汽車通用壓力傳感器的製作方法
2023-05-19 00:57:56 1
專利名稱：汽車通用壓力傳感器的製作方法
汽車通用壓力傳感器發明領域
本發明涉及一種汽車通用壓力傳感器，特別涉及一種基於矽基MEMS技術的 汽車通用壓力傳感器，該傳感器可用於各種汽車及各個車輛系統上面的油壓、氣壓、燃 料、冷媒、液壓等介質的壓力測量。
背景技術：
汽車通用壓力傳感器作為汽車電子控制系統的信息源之一，是汽車電子控制系 統的關鍵部件，也是汽車電子技術領域研究的核心內容之一。汽車通用壓力傳感器在汽 車上主要用於制動系統、自動變速箱、空調系統、懸掛系統、發動機機油壓力、動力切 換傳輸系統、LPG的動力系統等部分的壓力測量控制。
80年代傳統的汽車高壓傳感器使用厚膜陶瓷技術，經過多年的發展雖然其現在 陶瓷芯體的製作成本已有大幅的下降，完全滿足汽車應用要求，但由於陶瓷材料極其脆 性特點，不能抗液體壓力衝擊過載(一般為1.5倍)，抗震動能力差，靈敏度輸出很低 (2mV/V),可靠性低無法滿足汽車壓力測量的發展需要被淘汰。90年代又出現了使用 應變技術的汽車高壓傳感器，在芯體的製作成本上其仍然保持這低成本的特性，其解決 了厚膜陶瓷抗震動能力差，同時提高了一定的抗壓力衝擊過載能力，但由於其結構原理 使用了膠粘金屬應變片技術，有機膠的疲勞導致傳感器整體壽命較短，由於膠的蠕變導 致測量精度會隨使用時間降低同時靈敏度輸出依然很低。近年來美國精量公司和美國 森薩塔將此技術進行了改進，利用高溫玻璃粉燒結矽應變片技術代替了膠粘金屬應變片 技術，其芯體製作成本雖然有小幅上升卻解決了傳感器的壽命問題和測量精度隨時間變 化問題，同時利用矽應變片大幅提高了靈敏度輸出但由於燒結玻璃粉工藝中玻璃粉層很 薄，面積就相對較大，對於較為脆性的玻璃材料來說，在受到壓力快速過載衝擊及溫度 衝擊時會出現燒結玻璃層斷裂的現象，其抗壓力過載衝擊2倍，工作溫度範圍僅為-20 80°C,很多地方無法滿足汽車級的使用要求。同時後期由應變式衍生出來的濺射薄膜式 通用壓力傳感器解決了前面應變式的缺點，使用溫區也可以滿足汽車級的要求，靈敏度 輸出可達5mV/V，抗衝擊壓力過載2倍，但由於其製造成本較高，無法大範圍在汽車應 用中推廣。歐洲KELLER公司及美國Honeywell公司等公司使用MEMS單晶矽敏感元 件，靈敏度輸出可達20mV/V，抗衝擊壓力過載3倍，在滿足汽車級所有應用的基礎上雖 然利用半導體MEMS工藝生產解決了敏感元件的相對批量化低成本製造，但由於國際上 其單晶矽通用壓力傳感器晶片通用設計為背面支撐正面承壓結構，中間需要複雜的隔離 充油焊接技術解決測量介質兼容性的技術缺陷，卻由於加入了隔離充油焊接技術而大幅 增加了產品的製造成本，使其無法大範圍在汽車應用中推廣。發明內容
為解決上述問題，本發明提供了一種汽車通用壓力傳感器，具有測量精度高、 成本低、滿足汽車上油壓、氣壓、燃料、冷媒、液壓等壓力的測量要求，安裝方便可罪。
本發明的技術方案是這樣實現的一種汽車通用壓力傳感器，由傳感器殼體、 矽壓阻敏感芯體、傳感器芯座、信號調理電路、汽車電器接口組成，該矽壓阻敏感芯 體、傳感器芯座和信號調理電路位於該傳感器殼體的內腔室，該傳感器殼體安裝於該汽 車電器接口，其中
1)該矽壓阻敏感芯體由矽壓阻敏感元件和玻璃環片組成，該矽壓阻敏感元件由 圓平矽膜片的正面依次覆蓋有^IO2層和 3N4層形成，該矽壓阻敏感元件正面中部設有惠 斯頓電橋，而周部裸露出矽膜片後，焊固於與矽有相似熱膨脹係數的該玻璃環片，該惠 斯頓電橋上應變電阻通過焊接金絲內引線引出，該矽壓阻敏感元件和玻璃環片正面形成 絕緣氧化層；
2)該玻璃環片另一面密封固定於該傳感器芯座上設有的環形凹坑面，該傳感器 芯座密封旋固於該傳感器殼體上的進壓埠，該矽壓阻敏感芯體上金絲內引線通過該傳 感器芯座之環形凹坑面上中心孔，引入到設於該中心孔另一端的轉接板後，並經該信號 調理電路由該汽車電器接口上引出；
3)該傳感器殼體由傳感器基座和旋固於該傳感器基座後形成內腔室的傳感器外 殼組成，該傳感器外殼安裝於該汽車電器接口，該傳感器基座中部具有作為引壓埠的 臺階孔，該傳感器芯座通過螺紋密封膠旋固於該傳感器基座上臺階孔。
作為本發明的進一步改進，該臺階孔環周面具有環型凹槽，該環型凹槽設有O 型密封圈，該傳感器芯座旋固於該傳感器基座上臺階孔的同時，該傳感器芯座壓緊該O 型密封圈，實現該傳感器芯座與該傳感器基座密封固定。
作為本發明的進一步改進，該玻璃環片內壁及該傳感器芯座上中心孔內壁設有 作為絕緣表面的膠粘性矽橡膠，該傳感器芯座與傳感器基座之間環形連接縫，以及該傳 感器基座與傳感器外殼之間環形連接縫隙利用雷射或電子束密封焊接。
作為本發明的進一步改進，設有該信號調理電路的信號調理電路板固定於該傳 感器內腔室，該信號調理電路具有信號放大、零位及滿度輸出調理、零位及靈敏度溫度 係數補償以及非線性修調。
作為本發明的進一步改進，對應該傳感器壓力量程為0 0.5MRI至 IOOMPa,該圓平矽膜片的直徑為2mm 4mm，厚度為0.22 0.91mm。
作為本發明的進一步改進，該玻璃環片內壁及該傳感器芯座上中心孔內壁設有 作為絕緣表面的膠粘性矽橡膠。
作為本發明的進一步改進，該傳感器外殼通過密封膠旋固於該汽車電器接口， 該傳感器芯座與該傳感器基座之間環型連接縫，以及該傳感器外殼與該傳感器基座之間 環型連接縫，通過雷射或電子束密封焊接。
作為本發明的進一步改進，該傳感器芯座、傳感器基座和傳感器基座為不鏽鋼 材質。
作為本發明的進一步改進，該玻璃環片採用PyreX7740或GG_17玻璃環片。
本發明的有益技術效果是所述矽壓阻敏感元件正面設有惠斯頓電橋，而反面 作為受壓面，這樣外界介質壓力通過引壓埠引入，通過該矽壓阻敏感元件反面受壓， 減小了外界介質的影響，該矽壓阻敏感元件通過玻璃環片密封固定於該傳感器芯座，而4該傳感器芯座又密封固定於該傳感器殼體的引壓埠內側，而該傳感器殼體由傳感器基 座和旋固於該傳感器基座後形成內腔室的傳感器外殼組成，該傳感器外殼安裝於該汽車 電器接口，該傳感器基座中部具有作為引壓埠的臺階孔，該傳感器芯座通過螺紋密封 膠旋固於該傳感器基座上臺階孔，這樣通過多重措施，保證傳感器製作時玻璃環片、傳 感器芯座、傳感器基座和傳感器外殼之間密封性，從而保證了測量可靠性，該矽壓阻敏 感元件和玻璃環片正面形成絕緣氧化層，提高了測量精度，該信號調理電路的引入實現 了放大信號放大、零位及滿度輸出調理、零位及靈敏度溫度係數補償以及非線性修調， 完全滿足了汽車高壓測量的要求。
圖1為本發明中所述矽壓阻敏感元件的結構示意圖2為本發明中所述矽壓阻敏感芯體的結構示意圖3為本發明中所述矽壓阻敏感芯體與傳感器芯座的裝配示意圖4為本發明中裝配後的所述傳感器芯座與傳感器基座的結構示意圖5為本發明的結構示意圖。
對照以上附圖作補充說明
1——娃壓阻敏感元件
11——圓平矽膜片
12——SiO2 層
13——Si3N4 層
14——應變電阻
15——金絲內引線
2——玻璃環片
3——傳感器芯座
4——轉接板具體實施方式
結合圖1、圖2、圖3、圖4、圖5以下分別做進一步描述
一種汽車通用壓力傳感器，由傳感器殼體、矽壓阻敏感芯體、傳感器芯座、信 號調理電路、汽車電器接口組成，該矽壓阻敏感芯體、傳感器芯座和信號調理電路位於 該傳感器殼體的內腔室，該傳感器殼體安裝於該汽車電器接口，設有該信號調理電路的 信號調理電路板101固定於該傳感器內腔室，其中
1)如圖1和圖2所示，該矽壓阻敏感芯體由矽壓阻敏感元件1和玻璃環片2組 成，該矽壓阻敏感元件1由圓平矽膜片11的正面依次覆蓋有SiO2層12和Si3N4層13形 成，該矽壓阻敏感元件正面中部設有惠斯頓電橋，而周部裸露出矽膜片後，焊固於與矽 有相似熱膨脹係數的該玻璃環片2，該惠斯頓電橋上應變電阻14通過焊接金絲內引線15 引出，反面受壓，減小了外界介質的影響，該矽壓阻敏感元件和玻璃環片正面進行半導 體低溫陽極氧化絕緣處理，形成絕緣氧化層；
2)如圖3所示，該玻璃環片2另一面(未拋光毛面)通過環氧樹脂密封固定於該 傳感器芯座3上設有的環形凹坑面，該傳感器芯座3密封旋固於該傳感器殼體上的進壓端 口，該壓阻敏感芯體上金絲內引線15通過該傳感器芯座之環形凹坑面上中心孔，引入到5——傳感器基座 51——O型密封圈6——傳感器外殼7——汽車電器接口8——引出電纜芯線91、92——環形連接縫 10——螺紋密封膠 101——信號調理電路板5設於該傳感器芯座上中心孔另一端的轉接板4後，並經該信號調理電路由該汽車電器接 口7上引出，該轉接板4粘接於該傳感器芯座上中心孔另一端的環型凹面，並經引出電纜 芯線8連接於該信號調理電路板101輸出。
如圖4和圖5所示，該傳感器殼體由傳感器基座5和旋固於該傳感器基座5後形 成內腔室的傳感器外殼6組成，該傳感器芯座、傳感器基座和傳感器基座為不鏽鋼材質 製成，該傳感器外殼6安裝於該汽車電器接口 7，該傳感器基座5中部具有作為進壓埠 的臺階孔，該傳感器芯座3外螺紋處通過螺紋密封膠10旋固於該傳感器基座5上臺階孔 內螺紋槽，該臺階孔環周面具有環型凹槽，該環型凹槽設有O型密封圈51，該傳感器芯 座3旋固於該傳感器基座5上臺階孔的同時，該傳感器芯座3壓緊該O型密封圈51 (可以 用固定扭矩扳手旋入直至到底扭緊密封)，實現該傳感器芯座與該傳感器基座密封固定， 為了提高傳感器的可靠性，該玻璃環片2內壁及該傳感器芯座3上中心孔內壁設有作為絕 緣表面的膠粘性矽橡膠，同時將傳感器芯座3和傳感器基座5之間環形連接縫91，以及傳 感器基座5與傳感器外殼6之間環形連接縫隙92利用雷射或電子束焊接密封，形成高可 靠三重多道密封結構。
設有該信號調理電路的信號調理電路板101固定於該傳感器內腔室，該信號調 理電路具有信號放大、零位及滿度輸出調理、零位及靈敏度溫度係數補償以及非線性修 調。對應該傳感器壓力量程為0 0.5MPa至0 lOOMRi，該圓平矽膜片的直徑為2mm 4mm,厚度為 0.22 0.91mm。
為了提高傳感器的測量精度，結構的密封性尤為重要，該傳感器外殼6通過密 封膠旋固於該汽車電器接口 7，該傳感器芯座3與該傳感器基座5之間環型連接縫91，以 及該傳感器外殼6與該傳感器基座5之間環型連接縫92，通過雷射或電子束密封焊接，形 成高可靠多道密封結構。
該玻璃環片2採用PyreX7740或GG-17玻璃環片，該Pyrex玻璃環是康寧公司(Corning)的產品，它是專為半導體封裝設計，具有與矽接近的物理性能，國產替代產品 為GG-17硼矽玻璃。該矽壓阻敏感元件的惠斯通電橋部分採用中國專利「一種微型動態 壓阻通用壓力傳感器及其製造方法」(專利號ZL2003101063^8)公開技術方案製成。
該汽車通用壓力傳感器採用半導體平面集成電路技術、MEMS技術及數字智能 電路技術相結合創造出了具有低成本、高精度、高可靠性、長壽命的汽車通用壓力傳感ο
基於本發明技術的汽車通用壓力傳感器，其主要性能指標為
1)壓力量程0 0.5至0 IOOMPa ；
2)供電及信號供電5VDC士0.5，信號0 5V之間任意比例輸出；
3)工作溫區-40 125°C (長期)，-55 1!35°C (四小時)；
4)精度等級A級全工作溫區綜合誤差優於FS，B級全工作溫區綜合誤差 優於 0.5% FS ；
5)抗衝擊過載能力大於600% FS ；
6)使用壽命IO7壓力循環次；
7)年穩定性0.25% FSo
權利要求
1.一種汽車通用壓力傳感器，由傳感器殼體、矽壓阻敏感芯體、傳感器芯座、信號 調理電路、汽車電器接口組成，該矽壓阻敏感芯體、傳感器芯座和信號調理電路位於該 傳感器殼體的內腔室，該傳感器殼體安裝於該汽車電器接口，其特徵在於，其中1)該矽壓阻敏感芯體由矽壓阻敏感元件(1)和玻璃環片(2)組成，該矽壓阻敏感元件(1)由圓平矽膜片(11)的正面依次覆蓋有幻02層(12)和Si3N4層(13)形成，該矽壓阻敏 感元件正面中部設有惠斯頓電橋，而周部裸露出矽膜片後，焊固於與矽有相似熱膨脹系 數的該玻璃環片(2)，該惠斯頓電橋上應變電阻(14)通過焊接金絲內引線(15)引出，該 矽壓阻敏感元件和玻璃環片正面形成絕緣氧化層；2)該玻璃環片(2)另一面密封固定於該傳感器芯座(3)上設有的環形凹坑面，該 傳感器芯座(3)密封旋固於該傳感器殼體上的進壓埠，該矽壓阻敏感芯體上金絲內引 線(15)通過該傳感器芯座之環形凹坑面上中心孔，引入到設於該中心孔另一端的轉接板 (4)後，並經該信號調理電路由該汽車電器接口(7)上引出；3)該傳感器殼體由傳感器基座(5)和旋固於該傳感器基座(5)後形成內腔室的傳感 器外殼(6)組成，該傳感器外殼(6)安裝於該汽車電器接口(7)，該傳感器基座(5)中部 具有作為進壓埠的臺階孔，該傳感器芯座(3)通過螺紋密封膠旋固於該傳感器基座(5) 上臺階孔。
2.如權利要求1所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特徵在於，該臺階孔環周面具有 環型凹槽，該環型凹槽設有0型密封圈(51)，該傳感器芯座(3)旋固於該傳感器基座(5) 上臺階孔的同時，該傳感器芯座(3)壓緊該0型密封圈(51)。
3.如權利要求1所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特徵在於，該玻璃環片(2)內壁 及該傳感器芯座(3)上中心孔內壁設有作為絕緣表面的膠粘性矽橡膠，該傳感器芯座(3) 與傳感器基座(5)之間環形連接縫(91)，以及該傳感器基座(5)與傳感器外殼(6)之間環 形連接縫隙(92)利用雷射或電子束密封焊接。
4.如權利要求1、2或3所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特徵在於，設有該信號 調理電路的信號調理電路板(101)固定於該傳感器內腔室，該信號調理電路具有信號放 大、零位及滿度輸出調理、零位及靈敏度溫度係數補償以及非線性修調電路。
5.如權利要求1、2或3所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特徵在於，對應該傳感 器壓力量程為0 0.5MPa至0 lOOMPa，該圓平矽膜片的直徑為2mm 4mm，厚度為 0.22 0.91mm。
6.如權利要求1、2或3所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特徵在於，該玻璃環片(2)內壁及該傳感器芯座(3)上中心孔內壁設有作為絕緣表面的膠粘性矽橡膠。
7.如權利要求1、2或3所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特徵在於，該傳感器外 殼(6)通過密封膠旋固於該汽車電器接口(7)，該傳感器芯座(3)與該傳感器基座(5)之 間環型連接縫(91)，以及該傳感器外殼(6)與該傳感器基座(5)之間環型連接縫(92)， 通過雷射或電子束密封焊接。
8.如權利要求1、2或3所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特徵在於，該傳感器芯 座、傳感器基座和傳感器基座為不鏽鋼材質。
9.如權利要求1、2或3所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特徵在於，該玻璃環片 (2)採用PyreX7740或GG-17玻璃環片。
全文摘要
一種汽車通用壓力傳感器由傳感器殼體、矽壓阻敏感芯體、傳感器芯座、信號調理電路和汽車電器接口組成，矽壓阻敏感芯體、傳感器芯座和信號調理電路位於傳感器殼體的內腔室，傳感器殼體安裝於該汽車電器接口，矽壓阻敏感芯體由矽壓阻敏感元件和玻璃環片組成，矽壓阻敏感元件設有惠斯頓電橋，惠斯頓電橋上應變電阻通過焊接金絲內引線引出，矽壓阻敏感元件和玻璃環片正面形成絕緣氧化層；玻璃環片另一面密封固定於傳感器芯座上設有的環形凹坑面，傳感器芯座密封旋固於傳感器殼體上的進壓埠，矽壓阻敏感芯體上金絲內引線通過該傳感器芯座之環形凹坑面上中心孔，引入到設於中心孔另一端的轉接板後，並經信號調理電路由該汽車電器接口上引出。
文檔編號G01L1/18GK102023066SQ20101018789
公開日2011年4月20日 申請日期2010年5月31日 優先權日2010年5月31日
發明者李威, 毛超民, 汪超, 王冰, 王文襄, 石橋 申請人:上海文襄汽車傳感器有限公司, 崑山雙橋傳感器測控技術有限公司, 王文襄