CN1302270C - 具有安装在公共管座上的传感器芯片和信号处理电路的压力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于检测压力，诸如汽车中刹车油压力的压力传感器，所述压力传感器由一个柱状管座(10)、一个传感器芯片(20)以及一块用于处理来自该传感器芯片的电信号的电路板(30)组成。该柱状管座(10)包括在一个轴端形成的一层薄隔片(11)和在另一个轴端形成的一个开口(12)。该传感器芯片(20)安装在该隔片(11)上，而该电路板(30)安装在由该柱状管座(10)的外围形成的侧平面(10b)上，从而该电路板(30)布置成与该传感器芯片(20)垂直，由此减小了该压力传感器(S1)在该管座径向上的尺寸。从该柱状管座的开口将该待测压力引入所述柱状管座，并且通过安装在该隔片上的所述传感器芯片检测该压力。

Description

具有安装在公共管座上的 传感器芯片和信号处理电路的压力传感器
发明背景
发明领域
本发明涉及一种用于检测诸如压力或者加速度的物理量的传感器，并且特别涉及一种具有传感器芯片和用于处理传感器信号的电路的压力传感器，该传感器芯片和电路安装在包括一层隔片(diaphragm)的柱状管座(stem)上。
相关技术
JP-A-2001-272297中公开了这种压力传感器的一个例子。该压力传感器由柱状管座组成，在所述柱状管座的一个轴端具有一层隔片。待测压力从形成于所述管座另一个轴端的一个开口导入所述柱状管座，并且所述隔片根据施加到其上的压力的量而发生变形。用于输出代表所述隔片的形变的电信号的传感器芯片连接到所述隔片的外表面。在一个平行于所述隔片外表面的平面上所述传感器芯片的周围布置了一块用于处理该电信号的电路板，所述传感器芯片安装在所述隔片的外表面。
因为在常规压力传感器中所述传感器芯片和电路板布置成相互平行，所以该压力传感器在所述管座的径向上尺寸很大。这种布置也使得所述传感器的结构变得复杂。
发明内容
考虑到上述问题而做出了本发明，并且本发明的一个目的是提供一种用于检测诸如压力等物理量的改进了的传感器，在该传感器中用于处理传感器信号的电路板布置成垂直于一个传感器芯片，以使所述传感器作为一个整体变得紧凑。
依照本发明所述的压力传感器由一个柱状管座、一个传感器芯片和一块用于处理来自所述传感器芯片的输出信号的电路板组成。在所述柱状管座的一个轴端形成一层薄的隔片，它根据施加其上的压力而变形，并且在所述柱状管座的另一个轴端形成一个开口，待测压力由该开口导入。所述传感器芯片安装在所述隔片上，并用具有低熔点的玻璃使之连接到所述隔片。所述传感器芯片可以是一种包括形成一个应变测量器的桥接电路的半导体传感器芯片。所述电路板安装在一个形成在所述柱状管座的外围的侧平面上，从而所述电路板被布置成垂直于所述传感器芯片。
除了安装所述电路板的那个侧平面外，在所述柱状管座的外围还形成三个侧平面。在所述柱状管座周围布置有一个布线部件(所述布线部件具有一个用于输出所述传感器信号的输出端子管脚)，一个要连接到电源的电源端子管脚以及一个接地端子管脚，使每个端子管脚布置在每个侧平面上。所述传感器芯片、电路板和端子管脚通过引线接合法彼此电连接。
用绝缘胶覆盖所述传感器芯片和电路板。所述半导体传感器芯片可以用一个应变测量器来替换，该应变测量器是通过汽相沉积等方法直接在所述隔片上形成的。所述传感器芯片可以安装在一块绝缘体上形成的凹陷部分上，所述绝缘体通过粘结剂连接到所述柱状管座的侧面。
将具有所述开口的所述柱状管座的轴端与一个含有待测压力的结构密封连接。该结构可以是一条引导刹车油通过其中的管道。所述待测压力从所述开口导入所述柱状管座，并且所述隔片受到施加到其上的所述压力而变形。所述传感器芯片输出一个对应于所述隔片形变的电信号。所述电路板对所述传感器输出进行处理。因而，所述压力传感器就检测了所述压力。本发明可以应用于除所述压力传感器之外的其它传感器，诸如加速度传感器或者气流传感器。
由于所述传感器芯片和所述电路板在所述柱状管座上布置成互相垂直，因此可以把所述压力传感器在所述柱状管座的径向上的尺寸做小，并且能使所述压力传感器作为一个整体变得紧凑。更好地理解下面参照附图所介绍的优选实施例，使本发明的其它目的和特征将更加明显。
附图简述
图1是示出根据本发明所述的压力传感器沿图2所示的I-I线的截面图，所述压力传感器连接到一个含有待测压力的结构；
图2是沿图1所示的方向II看出的所述压力传感器的平面图；
图3是示出所述压力传感器局部横截以及沿图2所示的方向III看出的所述压力传感器的侧视图；
图4是示出所述压力传感器局部横截以及沿图2所示的方向IV看出的所述压力传感器的侧视图；
图5A是示出其上安装有传感器芯片的隔片的外表面的平面图；
图5B是示出其上安装有传感器芯片的柱状管座沿图5A所示VB-VB线的截面图；
图6是示出制造所述压力传感器的一系列工艺的图表；
图7A-7C示出在一个柱状管座上安装传感器芯片的一道工艺；
图8A-8D示出在一个绝缘体的凹陷部分上安装电路板的一道工艺；
图9A-9D示出在一个柱状管座上安装布线部件以及将一个外部的管道连接到所述管座外围上的一道工艺；
图10是示出一种改进形式的压力传感器的截面图，所述压力传感器具有用于处理传感器信号的一对电路板；
图11是示出另一种改进形式的压力传感器的截面图，在所述压力传感器中传感器芯片和电路板通过接合引线直接相连；以及
图12A和12B示出一种改进形式的压力传感器，在所述压力传感器中在柱状管座的侧壁上形成一层隔片。
优选实施例详述
参照图1-5来描述本发明的一个优选实施例。本发明可以应用到用于检测诸如压力、加速度或者气体密度的物理量的传感器。图1-5示出作为本发明优选实施例的一个压力传感器。该压力传感器可以用在汽车中用于检测刹车油压力、燃料管道内燃料压力或类似压力。图1中，压力传感器S1密封连接到含有待测压力的结构K1。
如图1-5所示，所述压力传感器S1由以下组成：在一个轴端具有隔片11并且在另一个轴端具有开口12的柱状管座10；安装在所述隔片11外表面10a的诸如半导体传感器芯片20的一个传感部件；一块用于处理传感器信号的电路板30；以及其它相关组件。所述隔片11制造得很薄，以使当从所述开口12处导入的压力施加到所述隔片上时，它能够变形。如图5A和5B所示，在所述柱状管座10的外围形成四个侧平面10b。如图5A所示，当从所述管座10的顶部来看时，这四个侧平面10b形成一个正方形。和所述结构K1相连的一部分管座10呈圆形，并且所述管座10是通过焊接、螺丝等与所述结构K1相连并且所述管座10密封。所述结构K1可以是液体在其中流动的刹车油管道、燃料管道或类似的管道。
所述传感器芯片20通过低熔点玻璃25与所述隔片11的外表面10a相连。如图5A所示，所述传感器芯片是正方形的。所述传感器芯片是由例如单晶硅制成的半导体传感器芯片。所述传感器芯片20可以包括一个起应变测量器作用的桥接电路，该应变测量器根据所述隔片11中的形变量而输出电信号。所述管座10由具有高强度的金属材料制成，因为在其上要施加一个高的压力。制造管座10的所述材料的热膨胀系数必须要低，因为所述半导体传感器芯片20是通过所述玻璃25与之相连。更特别地，所述管座10可以由包括Fe、Ni和Co，或者Fe和Ni作为主要成分，而Ti、Nb和Al，或者Ti和Nb作为析出硬化材料的一种材料制成。所述管座10可以通过压力加工、机械加工或者冷锻法制得。
用于处理从所述传感器芯片20输出的电信号的所述电路板30通过一个绝缘体40连接到所述管座10的侧面10b。所述电路板30可以是安装在一块陶瓷衬底或者印刷电路板上的一块集成电路芯片。所述电路板30把所述传感器信号放大或者把所述传感器信号转换为易于处理的电信号。如图1所示，所述电路板30连接到所述管座10上，从而所述电路板30垂直于安装有所述传感器芯片20的的所述外表面10a。用粘结剂把所述电路板30连接到在所述绝缘体40上形成的一个凹陷部分40a上，然后通过粘结剂把所述绝缘体40安装到所述侧面10b上。
如图3所示，通过接合引线50把所述电路板30上形成的焊盘31和所述绝缘体40上形成的焊盘41电连接起来。如图2所示，通过接合引线50把所述传感器芯片20上形成的焊盘21和所述绝缘体40的焊盘41电连接起来。因而，所述传感器芯片20和所述电路板30经由所述绝缘体40形成电连接。
从图2可以更好地看出，其中嵌入了三个端子管脚61的布线部件通过粘结剂连接到所述管座10的三个侧面10b。这三个端子管脚61中的第一个是用于将所述传感器的输出引导至一个外部电路的输出端子管脚，第二个是要接地的接地端子管脚，第三个是要连接到电源的电源端子管脚。每个端子管脚61设置在所述管座10的相应侧面10b上。如图4所示，所述布线部件60中的端子管脚61和所述绝缘体40的焊盘41电连接。更特别地，与所述端子管脚61相连的焊盘61a通过接合引线50与所述绝缘体40的焊盘41相连。因而，所述传感器芯片20、所述电路板30和所述布线部件60通过所述绝缘体40的焊盘41互相电连接。从所述传感器芯片20输出的所述传感器信号在所述电路板30中被处理并且从所述布线部件60的输出端子管脚61输出。
如图1所示，将由金属材料制成的外管道80连接到所述管座10上，从而在所述管座10和所述外管道80之间以及在所述传感器芯片20上形成一个含有例如硅胶的绝缘胶70的空间。用所述绝缘胶70覆盖所述传感器芯片20和所述电路板30。通过将所述管座10强制插入所述外管道80或者通过焊接的方式将所述外管道80连接到所述管座10上。
将参照图6-9D描述制造所述压力传感器S1的工艺。图6示出了制造工艺的流程，参考各个具体图示。首先，如图7A所示制造所述柱状管座10。然后，如图7B所示，在所述隔片11的外表面10a上印制低熔点玻璃25。然后，在所述外表面10a上安装所述传感器芯片20并通过将所述玻璃25熔化并固化的方式将所述传感器芯片20粘接到所述外表面10a上。
另一方面，如图8A所示，制造具有焊盘31的电路板30。如图8B所示，在所述绝缘体40的凹陷部分40a上安装所述电路板30，并且如图8C所示，两者用粘结剂粘接。然后，如图8D所示，通过由引线接合工艺所形成的接合引线50将所述电路板30的焊盘31与所述绝缘体40的焊盘41电连接。如图9A所示，通过模塑树脂材料形成一个布线部件60，其中嵌入三个端子管脚61。然后，如图9B所示，通过粘结剂把其上安装了所述电路板30的所述绝缘体40和所述布线部件60连接到所述管座10的侧面。然后，通过由引线接合工艺形成的接合引线50，在所述传感器芯片20和所述绝缘体40之间，以及所述布线部件60和所述绝缘体40之间形成电连接。
图9C所示的所述外管道80由金属材料形成，并且通过将所述管座10强制插入所述外管道80或者焊接的方式将所述外管道80连接到所述管座10的外围，如图9D所示。然后，提供绝缘胶70来覆盖所述传感器芯片20和所述电路板30。最好是在真空中提供所述绝缘胶70，以避免在所述绝缘胶70中形成气隙。然后，固化所述绝缘胶70。最后，测试该压力传感器S1以确定它的运行和性能。
将所述压力传感器S1与所述结构K1密封连接，其中在所述结构K1中含有待测压力。所述待测压力通过所述开口12导入所述管座10中并且施加到所述隔片11上。所述隔片11响应施加到其上的压力量而发生变形。所述传感器芯片20输出对应于所述隔片11的变形量的电信号。所述传感器信号由所述电路板30处理并从所述输出端子管脚61输出。基于由此检测的压力，可以控制例如汽车的制动系统或者燃料注入系统。
下面概括上述实施例的优点。由于所述电路板30连接到所述管座10的侧面10b以及所述传感器芯片20安装在所述管座10的外表面10a上，因此所述电路板30被布置成与所述传感器芯片20垂直。因此，和其中所述电路板和所述传感器芯片安装在同一平面的常规压力传感器的情况相比，该压力传感器S1在所述管座10径向上的尺寸可以做得较小。在例如汽车的制动系统中并联安装多个压力传感器S1的情况下，将所述压力传感器S1的径向尺寸做得小尤为重要。另外，通过把所述压力传感器做小，可以把在所述结构K1上安装所述压力传感器S1的面积做小。特别是，可以把所述结构K1的所述安装部分的厚度T(图1所示)做小，并且由此沿拆卸方向施加到所述管座10上的力可以变小。
三个端子管脚61被布置在所述管座10的各个不同的侧面上。因此，很好地保证了端子管脚之间的绝缘性。由于所述传感器芯片20和所述电路板30用所述绝缘胶70覆盖，因此很好地保护了其中的电连接并且保证了良好的绝缘性。所述绝缘体40布置在所述电路板30和所述管座10之间。因此，降低了所述电路板30和所述管座10之间的寄生电容，由此防止了电噪声从所述管座10进入所述电路板30。
本发明不限于上述实施例，而是可以做各种修改。图10、11和12A、12B中示出了一些修改形式的例子。图10(以和图3相同的方向来观察)示出了具有一对电路板30的一个压力传感器。如果必需要两个或者更多个电路板30来处理所述传感器信号，就可将它们安装在所述绝缘体40的凹陷部分40a上。
在图11(以和图1相同的方向来观察)所示的修改形式中，所述传感器芯片20和电路板30是通过所述接合引线50直接相连，并且除去了所述绝缘体40。所述布线部件60被修改成具有凹陷部分40a的形式，所述凹陷部分40a用于在其上安装所述电路板30。
在图12A和12B所示的修改形式中，在所述柱状管座10的侧壁上形成所述隔片11。把一部分侧壁做薄以形成所述隔片11，并且在带有低熔点玻璃25的所述隔片11上安装所述传感器芯片20。如图12B所示，也将所述电路板30在垂直于所述传感器芯片20的表面的位置安装到所述侧壁上。通过接合引线50将所述传感器芯片20电连接到所述电路板30上。由于所述传感器芯片20和所述电路板30安装在所述管座10上以在它们之间形成一个直角，可以把所述压力传感器在所述管座10的径向上的尺寸做小。
在前述实施例和所述修改形式中，所述电路板30安装在所述管座10上。然而，可以将所述电路板30安装在一个分离的衬底上，该衬底集成在所述压力传感器S1中，只要所述分离的衬底与其上安装有所述传感器芯片20的所述外表面10a垂直布置即可。尽管在前述实施例中使用所述半导体传感器芯片20作为传感部件，但是可以使用例如通过汽相沉积法直接在所述隔片11上形成的应变测量器等其它的器件来作为所述传感部件。
本发明可以应用到其它用于检测物理量的器件中，例如加速度传感器、气体传感器、红外传感器、湿度传感器、流体流传感器等等。在那些检测器件中，将所述传感部件和用于处理传感信号的所述电路板布置成互相垂直。
虽然参照前述优选实施例示出并且介绍了本发明，但对于本领域的技术人员来说，显而易见，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的前提下可以进行各种形式和细节上的改变。

Claims (12)

1、一种用于检测物理量的传感器(S1)，所述传感器包括：
一个用于输出与待测物理量相应的电信号的传感部件(20)，所述传感部件装在一个安装表面(10a)上；以及
一块用于处理从所述传感部件输出的所述电信号的电路板(30)，其中：
所述电路板(30)布置成与其上安装有所述传感部件的所述安装表面(10a)垂直。
2、一种用于检测压力的压力传感器(S1)，所述压力传感器包括：
一个柱状管座(10)，具有隔片(11)和用于将待测压力导入所述管座的开口(12)；
安装在所述隔片(11)外表面(10a)上的传感部件(20)，所述传感部件根据由所述待测压力引起的所述隔片(11)的变形量来输出一个电信号；以及
一块用于处理从所述传感部件(20)输出的所述电信号的电路板(30)，其中：
将所述电路板(30)连接到所述管座(10)上，使得所述电路板(30)布置成与其上安装有所述传感部件(20)的所述隔片11的所述外表面(10a)垂直。
3、如权利要求2所述的压力传感器，其中：
所述隔片(11)形成在所述柱状管座(10)的一个轴端，而所述开口(12)位于所述柱状管座(10)的另一个轴端。
4、如权利要求2或3所述的压力传感器，其中：
所述传感部件是一个半导体传感器芯片(20)。
5、如权利要求2所述的压力传感器，其中：
所述电路板(30)安装在所述柱状管座(10)的一个侧面(10b)上。
6、如权利要求5所述的压力传感器，其中：
其上安装有所述电路板(30)的所述侧面(10b)是一个平面。
7、如权利要求2所述的压力传感器，其中：
所述传感器芯片(20)和所述电路板(30)通过接合引线(50)互相电连接。
8、如权利要求2所述的压力传感器，其中：
在所述柱状管座(10)上形成四个侧平面(10b)；
所述电路板(30)布置在所述四个侧平面(10b)其中之一的侧平面上；并且
一个布线部件(60)布置在所述柱状管座(10)的周围，所述布线部件具有一个用于输出传感器信号的输出端子管脚(61)、一个用于给所述压力传感器提供电源的电源端子管脚(61)和一个用于接地的接地端子管脚(61)，使得每个端子管脚(61)被布置在除了其上布置了所述电路板(30)的侧平面以外的各个侧平面(10b)上。
9、如权利要求3所述的压力传感器，其中：
将所述柱状管座上布置了所述开口(12)的轴端密封连接到含有所述待测压力的结构(K1)上。
10、如权利要求2所述的压力传感器，其中：
所述传感器芯片(20)和所述电路板(30)用绝缘胶(70)覆盖。
11、如权利要求5所述的压力传感器，其中：
所述电路板(30)经由一个绝缘体(40)安装在所述柱状管座(10)的所述侧面(10b)上。
12、如权利要求11所述的压力传感器，其中：所述绝缘体(40)包括一个凹陷部分(40a)，所述电路板安装在所述凹陷部分(40a)上。
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