引线框6、背压式绝压传感器4连接，背压式绝压传感器4则通过胶水7与基板2连接，同时还通过凝胶100与包封外壳1相隔，图中9为介质入口，与一般绝压传感器中被测介质与绑定线和传感器敏感面直接接触不同的是，背压式绝压传感器中被测介质不再直接接触绑定线及传感器敏感面，而是通过介质入口9通向钝面直接施压，由于钝面是致密的氮化硅及氧化硅，可以与当前绝大多数的介质接触而无不良反应，所以背压式绝压传感器能够适用于腐蚀性和溶解性介质。
然而，对于现有的扩散硅压阻式压力传感器模块而言，始终存在着压力传感器高温时遭受挤压的问题。在模块工作过程中，外界的介质压力施加在压力传感器受压面上，推动压力传感器沿受压方向向后移动，此时粘接传感器的环氧或胶水7承受力大部分的推力，随着温度的上升，环氧或胶水7的拉伸断裂强度明显下降，有胶水破裂、密封失效甚至传感器有从基板上脱离的风险，为了应对这种风险，以往的模块会将塑料材质包封外壳延展过来，包裹整个传感器，用外壳的压力对抗介质的推力。这样虽然避免了胶水失效引起的一系列风险，但却产生了另外一个问题，那就是：无论是传感器还是塑料材质的包封外壳都是固态物质，符合热胀冷缩的物理规则，温度升高时，外壳和传感器体积都在膨胀，两者之间会相互挤压，传感器的应变膜片会在挤压的过程中产生介质压力应变变形以外的挤压变形，甚至后者远大于前者，这会严重的影响模块的精度性能和寿命。更有甚者，会出现传感器破裂的现象，造成模块报废。虽然有些方案引入凝胶100放置在包封外壳和传感器之间（如图1所示），柔软的凝胶起到了一定的缓冲作用，但凝胶依然逃脱不了热胀冷缩的物理规则，治标不治本。
发明内容
针对温度升高现有扩散硅压阻式压力传感器模块受热膨胀易使传感器从基板上脱离、影响模块测量精度以及易导致损坏模块的问题，本发明提供了一种扩散硅压阻式压力传感器模块，其能减小扩散硅压阻式压力传感器模块受热膨胀带来的影响。
其技术方案是这样的：一种扩散硅压阻式压力传感器模块，其包括包封外壳，所述包封外壳内安装有基板、绝压传感器、专用集成电路，所述绝压传感器通过胶水固定在所述基板上，所述包封外壳上开设有介质入口，所述介质入口通过设于所述基板内的介质通道与所述绝压传感器正面的接触介质面相连通，其特征在于：所述包封外壳内还开设有活塞腔、石蜡腔，所述活塞腔内安装有活塞，所述活塞将所述活塞腔分隔形成与所述石蜡腔连通的连通腔一、与所述介质通道连通的连通腔二，所述绝压传感器的背面位于所述石蜡腔内，所述石蜡腔和所述连通腔一内填充有石蜡；当温度低于石蜡熔点时，石蜡为固体对所述绝压传感器进行支撑并抵消介质的推力；当温度升高并且高于石蜡熔点时，石蜡熔化成液体，通过活塞在所述活塞腔内运动使石蜡液体与介质的压力相互平衡。
进一步的，所述绝压传感器的背面与石蜡的接触面积大于其正面与介质的接触面积。
进一步的，所述介质通道还与连接在所述基板上的所述专用集成电路相连，所述专用集成电路通过键合金属线与引线框、所述绝压传感器相连。
进一步的，所述绝压传感器为背压式绝压传感器。
本发明的有益效果为：当石蜡为固体，无论介质压力多大，石蜡都可以保证提供足够的推力阻止胶水变形破裂失效，当石蜡融化成液态，因活塞可以在活塞腔中移动，石蜡液体和介质的压力会动态平衡，包封外壳和绝压传感器体积膨胀致使的石蜡腔容积变小造成的腔内压力上升此时会因活塞两侧产生压差，活塞移动，从而卸掉这部分多余的压力，从而使绝压传感器背面以及应变膜片不承受额外的压力。
另外，通过使专用集成电路直接与介质接触，可以实时直接的采集介质的温度，这样能够精确地进行温度补偿。
附图说明
图1为现有的扩散硅压阻式压力传感器模块的内部结构图；
图2为现有的扩散硅压阻式压力传感器模块的俯视示意图；
图3为本发明的内部结构图；
图4为本发明的俯视示意图；
图中，1、包封外壳；2、基板；3、专用集成电路；4、背压式绝压传感器；5、键合金属线；6、引线框；7、胶水；8、介质通道；9、介质入口；10、活塞腔；11、石蜡腔；12、活塞；100、凝胶。
具体实施方式
如图3、图4所示的一种扩散硅压阻式压力传感器模块，其包括包封外壳1，包封外壳1内安装有基板2、背压式绝压传感器4、专用集成电路3，背压式绝压传感器4通过胶水7（Die Bond胶）固定在基板2上，专用集成电路3通过键合金属线5与引线框6、背压式绝压传感器4相连，包封外壳1上开设有介质入口9，介质入口9通过设于基板2内的介质通道8与背压式绝压传感器4正面的接触介质面相连通，包封外壳1内还开设有活塞腔10、石蜡腔11，活塞腔10内安装有活塞12，活塞12将活塞腔10分隔形成与石蜡腔11连通的连通腔一、与介质通道8连通的连通腔二，连通腔一和连通腔二通过活塞12相互隔绝，背压式绝压传感器4的背面位于石蜡腔11内，石蜡腔11和连通腔一内填充有石蜡；当温度低于石蜡熔点时，石蜡为固体对背压式绝压传感器4进行支撑并抵消介质的推力；当温度升高并且高于石蜡熔点时，石蜡熔化成液体，通过活塞12在活塞腔10内运动使石蜡液体与介质的压力相互平衡。
这样通过在背压式绝压传感器4接触介质面和背面之间建立一条介质通道8，介质通道8通过活塞腔10与石蜡腔11连接（介质流通方向见图3中A处箭头方向），同时在活塞腔10中安置可沿其轴线往复行动的橡胶活塞（活塞运动方向见图3中B处箭头方向），橡胶活塞将通道分成互相作用又不相通的连通腔一、连通腔二，传感器背面的石蜡腔11一直到活塞12顶端充满石蜡，传感器接触介质面一侧的介质通道8在模块安装到位后充满被测介质。
石蜡，熔点通常为为40-70℃，不同牌号石蜡有不同的熔点，可以根据模块的工作压力和环境温度以及胶水7温度性能选择不同的牌号，此处记石蜡的熔点为“T”。
当温度低于T时，石蜡是固体形态，无论介质压力多大，石蜡都可以保证提供足够的推力防止胶水7变形破裂失效，当温度上升到大于T时，石蜡融化成液态，因活塞12可以自由沿轴线方向移动，石蜡液体和介质的压力会动态平衡，此时，传感器两面的压强相同，为了保证传感器安装稳定，可以使背压式绝压传感器4的背面与石蜡的接触面积大于其正面与介质的接触面积，根据压力计算公式：压力=压强*受力面积可知，传感器背面液态石蜡提供的压力可以保证传感器处于被压紧在基板上的状态，不会有脱离的倾向。而温度上升时包封外壳1和传感器体积膨胀致使的传感器背面空腔容积变小造成的腔内压力上升此时会因活塞12两侧产生压差，使得活塞12移动，从而卸掉这部分多余的压力，从而使传感器背面以及位于正面的应变膜片不承受额外的压力。
另外，由于专用集成电路3（ASIC）的一个重要功能是对传感器进行温度补偿，以往的模块当中传感器是直接接触被测介质的，它的温度是介质直接传导过去的，而如图1所示，ASIC是间接接触介质的，它采集的温度是通过包封外壳1和基板2过渡传到过来的，而温度的传导是符合衰减原则的，也就是说远离介质的ASIC和处在介质当中的传感器两者之间是有温差的，这样就导致ASIC采集的温度与传感器温度不同，依此进行的温度补偿一定是有误差的。
为此，如图3所示，介质通道8还与连接在基板2上的专用集成电路3相连，这样介质通道8经过基板2中间开设的孔洞到达裸漏的ASIC背面，就可以实时直接的采集介质的温度，此时能够精确地进行温度补偿。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种扩散硅压阻式压力传感器模块，其包括包封外壳，所述包封外壳内安装有基板、绝压传感器、专用集成电路，所述绝压传感器为背压式绝压传感器，所述绝压传感器通过胶水固定在所述基板上，所述包封外壳上开设有介质入口，所述介质入口通过设于所述基板内的介质通道与所述绝压传感器正面的接触介质面相连通，其特征在于：所述包封外壳内还开设有活塞腔、石蜡腔，所述活塞腔内安装有活塞，所述活塞将所述活塞腔分隔形成与所述石蜡腔连通的连通腔一、与所述介质通道连通的连通腔二，所述绝压传感器的背面位于所述石蜡腔内，所述石蜡腔和所述连通腔一内填充有石蜡；根据需要选择所需熔点的石蜡，以使得当温度低于石蜡熔点时，石蜡为固体对所述绝压传感器进行支撑并抵消介质的推力；当温度升高使包封外壳和传感器体积膨胀致使的传感器背面空腔容积变小造成的腔内压力上升时，所述温度高于石蜡熔点，石蜡熔化成液体，通过活塞在所述活塞腔内运动使石蜡液体与介质的压力相互平衡。
2.根据权利要求1所述的一种扩散硅压阻式压力传感器模块，其特征在于：所述绝压传感器的背面与石蜡的接触面积大于其正面与介质的接触面积。
3.根据权利要求1所述的一种扩散硅压阻式压力传感器模块，其特征在于：所述介质通道还与连接在所述基板上的所述专用集成电路相连，所述专用集成电路通过键合金属线与引线框、所述绝压传感器相连。
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