CN117606665A - 充油压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种充油压力传感器，涉及传感器技术领域。所述充油压力传感器包括基座、波纹膜片、填充组件和硅压芯片，所述基座开设有凹槽，所述波纹膜片固定于所述凹槽的槽口，所述波纹膜片和所述凹槽围设出充油腔，所述充油腔内填充有填充油；所述硅压芯片固定于所述凹槽的底部，所述填充组件设置在所述充油腔内，所述填充组件的热膨胀系数小于所述填充油的热膨胀系数，所述填充组件的压缩系数小于所述填充组件的压缩系数。本发明的充油压力传感器能够解决现有的充油压力传感器难以满足大压力量程和高精度的测压需要以及造成温漂的问题。
Description
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种充油压力传感器。
背景技术
充油压力传感器是采用介质隔离技术，将MEMS压力敏感元件封装在金属管座内部，并通过金属波纹膜片和内部硅油隔离被测介质并传递压力的传感器，其具有可靠性高、介质兼容性强、精度高等诸多优点。
充油压力传感器采用薄膜隔离式结构，基本原理是将波纹膜片感受到的外界压力，通过硅油等值地传递给压力芯片，从而实现压力的检测。然而，硅油的可压缩率较大，以常用的苯甲基硅油为例，当压力为100Mpa时，压缩率约为5.2％，硅油的这种可压缩特性经常被用作液体弹簧。当波纹膜片感受较大压力时，硅油因压缩体积减小，波纹膜片向内收缩，不仅会产生附加压力，甚至因为形变量过大产生永久变形，难以满足大压力量程和高精度的测压需要。
此外，硅油的热膨胀系数大，约为9.5×10-4，相较于硅基压力芯片、波纹膜片和充油基座，硅油的热膨胀系数高出约两个数量级，硅油的热胀冷缩引起的附加压力，会直接作用在与硅油接触的硅压力芯片上，从而造成了温漂和测量误差。
发明内容
有鉴于此，本申请一种充油压力传感器，以解决现有的充油压力传感器难以满足大压力量程和高精度的测压需要以及造成温漂的问题。
本申请提供一种充油压力传感器，所述充油压力传感器包括基座、波纹膜片、填充组件和硅压芯片，所述基座开设有凹槽，所述波纹膜片固定于所述凹槽的槽口，所述波纹膜片和所述凹槽围设出充油腔，所述充油腔内填充有填充油；
所述硅压芯片固定于所述凹槽的底部，所述填充组件设置在所述充油腔内，所述填充组件的热膨胀系数小于所述填充油的热膨胀系数，所述填充组件的压缩系数小于所述填充组件的压缩系数。
优选地，所述填充组件包括第一填充体和第二填充体，所述第一填充体和所述第二填充体均为固体，所述第一填充体的热膨胀系数和所述第二填充体的热膨胀系数均小于所述填充油的热膨胀系数，所述第一填充体的压缩系数和所述第二填充体的压缩系数均小于所述填充油的压缩系数。
优选地，所述第一填充体为烧结体，所述第一填充体固定于所述凹槽的底部，所述第一填充体的热膨胀系数小于零；
所述第二填充体为粉体，所述第二填充体分散在所述填充油中。
优选地，所述基座的背对所述波纹膜片的一侧开设注油孔，所述注油孔与所述充油腔连通；
所述充油压力传感器还包括销钉，所述注油孔的远离所述充油腔的一端被所述销钉封堵。
优选地，所述充油压力传感器还包括封接玻璃和可伐引脚，所述基座背对所述波纹膜片的一侧开设有封接孔，所述封接玻璃设置在封接孔内，所述可伐引脚设置在所述封接玻璃的内部，所述可伐引脚与所述硅压芯片连接。
优选地，所述充油压力传感器还包括键合引线，所述可伐引脚通过所述键合引线与所述硅压芯片连接，所述键合引线位于所述充油腔内，所述键合引线的直径大于100微米。
优选地，所述充油压力传感器包括第一粘接部，所述硅压芯片通过所述第一粘接部粘接在所述凹槽的底部。
优选地，所述充油压力传感器包括第二粘接部，所述第一填充体通过所述第二粘接部粘接在所述凹槽的底部。
优选地，所述第一填充体的侧部与所述凹槽的槽壁之间具有间隙，所述第一填充体的端部与所述波纹膜片之间具有间隙。
优选地，所述充油压力传感器还包括焊环，所述焊环与所述基座连接，所述波纹膜片位于所述焊环和所述基座之间。
在本申请的充油压力传感器中，充油腔内填充有填充油和填充组件，填充组件的热膨胀系数小于填充油的热膨胀系数，填充组件的压缩系数小于填充组件的压缩系数，如此，充油腔内硅油的填充量减小，能够降低充油压力传感器由于温度和压力变化引起的硅油体积变化，从而保证充油腔内的总体积维持在相对恒定的状态，避免了波纹膜片因为受力变形导致压力传递的失真，避免了温漂现象，降低了充油压力传感器的测量误差，使得充油压力传感器能够满足大压力量程和高精度的测压需要。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出本发明的实施例的充油压力传感器的结构示意图；
图2示出填充油、第一填充体以及填充油和第一填充体的体积随温度变化的曲线图；
图3示出填充油、第二填充体以及填充油和第二填充体的体积随温度变化的曲线图；
图4示出填充油、第二填充体以及填充油和第二填充体的体积随压力变化的曲线图；
图5示出填充油、第一填充体和第二填充体的总体积V总小于充油腔的体积V容时波纹膜片变形情况的示意图；
图6示出示出填充油、第一填充体和第二填充体的总体积V总等于充油腔的体积V容时波纹膜片变形情况的示意图；
图7示出填充油、第一填充体和第二填充体的总体积V总大于充油腔的体积V容时波纹膜片变形情况的示意图；
图8示出被测压力P1以及填充油和芯片感受到的压力P2随填充油、第一填充体和第二填充体的总体积V总与充油腔的体积V容的大小关系不同而变化的曲线图。
图标：1-基座；2-封接玻璃；3-可伐引脚；4-填充油；5-焊环；6-第一填充体；7-第二填充体；8-键合引线；9-波纹膜片；10-硅压芯片；11-第一粘接部；12-销钉；13-第二粘接部。
具体实施方式
本申请提供一种充油压力传感器，如图1所示，充油压力传感器包括基座1、波纹膜片9、填充组件和硅压芯片10，基座1开设有凹槽，波纹膜片9固定于凹槽的槽口，波纹膜片9和凹槽围设出充油腔，充油腔内填充有填充油4；硅压芯片10固定于凹槽的底部，填充组件设置在充油腔内，填充组件的热膨胀系数小于填充油4的热膨胀系数，填充组件的压缩系数小于填充组件的压缩系数。
在本申请的充油压力传感器中，在本申请的充油压力传感器中，充油腔内填充有填充油4和填充组件，填充组件的热膨胀系数小于填充油4的热膨胀系数，填充组件的压缩系数小于填充组件的压缩系数，如此，充油腔内硅油的填充量减小，能够降低由于温度和压力变化引起的硅油体积变化，从而保证充油腔内的总体积维持在相对恒定的状态，避免了波纹膜片9因为受力变形导致压力传递的失真，从而避免了温漂现象，降低了充油压力传感器的测量误差，使得充油压力传感器能够满足大压力量程和高精度的测压需要。
如图1所示，填充组件包括第一填充体6和第二填充体7，第一填充体6和第二填充体7均为固体，第一填充体6的热膨胀系数和第二填充体7的热膨胀系数均小于填充油4的热膨胀系数，第一填充体6的压缩系数和第二填充体7的压缩系数均小于填充油4的热膨胀系数。
可选地，第一填充体6和第二填充体7可以均为粉体，此时第一填充体6和第二填充体7呈现为粉体颗粒，粉体颗粒可以分散在填充油4中，或者粉体颗粒沉积后粉体颗粒之间不发生团聚，呈现分散的状态；第一填充体6和第二填充体7也可以均为烧结体，即粉体颗粒经过高温烧制后形成的聚结体，烧结体可以粘接到基座1上；第一填充体6和第二填充体7也可以其中一个为粉体，另一个为烧结体，粉体分散在填充油中，烧结体粘接在基座上。
进一步地，第一填充体6和第二填充体7具有高强度、高硬度，良好的电绝缘性和化学稳定性，在第一填充体6和第二填充体7为粉体时，第一填充体6和第二填充体7分散在填充油4中不会改变填充油4的基本特性，即第一填充体6、第二填充体7和填充油4的混合填充物具有优异的电绝缘性、疏水性、流动性和较低的粘温系数等，可满足混合填充物灌充的工艺要求，保证了填充油4传递压力的准确度、响应速率和灵敏度的需求。
可选地，第一填充体6和第二填充体7的热膨胀系数接近0或者小于0，即第一填充体6和第二填充体7表现为低或负热膨胀特性，在压强保持不变时，体积随温度的升高变化很小或体积随温度的升高而减小。第一填充体6和第二填充体7的压缩系数接近0或者小于0，即第一填充体6和第二填充体7表现为低或负体积压缩特性，即在温度保持不变时，体积随压力的增大变化很小或体积随压力的增大而增大。
在第一填充体6和第二填充体7表现为低热膨胀特性或低体积压缩特性时，通过设置第一填充体6和第二填充体7可以减少填充腔内的填充油4的体积，如此，充油腔内硅油的填充量减小，能够降低由于温度和压力变化引起的硅油体积变化，从而提升充油压力传感器的检测精度。在第一填充体6和第二填充体7表现为负热膨胀特性或负体积压缩特性时，第一填充体6和第二填充体7除了可以减少填充油4的体积量，同时可以补偿填充油4由于压力和温度变化引起的体积变化，进一步地提升了充油压力传感器的检测精度。
进一步地，第一填充体6为烧结体，第一填充体6固定于凹槽的底部，第一填充体6的热膨胀系数小于零；第二填充体7为粉体，第二填充体7分散在填充油4中。
在本申请的实施例中，第一填充体6和第二填充体7可以为氧化锆、氧化铝、氧化硅、磷酸盐、钛酸铝、微晶玻璃和钨酸锆等材料制成，其中，氧化锆、氧化铝和氧化硅的热膨胀系数大于零，磷酸盐、钛酸铝、微晶玻璃和钨酸锆的热膨胀系数小于零。第一填充体6和第二填充体7也可以为热膨胀系数大于零的材料和热膨胀系数小于零的材料混合后获得的热膨胀系数接近零的零热膨胀材料。
可选地，填充油4、第一填充体6和第二填充体7的体积比例可根据填充油4、第一填充体6和第二填充体7的热膨胀系数和体积压缩系数计算得出，如此，能够保证填充油4的流动性和传递压力的灵敏度，同时通过第一填充物和第二填充物补偿了填充油4由于压力和温度变化引起的体积变化，确保波纹膜片9产生的形变和附加压力最小化，保证了充油压力传感器的测量精度。
优选地，第一填充体6为钨酸锆陶瓷烧结体，其采用固态反应法或化学合成法生成立方体状的钨酸锆(ZrW2O8)陶瓷粉体，再将所得粉体研磨之后再烧结成型，从而形成钨酸锆陶瓷烧结体。如图2所示，曲线Ⅰ为填充油4的体积随温度变化的曲线，曲线Ⅱ为钨酸锆陶瓷烧结体的体积随温度变化的曲线，曲线Ⅲ为钨酸锆陶瓷烧结体与填充油4按一定的体积比填充在充油腔时钨酸锆陶瓷烧结体与填充油4两者的体积和随温度变化的曲线，根据图2中曲线Ⅰ、曲线Ⅱ和曲线Ⅲ可知，钨酸锆陶瓷烧结体在较宽温度范围具有优异的负热膨胀性能，表现出“热缩冷胀”特性，而填充油4随着温度的上升体积逐渐增加。在将钨酸锆陶瓷烧结体与填充油4按一定的体积比填充在充油腔内时，钨酸锆陶瓷可以补偿填充油4因为“热胀冷缩”引起的体积变化，从而使钨酸锆陶瓷和硅油的体积之和维持在相对恒定的状态。此时第一填充体6通过第二粘接部13粘接在凹槽的底部。
优选地，第二填充体7为氧化铝粉末颗粒，氧化铝粉末颗粒可以为采用固相法、液相法或气相法制成的微纳氧化铝粉体，粉体粒径为微纳米级(＜100um)。如图3所示，曲线Ⅳ为填充油4的体积随温度变化的曲线，曲线Ⅴ为氧化铝粉末颗粒的体积随温度变化的曲线，曲线Ⅵ为氧化铝粉末颗粒与填充油4按一定的体积比填充在充油腔时氧化铝粉末颗粒与填充油4两者的体积和随温度变化的曲线，根据图3中曲线Ⅳ、曲线Ⅴ和曲线Ⅵ可知，填充油4随着温度的上升体积逐渐增加，氧化铝粉体相较于填充油4表现出非常低的热膨胀系数和体积压缩系数，即表现出低热膨胀特性和高抗压缩特性。在氧化铝粉末颗粒与填充油4按一定的体积比混合填充后，由于充油腔的体积保持不变，填充油4的填充体积减少，氧化铝粉体相较填充有具有极低的热膨胀特性，可确保氧化铝粉末颗粒和填充油4的混合物热膨胀系数维持在较低的水平，此时，氧化铝粉末颗粒和填充油4的混合物能够在一定程度上弥补钨酸锆陶瓷烧结体的负热膨胀系数的缺陷。
此外，如图4所示，曲线Ⅶ为填充油4的体积随压力变化的曲线，曲线Ⅷ为氧化铝粉末颗粒的体积随压力变化的曲线，曲线Ⅸ为氧化铝粉末颗粒与填充油4按一定的体积比填充在充油腔时氧化铝粉末颗粒与填充油4两者的体积和随压力变化的曲线，根据图4中曲线Ⅶ、曲线Ⅷ和曲线Ⅸ可知，氧化铝粉末颗粒与填充油4按一定的体积比混合填充后，因为充油腔的体积保持不变，填充油4的填充体积减少，氧化铝粉末颗粒相较填充油4具有较高的抗体积压缩特性，可确保氧化铝粉末颗粒和填充油4的混合物的压缩系数维持在较低的水平，使得氧化铝粉末颗粒和填充油4的混合物的体积变化维持在较低的水平。
进一步地，充油腔的体积V容与充油腔内的填充物总体积V总的大小关系影响波纹膜片9的形变和附加压力，使实际被测压力P1与填充油4和芯片感受到的压力P2存在误差。如图7和图8中的曲线Ⅹ所示，当V总大于V容时，波纹膜片9外凸，P2大于P1；如图5和图8中的曲线Ⅺ所示，当V总小于V容时，波纹膜片9内凹，P2小于P1，且V总≠V容时，因为波纹膜片9附加压力发生变化，P1随P2非线性变化；在采用钨酸锆陶瓷烧结体作为第一填充体6，氧化铝粉末颗粒作为第二填充体7时，如图6和图8中的曲线Ⅻ所示，V总等于V容时，波纹膜片9附加压力最小，P2等于P1，且P2随P1线性变化，充油压力传感器的全温区范围和全压力量程范围内的误差最小，能够提升充油压力传感器的测量精度。
如图1所示，充油压力传感器还包括焊环5，焊环5与基座1连接，波纹膜片9位于焊环5和基座1之间。焊环5、基座1和波纹膜片9均呈圆柱状，焊环5、基座1和波纹膜片9为相同材质制成，例如焊环5、基座1和波纹膜片9为316L不锈钢。焊环5、基座1和波纹膜片9的外径相等，波纹膜片9被夹持在基座1和焊环5中间，并且通过激光焊或氩弧焊使得焊环5、基座1和波纹膜片9连接为一体。
在本申请的实施例中，基座1的背对波纹膜片9的一侧开设注油孔，注油孔与充油腔连通；充油压力传感器还包括销钉12，销钉12可以通过压阻焊接在注油孔的远离充油腔的一端，使得注油孔的远离充油腔的一端被销钉12封堵。注油孔与充油腔连通，在充油压力传感器制造的过程中，可以通过注油孔向充油腔内注入填充油4，在充油完成后使用后销钉12封堵注油孔，从而完成填充油4的注入。
可选地，填充油4可以为硅油和氟油。优选地，填充油4为二甲基硅油，其黏度100cst。
在本申请的实施例中，充油压力传感器还包括封接玻璃2和可伐引脚3，基座1背对波纹膜片9的一侧开设有封接孔，封接玻璃2设置在封接孔内，可伐引脚3设置在封接玻璃2的内部，即封接玻璃2通过高温烧结将可伐引脚3封接到封接孔的内壁上，可伐引脚3与硅压芯片10连接。
进一步地，硅压芯片10通过第一粘接部11粘接在凹槽的底部。硅压芯片10可以为硅压阻压力传感器或者硅谐振压力传感器，硅压芯片10上有玻璃衬底。
可选地，第一粘接部11和第二粘接部13为耐硅油的密封胶，密封胶的密封性能好，可粘接玻璃、不锈钢和陶瓷，并且密封胶不易松垂、下陷和脱离粘接面，固化后在较广温度范围内具有弹性。
在本申请的实施例中，充油压力传感器还包括键合引线8，可伐引脚3通过键合引线8与硅压芯片10连接，键合引线8位于充油腔内，键合引线8的直径大于100微米，这使得键合引线8具有高强度、高导电性和良好的耐腐蚀性。在粉体状的第一填充体6和第二填充体7环绕在键合引线8以及键合引线8与硅压芯片10的连接处附近时，直径大于100微米的键合引线8具有更高的连接强度、抗拉压力和抗剪力破坏的能力，能够避免充油压力传感器损坏。
可选地，键合引线8可以为金丝、硅铝丝、铜丝等，键合引线8的键合的方式可以为热压键合、超声键合或热声键合。
此外，在第一填充体6为烧结体时，第一填充体6的侧部与凹槽的槽壁之间具有间隙，第一填充体6的端部与波纹膜片9之间具有间隙，以确保充油压力传感器在低温工作环境下第一填充体6的“冷胀”不受限制，同时保证第一填充体6不会碰到波纹膜片9。
本申请的充油压力传感器制作过程如下：
步骤1：采用高温玻璃烧结工艺，将基座1、封接玻璃2和可伐引脚3封接到一起。基座1上沿轴向中心位置，视测压类型决定是否加工中心孔(若充油压力传感器为表压传感器则需要加工中心孔，若充油压力传感器为绝压传感器则无需要加工中心孔)；基座1上的周向加工有若干个孔，其中一个为注油孔，注油孔用于与销钉12焊接，以达到封油的目的，其余的孔作为封接孔。
步骤2：将第一填充体6和硅压芯片10，通过第一粘接部11和第二粘接部13粘接到基座1上。粘接过程是在常温下进行，在粘接完成后，第一填充体6与基座1以及第一填充体6与波纹膜片9留有一定的间隙，以确保充油压力传感器在低温工作环境下第一填充体6的“冷胀”不受限制，同时保证第一填充体6不会碰到波纹膜片9。
步骤3：采用热超声焊接工艺，将键合引线8的两端分别焊接到可伐引脚3和硅压芯片10上，实现二者的电气互连。
步骤4：采用激光焊接或氩弧焊接方式，将基座1、焊环5和波纹膜片9沿其径向接缝焊接，焊接完成后，波纹膜片9和基座1构成一个充油腔，充油腔通过注油孔与基座1的外部相通。
步骤5：将步骤4产生的焊接体放置在高低温试验箱进行高低温冲击，以释放第一填充体6与基座1之间的粘接应力、第一填充体6与硅压芯片10之间的粘接应力以及第一粘接部11和第二粘接部13的内应力，然后在高温、真空环境下除去腔室内的水汽和有机残留物。
步骤6：对于作为第二填充体7的氧化铝粉体，采用粗细粒径复配或采用硅烷偶联剂对粉体进行表面改性，以提高氧化铝粉体在硅油中的分散性和填充均匀性。将按一定比例混合后的氧化铝粉体和硅油，置于真空(真空度10-2Pa～10-3Pa)、高温(125℃)环境搅拌，以除去氧化铝粉体和硅油混合物中的水汽和气泡，然后在高真空环境(真空度10-4Pa)，将氧化铝粉体和硅油混合物通过基座1上的注油孔注入到充油腔内部。
步骤7：将销钉12插入到注油孔里，然后利用压阻焊接进行封油处理。基座1固定在焊接工装的下电极上，上电极挤压销钉12同时释放电流，将销钉12焊接到基座1的注油孔上，从而完后充油压力传感器的制造。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种充油压力传感器，其特征在于，所述充油压力传感器包括基座、波纹膜片、填充组件和硅压芯片，所述基座开设有凹槽，所述波纹膜片固定于所述凹槽的槽口，所述波纹膜片和所述凹槽围设出充油腔，所述充油腔内填充有填充油；
所述硅压芯片固定于所述凹槽的底部，所述填充组件设置在所述充油腔内，所述填充组件的热膨胀系数小于所述填充油的热膨胀系数，所述填充组件的压缩系数小于所述填充组件的压缩系数。
2.根据权利要求1所述的充油压力传感器，其特征在于，所述填充组件包括第一填充体和第二填充体，所述第一填充体和所述第二填充体均为固体，所述第一填充体的热膨胀系数和所述第二填充体的热膨胀系数均小于所述填充油的热膨胀系数，所述第一填充体的压缩系数和所述第二填充体的压缩系数均小于所述填充油的压缩系数。
3.根据权利要求2所述的充油压力传感器，其特征在于，所述第一填充体为烧结体，所述第一填充体固定于所述凹槽的底部，所述第一填充体的热膨胀系数小于零；
所述第二填充体为粉体，所述第二填充体分散在所述填充油中。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的充油压力传感器，其特征在于，所述基座的背对所述波纹膜片的一侧开设注油孔，所述注油孔与所述充油腔连通；
所述充油压力传感器还包括销钉，所述注油孔的远离所述充油腔的一端被所述销钉封堵。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的充油压力传感器，其特征在于，所述充油压力传感器还包括封接玻璃和可伐引脚，所述基座背对所述波纹膜片的一侧开设有封接孔，所述封接玻璃设置在封接孔内，所述可伐引脚设置在所述封接玻璃的内部，所述可伐引脚与所述硅压芯片连接。
6.根据权利要求5所述的充油压力传感器，其特征在于，所述充油压力传感器还包括键合引线，所述可伐引脚通过所述键合引线与所述硅压芯片连接，所述键合引线位于所述充油腔内，所述键合引线的直径大于100微米。
7.根据权利要求1所述的充油压力传感器，其特征在于，所述充油压力传感器包括第一粘接部，所述硅压芯片通过所述第一粘接部粘接在所述凹槽的底部。
8.根据权利要求3所述的充油压力传感器，其特征在于，所述充油压力传感器包括第二粘接部，所述第一填充体通过所述第二粘接部粘接在所述凹槽的底部。
9.根据权利要求8所述的充油压力传感器，其特征在于，所述第一填充体的侧部与所述凹槽的槽壁之间具有间隙，所述第一填充体的端部与所述波纹膜片之间具有间隙。
10.根据权利要求1所述的充油压力传感器，其特征在于，所述充油压力传感器还包括焊环，所述焊环与所述基座连接，所述波纹膜片位于所述焊环和所述基座之间。
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2023
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