專利名稱：介質(zhì)隔離的壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
當(dāng)前公開一般地涉及壓力傳感器，更特別地，涉及利用在壓力傳感元件和要感測的介質(zhì)之間的壓力傳導(dǎo)流質(zhì)的介質(zhì)隔離的壓力傳感器。
背景技術(shù)：
壓力傳感器被使用在廣泛的各種應(yīng)用中，包括例如商業(yè)、自動化、航天、工業(yè)、以及醫(yī)療應(yīng)用。壓力傳感器通常使用壓力傳感元件，壓力傳感元件被配置為通過將由引入的介質(zhì)壓力產(chǎn)生的機械應(yīng)力轉(zhuǎn)換為電輸出信號來檢測要被感測的介質(zhì)的壓力。在某些應(yīng)用中，希望可以將壓力傳感元件與介質(zhì)隔離。這有時通過在壓力傳感元件和隔膜之間提供壓力傳導(dǎo)流質(zhì)(例如油)來實現(xiàn)。通常，來自介質(zhì)的壓力被施加到隔膜上，其隨即在壓力傳導(dǎo)流質(zhì)中傳導(dǎo)并最終到達壓力傳感元件。雖然這種設(shè)置可有助于壓力傳感元件與介質(zhì)隔離和免受介質(zhì)影響，但構(gòu)造它們是昂貴的，并且它們會具有相對高的溫度偏移變化量，這通常由容納壓力傳導(dǎo)流質(zhì)的空腔的相對高的高寬比(高比寬，傳統(tǒng)范圍為1:1至1:10)所引起，其必須被校準(zhǔn)以產(chǎn)生準(zhǔn)確結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
當(dāng)前公開一般地涉及壓力傳感器，更特別地，涉及利用在壓力傳感元件和要感測的介質(zhì)之間的壓力傳導(dǎo)流質(zhì)的介質(zhì)隔離的壓力傳感器。取決于應(yīng)用，要被感測的介質(zhì)可以是液體或油。在一個說明性的實施例中，壓力傳感器可包括限定了流質(zhì)通道的外殼。隔膜可被定位成密封流質(zhì)通道的一端，使得進入流質(zhì)通道另一端的介質(zhì)可接合和施加壓力至隔膜。 該隔膜可包括金屬、塑料、陶瓷或任何其它適合的材料?？蓪⑼屑芄潭ǖ脚c外殼相對的隔膜上。在某些實例中，托架可具有從托架延伸出的側(cè)壁以有助于在隔膜和托架之間形成傳導(dǎo)流質(zhì)空腔。托架可包括延伸通過該托架的開口。壓力感測管芯可被安裝在托架上。壓力感測管芯的壓力感測隔膜可與托架中的開口流質(zhì)連通，并因而與傳導(dǎo)流質(zhì)空腔流質(zhì)連通。當(dāng)如此提供時，傳導(dǎo)流質(zhì)空腔可至少部分地由隔膜、托架和壓力感測管芯的壓力傳感隔膜形成。 壓力傳導(dǎo)流質(zhì)可被布置于傳導(dǎo)流質(zhì)空腔內(nèi)。在某些實例中，如印刷電路板的基板可接近壓力感測管芯而被固定在托架上。絲焊可用于將壓力感測管芯的一個或多個焊盤與印刷電路板的一個或多個焊盤電連接?？稍谟∷㈦娐钒迳咸峁┬盘栒{(diào)節(jié)電路以接收來自壓力感測管芯的信號并調(diào)節(jié)信號以從壓力傳感器提供調(diào)節(jié)的輸出信號。提供了前述的概要是為了方便總的理解當(dāng)前公開的某些創(chuàng)新特征，并不是為了作為完整的說明。本公開的完整理解可通過將完整的說明書、權(quán)利要求、附圖和摘要作為整體來得到。


本公開可通過結(jié)合附圖考慮各個說明性實施例的隨后描述而被更完整地理解，其中
圖I為說明性的壓力傳感器的示意性的橫截面圖。雖然本公開服從于各種修改和可替換形式，但其細(xì)節(jié)已經(jīng)以附圖中實例的方式示出并將詳細(xì)描述。不過，應(yīng)該理解的是，不試圖將公開限制于在此描述的特定的說明性實施例。相反，則試圖將覆蓋所有落入本公開精神和范圍內(nèi)的修改、等同和替換。
具體實施例方式應(yīng)當(dāng)參考附圖理解以下描述。說明書和不必要進行縮放的附圖描繪了說明性實施例并且不是為了限制公開的范圍。描繪的說明性實施例僅是為了作為示范。如在此使用的術(shù)語“流質(zhì)”不是為了限制為液體。相反，術(shù)語“流質(zhì)”是為了包含任何易于流動的物質(zhì)，例如但不限于，液體和/或氣體。圖I為說明性的介質(zhì)隔離的壓力傳感器10的示意性的橫截面圖。在該說明的實施例中，壓力傳感器10可包括外殼12，其配置為提供了將介質(zhì)(流質(zhì)或氣)從顧客應(yīng)用傳送到壓力傳感器10的流質(zhì)通道14。外殼12可由塑料、聚酰胺、陶瓷、金屬、或任何其它適合材料形成。如圖I中所示，外殼12可限定從第一端16延伸至第二端19的流質(zhì)通道14。第一端16可接收要被感測的介質(zhì)，并可傳遞介質(zhì)至第二端19。在某些實施例中，流質(zhì)通道14的第二端19比第一端16寬，盡管這不是必需的。 在某些情況下，可提供過渡部(transition)18或底部，如圖I中所示。在某些實例中，外殼 12可包括從過渡部18或底部向上延伸的延長結(jié)構(gòu)20，其可限定至少一部分延長的流質(zhì)通道14。在某些情況下，延長結(jié)構(gòu)20可包括遠離過渡部18或底部延伸的大致管狀的構(gòu)件，但這只是一個例子。所想到的是，流質(zhì)通道的第一端16上的開口取決于應(yīng)用可包括各種接口選擇和/或連接之一。還想到的是，延長結(jié)構(gòu)20可包括肘狀物，或根據(jù)應(yīng)用可具有任何其它期望的結(jié)構(gòu)或外形。在其它實施例中，延長結(jié)構(gòu)20可包括帶螺紋區(qū)域，用于與另一個帶螺紋組件進行螺紋嚙合。在某些實施例中，延長結(jié)構(gòu)20可根本不存在，僅留下過渡部18或底部。所想到的是，流質(zhì)通道14可根據(jù)用戶的需要為任何期望的外形或尺寸。在某些實例中，外殼的流質(zhì)通道的第二端19可包括一個或多個從過渡部18或底部向下延伸的側(cè)壁，如圖I中所示。當(dāng)如此提供時，這可有助于在過渡部18或底部與隔膜 22之間提供空間。隔膜22可具有第一側(cè)21和第二側(cè)23。在某些實例中，隔膜22的第一側(cè)21可被附著到外殼12上，并可密封流質(zhì)通道14的第二端19。在某些實例中，隔膜22可以是薄的、 堅固的材料，被配置為在要被感測的介質(zhì)和壓力感測管芯44之間提供介質(zhì)隔離。在某些實例中，隔膜22可被附著使得隔膜的第一側(cè)21接合到外殼12，并且隔膜的第二側(cè)23背對外殼12。所想到的是，隔膜22可通過焊接、粘合劑、密封、墊片、或任何其它適合的接合或密封機制(例如焊接、共熔等)接合到外殼12。說明的壓力傳感器10可進一步包括托架26，其在某些情況下，可附著到隔膜22的第二側(cè)23上。所想到的是，托架26可由任何適合材料形成，例如但不限于，陶瓷、金屬、塑料等。托架26可具有第一側(cè)表面32和第二側(cè)表面34。在某些實施例中，托架26可包括從第一側(cè)表面32向上延伸的一個或多個側(cè)壁36,如圖I所不。該側(cè)壁36,與托架26的第一側(cè)表面32和隔膜22的第二側(cè)表面23相組合，可形成至少一部分流質(zhì)傳導(dǎo)空腔38，流質(zhì)傳導(dǎo)空腔38在如以下被進一步描述，能接收壓力傳導(dǎo)流質(zhì)24。在某些實施例中，如所期望的，壓力傳導(dǎo)流質(zhì)24可以是油、凝膠，或任何其它適合的壓力傳導(dǎo)流質(zhì)。在某些實施例中， 油可以是基于硅的油。在某些實例中，壓力傳導(dǎo)流質(zhì)24可以是不可壓縮的流質(zhì)，有時具有相對低的溫度膨脹系數(shù)。在某些實施例中，托架26可包括從第一側(cè)表面32延伸至第二側(cè)表面34的第一開口 28。壓力感測管芯44可接近第一開口 28而安裝在托架26上。在某些情況下，壓力感測管芯44可利用如硅、RTV (室溫硫化物)、環(huán)氧硅、軟環(huán)氧物、或常規(guī)或硬環(huán)氧物的粘合劑而安裝在托架26上。在某些情況下，粘合劑可具有適合于在壓力感測管芯44和托架26之間提供機械應(yīng)力隔離的厚度，以使壓力感測管芯44相對于托架26有效地不受約束。在某些情況下，粘合劑的厚度可足夠厚使壓力感測管芯充分粘附到托架26，但不是很厚以至于干擾接合或壓力感測管芯44的隔膜。在其它情況下，壓力感測管芯44可利用其它適合的接合機制安裝到托架26，例如焊接、共熔等。在某些情況下，壓力感測管芯44可如所示地安裝在托架26中的第一開口 28之上，并可被定尺寸以將壓力感測隔膜46的后側(cè)暴露于托架26的第二側(cè)34和/或隔膜22的第二側(cè)23。在某些實例中，壓力感測管芯44可包括前側(cè)51和后側(cè)53。后側(cè)53可包括限定了至少一部分壓力感測隔膜46的蝕刻的空腔，其沿壓力感測管芯44的前側(cè)51延伸。壓力感測隔膜46可包括一個或多個壓阻元件(未明確示出)。壓力感測管芯44的前側(cè)51也可包括一個或多個焊盤，以及壓力感測管芯44的后側(cè)53可面向托架26的第二側(cè)34。在這個實例中，經(jīng)由要被感測的介質(zhì)向外殼的流質(zhì)通道14施加的壓力可經(jīng)由隔膜22、壓力傳導(dǎo)流質(zhì)24、以及托架26中的第一開口 28傳導(dǎo)至壓力感測隔膜46的后側(cè)53。不過，壓力感測隔膜46可與要被感測的介質(zhì)保持隔離。在某些實施例中，壓力感測管芯44可以是利用硅片和適合的制造技術(shù)來制造的微機械傳感器元件。壓力感測管芯44可具有一個或多個壓力感測元件和/或利用任何適合的制造或印刷技術(shù)形成的其它電路(例如修整電路、信號調(diào)節(jié)電路等)。在某些情況下，壓力感測管芯44可包括壓力感測隔膜46，該壓力感測隔膜46包含在其上形成的一個或多個感測元件，例如壓阻感測組件，用于感測撓曲并以此感測在壓力感測隔膜46的頂部51和底部53側(cè)之間的壓力差。如以上所指出的，在某些情況下，壓力感測隔膜46可通過后側(cè)蝕刻硅管芯來制造，不過，所想到的是，如所期望的，可利用任何其它適合的工藝。在提供時，壓阻組件可被配置為具有根據(jù)施加的機械應(yīng)力(例如壓力感測隔膜46 撓曲)而變化的電阻。在某些情況下，壓阻組件可包括硅壓阻材料，不過，其它非硅類材料可被使用。在某些情況下，壓阻組件可被連接在惠斯通電橋結(jié)構(gòu)中(全橋或半橋)。要理解的是，壓阻組件僅為一個能被使用的壓力感測元件的例子，并且所想到的是，可如所期望的， 可使用任何其它適合的感測元件。在某些實施例中，托架26可包括從第一側(cè)表面32延伸至第二側(cè)表面34的第二或輔助開口 30。可配置第二開口 30使得一旦為密封第一開口 28已經(jīng)安裝了壓力感測管芯 44，則傳導(dǎo)流質(zhì)腔體38可在真空下被填滿壓力傳導(dǎo)流質(zhì)24。在填滿傳導(dǎo)流質(zhì)空腔38之前， 可通過使用任何適合的用于去除任何殘余的廢棄物或其它不需要的物質(zhì)或殘渣的方法來
5清潔由隔膜22、托架26和壓力感測管芯44所形成的傳導(dǎo)流質(zhì)空腔。一旦傳導(dǎo)流質(zhì)空腔38 被填滿，在某些實施例中，第二開口可被鍛造(或許焊接)的金屬球40密封。所想到的是，在某些實施例中，密封機制可以是陶瓷球。不過，所想到的是，可如所期望的使用密封第二開口 30的其它適合技術(shù)，例如但不限于，粘合、焊接、共熔等。壓力傳感器10的說明性設(shè)計可允許壓力傳導(dǎo)流質(zhì)的高度相對小。因此，壓力傳導(dǎo)流質(zhì)的高寬比(圖I中的高比寬)可有助于減少壓力傳導(dǎo)流質(zhì)24的溫度膨脹對壓力傳感器 10的輸出響應(yīng)的影響。如在此所使用的，高寬比一般被限定為，在隔膜22的第二側(cè)23與托架26的第一側(cè)表面32之間的壓力流質(zhì)24的距離(高度)，與托架26的每個側(cè)壁36之間的壓力流質(zhì)24的寬度之比。所想到的是，壓力傳感器10的高寬比可小于1:10。例如，在不對壓力傳感器10的整體尺寸帶來負(fù)面影響的情況下，壓力傳感器10的高寬比可為1:20或更低。隨著傳導(dǎo)流質(zhì)空腔38已經(jīng)被壓力傳導(dǎo)流質(zhì)24填滿并密封，如果期望的話，印刷電路板(PCB)或其它基板42可被安裝在托架26的第二側(cè)表面34上。如圖I中所示，基板42 的布置可使得基板42例如經(jīng)由例如直接絲焊50 (但這不是必需的)電連接到壓力感測管芯 44。在某些實施例中，基板42可包括一個或多個焊盤，以及壓力感測管芯44可包括一個或多個焊盤?？衫媒z焊將壓力感測管芯44的一個或多個焊盤與基板42的一個或多個焊盤電連接。進一步所想到的是，在某些實施例中，基板42可包括對來自壓力感測管芯44的橋信號進行補償?shù)碾娐?。不過，在其它實施例中，基板可以不包括用于補償?shù)碾娐?。同樣，在某些實例中，壓力傳感?0可包括一個或多個端子54，用于連接基板42到附加板、互聯(lián)線和/或其它如所期望的組件。在某些實例中，端子54可以是表面安裝端子。不過，所想到的是，端子54可以是用于特定應(yīng)用所期望的任何類型的端子。在操作中，要被感測的介質(zhì)能夠被提供至流質(zhì)通道14的第一端16。要被感測的介質(zhì)可具有壓力，其通過介質(zhì)傳導(dǎo)至隔膜22。施加的壓力使隔膜22變形，并且經(jīng)由壓力傳導(dǎo)流質(zhì)24傳導(dǎo)壓力至壓力感測管芯44的后側(cè)51。要被感測的介質(zhì)與大氣間的壓力差引起壓力感測管芯44的壓力感測隔膜46的撓曲，其接著對壓力感測隔膜46上的一個或多個壓阻元件施加應(yīng)力。施加通過壓阻元件的電流可提供與在要被感知的介質(zhì)中的施加的壓力相對應(yīng)的信號。在某些情況下，結(jié)果信號可通過調(diào)節(jié)電路48來調(diào)節(jié)并通過電導(dǎo)線(未詳細(xì)示出) 輸出。如以上所述，在某些實例中，壓力傳感器10可包括安裝在基板42上的可選的信號調(diào)節(jié)電路48。在某些情況下，信號調(diào)節(jié)電路可包括ASIC (特定用途集成電路)或其它電子器件。在某些情況下，可選的信號狀態(tài)保持電路48可包括放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、偏移補償電路、和/或其它適合的信號調(diào)節(jié)電子器件。當(dāng)如此提供時，信號調(diào)節(jié)電路48可接收來自壓力感測管芯44的信號，并調(diào)節(jié)和處理該信號以用于從壓力傳感器10傳輸。雖然示出了 ASIC管芯，但所想到的是，信號調(diào)節(jié)電路48可包括如所期望的任何適合的信號調(diào)節(jié)電路， 包括任何適合微處理器或微控制器、分立組件或任何其它適合的電路。在某些情況下，信號調(diào)節(jié)電路48可使用粘合劑或任何其它合適的接合機制(例如焊接、共熔等)來安裝到基板42。在某些實施例中，信號調(diào)節(jié)電路48可直接制造在基板42 上。如所示，信號調(diào)節(jié)電路48可接近壓力感測管芯44而安裝在基板42上，并且可憑借直接絲焊52與基板42電連接，但這不是必需的。在某些實施例中，信號調(diào)節(jié)電路48可經(jīng)由直接管芯對管芯絲焊與壓力感測管芯44電連接。當(dāng)被期望時,痕跡導(dǎo)體(trace conductor) 可被連接至壓力傳感器10的連接器、導(dǎo)線或端子上。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到本公開可以通過除了在此所描述和想到的特定實施例之外的各種形式來表明。因此，可在不偏離當(dāng)前公開的范圍和精神的情況下，在形式和細(xì)節(jié)上產(chǎn)生偏離。
權(quán)利要求
1.一種壓力傳感器(10)，包括外殼(12)，限定了流質(zhì)通道(14)，其中所述流質(zhì)通道(14)具有第一端(16)和第二端 (19)；隔膜(22)，具有第一側(cè)(21)和第二側(cè)(23)，所述隔膜(22)的所述第一側(cè)(21)接近所述外殼(12)的所述流質(zhì)通道(14)的所述第二端(19)而被安裝；托架(26)，具有第一側(cè)(32)和第二側(cè)(34)，以及在所述托架(26)的所述第一側(cè)(32)和所述第二側(cè)(34)之間延伸的第一開口(28)，所述托架(26)的所述第一側(cè)(32)接近所述隔膜(22)的所述第二側(cè)(34)而被安裝；壓力感測管芯(44)，接近所述托架(26)的所述第二側(cè)(34)而被安裝，所述壓力感測管芯(44)包括與所述托架(26)的所述第一開口(28)流質(zhì)連通的壓力感測隔膜(46)；傳導(dǎo)流質(zhì)空腔(38)，至少部分地由所述隔膜(22)的所述第二側(cè)(23)、所述托架(26)的所述第一側(cè)(32)和所述壓力感測管芯(44)的所述壓力感測隔膜(46)所形成；以及壓力傳導(dǎo)流質(zhì)(24)，布置于所述傳導(dǎo)流質(zhì)空腔(38)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力傳感器(10)，其中所述壓力感測管芯(44)包括前側(cè)和后側(cè)，其中所述后側(cè)包括限定了至少一部分壓力感測隔膜(46)的蝕刻的空腔，其沿所述壓力感測管芯(44)的所述前側(cè)延伸，所述壓力感測隔膜(46)包括一個或多個壓阻元件，所述壓力感測管芯(44)的所述前側(cè)包括一個或多個焊盤，以及所述壓力感測管芯(44)的后側(cè)面向所述托架(26)的所述第二側(cè)(34)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力傳感器(10)，其中所述托架(26)包括在所述托架(26)的所述第一側(cè)(32)和所述第二側(cè)(34)之間延伸的第二開口(30);以及在所述第二開口(30)中布置的密封。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓力傳感器(10)，其中所述密封包括金屬球(40 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力傳感器(10)，進一步包括壓力開口，由所述外殼(12)的所述流質(zhì)通道(14)的所述第一端(16)所限定；以及其中從所述外殼(12)的所述壓力開口起、穿過通過所述外殼(12)的所述流質(zhì)通道(14)并到達所述隔膜(22)的所述第一側(cè)(21)而提供要被感測的介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力傳感器(10)，其中所述隔膜(22)密封所述外殼(12)的所述流質(zhì)通道(14)的所述第二端(19)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力傳感器(10)，其中所述壓力傳導(dǎo)流質(zhì)(24)為液體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的壓力傳感器(10)，其中所述壓力傳導(dǎo)流質(zhì)(24)為油。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的壓力傳感器(10)，進一步包括基板(42 )，接近所述壓力感測管芯(44 )而安裝到所述托架(26 )的所述第二側(cè)(34 );其中所述基板(42)包括與所述壓力感測管芯(44)的一個或多個焊盤電通信的焊盤。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的壓力傳感器(10)，進一步包括信號調(diào)節(jié)電路，安裝在所述基板(42)上，其中所述信號調(diào)節(jié)電路(48)被配置為接收來自壓力感測管芯(44)的信號并保持所述信號的狀態(tài)以提供保持狀態(tài)的輸出信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種介質(zhì)隔離的壓力傳感器，有助于提高性能和降低成本。在一個說明性實施例中，壓力傳感器可包括具有在其中限定的一個或多個孔的托架。所述托架可與隔膜在一側(cè)相耦合，并與壓力感測管芯在另一側(cè)相耦合，與所述壓力感測管芯與所述托架中的所述孔流質(zhì)連通。所述托架、隔膜和壓力感測管芯可形成傳導(dǎo)流質(zhì)空腔，其被壓力傳導(dǎo)流質(zhì)所填滿。來自要被感測的介質(zhì)的輸出壓力可被提供至隔膜，其經(jīng)由壓力傳導(dǎo)流質(zhì)傳導(dǎo)壓力至壓力感測管芯。所述壓力感測管芯與要被感測的介質(zhì)保持隔離。
文檔編號G01L9/00GK102589787SQ20121000170
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月6日
發(fā)明者P.羅斯戈 申請人:霍尼韋爾國際公司