CN118565557A - 一种测量差压、表压和温度的三位一体传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量差压、表压和温度的三位一体传感器，包括管壳、芯体组件、端盖和温度检测模块；芯体组件包括芯体、基座、差压芯片、表压芯片和波纹膜片，波纹膜片密封安装于芯体的底部且与芯体底部之间形成密封腔室，密封腔室内设有密封介质；差压芯片和表压芯片安装于基座上，基座安装于密封腔室内，芯体密封安装于管壳上；端盖密封套设于芯体的周侧且与管壳密封连接；管壳上设有安置管道，温度检测模块安装于安置管道内；芯体、端盖和管壳上设有依次连通的空间以形成差压引压管路，差压引压管路的一端与差压芯片的负压端连通，差压引压管路的另一端则与待测压力腔室连通。本发明具有结构简单紧凑、集成度高等优点。

Description

一种测量差压、表压和温度的三位一体传感器

技术领域

本发明主要涉及压力和温度测量技术领域，具体涉及一种测量差压、表压和温度的三位一体传感器。

背景技术

针对发动机在特殊恶劣环境下的应用需求，在使用过程中发动机内部腔室存在高温高压环境。在发动机工作时，需要实时监测发动机内部腔室的表压。而且发动机一般具有多个腔室，为了判断不同腔室之间的压力状态，还需要测量不同腔室之间的压力差。由于发动机内部腔室气体或液体的温度也是重要的物性参数，对准确判断发动机的工作状态具有重要意义，同时发动机和压力传感器具有工作温区的要求，因此还需要密切监测压力传感器所测量的发动机腔室的内部温度。目前，针对发动机内部需要同时测量差压、表压和温度的问题，需要同时配备三种型号的传感器，造成器件冗杂，而且温度传感器往往与压力传感器有一定距离，所测得的温度往往与压力被测点的温度不尽相同。

压力和温度传感器作为传感器领域应用最广泛的传感器，经过近半个世纪的发展，为适应各种环境需求，已诞生出多种类型压力和温度传感器，并向着智能化、小型化、高可靠方向快速发展，支撑着日常生活和工业领域方方面面的需求。目前，表压和差压传感器在工业自动化领域中应用非常广泛，可以配套测试流体的流量、液位、密度等参数。由于日常生活和工业现场经常面临各种高低温环境，所以温度传感器也是最为常见的传感器之一。面对腐蚀、振动、冲击、辐射等恶劣环境以及设备的集成化、精准化、智能化的要求等，对传感器的可靠性和小型化提出很高的要求。

温度压力复合传感器广泛应用于汽车工业、工业生产、医疗保健等领域，如发动机管理系统、气囊系统、轮胎压力监测、血压监测仪器、呼吸机等。温压复合传感器是一种能够同时测量温度和压力的传感器。该传感器结合了温度传感器和压力传感器的功能，能够在同一装置中实现对温度和压力的准确测量。这两部分的信息可以通过不同的传感器元件来收集。通常情况下，温度传感器可以采用热敏电阻、热电偶或红外线传感器，而压力传感器则可以是压阻式、电容式或压电式传感器。这些传感器的输出数据会经过内部电路进行处理，然后以数字信号或模拟信号的形式输出，最终用户可以通过接口或输出端口获取温度和压力的数据。

如上所述，设备都向集成化、小型化发展，不同物性的测量需要用到多种传感器。在航空或汽车领域需要用到各式各样的发动机，差压、表压、温度等参数是发动机的核心参数，在同一位置监测压力和温度的变化关系也是判定发动机状态的重要参考。但是，目前采用多个传感器装置监测每个参数，不仅器件冗余、成本提高，降低设备的集成度和可靠性，而且往往每个传感所测量的参数不在同一位置，不具备相关性，容易导致对状态的错误判断。

温度和压力传感器通常以微型化方式整合在一个装置内，确保紧凑的结构设计。为了保护传感器组件免受外部环境影响，通常使用特殊材料的外壳和防护层，例如橡胶密封圈或特殊胶封。现有温度压力复合传感器如图1所示。温度压力复合传感器主要由包含压力芯片的压力传感器、温度传感器和防护管壳组成，压力传感器和温度传感器均安装于防护管壳内部。其中，防护管壳的形状可以根据具体情况进行相应的变化。

图1的复合传感器结构冗余，体积较大；而且为了使温度传感器处于中心，导致压力传感器未处于中心位置，测量压力值的位点与温度值的位点存在差距，可能导致状态监测不准确。

目前的问题主要在于温度传感器的放置，虽然目前现有技术存在将温度传感器与压力传感器放在同一芯体内的方案。但是如此设计，会导致温度传感器放置位置要求较高，否则会影响温度传感器的精度。而且，温度传感器芯片长期受到压力，影响温度传感器的使用寿命。同时，由于内部温度一般较高，压力传感器一般不耐高温，需要通过较长的引压管道引出压力。如果温度传感器与压力传感器处于同一位置，温度传感器测量的温度与母件内部的温度相差较大，不利于母件状态的检测。

其次，温度传感器的固定与引线的引出也是需要注意的问题。通常温度传感器直接放入某一孔中，没有完全固定。因此，温度传感器可能由于母件的运动而导致损坏。而且，温度传感器由于与母件没有紧密接触，因此温度传感器达到热平衡的时间会延长，增大读取温度的迟滞时间。温度计的引线一般也未完全固定，容易扯动受力，导致电连接失效。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、集成度高的同时测量差压、表压和温度的三位一体传感器。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种测量差压、表压和温度的三位一体传感器，包括管壳、芯体组件、端盖和温度检测模块；所述芯体组件包括芯体、基座、差压芯片、表压芯片和波纹膜片；所述波纹膜片密封安装于所述芯体的底部且与芯体底部之间形成密封腔室，所述密封腔室内设有密封介质；所述差压芯片和表压芯片则安装于所述基座上，所述基座安装于所述密封腔室内，所述芯体密封安装于所述管壳上，所述管壳的中部设有与所述波纹膜片正对的通孔；所述端盖密封套设于芯体的周侧且与所述管壳密封连接；

所述管壳上设有安置管道，所述温度检测模块安装于所述安置管道内；

所述芯体、端盖和管壳上设有依次连通的空间以形成差压引压管路，所述差压引压管路的一端与差压芯片的负压端连通，所述差压引压管路的另一端则与待测压力腔室连通。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述表压芯片和波纹膜片对称安装于基座的同一水平位置。

所述基座为陶瓷基座。

所述芯体上设有多根第一引针，各所述第一引针的一端分别与差压芯片、表压芯片的电源、地、输出端相连，各所述第一引针的另一端与补偿电路相连，以实现零点、满度或温漂补偿。

所述第一引针上套有第一玻璃固定圆环，所述第一玻璃固定圆环通过高温熔融固定在芯体预留的引线孔上。

各所述第一引针的一端分别与差压芯片、表压芯片的电源、地、输出端的表面电极通过金丝键合在一起以实现电连接。

所述芯体上开有引压孔道，所述端盖上开有弧形槽口，所述管壳上开有斜孔、直孔和侧孔，所述引压孔道、弧形槽口、斜孔、直孔和侧孔依次连通以形成差压引压管路。

所述管壳上分别设有前凹槽和后凹槽，所述前凹槽和后凹槽上均安装有O型密封圈；所述侧孔位于前凹槽与后凹槽之间的管壳上。

所述温度检测模块连接有第一引线，所述第一引线通过管壳上预留的引线斜孔穿出。

所述温度检测模块连接有第二引线，所述第二引线连接有第二引针，所述第二引针通过玻璃烧结工艺密封固定在管壳的引线孔内。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的测量差压、表压和温度的传感器，将差压芯片和表压芯片集成到同一芯体中，同时将温度传感器集成到管壳中，实现差压、表压、温度的“三位一体”测量；整体结构精简、集成度高、可靠性高，降低成本，解决测量器件冗余的问题，而且适用于多种应用场景，提供了更多灵活性和和便利性。

附图说明

图1为现有技术中的温度压力复合传感器的结构示意图。

图2为本发明的三位一体传感器在实施例的剖视结构图之一。

图3为本发明的基座和芯片在实施例的俯视结构图。

图4为本发明的芯体组件在实施例的剖视结构图。

图5为本发明的三位一体传感器在实施例的剖视结构图之二。

图例说明：1、差压芯片；2、弧形槽口；3、差压引压管路；4、第二销钉；5、温度传感器；6、管壳；7、波纹膜片；8、安装孔；9、端盖；10、芯体；11、表压芯片；12、第一引针；13、第三销钉；14、斜孔；15、引压孔道；16、前凹槽；17、第二装配位置；18、第三装配位置；19、第一引线；20、第一装配位置；21、后凹槽；22、直孔；23、侧孔；24、安置管道；25、第一玻璃固定圆环；26、焊接点；27、基座；28、引线斜孔；29、金丝走线凹槽；30、销钉孔；31、表面电极；32、第二玻璃固定圆环，33、第二引针；34、第二引线；35、引针过孔。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图2所示，本发明实施例的测量差压、表压和温度的三位一体传感器，包括管壳6、芯体组件、端盖9和温度检测模块(如温度传感器5)；芯体组件包括芯体10、基座27、差压芯片1、表压芯片11和波纹膜片7；

波纹膜片7密封安装于芯体10的底部且与芯体10底部之间形成密封腔室，密封腔室内设有密封介质；差压芯片1和表压芯片11则安装于基座27上，基座27安装于密封腔室内，芯体10密封安装于管壳6上，管壳6的中部设有与波纹膜片7正对的通孔；端盖9密封套设于芯体10的周侧且与管壳6密封连接；

管壳6上设有安置管道24，温度传感器5安装于安置管道24内；

芯体10、端盖9和管壳6上设有依次连通的空间以形成差压引压管路3，差压引压管路3的一端与差压芯片1的负压端连通，差压引压管路3的另一端则与待测压力腔室连通。其中芯体10、端盖9和管壳6采用连续激光焊焊接到一起。

本发明的测量差压、表压和温度的传感器，将差压芯片1和表压芯片11集成到同一芯体10中，同时将温度传感器5集成到管壳6中，实现差压、表压、温度的“三位一体”测量；整体结构精简、集成度高、可靠性高，降低成本，解决测量器件冗余的问题，而且适用于多种应用场景，提供了更多灵活性和和便利性。

具体地，各芯片(差压芯片1和表压芯片11)均采用压力敏感芯片，主要利用半导体硅的压敏特性，在受到应力作用时导电性能会发生改变，进而导致电阻变化。具体地，通过将四个压敏电阻连接成惠斯通电桥，当有应力作用时，电阻阻值发生变化，输出端出现压差，通过对压差的测量从而获得对应力的测量。在具体安装时，是将各芯片静电键合在衬底硅片上，然后粘接固定在基座上。其中为了保护敏感电阻和金丝等，通常在金丝所在腔体中填充硅油。

如图3所示，各芯片粘胶固定在陶瓷基座27上并通过陶瓷基座27定位，具体地，差压芯片1和表压芯片11两个芯片对称封装在芯体10同一水平位置。两种芯片的正压端压力来源于波纹膜片7，波纹膜片7与管壳6内部的通孔相连。表压芯体10的负压端与补偿电路(对应电路板)所处环境相连，进而与大气相连。差压芯体10的负压端通过差压引压管路3与待测压力腔室相连。

其中在陶瓷基座27上设有引针过孔35、金丝走线凹槽29和芯片表面电极31；其中引针过孔35用于焊接第一引针12，金丝走线凹槽29则用于金丝走线，以实现芯片表面电极31与第一引针12的电连接。

各芯片的正压端直接与密封介质(如硅油)接触，单晶硅、玻璃和芯片粘胶直接与硅油相接触，芯片粘胶具有对空气、燃油、润滑油等良好的耐腐性。同样的，芯体10内部的芯片所在区域充满密封介质(通过管壳6上的销钉孔30充入硅油)，硅油和内部待测压力液体/气体之间通过金属波纹膜片7隔离。在充满硅油后，再通过第一销钉13与芯体10(其中芯体10为一体式不锈钢材质)的销钉孔30电阻焊融在一起来实现内外环境的密封。其中波纹膜片7与芯体10之间通过电阻焊融为一体，能够承受高的耐压和长期高低温下良好的密封性。

如图4所示，芯体10上设置数根第一引针12，分别将每个芯片(半开环)的电源、地、输出端引出，通过后端补偿电路板可实现零点、满度、温漂等性能补偿。其中第一引针12通过玻璃烧结工艺密封固定在芯体10上，即在第一引针12上套设空心的第一玻璃固定圆环25，再将第一玻璃固定圆环25通过高温熔融固定在芯体10预留的引线孔上，保证密封性能。

其中差压芯片1和表压芯片11的表面电极31与第一引针12(如采用可伐合金)在焊接点26通过金丝键合在一起，实现电连接。每块芯片的测量信号通过多个第一引针12将信号引出。

在芯体10与管壳6良好的配合之后，在芯体10与管壳6的第一装配位置20处通过激光或电子束焊接方式实现芯体10与管壳6之间的可靠密封连接。

圆环端盖9与充油芯体10在两者的第二装配位置17处通过激光或电子束焊接方式实现密封可靠连接。圆环端盖9与管壳6在两者的第三装配位置18处通过激光或电子束焊接方式实现密封可靠连接。

如图2所示，芯体10上开有引压孔道15，圆环端盖9上开有弧形槽口2，管壳6上开有斜孔14、直孔22和侧孔23；引压孔道15、弧形槽口2、斜孔14、直孔22和侧孔23依次连通以形成差压引压管路3。通过圆形端盖9固定芯体10，同时巧妙地在圆形端盖9开弧形槽口2的方式来引压，有效地减小了复合传感器的体积，简化了传感器的结构。

由于压力敏感芯体10需长时间工作在较大内部压力下，若内外之间存在缓慢的泄露，将导致产品输出的缓慢变化，最终导致产品失效。故直孔22于管壳6的一端通过第二销钉4进行密封。具体地，第二销钉4与管壳6(一体式不锈钢材质)之间通过电阻焊将金属融为一体，能够承受高的耐压和长期高低温下良好的密封性。

其中管壳6上分别设有前凹槽16和后凹槽21，前凹槽16和后凹槽21上均安装有O型密封圈，其中侧孔23位于前凹槽16与后凹槽21之间，由于前凹槽16和后凹槽21上的O型密封圈，能够将与侧孔23连通的待测压力腔室与其它腔室密封隔绝，进而保证差压检测的可靠性。另外管壳6的外侧开有安装孔8，方便安装固定使用。

如图2所示，其中安装温度传感器5的安置管道24与直孔22的大小和长度保持一致，保证压力和温度的测量位点沿中心轴线对称，提高测量的一一对应性。其中安置管道24的端口处的直径较宽，用于第三销钉13的沉头使用来实现密封。具体地，温度传感器5采用电阻式温度传感器或者热电偶式温度传感器。其中电阻式温度传感器适用于低温环境，热电偶式温度传感器适用于高温环境。温度传感器5在芯体10与管壳6焊接之前，放置在安置管道24中；温度传感器5通过焊接方式连接第一引线19，第一引线19用热缩管保障其与管壳6的绝缘。第一引线19通过管壳6上预留的引线斜孔28穿出(如利用钩针将引线从引线斜孔28勾出)。其中第一引线19为四合一的漆包铜线。在将温度传感器5安置好之后，同样通过第三销钉13将安置管道24的端口处密封好。具体地，第三销钉13与管壳6之间通过电阻焊将金属融为一体，能够承受高的耐压和长期高低温下良好的密封性。上述通过管壳6内安置管道24安装温度传感器5，且通过第三销钉13进行密封的方式，结构紧凑且保证密封的可靠性。上述温度传感器5深埋入管道内部，能更加准确的监测母件内部的状态。温度传感器5埋入安置管道24中，并且同时注入耐高温的导热硅脂，增强温度传感器5与管壳6的接触，快速达到热平衡，同时导热硅脂也能起到缓冲温度传感器5所受到的冲击。

在其它实施例中，温度传感器5的引线亦可以通过玻璃圆环走线，具体如图5所示，温度传感器5同样安装于安置管道24内，温度传感器5通过焊接方式连接第二引线34。在管壳6的一侧设有与安置管道24连通的引线孔，第二引针33通过玻璃烧结工艺密封固定在管壳6的引线孔内，即在第二引针33上套设空心第二玻璃固定圆环32，再将第二玻璃固定圆环32通过高温熔融固定在管壳6预留的引线孔上，在固定引线的基础上保证密封性能。其中第二引线34则与第二引针33通过焊接方式连接在一起。其中第二引线34和第二引针33均通过热缩管保障与管壳6之间的绝缘。其中第二引针33采用可伐合金，第二引线34采用四合一的漆包铜线。

上述温度传感器5与芯体组件互不影响，而且处于管壳6不同部位。如果其中某一个部件(如温度传感器5)失效，可以将其更替，另一个类型的部件(如芯体组件)则可以继续使用，而不用所有部件一同报废，提高维修的灵活性。

当然，在其它实施例中，也可以具体将温度传感器5封装在芯体10内来进一步精简结构。

本发明在同一芯体10上封装差压芯片1和表压芯片11，并且通过相应的基座27和管壳6与芯体10进行配合，保证整体结构的集成度，可有效降低装备的冗杂程度，降低成本；其次能同时在同一位置监测温度、差压、表压三项参数，更能准确判断设备的运行状态。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“装配”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种测量差压、表压和温度的三位一体传感器，其特征在于，包括管壳(6)、芯体组件、端盖(9)和温度检测模块；所述芯体组件包括芯体(10)、基座(27)、差压芯片(1)、表压芯片(11)和波纹膜片(7)；所述波纹膜片(7)密封安装于所述芯体(10)的底部且与芯体(10)底部之间形成密封腔室，所述密封腔室内设有密封介质；所述差压芯片(1)和表压芯片(11)则安装于所述基座(27)上，所述基座(27)安装于所述密封腔室内，所述芯体(10)密封安装于所述管壳(6)上，所述管壳(6)的中部设有与所述波纹膜片(7)正对的通孔；所述端盖(9)密封套设于芯体(10)的周侧且与所述管壳(6)密封连接；

所述管壳(6)上设有安置管道(24)，所述温度检测模块安装于所述安置管道(24)内；

所述芯体(10)、端盖(9)和管壳(6)上设有依次连通的空间以形成差压引压管路(3)，所述差压引压管路(3)的一端与差压芯片(1)的负压端连通，所述差压引压管路(3)的另一端则与待测压力腔室连通。

2.根据权利要求1所述的测量差压、表压和温度的三位一体传感器，其特征在于，所述表压芯片(11)和波纹膜片(7)对称安装于基座(27)的同一水平位置。

3.根据权利要求2所述的测量差压、表压和温度的三位一体传感器，其特征在于，所述基座(27)为陶瓷基座。

4.根据权利要求1或2或3所述的测量差压、表压和温度的三位一体传感器，其特征在于，所述芯体(10)上设有多根第一引针(12)，各所述第一引针(12)的一端分别与差压芯片(1)、表压芯片(11)的电源、地、输出端相连，各所述第一引针(12)的另一端与补偿电路相连，以实现零点、满度或温漂补偿。

5.根据权利要求4所述的测量差压、表压和温度的三位一体传感器，其特征在于，所述第一引针(12)上套有第一玻璃固定圆环(25)，所述第一玻璃固定圆环(25)通过高温熔融固定在芯体(10)预留的引线孔上。

6.根据权利要求4所述的测量差压、表压和温度的三位一体传感器，其特征在于，各所述第一引针(12)的一端分别与差压芯片(1)、表压芯片(11)的电源、地、输出端的表面电极(31)通过金丝键合在一起以实现电连接。

7.根据权利要求1或2或3所述的测量差压、表压和温度的三位一体传感器，其特征在于，所述芯体(10)上开有引压孔道(15)，所述端盖(9)上开有弧形槽口(2)，所述管壳(6)上开有斜孔(14)、直孔(22)和侧孔(23)，所述引压孔道(15)、弧形槽口(2)、斜孔(14)、直孔(22)和侧孔(23)依次连通以形成差压引压管路(3)。

8.根据权利要求7所述的测量差压、表压和温度的三位一体传感器，其特征在于，所述管壳(6)上分别设有前凹槽(16)和后凹槽(21)，所述前凹槽(16)和后凹槽(21)上均安装有O型密封圈；所述侧孔(23)位于前凹槽(16)与后凹槽(21)之间的管壳(6)上。

9.根据权利要求1或2或3所述的测量差压、表压和温度的三位一体传感器，其特征在于，所述温度检测模块连接有第一引线(19)，所述第一引线(19)通过管壳(6)上预留的引线斜孔(28)穿出。

10.根据权利要求1或2或3所述的测量差压、表压和温度的三位一体传感器，其特征在于，所述温度检测模块连接有第二引线(34)，所述第二引线(34)连接有第二引针(33)，所述第二引针(33)通过玻璃烧结工艺密封固定在管壳(6)的引线孔内。