平板式氧傳感器的封裝結構的製作方法

2023-08-02 01:31:26

專利名稱：平板式氧傳感器的封裝結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種車用氣體傳感器領域，特別是一種平板式氧傳感器的封裝結構。
背景技術：
氣體傳感器安裝在發動機排氣管上，用於檢測汽車尾氣中的某種氣體濃度，其核心元件一般為長條形平板式傳感晶片，最常用的一種氣體傳感器如平板式氧傳感器。平板式氧傳感器通過測量尾氣中的氧成分濃度，並將測得結果反饋給發動機控制器，發動機控制器以此為依據對燃燒狀態進行優化，從而使有害物質的排放達到最小化。平板式氧傳感器晶片的結構如圖1所示，晶片I測試氣體的一端附有外電極11，與尾氣接觸 』晶片I內設有空氣腔13通道，其開口在晶片I連接線的一端，與外界空氣接觸，空氣腔13內附有內電極12 ;外電極11與內電極12通過附在晶片I上的電極引線14與晶片I連接線一端的信號電極引腳15連通。一般晶片I內部還附有加熱電極16，加熱電極16與晶片I連接線一端的加熱電極引腳17連通。晶片I尾端的電極引腳15、17與傳感器的導線端子接觸，通過導線輸出信號。上述平板式氧傳感器封裝結構如圖2所示。平板式氧傳感器的晶片I穿過圓柱形下定位陶瓷件5、密封粉塊4和圓柱形上定位陶瓷件6的中部後，伸出晶片頭部和晶片尾部，然後再在下定位陶瓷件5、密封粉塊4和上定位陶瓷件6外部安裝金屬基座3進行保護。封裝此部分結構時，通過同時對密封粉塊4兩邊的定位陶瓷件5、6進行壓裝，使密封粉塊4粉碎並且成型，達到將晶片I固定和密封的作用，以保證晶片I兩端的尾氣與空氣不互相洩露。在壓裝定位陶瓷件的過程中，要保持密封粉塊4的密封性，需在壓緊定位陶瓷件6的同時收口金屬基座3使定位陶瓷件6保持對密封粉4的壓緊力，這 一工序所需的收口裝置比較複雜，收口過程也容易使內部晶片I滑動造成輕微漏氣。平板式氧傳感器的探頭側裝配用於保護晶片I頭部的探頭罩2，探頭罩2上設有多個氣孔用於流通氣體。目前探頭罩2多為單層結構，使得晶片I容易被廢氣中的碳煙和水腐蝕，降低氧傳感器的使用壽命；如果採用雙層結構則會影響氣體的流通性，降低氧傳感器的測量精度。平板式氧傳感器晶片I的尾部安裝在陶瓷套座7中，陶瓷套座與金屬基座之間的晶片裸露設置。平板式氧傳感器帶導線9的導線端子8卡裝在陶瓷套座7與晶片尾部之間，陶瓷套座7的外部採用彈性金屬卡座10將陶瓷套座夾緊，使晶片I電極引腳15、17和導線端子8保持接觸導通。這種結構的晶片電極引腳15、17封裝過程也較為複雜，容易出現晶片電極引腳與導線端子8不能良好接觸，從而導致不能可靠導通。
發明內容本實用新型解決的技術問題是提供一種平板式氧傳感器封裝結構，使得平板式氧傳感器晶片的封裝過程方便可靠，不僅能夠使封裝後的氧傳感器密封性好，還能夠保證晶片的引腳與導線端子可靠導通。為解決上述技術問題，本實用新型所採取的技術方案如下。平板式氧傳感器的封裝結構，所述氧傳感器晶片的中間段位於上定位陶瓷件、密封粉塊以及下定位陶瓷件的中心孔中，所述上定位陶瓷件、密封粉塊以及下定位陶瓷件的外部設置有用於密封晶片的基座；所述晶片頭部設置有連接在基座上用於防護晶片頭部的探頭罩；所述晶片尾部設置有用於卡接與晶片電極引腳相壓接的導線端子的陶瓷套座；所述下定位陶瓷件、密封粉塊以及上定位陶瓷件均為圓柱形結構，其中上定位陶瓷件為直徑不同並相接的兩段圓柱，上定位陶瓷件的第一段圓柱與第二段圓柱之間為用於基座收口的斜面臺階，所述斜面臺階與第一段圓柱外圓面之間的夾角為40 50° ;所述基座的內腔為三段直徑不同的圓孔，三段圓孔的直逕自晶片頭部至晶片尾部依次增大，所述下定位陶瓷件卡裝在第二段圓孔中，密封粉塊和上定位陶瓷件的第一段圓柱卡裝在第三段圓孔中；所述基座第三段圓孔端部與上定位陶瓷件斜面臺階相應的位置設置有收口端，所述收口端為上口薄端底厚的斜面段，斜面段與收口端內圓面之間的夾角為10 15° ;所述上定位陶瓷件第二段圓柱的末端與陶瓷套座相接，所述晶片電極引腳和導線端子均位於第二段圓柱的末端，第二段圓柱末端還設置有用於插入導線端子的方孔，導線端子的頭部位於方孔的底端；所述陶瓷套座與導線端子底部相應的位置設置有用於卡緊導線端子的卡口。所述導線端子 的具體結構為:所述導線端子為金屬長條片彎曲而成的具有彈力的弓形結構，導線端子的頭部寬度小於方孔的寬度，導線端子與晶片電極引腳相卡接的部位寬度大於方孔的寬度。本實用新型的改進在於:所述第二段圓柱末端的方孔開口處設置有便於導線端子插入的倒角。所述探頭罩的具體結構為:所述探頭罩為由內層罩和外層罩構成的雙層結構，內層罩和外層罩上均設置有通氣孔，內層罩的外圓柱面與外層罩的內圓柱面之間的間距為
0.5mnTlmm,內層罩的底面與外層罩的底面相接；所述外層罩的開口端固定連接在基座上；所述內層罩套裝在外層罩中，內層罩與基座連接的開口處設置有向外層罩撐開的臺階，臺階的外端卡裝在外層罩的開口端與基座間。所述探頭罩的改進在於:所述外層罩的圓柱面上環圓柱面勻布有3 4圈外通氣孔圈，每圈外通氣孔圈上勻布有八個直徑為2mm 3mm的外通氣孔，外層罩的底面上設置有與晶片同中心軸的外同心孔；所述內層罩靠近臺階的圓柱面上環圓柱面設置有一圈內通氣孔圈，該內通氣孔圈上勻布有四個直徑為1.5mm 2.5mm的內通氣孔，內層罩的底面上設置有與晶片同中心軸的內同心孔；所述內通氣孔圈位於外層罩上靠近開口端的兩圈外通氣孔圈之間。所述探頭罩的進一步改進在於:所述內層罩的外圓柱面上與外通氣孔相應的位置設置有用於對氣體流向進行導向的分流磚。由於採用了以上技術方案，本實用新型所取得技術進步如下。採用本實用新型對氧傳感器的晶片進行封裝，可使整個裝配過程簡單易操作，本實用新型的封裝結構在保證晶片信號能夠有效導通，並能有效探測氣體的基礎上，有效防止了氣體的洩漏，大大提高了氧傳感器檢測的精確性。定位陶瓷件收口處圓錐形結構的設置和金屬基座收口邊圓錐斜面形結構的設置，使得收口過程更加簡單方便，收緊效果更加明顯，還可減輕對工裝的磨損。弧形的工裝收口面可以在下壓過程中改變對基座口的受力方向，完成下壓和收口兩方向的力，使晶片的密封一次完成，不易滑動漏氣。導線端子與晶片電極引腳連接處裝配方便簡單，導線端子受陶瓷套座的卡口限位，牢固可靠。探頭罩採用雙層一體結構，裝配簡單方便，可有效保護晶片不受水滴落引起的熱衝擊損壞。此種結構的探頭罩不易沉積顆粒如碳煙等，因此可以避免通氣孔的堵塞，既能有效保護晶片，又能保證氣體快速流通。

圖1是平板式氧傳感器晶片功能結構圖。圖2是傳統平板式氧傳感器的封裝結構圖。圖3是本實用新型平板式氧傳感器的封裝結構圖。圖4是本實用新型平板式氧傳感器密封收口部分示意圖。其中:1、晶片，11、外電極，12、內電極，13、空氣腔，14、電極引線，15、信號電極引腳，16、加熱電極，17、加熱電極引腳，2、探頭罩，21、內層罩，22、外層罩，23、臺階，24、外通氣孔，25、外同心孔，26、內同心孔，27、內通氣孔，3、基座，31、外螺紋，32、收口端，33、斜面段，34、內圓面，35、收口端底端，4、密封粉塊，5、下定位陶瓷件，6、上定位陶瓷件，61、斜面臺階，62、方孔，7、陶瓷套座，71、卡口，8、導線端子，81、導線端子頭部，82、導線端子中間部，9、導線，a、收口工裝，b、收口面。·具體實施方式
下面將結合具體實施例和附圖，對本實用新型進行進一步詳細說明。一種平板式氧傳感器的封裝結構，如圖3所示。所述氧傳感器晶片I密封在基座3內，基座3的外圓柱面上設置有外螺紋31。晶片I的中間段位於上定位陶瓷件6、密封粉塊4以及下定位陶瓷件5的中心孔中，基座套裝在上定位陶瓷件6、密封粉塊4以及下定位陶瓷件5的外部。上述下定位陶瓷件5、密封粉塊4以及上定位陶瓷件6均為圓柱形結構，其中上定位陶瓷件6為直徑不同並相接的兩段圓柱，上定位陶瓷件6的第一段圓柱與第二段圓柱之間設置為過渡的斜面臺階61，該斜面臺階用於基座3收口 ；斜面臺階61與第一段圓柱外圓面之間的夾角為40 50°。本實施例中斜面臺階61與第一段圓柱外圓面之間的夾角為45。。基座3的內腔為三段直徑不同的圓孔，三段圓孔的直逕自晶片頭部至晶片尾部依次增大，所述下定位陶瓷件5卡裝在第二段圓孔中，密封粉塊4和上定位陶瓷件6的第一段圓柱卡裝在第三段圓孔中。基座3的第三段圓孔端部與上定位陶瓷件6斜面臺階61相應的位置設置有收口端32，收口端32為上口薄端底厚的斜面段33，斜面段33與收口端32內圓面34之間的夾角為10 15°。在本實施例中斜面段33與收口端32內圓面之間的夾角為 15。。晶片的尾部設置有陶瓷套座7，陶瓷套座7用於卡接導線端子8，導線端子8位於晶片尾部與陶瓷套座之間，並與晶片電極引腳相壓接。上述上定位陶瓷件6第二段圓柱的末端與陶瓷套座7相接，晶片電極引腳和導線端子8均位於第二段圓柱的末端，第二段圓柱末端還設置有方孔62，用於插入導線端子8，方孔62的數量與位置均與晶片電極引腳相應，方孔62的開口處設置有便於導線端子8插入的倒角。所述陶瓷套座7與導線端子8底部相應的位置設置有卡口 71，用於卡緊導線端子8 ;所述導線端子8的頭部位於方孔62的底端，導線端子8的尾部位於卡口 71內，用於將導線端子卡緊，防止導線端子前後移動。在本實施例中導線端子8為金屬長條片彎曲而成的具有彈力的弓形結構，導線端子頭部81的寬度小於方孔62的寬度，便於導線端子從方孔中裝入；導線端子8與晶片電極引腳相卡接的部位寬度大於方孔62的寬度，利用導線端子形成的弓形結構產生彈力從而將晶片電極引腳壓緊，以保持導線端子與晶片電極引腳接觸良好。晶片的頭部設置有探頭罩2，探頭罩2連接在基座3上，用於防護晶片頭部。探頭罩2為由雙層結構包括內層罩21和外層罩22，內層罩21和外層罩22上均設置有通氣孔，內層罩21的底面與外層罩22的底面相接，內層罩21的外圓柱面與外層罩22的內圓柱面之間的間距為0.5mm 1mm，在本實施例中該間距為1mm。其中外層罩22的開口端固定連接在基座3上，外層罩22的圓柱面上環圓柱面勻布有3 4圈外通氣孔圈，每圈外通氣孔圈上勻布有八個直徑為2mm 3mm的外通氣孔24,外層罩22的底面上設置有與晶片同中心軸的外同心孔25。本實施例中外層罩22的圓柱面設置有四圈外通氣孔圈，外通氣孔圈上外通氣孔24的直徑為3mm。內層罩21套裝在外層罩22中，內層罩21與基座(3)連接的開口處設置有向外層罩22撐開的臺階23，臺階23的外端卡裝在外層罩22的開口端與基座3間。內層罩21靠近臺階23的圓柱面上環圓柱面設置有一圈內通氣孔圈，內通氣孔圈位於外層罩22上靠近開口端的兩圈外通氣孔圈之間，該內通氣孔圈上勻布有四個直徑為2.5mm的內通氣孔27 ；該當然內通氣孔的直徑還可以為1.5 2.5mm之間的任意數值。所述內層罩21的底面上還設置有與晶片同中心軸的內同心孔26。內層罩21的外圓柱面上與外通氣孔24相應的位置設置有分流磚，用於對氣體流向進行導向。本實用新型所述的封裝結構，通過以下封裝方法進行封裝。首先將氧傳感器晶片I插入密封粉塊4的中心孔中，將上定位陶瓷件6和下定位陶瓷件5分別從氧傳感器晶片I的尾部和頭部套入，然後將晶片放入基座3的內腔中，使下定位陶瓷件5正好通過第二段圓孔，並堵在第一段圓孔的臺階上；向上定位陶瓷件6施加預緊力使中間的密封粉塊4初步粉碎和壓緊，晶片I即被密封粉預夾緊在基座3中。當然，上述步驟也可先將晶片I放入基座3內腔後，再依次套入下定位陶瓷件5、密封粉塊4和上定位陶瓷件6，組裝順序可依據夾具設計改變。第二步，將收口工裝套入上定位陶瓷件6的第二段圓柱上，收口工裝a的收口面b採用弧度為90度的圓弧面，如圖4所示。將收口工裝a下壓，工裝圓弧面b剛觸碰基座3時與收口端32的斜面段33夾角小於40度，收口端32上口設置為倒圓角會使基座收口端32的受力 角變得更小，收口端的斜面段33受較小的衝擊力便開始向中心收緊。然後斜面段33沿著工裝圓弧面b趨向水平，收口端底端35設置較厚的臺階，防止收口端底端35膨脹變形。受力後的斜面段33逐漸隨著工裝收口面b向下擠壓上定位陶瓷件6，密封粉塊4被進一步壓碎和壓緊，粉末填充實空隙。基座收口端32收口到位後，晶片I密封緊實。第三步，將晶片I的電極引腳15、17包裹在上定位陶瓷件6第二段圓柱末端的方孔62內壁上，然後將導線端子8插入方孔62中，使導線端子頭部81頂住方孔62底部，不可向前移動，此時導線端子8成弓形產生彈力夾緊晶片電極引腳15、17。然後將導線端子8的尾部卡入陶瓷套座7的卡口 71中，使導線端子8不可向後移動。本實用新型中方孔62的方形尺寸正好包裹住導線端子8，使其不可左右晃動，整個導線端子8被固定後，保持與裝配好的晶片I電極引腳接觸導通，再通過導線9輸出信號。第四步，將內外層形成一體的探頭罩2—次性裝配在基座3上，可採用雷射焊接的方式，也可以採用收口工裝將探頭罩固定在基座上。最後，藉助設置在基座外圓柱面上的外螺紋31將平板式氧傳感器旋接在汽車排氣管的接口位置，使氧傳感器晶片的頭部進入排管的廢氣流中，氧傳感器晶片的尾部則位於排氣管外。在排氣管中，雙層結構的探頭罩能夠有效防止尾氣中的冷凝水與碳煙顆粒堆積在晶片I的表面。平板式氧傳感器在測量過程中，汽車尾氣通過外層罩22的外通氣孔24進入，在內層罩21外壁表面方向上轉向，使冷凝水保留在內層罩的外壁表面上，防止冷凝水接觸晶片I。外層罩22的外通氣孔24處也不會沉積碳煙顆粒，碳煙顆粒自外通氣孔24進入後，沉積在內層罩21外壁表面上，防止碳煙顆粒接觸晶片I。內層罩、外層罩多孔交錯的設置方式能夠保持探頭罩2內的氣體與外界快速交換，且排氣管中的廢氣波動形成圍繞探頭罩2區域的一個強的渦流，能夠加速廢氣的交換。廢氣依次通過內層罩和外層罩底面的內同心孔26、外同心孔25流出平板式氧傳感器。堆積在內層罩上的冷凝水會隨著溫度的增加水蒸發，由於碳煙顆粒靠近晶片1，則會被晶片I加熱的高溫燃 燒掉，因此內層罩的外壁上也不會堆積過多的廢棄物。
權利要求1.一種平板式氧傳感器的封裝結構，所述氧傳感器晶片(I)的中間段位於上定位陶瓷件(6)、密封粉塊(4)以及下定位陶瓷件(5)的中心孔中，所述上定位陶瓷件(6)、密封粉塊(4)以及下定位陶瓷件(5)的外部設置有用於密封晶片的基座(3);所述晶片頭部設置有連接在基座(3)上用於防護晶片頭部的探頭罩(2);所述晶片尾部設置有用於卡接與晶片電極引腳相壓接的導線端子(8)的陶瓷套座(7);其特徵在於: 所述下定位陶瓷件(5)、密封粉塊(4)以及上定位陶瓷件(6)均為圓柱形結構，其中上定位陶瓷件(6)為直徑不同並相接的兩段圓柱，上定位陶瓷件(6)的第一段圓柱與第二段圓柱之間為用於基座(3)收口的斜面臺階(61)，所述斜面臺階(61)與第一段圓柱外圓面之間的夾角為40 50° ; 所述基座(3)的內腔為三段直徑不同的圓孔，三段圓孔的直逕自晶片頭部至晶片尾部依次增大，所述下定位陶瓷件(5)卡裝在第二段圓孔中，密封粉塊(4)和上定位陶瓷件(6)的第一段圓柱卡裝在第三段圓孔中； 所述基座(3)第三段圓孔端部與上定位陶瓷件(6)斜面臺階(61)相應的位置設置有收口端(32)，所述收口端(32)為上口薄端底厚的斜面段(33)，斜面段(33)與收口端(32)內圓面之間的夾角為10 15° ; 所述上定位陶瓷件(6)第二段圓柱的末端與陶瓷套座(7)相接，所述晶片電極引腳和導線端子(8)均位於第二段圓柱的末端，第二段圓柱末端還設置有用於插入導線端子(8)的方孔(62)，導線端子(8)的頭部位於方孔(62)的底端；所述陶瓷套座(7)與導線端子(8)底部相應的位置設置有用於卡緊導線端子(8)的卡口(71)。
2.根據權利要求1所述的平板式氧傳感器的封裝結構，其特徵在於:所述導線端子(8)為金屬長條片彎曲而成的具有彈力的弓形結構，導線端子(8)的頭部寬度小於方孔(62)的寬度，導線端子(8)與晶片電極引腳相卡接的部位寬度大於方孔(62)的寬度。`
3.根據權利要求2所述的平板式氧傳感器的封裝結構，其特徵在於:所述第二段圓柱末端的方孔(62)開口處設置有便於導線端子(8)插入的倒角。
4.根據權利要求1所述的平板式氧傳感器的封裝結構，其特徵在於:所述探頭罩(2)為由內層罩(21)和外層罩(22)構成的雙層結構，內層罩(21)和外層罩(22)上均設置有通氣孔，內層罩(21)的外圓柱面與外層罩(22)的內圓柱面之間的間距為0.5mm 1mm，內層罩(21)的底面與外層罩(22)的底面相接；所述外層罩(22)的開口端固定連接在基座(3)上；所述內層罩(21)套裝在外層罩(22)中，內層罩(21)與基座(3)連接的開口處設置有向外層罩(22)撐開的臺階(23)，臺階(23)的外端卡裝在外層罩(22)的開口端與基座(3)間。
5.根據權利要求4所述的平板式氧傳感器的封裝結構，其特徵在於:所述外層罩(22)的圓柱面上環圓柱面勻布有3 4圈外通氣孔圈，每圈外通氣孔圈上勻布有八個直徑為2mm 3mm的外通氣孔(24)，外層罩(22)的底面上設置有與晶片同中心軸的外同心孔(25);所述內層罩(21)靠近臺階(23)的圓柱面上環圓柱面設置有一圈內通氣孔圈，該內通氣孔圈上勻布有四個直徑為1.5mm 2.5mm的內通氣孔(27)，內層罩(21)的底面上設置有與晶片同中心軸的內同心孔(26);所述內通氣孔圈位於外層罩(22)上靠近開口端的兩圈外通氣孔圈之間。
6.根據權利要求5所述平板式氧傳感器的封裝結構，其特徵在於:所述內層罩(21)的外圓柱面上與外通氣孔(24)相應的位置設置有用於對氣體流向進行導向的分流磚。
專利摘要本實用新型公開了一種平板式氧傳感器的封裝結構，其主要改進在於對用於定位並密封氧傳感器晶片的套座和上定位陶瓷件的結構進行了改進，對晶片電極引腳與導線端子的導通結構進行了改進，對用於保護晶片頭部的探頭罩進行了改進，從而使得氧傳感器晶片的裝配過程變得簡單易操作，在保證封裝後的晶片其信號能夠有效導通，並能有效探測氣體的基礎上，有效防止了氣體的洩漏，大大提高了氧傳感器檢測的精確性。
文檔編號G01N27/00GK203148873SQ201320128379
公開日2013年8月21日 申請日期2013年3月20日 優先權日2013年3月20日
發明者肖 琳 申請人:無錫隆盛科技股份有限公司