CN102334019A - 具有半导体压力测量换能器的压力传感器 - Google Patents

Abstract

一种压力传感器，包括：半导体压力测量换能器(41)，其具有测量薄膜和用于将测量薄膜的变形转换成信号的电路；压力传输装置，其具有延伸通过第一和第二开口之间的固体(50)的液压路径；其中，第一开口被可与压力接触的隔离隔膜密封，以便将要测量的压力引入液压路径中；其中，液压路径在第二开口处向换能器室中开放，压力测量换能器被布置在换能器室中且换能器室被压力测量换能器的测量薄膜密封；其中，所述液压路径包含传输液体；填充元件(11)，其被布置在换能器室中，以便填充换能器室的金属壁与半导体压力测量换能器之间的空的空间；以及绝缘体板，其被布置在换能器室中并且位于测量薄膜和与测量薄膜相对的换能器室的壁之间；其中，绝缘体板(21)附着于填充元件，或者实施为与填充元件成为一体。

Description

具有半导体压力测量换能器的压力传感器

本发明涉及一种压力传感器，特别是一种具有半导体压力测量换能器的压力传感器。此类压力测量换能器包括测量薄膜和用于将测量薄膜的压力相关变形转换成电信号的电路。该电路能够包括例如具有至少两个电极的电容电路或(压电)电阻桥电路，其中，测量薄膜具有电极中的一个或桥电路的至少一个电阻器。

在过程测量技术中，通常经由压力传输装置为半导体压力测量换能器提供待测量的过程压力，因为可用半导体材料几乎不能直接耐受过程工业的变化的介质和过程条件。压力传输装置包括延伸通过第一开口与第二开口之间通常为金属的固体的液压路径；其中，第一开口被可与要测量的压力接触的隔离隔膜密封，以便将要测量的压力引入液压路径中；其中，液压路径在第二开口处向换能器室中开放。压力测量换能器被布置在换能器室中。换能器室由压力测量换能器的测量薄膜密封。液压路径包含用于压力传输的传输液体。此传输液体具有显著大于周围固体的热膨胀系数的热膨胀系数。这引起隔离隔膜的温度相关偏移并由于隔离隔膜的不可忽略的硬度而导致引入液压路径中的压力的讹误。因此，有利的是，最小化了液压路径和传输液体的体积，为此，例如填充元件被引入换能器室中以便填充换能器室的金属壁与半导体压力测量换能器之间的制造相关空的空间的液体的体积。尤其是当制造注入成型部分的形式的塑料时，能够根据需要准确地向要填充的空的空间的轮廓填充填充元件。具有用于填充换能器室壁的圆筒形侧表面与半导体换能器之间的中空空间的这样的填充元件的压力传感器由受让人以Cerabar M之名出售。

在换能器室以金属材料形成的情况下，Cerabar M额外地具有布置在换能器室中的由合成材料制成的绝缘体板。绝缘体板被支撑在换能器室壁的末端上的弹簧抵靠填充元件偏置，以便一方面使测量薄膜与金属壁绝缘，并且另一方面将填充元件和绝缘体板保持在适当位置。

填充元件、绝缘体板和弹簧的组装要求大量的手动劳动。另外，用填充元件不能直接限制弹簧占据且弹簧的工作冲程要求的体积。因此，这里存在关于传输液体的体积能够被最小化多少的极限。

因此，本发明的目的是提供一种克服了现有技术的上述缺点的压力传感器。

根据本发明，由如权利要求1限定的压力传感器来实现该目的。

本发明的压力传感器包括：

半导体压力测量换能器，所述半导体压力测量换能器具有测量薄膜和用于将测量薄膜的压力相关变形转换成电信号的电路：

压力传输装置，所述压力传输装置具有延伸通过第一开口与第二开口之间的固体的液压路径；其中，第一开口被可与要测量的压力接触的隔离隔膜密封，以便将要测量的压力引入液压路径中；其中，液压路径在第二开口处向换能器室中开放，压力测量换能器被布置在换能器室中且通过压力测量换能器的测量薄膜密封换能器室；其中，所述液压路径包含传输液体；

填充元件，其被布置在换能器室中，以便填充换能器室的金属壁与半导体压力测量换能器之间的空的空间；以及

绝缘体板，其被布置在换能器室中并且位于测量薄膜和与测量薄膜相对的换能器室的壁之间；

其特征在于绝缘体板附着于填充元件，或者实施为与填充元件成一体。

在本发明的进一步开发中，填充元件和换能器室的壁具有相互兼容的彼此啮合的固定装置，例如插头和孔、啮合凸缘和适于其的止动表面，以便以夹紧和/或形状互锁的方式将填充元件固定于换能器室的壁。填充元件能够同样地或补充地粘附于换能器室的壁。

在本发明的进一步开发中，填充元件和绝缘体具有相互互补的相互啮合的固定装置，例如插头和孔、啮合凸缘和适于其的止动表面，以便以夹紧和/或形状互锁的方式将绝缘体板固定于填充元件。绝缘体板能够同样地或补充地粘附或焊接到填充元件。尤其是超声波焊接适合于焊接塑料填充元件和绝缘体板。

在进一步开发中，绝缘体板具有足够平且光滑的区域，其适合于允许借助于吸引工具输送绝缘体板和在给定情况下连接到绝缘体板的填充元件。因此，能够例如借助于机器人自动地完成绝缘体板和填充元件的组装。

在本发明的进一步开发中，绝缘体板具有基本平的表面，其与基本上与之平行延伸的换能器室的壁的一部分相对，其中换能器室的壁的该部分与绝缘体板的表面之间的距离小于绝缘体板的表面的最长范围的20％，优选地小于10％，进一步优选地小于5％且特别优选地小于2.5％。

在进一步开发中，填充元件和换能器室的壁具有基本上圆筒形或截头圆锥体形状的轮廓，其中，在填充元件的表面与换能器室的壁之间留有环形间隙。环形间隙的体积小于包括绝缘体板的填充元件的体积的50％、优选地小于25％、进一步优选地小于20％且尤其优选地小于10％。

在本发明的进一步开发中，换能器室至少具有第一壁组件和第二壁组件；其中，半导体压力测量换能器首先安装在第一壁组件上；其中，在本发明的进一步开发的当前优选实施例中，在第一壁组件被压力紧密地连接到第二壁组件之前，填充元件同样地安装在第一壁组件上，以便压力紧密地密封换能器室。

第一壁组件能够包括例如基本上金属的平台，在其表面上能够安装半导体压力测量换能器和填充元件并且在给定情况下还能够安装绝缘体板。

当然，在将第一壁组件压力紧密地连接到第二壁组件之前，还能够在第二壁组件上安装绝缘体板并且在给定情况下还能够安装填充元件，以便压力紧密地密封换能器室。

平台能够包括例如与现有技术的Cerabar压力传感器一起使用的所谓TO8安装件。

现在将基于附图中所示的实施例的示例来解释本发明，附图如下所示：

图1a：根据本发明的当前优选实施例的本发明的压力传感器的绝缘体板和填充元件的详图；

图1b：布置在本发明的压力传感器的半导体压力测量换能器周围的填充元件的3维表示；

图1c：安装在图1b的布置的填充元件上的绝缘体板的3维表示；

图2：在本发明的压力传感器的情况下的穿过安装有半导体压力测量换能器和具有绝缘体板的填充元件的换能器室的示意性纵向截面；

图3：根据现有技术的压力传感器的情况下的穿过安装有半导体压力测量换能器和具有绝缘体板的填充元件的换能器室的示意性纵向截面；以及

图4：穿过根据现有技术的压力传感器的纵向截面。

图1中所示的填充元件11具有基本上圆筒形的基本形式，其中在其内部存在窗口12，特别是正方形窗口12。在正方形窗口12中能够容纳半导体压力测量换能器。在这种情况下，窗口的轮廓将以半导体压力测量换能器与填充元件之间保留间隙的方式与半导体压力测量换能器的轮廓匹配。另一方面，该间隙避免组件的接触并使得能够用传输液体完全润湿半导体压力测量换能器的表面，另一方面，间隙被实施为尽可能地窄(同时仍实现上述一方面的条件)，以便使传输液体的体积最小化。

填充元件在沿着其周界的上侧具有第一腔体13和第二腔体14，其用于容纳绝缘体板的互补第一和第二轴向突出。

在本发明的示出实施例中，填充元件的端面具有足够大的光滑表面，借助于该表面，能够使用吸引工具来提起并传输填充元件。

从填充元件的端面穿过填充元件延伸的是四个轴向孔15，通过轴向孔15，能够引导用于半导体压力测量换能器的电连接。

此外，在填充元件11的周界的下侧上，存在腔体17，其在填充半导体换能器室时用作传输液体的出口。

在图1a中示出了圆盘形状的绝缘体板21同时其下侧朝上。板21具有沿着其周界的第一轴向突出23和第二轴向突出24，其中，两个轴向突出都被设置为形状互锁地配合到在填充元件的上侧上沿着周界的两个腔体中。在突出和腔体分别地，在每种情况下，尺寸相互不同且分别地没有相对于填充元件的圆筒轴旋转对称地分布的情况下，由突出唯一地确定绝缘体板相对于盖的取向。绝缘体板21在其下侧上具有四个腔体25。这些腔体被提供为为用于联系半导体压力测量换能器的连接线提供空间。绝缘体板21的中心上存在轴向孔26。其用作用于传输液体的与半导体压力测量换能器的测量薄膜的中心对准的管道。此管道改善压力传感器的动态响应，但是这不是绝对要求的。

在图1b中，示出了第一壁组件，其包括平台31，在平台31上用承压连接固定半导体压力测量换能器41，其细节在这里无关紧要。在半导体压力测量换能器41周围示出了能够例如粘附于平台31的填充元件11。平台31包括基座33，环形焊接边缘32径向向外突出超过该基座33。沿着此焊接边缘32，能够将平台与第二壁组件的构件焊接在一起，以便封闭换能器室。与穿过填充元件11的孔15对准的四个电馈通35在轴向方向上延伸通过平台31的基座33；其中，馈通35包括接触销，其优选地在轴向方向上延伸，例如直至填充元件11的表面。同样地，半导体压力测量换能器41的表面例如与填充元件11的表面对准。因此，能够借助于自动化组装机器人经由键合线45将半导体压力测量换能器41的表面上的接触表面连接到接触销。电馈通35从平台延伸到平台的下侧上的远处，使得其能够穿透封装化合物，该封装化合物在后面的组装步骤之后覆盖平台的下侧。

此外，基准空气管36延伸通过基座33。例如，基准空气管在轴向方向上延伸通过基座的中心，以便向半导体压力测量换能器41的测量薄膜的后侧提供大气压力。

此外，填充管37延伸通过基座33。填充管在填充元件的腔体17下面结束，并且通过此填充管，能够用传输液体填充换能器室，并且分别地用制造的压力传感器中的传输液体填充换能器室。

图1c示出用于图1b的组件的下一个组装步骤，其中，绝缘体板21被补充地叠加在填充元件11上。绝缘体板的下侧上的横向腔体25一方面提供用于用于接触半导体压力测量换能器41的键合线的所需空间，并且另一方面用作用于传输液体的通道。

图2中的截面图示出了用于制造压力传感器的下一个组装步骤。在这里的此展示中简化的第二壁组件50具有室孔52，安装在平台31上的部分，并且因此在玻璃或半导体底座43位于压电电阻换能器元件下面的情况下看到的填充元件11、绝缘体板21和半导体压力测量换能器41被推入室孔52中；其中，平台被沿着其焊接边缘压力紧密地焊接到第二壁组件。在这种情况下，室孔具有内径，其仅不显著地大于填充元件的外径，使得填充元件11或绝缘体板21与室孔52的壁之间的环形间隙53的体积显著小于附着有绝缘体板的填充元件的圆筒形外壳的体积。因此，实施例的示出的形式的环形间隙具有小于附着有绝缘体板21的填充元件11的外壳的体积的5％的体积。相应地，绝缘体板11的端面与孔52的相对端面之间的距离小于填充元件和绝缘体板的外壳圆筒的高度的5％。换言之，环形间隙的宽度例如不大于0.2mm、优选地不大于0.15mm且尤其优选地不大于0.125mm。

通过绝缘体板相对于填充元件的精确取向，还能够通过最小体积的腔体来提供用于用于接触半导体压力测量换能器的键合线的空间。当不要求空间时，绝缘体板能够是实心的，如从图1a看到的，如在这里再一次简要提及的。

如在图2中可以看到的，管道向室孔的末端中开放。换能器室中的半导体压力测量换能器可经由此管道借助于传输液体与要测量的介质压力接触。在这种情况下，介质压力作用在半导体压力测量换能器41的测量薄膜的前表面(面对管道的表面)上，同时测量薄膜的后表面可经由基准空气管道36与大气压力接触。实施例的本示例明显与相对压力传感器有关。当然，本发明还能够应用于绝对压力传感器，其中，测量薄膜的后侧封闭真空空间。在这种情况下，则不存在基准空气路径。

填充元件21和绝缘体板21的材料包括例如耐热塑料，例如PPS，其相对于传输液体而言是化学惰性的。

半导体压力测量换能器41包括例如电阻桥电路，其电阻元件包括测量薄膜的特别掺杂半导体区。半导体压力测量换能器能够同样地包括电容换能器电路，其中，为此，测量薄膜具有至少一个电极，其可根据压力相对于对向电极偏移。本发明不依赖于关于传感器原理的细节，并且因此不需要在这里更详细地进行解释。

通过示出根据现有技术的换能器室的图3与图2的比较，由本发明实现的传输液体的体积的最小化将变得明显。

在根据现有技术的所示换能器室的情况下，借助于弹簧122抵靠填充元件111保持绝缘体板120。填充元件111被布置在半导体压力测量换能器141周围的平台131上。平台131被沿着其边缘焊接到第二壁组件150。第二壁组件150具有室孔152，其中，室孔的圆筒壁和填充元件的横向表面之间的间隙能够类似地与在对应于本发明的构造中一样窄。在这方面，本发明未提供改进，因为这更关系到室的末端。由于绝缘体板120被借助于弹簧122抵靠填充元件111预加应力，所以必需至少保持空余用于弹簧冲程的体积，并且该体积在测量操作中用油填充。

根据本发明，通过将绝缘体板附着于填充元件和弹簧的关联消除，能够显著地减小在其他情况下要求的体积。

此外，绝缘体板120被实施为在其面对半导体压力测量换能器的下侧上完全平面。这是因为绝缘体板不具有设定的相对于半导体压力测量换能器120的取向，并且在这方面，必须在每个取向上留下足够的空间用于用于半导体压力测量换能器120的连接线。由此，即使在由填充元件包围的空间中，也剩余大量的空容积，所述空体积在测量操作中由传输液体填充。

根据本发明，能够通过绝缘体板相对于填充元件的独特取向和用于连接线的可能的小体积腔体来进一步显著地减小空体积。

图4示出通过根据现有技术的相对压力传感器的纵向截面，其中，除先前彻底讨论的填充元件和绝缘体板的实施例之外，根据本发明的相对压力传感器与根据现有技术的相对压力传感器相同。为了制造本发明的相对压力传感器，在制造期间仅用本发明的部件代替所提及的部件。

该相关压力传感器包括在平台131上的半导体压力测量换能器140以及填充元件111和绝缘体板，所述绝缘体板由弹簧抵靠填充元件偏置。平台131被焊接到圆筒截面的壳体150，其中，半导体压力测量换能器140、填充元件111、绝缘体板和弹簧被布置在壳体150的内部中的室孔152中。

其中包含用于提供防火阻挡的填料的液压路径155从隔离隔膜被压力紧密地焊接到其边缘的壳体150的第一端面154延伸到孔152的端面中的开口，以便向半导体压力测量换能器提供介质压力。壳体150具有后开口，基准空气管道136被从半导体压力测量换能器140的测量薄膜的后部引导至该后开口。经由连接线连接到前面的测量薄膜的电阻元件的电通孔135在后面被引导至布置在壳体150的内部中的电路160。在平台131的后侧上的壳体150的内部空间填充有封装化合物，其覆盖电路160。

Claims (10)

1.一种压力传感器，包括：

半导体压力测量换能器，所述半导体压力测量换能器具有测量薄膜和用于将测量薄膜的压力相关变形转换成电信号的电路；

压力传输装置，所述压力传输装置具有延伸通过第一开口与第二开口之间的固体的液压路径；其中，第一开口被能够与要测量的压力接触的隔离隔膜密封，以便将要测量的压力引入液压路径中；其中，所述液压路径在第二开口处向换能器室中开放，压力测量换能器被布置在所述换能器室中且所述换能器室由压力测量换能器的测量薄膜密封；其中，所述液压路径包含传输液体；

填充元件，所述填充元件被布置在换能器室中，以便填充换能器室的金属壁与半导体压力测量换能器之间的空的空间；以及

绝缘体板，所述绝缘体板被布置在换能器室中并且位于测量薄膜和与测量薄膜相对的换能器室的壁之间；

其特征在于所述绝缘体板附着于填充元件，或者被实施为与填充元件成为一体。

2.如权利要求1所述的压力传感器，其中，所述填充元件和所述换能器室的壁具有相互兼容的固定装置，其相互啮合地定位，以便以夹紧和/或形状互锁的方式将填充元件固定于换能器室的壁。

3.如权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述填充元件粘附于换能器室的壁。

4.如权利要求1至3中的一项所述的压力传感器，其中，所述填充元件和所述绝缘体板具有相互补充的固定装置，其相互啮合，以便以夹紧和/或形状互锁的方式将绝缘体板固定到填充元件。

5.如权利要求1至4中的一项所述的压力传感器，其中，所述绝缘体板粘附或焊接到填充元件。

6.如权利要求1至5中的一项所述的压力传感器，其中，所述绝缘体板具有平面且光滑的表面，其适合于允许借助于吸引工具来传送绝缘体板和给定情况下的连接到绝缘体板的填充元件。

7.如权利要求1至6中的一项所述的压力传感器，其中，所述绝缘体板具有基本上平的表面，其与基本上与之平行地延伸的换能器室的壁的一部分相对，其中，换能器室的壁的所述一部分与绝缘体板的表面之间的距离小于绝缘体板的表面的最长范围的20％，优选地小于10％，进一步优选地小于5％且特别优选地小于2.5％。

8.权利要求1至7中的一项所述的压力传感器，其中，所述填充元件和所述换能器室的壁均具有基本上圆筒形或截头圆锥体形状的轮廓；其中，在填充元件的侧表面与换能器室的壁之间保留环形间隙；其中，环形间隙的体积小于包括绝缘体板的填充元件的体积的50％、优选地小于25％、进一步优选地小于20％且尤其优选地小于10％。

9.如权利要求1至8中的一项所述的压力传感器，其中，所述换能器室至少具有第一壁组件和第二壁组件；其中，所述半导体压力测量换能器首先被安装在第一壁组件上，并且其中，在本发明的进一步开发的当前优选实施例中，在第一壁组件被压力紧密地连接到第二壁组件之前，填充元件同样地安装在第一壁组件上，以便压力紧密地密封换能器室。

10.如权利要求1至9中的一项所述的压力传感器，其中，所述第一壁组件基本上包括金属平台，半导体压力测量换能器、填充元件和在给定情况下的绝缘体板被安装在金属平台的表面上。

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