CN1839299A - 压力传感器装置和方法 - Google Patents

Abstract

在这里公开了一种压力传感器装置，所述装置一般包括传感器部件、紧密与所述传感器部件在所有压力级和温度处相接触的柔性传感器隔膜，和用于气密地密封所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜在密封传感器封装件内以提供在其压力传感器数据的封装底座和封装盖子。所述传感器部件可被实施为石英感测部件以提供表面声波压力传感器。所述压力传感器可选择地基于其它传感技术，譬如硅压阻性、陶瓷电容性以及其它。

Description

压力传感器装置和方法

技术领域

本发明一般涉及压力检测方法和系统。本发明另外涉及汽车、重型车辆和类似的市场中使用的轮胎压力传感器。本发明尤其涉及一种无线轮胎压力监控系统(TPMS)。

背景技术

在压力检测领域中各种传感器是已知的。尤其是，已经提出许多不同技术用于检测轮胎中的压力且将这种信息传递给在车辆上中心位置处的操作者，以使他知道轮胎处于低或高气压。

这种压力传感器一般与车辆通信，以使在车辆运动，也就是，车轮相对于车体转动时将检测的压力显示给操作者。这种装置一般是相当复杂且昂贵，或者换言之，不是特别结实耐用的。

某些轮胎压力传感器系统包括被固定至所述车体的传感器，以使不要求在转动车轮和底盘之间的转动电接触。在这个系统中，当低轮胎压力降低使轮胎的侧壁变形时，传感器杆由于接触所述轮胎侧壁而被偏转。这个系统提供了一种低轮胎压力的指示，但不结实耐用。例如，车轮上的泥浆或其它碎片可引起错误的读数。再者，这个系统仅在轮胎压力明显减少时提供指示，因为对这于产生有效的轮胎膨胀是必需的。清楚地，这种系统不能简单地提供真实的轮胎压力读数。

在固定的传感器的另一种形式中，车辆的高度可被检测，进而在高度减少时，可以认为轮胎压力是低的。然而，如果轮胎在车辙中或被停放在不平坦的地面上，同样产生错误的低压读数。

更复杂的系统能够监控轮胎压力。例如，某些压力传感器系统利用旋转编码器，所述旋转编码器由不同极性的磁性段的多极性环形成，所述不同极性以规则的且交替的方式沿周向分布。与所述环共轴的发射器线圈和固定的传感器(一个感应线圈系统)由流过所述发射器线圈的交变电流所激励，以产生叠加在由多极性环产生的磁场上的磁场产生被拾取的信号且传送关于车轮的转动特性，因而就是轮胎的状态的信号。

某些轮胎压力系统还利用了车轮系统，其中在各个车轮上的各个传感器配置有无线电发射器，所述无线电发射器从车轮向在车体上的无线电接收器发射关于轮胎压力等的信息，以及这个发送的信号被解码以提供轮胎压力等信息，并且使它可被操作者使用。然而，常规无线系统不耐用的，并且设计和生产都是昂贵的。

基于前述，可以理解存在一种改进的小型轮胎压力装置的需要，所述装置包括无线检测能力，同时使用实用的且低成本的设计方案来实现，这些在当前轮胎压力检测系统和装置中是没有的。

发明概述

本发明的下面概要被提供以有利于对一些本发明的独特的创新特征的理解，而不试图全面描述。将整个说明书、权利要求、附图和摘要作为一个整体可以获得对本发明的各个方面的全面认识。

因此，本发明的一个方面是提供一种改进的传感器装置和方法。

本发明的另一个方面是提供一种使用在轮胎压力检测应用中的传感器装置和方法。

本发明的另一个方面是提供一种改进的压力传感器装置。

本发明的另外方面是提供一种压力传感器装置，所述压力传感器装置可被用作无线压力监控系统(TPMS)的部件。

本发明的上述方面和其它目标和优点现在可如这里说明的实现。在这里公开了一种压力传感器装置，其可包括SAW传感器部件，譬如SAW传感器部件(例如石英感测部件)。所述传感器部件还可实现为另一种类型的传感器部件，譬如硅压阻和陶瓷电容传感器部件。所述装置还可包含与传感器部件在所有压力级和温度处紧密接触的柔性传感器隔膜，和用于密封传感器部件和柔性传感器隔膜在气密密封传感器封装内的封装底座和封装盖子，以提供在其压力传感器数据。

一般地，所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜被预先组装在所述气密密封传感器封装内，以使所述气密封传感器封装的输出频率偏移一已知量，从而确保在所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜之间的接触。此外，凹陷可被形成在所述柔性传感器隔膜的中心，其转而接触所述传感器部件的平坦表面。

还有，天线可被实施，该天线无线地提供来自气密密封传感器封装的压力传感器数据。柔性电路互连件可被设置在传感器部件和天线之间。封装盖子和封装底座的每一个可由不锈钢制造，譬如17-7PH不锈钢材料。最后，气密密封传感器封装件可适用于测量车辆轮胎中的压力和温度。

附图说明

在附图中，在单个视图中相同标号表示同一或功能类似部件且被结合进和构成说明的部分，附图进一步说明本发明，以及连同本发明的详细说明一起用于解释本发明的原理。

图1说明传感器装置的分解图，所述传感器装置可以依据本发明的优选实施例来实现；

图2说明盖子的顶剖面图，所述盖子可以依据本发明的优选实施例来实现；

图3说明依据本发明的优选实施例的图2中所说明的盖子的A-A侧剖面图，在其中所述盖子安装在底座上，包括安装销；

图4说明金属底座的顶和侧剖面图，所述金属底座可以依据本发明的优选实施例来实现；

图5说明依据本发明的优选实施例的图4中所说明的金属底座的A-A侧剖面图；

图6说明依据本发明的优选实施例的图4中所说明的金属底座的B-B侧剖面图；

图7说明金属盖子的顶和侧剖面图，所述金属盖子可以依据本发明的替换实施例来实现；

图8说明依据本发明的替换实施例的图7中所说明的金属盖子的剖面图；

图9说明气密密封传感器封装的方框图表示，所述气密密封传感器封装可以依据本发明的替换实施例来实现；和

图10说明气密密封传感器封装的方框图表示，所述气密密封传感器封装可以依据本发明的另一替换实施例来实现。

具体实施方式

在这些非限制性例子中说明的具体值和结构可被改变，并且仅仅用于举例说明本发明的至少一个实施例，以及不是用于限制本发明的范围的目的。

这里说明的本发明可以被实施，依据一个可行的实施例，如无线轮胎压力监控系统(TPMS)中元件的产品。这样一个实施例可被配置成小型设备，所述设备还是轻重量的和基于无电池工作的。这里说明的压力传感器在被使用在TMPS工作中时不消耗电能。因此，本发明可被体现在实用的且低成本装置方案中。这种装置可被批量生产用于汽车、重型车辆和商业市场中。

依据本发明的一个实施例，这里说明的压力传感器可被实现为SAW(表面声波)压力传感器，所述SAW压力传感器包括石英感测部件、封装底座和柔性隔膜。对于为了获得要求的应用精度的压力传感器，压力敏感隔膜必须在所有压力级和温度处与石英感测部件密切接触。为了补偿封装材料(即，底座和盖子)的热膨胀，SAW检测部件(即石英感测部件)和所述传感器隔膜优选在他们被装配时预加载，以使输出频率偏移一已知量来确保自始至终接触。

在制造时凹陷可被形成在盖子的压力传感器隔膜部分的中心。所述凹陷接触石英感测部件的平坦表面。一般地，压力传感器可被实现为小的、圆形部件。装置结构一般实现为小的、圆形、密封纽扣封装件。示例尺寸包括直径大约12mm和厚度大约2mm。当然本领域技术人员可以理解，在这里描述的这种尺寸仅仅是为了说明目的，不是被作为本发明的限制特征。压力传感器尺寸可以改变，取决于这种设备的需要和使用。

所述盖子和底座的设计是这样的，即一般能使装配公差的减少。所述底座和盖子的传感器材料可由17-7PH不锈钢制造。这种材料的优点在这里被很详细地说明。压力传感器还可配置成与接口设计板配合。例如，PCB或柔性电路互连件可被定位在压力传感器纽扣封装件和其中一个或多个天线之间，所述天线用于无线数据的发射和接收。

图1说明压力传感器100的分解图，所述压力传感器100可依据本发明的优选实施例被实现。压力传感器100一般包括封装盖子104，封装盖子104包括形成在盖子104中心的凹陷102。压力传感器100可被实现作为SAW压力传感器，所述SAW压力传感器包括石英感测部件106(譬如，SAW芯片)和封装底座108。

另外，一个或安装销112和114可被用于保持石英感测部件106在气密密封传感器封装件中。底座108包括底座部分120，所述底座部分120凹进底座108中，且在其中可放置石英感测部件106。气密密封传感器封装可以构成小的形状，即薄又圆的并且适于在测量压力和温度中使用。

然而，本领域技术人员可以理解，依据本发明的替换实施例，其它类型的压力传感器可被实现。压力传感器100可以可选择性地实现为例如硅压阻或陶瓷压力传感器。在这种替换实施例中，石英感测部件106可分别被硅压阻或陶瓷电容性传感器部件所取代。

图1中的盖子102可由不锈钢制造，譬如17-7PH不锈钢材料。盖子102可最初由平片叠层制造，所述平片叠层在溶液退火状态下是大约0.50mm厚的材料。所述盖子接下来可被冲压为圆形形状，进而可深拉成杯型结构。接下来，凹陷102可被形成在盖子104的中心，以使凹陷102形成为深入盖子104中大约0.6mm。当然，本领域技术人员可以理解，在这里描述的这种尺寸仅仅用于说明性目的，不被作为本发明的限制性特征。盖子104的尺寸可以改变，取决于这种设备的需要和使用。

底座108也可由不锈钢制造，譬如17-7PH不锈钢材料。在溶液退火状态中将大约2mm厚的材料冲压为圆形碟可构成底座108。这样一种碟可被形成为使两个小鞍座(也就是，安装销112和114)从底座108凸出，所述底座108将用于搁置压力传感器芯片(譬如，石英感测部件106)。因此，孔116和118可被冲在底座108中，以有利于玻璃与金属封接。孔116与安装销112相配合，同时孔118与安装销114相配合。

用于安装销的玻璃与金属封接处理和用于17-7PH不锈钢盖子和底座的固化处理可同时进行。所述材料可被加热至大约975摄氏度，以使玻璃回流并同时用于17-7PH不锈钢的“奥氏体化”(本领域公知的一种处理，在这里不必详细说明)，所述17-7PH不锈钢被用于底座108和盖子104。所谓的“奥氏体化”沉淀了巨大数量的碳化铬，并且将其准备完全转化为硬质马氏体相。不锈钢型号17-7PH在此后可被冷却至-100华氏度且保持8小时，以完全转变为硬质“马氏体”相，来得到部件的最大强度和刚度。在这种情况下，部件一般是硬的，但也脆。

现在，17-7PH型号不锈钢部件被加热至用于RH 950处理的950华氏度，这缓解了应力且提高了部件的强度和抗腐蚀能力。RH 950处理通过金属间镍-铝化合物的沉淀进一步改善部件的强度。950华氏度的处理还可以回火玻璃，所述玻璃使用在密封传感器组件的玻璃与金属封接中。最后的处理一般包括给安装销114和112镀金，以促使导线结合和焊接。

最后，所述压力传感器100可被组装和测试。该传感器组装顺序一般包括下列步骤：芯片连接、连线结合、盖子连接、预加载、焊接、焊接后测试、稳定化烘焙、稳定化烘焙后测试、PCB连接和腔测试。然后，盖子104和底座108被设计成提供干涉配合，以使预加载处理和气密封处理可以改善的精确度和效率控制。所述压力传感器100的盖对底座的设计还从容差累积中去除装配公差，因为它的特征在于无法兰设计。

图2说明盖子104的顶剖面图200，所述盖子104可以依据本发明的优选实施例来实现。注意，在图1、2和3中，相同部件或元件一般由同样的标号来表示。图3说明图2中所说明的盖子104的A-A侧剖面图300，在其中盖子104被安装在底座108上，包括安装销112和114，依据本发明的优选实施例。因此，盖子104一般包括形成在盖子104中心的凹陷102。石英检测元件106在图3中示出，如定位在接近凹陷102的下面且在安装销112和14之间。

图4说明金属底座108的各自顶和侧剖面图400和402，所述金属底座108可以依据本发明的优选实施例来实现。图5说明图4中所述的金属底座108的A-A侧剖面图500，依据本发明的优选实施例。图6说明基于图4和5中所述的金属底座108的B-B侧剖面图600，依据本发明的优选实施例。注意，在这里的图1至6中，相同或类似部件或元件一般由同样的标号来表示。

图7说明盖子104的剖面顶和侧视图，所述盖子104可以依据本发明的替换实施例来实现。图8示出依据本发明的替换实施例的图7中所述的金属盖子104的剖面图800。注意，在这里的图1至8中，相同或类似部件或元件一般由同样的标号来表示。因此，图7说明盖子104的俯视图700，包括位于盖子104的中心的凹陷102。图7还描述了盖子104的侧视图702，包括凹陷102的位置和盖子104的壁704。在图8中示出的盖子104的剖面图800提供了凹陷102和盖子104的壁704的特写视图。

这里说明的压力传感器可被用于测量车辆轮胎(譬如，客车轮胎或卡车轮胎)内的压力和温度。压力传感器应当优选具有低横截面面积和厚度，并且一般在结构中是重量轻的以及与用于模制卡车轮胎和客车轮胎的处理相兼容。

该压力传感器底座和盖子材料优选在退火状况中具有低屈服强度(譬如，大约40,000磅/平方英尺)，以使利用常规处理(譬如加工和成型)可制造所述压力传感器。压力传感器底座和盖子材料还具有在硬化状况中的高屈服强度(譬如，大约200,000磅/平方英寸)，以使压力传感器在最终应用中具有扩大的弹性范围和较低的变形。

17-7PH材料作为底座和盖子的传感器材料的使用也是优选的，因为硬化处理还与形成所述底座中的玻璃与金属封接相兼容。用于这种传感器的17-7PH材料的使用是本发明的优点，因为硬化处理和玻璃与金属封接处理被组合在一起。本发明的另一优点在于，它相对其它常规压力传感器设计具有增强的传感器性能。

尽管在这里没有显示在图1至8中，可以理解在压力传感器中，多个谐振器(譬如，3个谐振器)可被并联连接至位于轮胎内部的天线。例如，依据这在里说明的本发明实现的SAW压力传感器可以由以大约434MHz频率的短RF脉冲来询问，所述频率可激励谐振器的自然振荡。振荡可由天线预辐射且由询问单元接收。这种询问单元可分析振荡器的波谱，计算两个不同频率和发现轮胎的压力和温度。

因此，本发明一般直接涉及至压力传感器装置，所述压力传感器装置可包括传感器部件(譬如石英的、压电的、电容性的等)、在所有压力级和温度下紧密接触传感器部件的柔性传感器隔膜、和用于将所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜气密密封在气密密封传感器封装件内的封装底座和封装盖子，以提供其中的压力传感器数据。

所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜可被预先装配在密封传感器封装件内，以使气密密封传感器封装件的输出频率偏移一已知数量，从而确保所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜之间相接触。此外，凹陷可被形成在所述柔性传感器隔膜的中心，所述柔性传感器隔膜进而接触所述传感器部件的平坦表面。还有，可提供一天线，所述天线无线接收气密密封传感封装件的压力传感器数据。图9和10说明这种天线可如何被配合或结合这种气密密封的传感器封装件。

图9示出表示气密密封传感器封装件900的框图，所述气密密封传感器封装件900可以据本发明的替换实施例来实现。因此，图9包括传感器904，所述传感器904可由封装底座902和封装盖子906来密封。传感器908可与天线908互相通信，所述天线908被保持在气密密封传感器封装件900内。图10示出表示密封传感器封装1000的框图，所述气密密封传感器封装件1000可以据本发明的另一可替换实施例来实现。

图10说明了传感器1004，所述传感器1004可由封装底座1002和封装盖子1006来密封。传感器1008可与天线1008相通信，所述天线1008位于气密密封传感器封装件1000的外部。天线908和1008可分别无线发射来自气密密封传感器封装件900和1000的数据，其中这种数据可表示压力和温度数据。传感器904和1004可被实现为，例如SAW(也就是石英)、压电的或电容性的传感器部件。

可选择地，柔性电路互连件可位于传感器部件和天线之间。此外，焊料接点互连件可位于柔性电路与天线之间。可选择地，印刷电路板(PCB)互连件可被设置在传感器部件和天线之间，焊料或焊料接点也可被作为所述PCB和天线之间的互连件，取决于想要的设计实施。封装盖子和封装底座可由不锈钢构成，例如，17-7PH不锈钢材料。最后，气密密封传感器封装件可适用于测量车辆轮胎内的压力和温度。

这里阐述的实施例和例子被用于最好解释本发明及其实际应用，从而使本领域技术人员能够作出和利用本发明。然而，本领域技术人员将认识到，前面的说明和例子被仅用于说明和举例的目的。对本领域技术人员，本发明的其它变化和改良将是显而易见的，进而附加的权利要求的意图在于覆盖这样的变化和改良。

前面阐述的说明没有被用于穷尽和限制本发明的范围。不脱离下面的权利要求的范围，考虑到上面的教导，许多改良和改变是可能的。可想像的是本发明的使用可包括具有不同特征的元件。其目的在于，本发明的范围由充分考虑到所有方面的等效物的后附权利要求来限定。

Claims (20)

1.一种压力传感器装置，所述装置包括：

传感器部件和紧密与所述传感器部件在所有压力级和温度处相接触的柔性传感器隔膜；和

封装底座和封装盖子，用于将所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜气密密封在气密密封传感器封装件内，以提供该传感器封装件的压力传感器数据，其中所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜被预先组装在所述气密密封传感器封装件内。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述传感器部件包括石英感测部件。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述传感器部件包括硅感测部件。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述传感器部件包括陶瓷感测部件。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜被预先组装在所述气密封传感器封装件内，以将所述气密密封传感器封装件的输出偏移一已知量，从而确保在所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜之间的接触。

6.如权利要求1所述的装置，还包括在所述传感器部件和所述天线之间的柔性电路互连件。

7.如权利要求1所述的装置，还包括在柔性电路和所述天线之间的焊料接点互连件。

8.如权利要求1所述的装置，还包括在所述气密密封传感器封装件和所述天线之间的印刷电路板(PCB)互连件。

9.如权利要求1所述的装置，还包括在所述PCB和所述天线之间的焊料互连件。

10.如权利要求1所述的装置，其中所述封装盖子和所述封装底座每一个由不锈钢材料制造。

11.如权利要求10所述的装置，其中所述不锈钢材料包括17-7PH材料。

12.如权利要求1所述的装置，其中所述气密密封传感器封装件包括适合用于测量压力和温度的形状。

13.如权利要求12所述的装置，其中所述气密密封传感器封装件的所述小的形状是薄的和圆的。

14.如权利要求1所述的装置，其中利用冲压处理形成所述传感器底座和所述传感器盖子。

15.一种表面声波压力传感器装置，所述装置包括：

表面声波传感器部件，其中所述表面声波传感器部件包括石英感测部件；

柔性传感器隔膜，其紧密与所述表面声波传感器部件在所有压力级和温度处相接触；

封装底座和封装盖子，其用于将所述表面声波传感器部件和所述柔性传感器隔膜气密密封在气密密封传感器封装件内，以提供该传感器封装件的压力传感器数据，其中所述气密密封传感器封装件适合用于测量车辆轮胎内的压力和温度；

17-7PH材料，用于形成所述封装盖子和所述封装底座；和

其中所述表面声波传感器部件和所述柔性传感器隔膜被预先组装在所述气密密封传感器封装内，以将所述气密密封传感器封装件的输出偏移一已知量，从而确保在所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜之间的接触。

16.一种用于形成压力传感器装置的方法，所述方法包括步骤：

提供传感器部件；

将柔性传感器隔膜定位成与所述传感器部件在所有压力级和温度处紧密接触；和

形成封装底座和封装盖子，用于将所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜气密密封在气密密封传感器封装件内，以提供在该传感器封装件的压力传感器数据；和

将所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜预先组装在所述气密密封传感器封装件内。

17.如权利要求16所述的方法，还包括配置所述传感器部件以包括石英感测部件的步骤。

18.如权利要求16所述的方法，其中将所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜预先组装在所述气密密封传感器封装件内的步骤，还包括下述步骤：

将所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜预先组装在所述气密密封传感器封装件内，以使所述气密密封传感器封装件的输出偏移已知量，从而确保在所述传感器部件和所述柔性传感器隔膜之间的接触。

19.如权利要求16所述的方法，还包括由不锈钢材料制造所述封装盖子和所述封装底座的步骤。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述不锈钢材料包括17-7PH材料。

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