CN1854701B - 压力检测设备 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的压力检测装置100，包括：压力检测设备110，将由施加其上的压力所导致的张力转换为电信号，并输出转换后的电信号；容纳基底120，包括将所述压力检测设备110容纳其中的容纳凹槽121；以及介于压力检测设备110和所述容纳凹槽121之间的连接材料129，所述连接材料以400％或更高的百分比抗张伸展率连接压力检测设备110和容纳凹槽121。根据本发明的压力检测装置易于防止热应力对其检测性能造成不利影响，并且获得优良的热响应。

Description

压力检测设备
技术领域
本发明涉及一种将其检测到的压力转换为电信号并输出已转换电信号的压力检测设备。具体地，本发明还涉及展示优良热响应的压力检测设备。
背景技术
通常，使用所谓的压电电阻效应的半导体压力传感器芯片已经用于压力检测设备，该设备测量汽车的电子控制燃料注入装置中引擎空气吸入侧上的进气压。由于使用如上所述的半导体压力传感器芯片的压力检测设备的操作原理是众所周知的，在此省略详细的说明。该压力检测设备包括一桥接电路，它由在展示压电电阻效应的材料(诸如单晶硅)所制成的隔膜(diaphragm)上形成的半导体张力计而构成的。通过从桥接电路中取得以电信号形式的、由隔膜形变所导致的半导体张力计中计量电阻变化来检测压力。
现在参照图5和6对上述简要描述的压力检测设备进行解释。图5是常规压力检测设备的横断面图。图6是示出图5所示的常规压力检测设备的一部分的放大横截面图。现参照这些附图，压力检测设备500包括压力检测器件501，它是安装在树脂铸模的容纳基底502上的一半导体压力传感器芯片，这就是压力检测设备500的封装件。用于将压力检测器件501容纳其中的容纳凹槽503在容纳基底502中形成。
压力检测器件501以一种配置形式安装在容纳基底502上，其中压力检测器件501用黏合剂504通过模具键合被键合到在容纳基底502中形成的容纳凹槽503中。压力检测器件501通过结合线506被电连接到引线端(引线框)505，该引线端505通过插入铸型而集成到容纳基底502内部，从而它贯穿整个容纳基底502。
为了减少从上述结构中的容纳基底502中所产生的应力，压力检测器件501被键合到通过本领域一般技术人员所熟悉的阳极键合技术、由玻璃制成的底座507上，从而在压力检测器件501和玻璃底座507之间形成有真空基准室。凝胶保护材料508覆盖压力检测器件501的表面501a，并以一种凝胶保护材料508将结合线506包括其中的方式将压力检测器件501粘合到容纳基底502。保护材料508保护压力检测器件501不受未示出介质中包含的污染质所污染，其压力可用压力检测设备500检测出，并且将介质压力传送到压力检测器件501。保护材料508还设置在检测器件501的侧面和容纳凹槽503的侧面之间。
由模制树脂形成的容纳盖(cover)510包括管具有圆筒内表面509a的管状压力传送部分509(参照图5)，容纳盖510被安装并用黏合剂被固定在容纳基底502中的容纳凹槽503的开口侧端部分，从而由连接到压力传送部分509的空间构成的压力检测室511形成了(参照图5)要测量的介质压力通过容纳盖510中的压力传送部分509被传送到压力检测室511。压力检测设备500将要测量的已传送的介质压和真空基准室压之间的差异检测为压力变化，在压力检测器件501中将检测到的压力变化转换成电信号，并输出转换的电信号。因此，测量出绝对的介质压。
为了满足对压力检测设备500的各种要求，诸如整个压力检测设备小型化、实现非常精确检测特性、以及实现高可靠性，容纳凹槽503的开口尺寸被最优化，从而在压力检测器件501和容纳基底502之间可以获得最适于减少从容纳基底502中所产生的应力的间隔。(参照如下专利文献1)
〔专利文献1〕JP P 2003-247903A公开
在具有如上所述结构的压力检测设备500中，由容纳盖510所产生的外部应力、或由剧烈温度变化相关的恶劣测量环境所致的热应力所导致的容纳基底502的形变将不利地影响到压力检测器件501的检测性能，削弱了压力检测设备500的热响应。
热响应是指示由温度变化，例如从高温到低温所导致的检测性能变化的性能测试评估项之一。在压力检测设备中，其热响应并非良好，出现了在初始检测性能和温度变化之后的检测性能之间所出现的波动。
如果用于将压力检测器件501安装到容纳基底502上的黏合剂504的填入量过大，从容纳凹槽503的底表面503a和底座507的底表面507a之间的间隙中溢出的黏合剂504就会漏进压力检测器件501和容纳基底502之间的间隔，就是如图6所示底座507的侧面507b和容纳凹槽503的侧面503b之间的间隙。因此，例如由容纳基底502在图6中轮廓箭头所指方向的形变而导致的应力可直接影响到压力检测器件501的检测性能，削弱了压力检测设备500的热响应。
在前述的观点看来，期望提供一种压力检测设备，它有助于将检测性能上的热应力不利影响减到最小，并展示出优良的热响应。
发明内容
根据所附权利要求1的主题，提供一种压力检测设备，包括：
压力检测装置，所示压力装置将由施加其上的应力所导致的张力转换为电信号，该压力检测装置输出转换的电信号；
包括容纳装置的基底装置，该容纳装置将所述压力检测装置容纳其中，以及
介于压力检测装置和容纳装置之间的连接装置，该连接装置以400％或更高的百分比抗张伸展率连接所述压力检测装置和所述容纳装置。
根据所附权利要求2的主题，该压力检测装置是由半导体制成的。
根据所附权利要求3的主题，该基底装置是树脂铸模形成的。
根据所附权利要求4的主题，该连接装置是由有机硅树脂黏合剂形成的。
根据所附权利要求5的主题，该连接装置形成为压力检测装置的接合平面和容纳装置的接合平面之间的间距从30μm到100μm。
由于压力检测装置和基底装置用展示400％或更高的伸展百分比的连接装置彼此连接和固定，基于优秀的伸展特性、有助于吸收已产生的应力的根据本发明的该压力检测装置展示了优良的热响应。
根据本发明展示优良热响应的压力检测设备有助于实现一种不受测量环境而导致的温度变化影响的结构，并且可以非常高的可重复性获得测量结果。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的压力检测设备的俯视图；
图2是沿着图1中的线段A-A’的横截面图；
图3-1是图2一部分的扩大截面图；
图3-2是图3-1中示出结构的修改的横截面图；
图4示出将由热响应偏移所导致的输出波动(％F.S.×10)与连接材料的抗张伸展百分比(％)相关联的曲线；
图5是常规压力检测设备的横截面图；
图6是示出图5所示的常规压力检测设备一部分的扩大横截面图。
具体实施方式
现在下文中参照示出本发明较佳实施例的附图对本发明进行详细地描述。在实施例的描述和示出实施例的附图中，相同的标号指代相同或类似的组成部件，并且为简单起见，省略重复说明。
图1是根据本发明第一实施例的压力检测设备的俯视图。图2是沿着图1中的线段A-A’的横截面图。图3-1是图2的部分的扩大横截面图。图3-2是示出在图3-1中所示结构的修改的横截面图。在下面，将参照图1到3-2对本发明进行描述，只要没有做出特定的解释，并且指代组成元件的标号没有在图中示出，则不会在图中对其进行描述。
现参照图1到图3-1，根据第一实施例的压力检测设备100包括压力检测器件110、将压力检测器件容纳其中的容纳基底120、以及安装在容纳基底120上的容纳盖130。压力检测器件110、容纳基底120以及容纳盖130以同轴的方式将其中心对准中央轴C而排列。
压力检测器件110包括由硅制成的半导体衬底111以及由玻璃制成并被键合到半导体衬底111的底座112。半导体衬底111通过本领域一般技术人员熟悉的阳极键合技术而键合到底座112上，以减少从容纳基底120中产生的应力。半导体衬底111在底座112的键合表面112a的一侧上的底表面111b中具有凹槽111c。压力检测器件110将通过键合底座112的键合表面112a而闭合的半导体衬底111的凹槽111c用作基准压力室113。底座112是由抗热玻璃制成的、具有矩形横截面的六面体。
隔膜114是在对应于半导体衬底111的基准压力室113的压力检测器件110的一部分中形成。未示出的张力计在隔膜114上形成，并且未示出的桥接电路是通过将张力计以桥接的方式来连接而形成的。连接到桥接电路的未示出放大器电路在半导体衬底111中形成。
当压力被施加到半导体衬底111的隔膜114时，则在压力检测器件110中导致了应力。电信号从桥接电路中以由应力所导致的电压的形式输出。电信号由未示出的放大器电路放大，然后放大的电信号从放大器电路中输出。具有如上所述的结构并如上述工作的压力检测器件110是一种使用张力计的绝对压力类型的器件。或者，压力检测器件110可以是静电电容类型的器件。
容纳基底120是一种由聚苯硫醚(下文称之为“PPS”)以及此类热塑性树脂所制成的树脂模制材料。容纳基底120包括用于将压力检测器件110容纳其中的容纳凹槽121。容纳基底120还包括在容纳凹槽121的开口侧上的空间。在容纳凹槽121的开口侧上的该空间组成了稍后将描述的压力检测室一部分。或者，无疑容纳基底120可以由除PPS之外的抗热热塑性树脂制成。
压力检测器件110以一种方式容纳在容纳基底120的容纳凹槽121中，从而压力检测器件110通过连接材料129被连接和固定在容纳凹槽121上。具体地，压力检测器件110是用介于容纳凹槽121的底表面121a和底座112的底表面112b之间的连接材料129被连接和固定到容纳基底120上，在其上就安装有检测器件110。因此，压力检测器件110由容纳基底120固定地支撑。
连接材料129是一种由有机硅树脂黏合剂和有机硅树脂制成的树脂材料。具体地，连接材料129是由有机硅树脂黏合剂(由Shin-Etsu(信越)化学有限公司提供的X32-2170AB)所制成的。连接材料129展示了400％或更大的抗张伸展百分比。连接材料129形成，从而其厚度(从容纳凹槽121的底表面121a和底座112的底表面112b之间的间距)是从30μm到100μm。
现在参照图3-2，凸起部150形成在容纳凹槽121的底表面121a上以正常地调节连接材料129的厚度。凸起部150以一种排列形成，从而凸起部150的顶点与底座112的底表面112b的四角相接触，其上固定有压力检测器件110。或者，凸起部150可以作成各自凸起的条纹形状。凸起部150对应于连接材料129的厚度，其高度从30μm到100μm。对于凸起部150，并非总是有必要与底座112的底表面112b相接触。换言之，连接材料129可以介入到底座112和凸起部150的顶点之间。如上形成的连接材料129有助于吸收热应力，从而热应力不会通过连接材料129从容纳基底120传送到压力检测器件110，并且可有效地防止热响应延迟在压力检测设备100中产生。
引线端122通过插入铸模而集成到容纳基底120内部，从而引线端122从容纳凹槽121的开口附近在与中央轴C垂直的方向上伸展。引线端122被引出到容纳基底120的外部。每个引线端122是通过将镍(Ni)和铁(Fe)基的合金冲压而形成的板。每个引线端122包括设置在容纳凹槽121的开口周围的连接(land)部分123以及从连接部分123伸展到容纳基底120外部的引出部分124。如图1所示，八个引出端示例性地放置在压力检测设备100中。
在每个引线端122上的连接部分123通过由铝(Al)或金(Au)连接线125被电连接到连接并固定到容纳基底120中的半导体衬底111的表面111a上。每个引线端122的引出部分124被连接到容纳基底120外部的外接配线材料(未示出)。虽然没有图示出，但是通过连接线125被连接到压力检测器件110或引线端122的连接部分123的内部电路无疑可以放置在容纳基底120中。该内部电路调节从压力检测器件110中输出的电信号并将调节后的信号输出到压力检测设备100外部。
在容纳基底120的容纳凹槽121的开口侧上形成的空间中，保护材料126以一种方式形成，从而保护材料126将半导体衬底111的表面111a连同连接线125和引线端122的连接部分123一起覆盖和密封住。保护材料126由凝胶树脂制成。保护材料126被放置以保护压力检测器件110、连接线125以及这些组成元件不受污染，并且无误地将要测量的压力传送给压力检测器件110。最好是将保护材料126也放置在容纳凹槽121的侧面和压力检测器件110的侧面之间。
在容纳基底120的开口侧表面的周边部分中，形成有一种插入-固定槽口127。容纳盖130被安装在容纳基底120上，同时从容纳盖130的插入-固定凸起137被固定到插入-固定槽口127中。容纳盖130和容纳基底120用填充插入-固定槽口127的未示出黏合剂彼此粘合和固定。容纳在容纳基底120中的压力检测器件110通过容纳盖130被密封和固定到压力检测设备100中。
容纳盖130是一种由PPS以容纳基底120相同的方式而制成的树脂铸模。容纳盖130包括凸缘部分131以及自凸缘部分131的主要表面131a而直立的圆筒压力传送部分132。容纳盖130具有如字母T型的横截面结构。压力传送孔133穿过压力传送部分132，与中央轴C同轴。当容纳盖130被接合并固定到容纳基底120上时，压力传送孔133被连接到容纳基底120中的空间。容纳盖130无疑可以由除了PPS之外的任何抗热树脂所制成。压力检测室128是通过容纳盖130的凸缘部分131分隔出的容纳基底120中的空间。
例如，作为测量环境的空气压，是通过穿过容纳盖130的压力传送部分132的压力传送孔133而被传送到压力检测室128中。隔膜114由于传送到压力检测室128中的空气压和压力检测器件110中基准压力室113的内部压力之间的差异而产生形变。基于由隔膜114形变所导致的张力，电信号从压力检测器件110中输出。从压力检测器件110中输出的电信号通过连接线125、内部电路和引线端122被输出到压力检测设备100的外部。基于所输出的电信号，压力由放置在压力检测设备100外部的未示出测量设备而测量出。
压力检测器件110和容纳基底120通过展示400％或更高抗张伸展百分比的连接材料129被彼此连接和固定。因此，压力检测设备100容易获得几乎不会将从容纳基底120所导致的热应力传送到压力检测器件110的一种结构，有效地防止引起热响应延迟，并获得具有高度可重复性的压力测量结果。
以如下方式来生产如上所述的压力检测设备100。先形成适合容纳基底120和容纳盖130的模具。为了形成容纳基底120，引线端122固定在专用模具中的各个位置，并且容纳基底120是通过将诸如PPS的树脂装填到专用模具中，并使树脂冷却固化而形成的。容纳盖130是通过将诸如PPS的树脂装填到专用模具中，并使树脂冷却固化而形成的。当PPS用作为容纳基底120和容纳盖130的树脂时，在模制PPS中容易出现气体，并且在模制上容易出现闪光(flash)。因此，如果执行抽气并且去除闪光，可以非常精确地制造出容纳基底120和容纳盖130。
在形成容纳基底120和容纳盖130之后，压力检测设备110通过连接材料129被连接并固定到容纳基底120的容纳凹槽121中，安装了内部电路，并且引线端122通过连接线125被连接到压力检测设备110以及内部电路。在容纳凹槽121开口侧的空间以及压力检测设备110和容纳凹槽121之间的空间被凝胶树脂制成的保护材料126所覆盖。并且，容纳盖130被安装和固定到容纳基底120上。因此，制造出压力检测装置100。
压力检测装置100，用展示400％或更高抗张伸展百分比的连接材料129将压力检测设备110连接并固定到容纳基底120上，实现了几乎不会将从容纳基底120所导致的热应力传导至压力检测设备110的一种结构。如上所述的用于确定连接材料129的抗张伸展百分比的原因将在下面得到解释。
图4示出将由热响应偏移所导致的输出波动(％F.S.×10)与连接材料129的抗张伸展百分比(％)相关联的曲线。本发明者已做出如下测试，用于确定连接材料129的抗张伸展百分比。强度特性测量装置(来自Shimadzu公司的EZ测试)用于测量抗张伸展百分比。在有机硅树脂黏合剂(来自Shin-Etsu化学公司的X32-2170AB)(下文称之为“样品1”)以及有机硅树脂黏合剂(来自GE东芝硅树脂公司的TSE322)(下文称之为“样品2”)上执行抗张伸展百分比测量测试比较。
样品1和2宽度8mm，高度(厚度)1.5mm，长度50mm。在用于将样品固定在测量装置上的夹具之间的距离设为10mm。以60mm/分钟的牵引速率执行该张力测试。由热响应偏移所导致并如图4所述的输出变化就是当压力检测装置置于130℃的环境中1小时之后再回复到室温环境下(从20℃到25℃)，来自压力检测装置的输出的偏移值(检测到的输出变化)。由热响应偏移所导致的输出变化的单位是来自压力检测装置100的输出电压占输出满标度(下文称之为“F.S”)的百分比。由于所获得的输出电压值很小，从而输出电压值乘以10，并且表示出修正后的输出电压值。
由于压力检测装置100和该车载装备必需要很精确，因此由热响应偏移所导致的输出变化最好是等于或小于0.125(％F.S.)或在10倍表达式中为等于或小于1.25(％F.S.×10)。基于用于判断由设置在1.25(％F.S×10)的热响应偏移所引起的输出变化的阈值来进行该测试。连接材料129的伸展是通过设置两个标线(由固定夹具固定的固定点)；测量标线(由固定夹具固定之间的距离)之间的距离L0；测量在测试之后标线之间的距离L1；并且计算出L1-L0的差值而获得的。从下面的公式(1)中计算出％伸展百分比。
100×(L1-L0)/L0        …(1)
在如上所述的条件下执行抗张伸展百分比测量测试已经揭示了由图4所示的相关曲线401所表达的清楚差异，该曲线连接样品1和2上的测量结果。相关曲线401呈现出在样品1和2上的测量结果中的输出变化和伸展百分比之间的相关性。相关曲线401表示当伸展百分比变大时，输出变化将会变小，导致改进后的热响应。在相关曲线401上的较低右端点402呈现样品1上的结果，以及在相关曲线401上的较高左端点403呈现样品2上的结果。
在样品1中，当抗张伸展百分比大约为500％时，由热响应偏移所导致的输出变化大约是0.77(％F.S.×10)，如同相关曲线401清楚地表示那样。在样品2中，当抗张伸展百分比大约为200％时，由热响应偏移所导致的输出变化大约是3.6(％F.S.×10)，如同相关曲线401清楚地表示那样。样品1的硬度(JIS A)设置在20，样品2的硬度设置在17执行该测试。已经弄清楚：如果连接材料129是由一种硬度大约为20的材料制成的，在由热响应偏移所导致的输出变化和硬度之间几乎不会存在相关性。因此，如果连接材料129是由一种硬度大约为20的材料制成的，，在连接材料129的伸展特性和由热响应偏移所导致的输出变化之间的相关性将会很大。换言之，如果连接材料129是由一种硬度大约为20的材料制成的，，伸展百分比和硬度之间几乎不会有相关性。
因此，如果连接材料129的伸展百分比设置在图4中黑箭头所示范围(该范围中，输出变化等于或小于1.25(％F.S.×10)并且伸展百分比为400％或更高)，连接材料129由于其优良的伸展特性，将会吸收从容纳基底120施加到压力检测设备110上的应力，并且压力检测装置将会具有优良的热响应。
在结合本发明实施例的上述描述中，展示优良伸展特性的连接材料129吸收从容纳基底120产生的应力，从而该应力不会传递到压力检测设备110。因此，压力检测装置100展示了非常精确的初始检测性能，并且确保了非常可靠的压力检测性能。虽然已经例举地描述了压力检测装置中的容纳基底120和容纳盖130的材料和形状，以及组成元件的结构，该描述是示例性的，对于本领域一般技术人员来说，不脱离本发明确切精神范围之内的各种变化和修改是显而易见的。
如上所述，由于压力检测设备110和容纳基底120用展示400％或更高伸展百分比的连接材料彼此连接和固定，根据本发明的压力检测装置100基于其优良的伸展特性，易于吸收产生的应力，并展示了优良的热相应。展示了优良热相应的压力检测装置100易于实现一种不受测量环境中的温度变化所影响的结构，并且获得具有高度可重复性的测量结果。
如上所述，根据本发明的压力检测装置可应用到执行压力检测或压力测量的各种实际用途中。

Claims (7)

1.一种压力检测装置，包括：
压力检测装置，所述压力检测装置将施加到其上的应力转换为电信号，所述压力检测装置将所述转换的电信号输出；
包括容纳装置的基底装置，所述容纳装置将所述压力检测装置容纳其中，以及
介于所述压力检测装置和所述容纳装置之间的连接装置，所述连接装置以400％或更高的百分比抗张伸展率连接所述压力检测装置和所述容纳装置。
2.如权利要求1所述的压力检测装置，其特征在于，所述压力检测装置包括一半导体。
3.如权利要求1所述的压力检测装置，其特征在于，所述基底装置包括树脂铸型。
4.如权利要求2所述的压力检测装置，其特征在于，所述基底装置包括树脂铸型。
5.如权利要求1到4任何一项所述的压力检测装置，其特征在于，所述连接装置包括有机硅树脂黏合剂。
6.如权利要求1到4任何一项所述的压力检测装置，其特征在于，形成了所述连接装置，从而在所述压力检测装置的结合平面和所述容纳装置的结合平面之间的间距从30μm到100μm。
7.如权利要求5所述的压力检测装置，其特征在于，形成了所述连接装置，从而在所述压力检测装置的结合平面和所述容纳装置的结合平面之间的间距从30μm到100μm。
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