具有耐蝕膜片的壓力傳感器的製作方法
2023-04-30 09:37:56 1
專利名稱：具有耐蝕膜片的壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓力傳感器，其中，膜片被暴露於流體中，利用壓力傳感器測量流體作用在膜片上的壓力。作為示例，該傳感器被用於利用柴油顆粒過濾器(DPF)測量柴油發動機汽車的排氣管上的壓力損失。
現在，通常利用過濾器的壓力損失作為檢測被收集的積碳數量的方法。測定壓力損失的方法包括僅測量相對於過濾器而言的上遊位置的壓力的方法，或測量相對於過濾器而言的上遊位置與下遊位置之間壓力差的方法。然而當積碳被燃燒時，靠近DPF附近的氣體溫度可以升高到600℃或1000℃。為此原因，不能將通常在汽車中被廣泛使用的半導體式壓力傳感器直接安裝在排氣管上實測壓力損失。
除此之外，可將諸如軟管等附加管接在排氣管上，並且在被排出的氣體溫度充分下降的部位，將壓力傳感器接在所述軟管上，實測壓力損失。
然而由於高溫和高溼度的廢氣被冷卻，壓力傳感器被暴露於溼度達100％並且具有冷凝水的環境下。本發明人對取自柴油發動機汽車的冷凝水的樣品進行了研究。研究發現，冷凝水的pH值為2，酸度非常大，形成非常惡劣的環境。在這種具有高溼度和高酸性的惡劣環境下，壓力傳感器容易被腐蝕。
為了實現上述目的，本發明的壓力傳感器包括傳感裝置和膜片，所述膜片暴露於流體中，使用所述傳感裝置檢測相對於該流體的壓力。所述膜片由這樣的材料製成，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為50或更大，並且包含30％重量或更多的鎳，從而防止膜片受到流體的腐蝕。
圖1是一個示意性顯示符合本發明第一實施例的壓力傳感器的剖視圖；圖2是圖1所示壓力傳感器的分解圖；
圖3是一個顯示在潮溼和乾燥環境下進行抗腐蝕測試的視圖；圖4是一個圖表，顯示了抗腐蝕測試的概括結果；圖5是一個曲線圖，顯示了使第一膜片一側油量與第二膜片一側油量相等的優點；圖6是一個示意性剖視圖，顯示了現有技術中油密封類型半導體壓力傳感器；圖7是一個示意性顯示符合本發明第二實施例的壓力傳感器的剖視圖；圖8是圖7所示壓力傳感器的分解圖；圖9是一個示意性顯示符合本發明第三實施例的壓力傳感器的剖視圖；圖10A～10D是示意性顯示了現有技術中半導體壓力傳感器的剖視圖。
圖10A所示的壓力傳感器包括作為傳感裝置的半導體傳感器晶片J1。傳感器晶片J1包括具有膜片的半導體基片，正被測量的壓力被施加在圖10A所示膜片的上表面上。如圖10A所示，例如由玻璃製成的臺座J2被接合在傳感器晶片J1上，從而形成真空腔J3。臺座J2被固定在殼體J4上。所述殼體J4內部填充例如由有機材料製成的凝膠，從而如圖10A所示，密封傳感器晶片J1的上表面。
圖10B所示的壓力傳感器包括作為傳感裝置的半導體傳感器晶片J1、臺座J2、殼體J4。如圖10B所示，壓力進入通道J6被形成在臺座J2和殼體J4上，通過該壓力通道，要被測量的壓力被施加在晶片J1的膜片的下表面上。壓力進入通道J6被凝膠J5所填充。在圖10B中，膜片的上表面暴露於大氣層中。在圖10A和10B所示的各種壓力傳感器中，要被測量的壓力通過凝膠J5被施加在膜片上。每個傳感器晶片J1輸出對應於處於壓力下的膜片應力的電信號。
根據本發明人所做的研究，在圖10A所示的壓力傳感器中，溼氣可以穿透凝膠J5，使位於傳感器晶片J1上表面的配線被腐蝕。另一方面，圖10B所示的壓力傳感器不存在這樣的問題，但是當被暴露於來自廢氣的冷凝水時，凝膠J5自身的材料特性發生變化，凝膠J5的壓力傳輸特性可能變化。
圖10C所示的壓力傳感器包括金屬膜片J8。作為金屬柱J7的一部分，形成金屬膜片J8。如圖10C所示，包括應變儀的半導體晶片J9作為傳感裝置被設置在膜片J8的上表面上。在圖10C所示的壓力傳感器中，如圖10C中箭頭所示，要被測量的壓力被施加到膜片J8的內表面上。半導體晶片J9輸出對應於半導體晶片J9應變並在膜片J8由於壓力而變形的同時被產生的電信號。
在圖10D所示的壓力傳感器中，傳感器晶片J1被固定在殼體J4上的臺座J2上，向殼體J4內填充油，從而密封傳感器晶片J1的表面。此外金屬膜片J11已經被接合在殼體J4上，從而密封住油J10。如圖10D所示，要被測量的壓力施加在金屬膜片J11上。通過油J10，將壓力傳送到傳感器晶片J1上。
在圖10C和10D所示的壓力傳感器中，膜片J8、J11暴露於流體，測量作用在其上的壓力。根據本發明人所進行的研究，需要進一步地提高膜片J8、J11在上述惡劣環境下的抗腐蝕能力。通過本發明人對圖10C和10D所示半導體壓力傳感器所進行的進一步研究和實驗，發現了適合於這種需要具有高抗腐蝕性的膜片的材料。
圖1所示的符合本發明第一實施例的壓力傳感器S1被用於測量壓差。圖1所示的壓力傳感器S1可以被用作但不局限於被連接在汽車的柴油發動機的排氣管上的壓力傳感器，從而利用被連接在排氣管上的DPF實測壓力損失。壓力傳感器S1可以檢測被連接在排氣管上的DPF的上遊和下遊之間的壓力差。
如圖1所示，殼體10由樹脂製成，所述樹脂例如是聚對苯二甲酸丁二酸酯(PBT)和聚苯硫醚(PPS)，所述殼體10構成壓力傳感器S1的主體。殼體10包括連接器殼體元件11(傳感裝置放置元件)，終端10a被鑲嵌模塑在其上，傳感裝置20被設置在其上。殼體10也包括第一埠元件12和第二埠元件13，這些埠元件已經與連接器殼體元件11組裝在一起。殼體10上元件11～13中的每一種元件通過例如樹脂模塑成型而被製成。
在圖1中，第一凹入部分11a位於連接器殼體元件11的第一側面上或上側上，同時第二凹入部分11b位於連接器殼體元件11的第二側面或下側上。傳感裝置20採用下述方式位於第一凹入部分11a內，從而使第一凹入部分11a和第二凹入部分11b之間不相通。
傳感裝置20產生對應於正被實測壓力值的電信號。圖1所示的傳感裝置20是一種膜片類型的半導體傳感器晶片，其包括例如由矽製成的半導體基片，並具有作為膜片的薄部分，雖然圖中未示膜片。例如由玻璃製成的臺座30被接合在傳感裝置20上，從而與傳感裝置20和臺座30組成一體。如圖1所示，利用臺座30將傳感裝置20結合在第一凹入部分11a的底表面上。使用圖中未示的諸如矽酮型等粘結劑，將臺座30結合在底表面上。傳感裝置20被存儲和固定在第一凹入部分11a內。
如圖1所示，與第二凹入部分11b相通的通孔31被形成在臺座30上。然而傳感裝置20使第一凹入部分11a和第二凹入部分11b之間不相通。已經被鑲嵌模塑在連接器殼體元件11上的終端10a被用於拾取來自傳感裝置20的輸出，終端10a由諸如銅等導電金屬製成。每個終端10a的第一端被暴露在第一凹入部分11a內，靠近傳感裝置20，並通過由諸如鋁或金製成的導線40將其連接到傳感裝置20上。
為了密封每個終端10a的第一端和連接器殼體元件11之間的間隙，密封材料50已經被設置得圍繞著在第一凹入部分11a內被暴露的每個終端10a的第一端。密封材料50由例如樹脂製成。此外，終端10a已經採用下述方式被形成，從而基本上平行於其上已經安裝有傳感裝置20的殼體10的表面延伸，或基本上平行於凹入部分11a的底表面從靠近傳感裝置20的位置延伸。與上述第一端相反的每個終端10a的第二端暴露於殼體10的體部或連接器殼體元件11。
為了允許傳感裝置20與諸如ECU等外部設備通過終端10a和導線40交換信號，每個終端10a的第二端可以被電接到圖中未示的外部導線上。殼體10的連接器殼體元件11組成一種其上設置傳感裝置20的元件。此外第一埠12和第二埠13分別包括在圖1中用圓點劃線表示的第一和第二壓力引入口12a和13a。
在圖1的壓力傳感器S1中，利用螺釘60和螺母61、62或螺紋元件60、61和62，已經將連接器殼體元件11和埠元件12、13組裝在一起。螺母61已經被鑲嵌模塑在連接器殼體元件11上。利用螺釘60和螺母61，首先將連接器殼體元件11和第一、第二埠元件12、13連接在一起。可以使用鉚釘代替螺釘60和螺母61、62。此外連接器殼體元件11的第一凹入部分11a和第二凹入部分11b已經充滿諸如氟化物油或矽油等油70。第一膜片81已經被固定在連接器殼體元件11和第一埠12之間，同時在殼體10內，第二膜片82已經被固定在連接器殼體元件11和第二埠13之間。
在圖1所示的壓力傳感器S1中，第一和第二膜片81、82由這樣的材料製成，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為50或更大，並且包含30％重量或更多的鎳。點蝕指數是一個數值，其等於組成膜片81和82的材料中的鉻的重量百分比乘以1、鉬的重量百分比乘以3.3、氮的重量百分比乘以20之和所得到的百分比數。也就是在圖1所示的壓力傳感器S1中，該數值等於或大於50。
如圖1所示，採用這種方式設置第一膜片81，從而覆蓋第一凹入部分11a，把位於第一凹入部分11a內的油70密封起來。另一方面，採用這種方式設置第二膜片82，從而覆蓋第二凹入部分11b，把位於第二入部分11b內的油70密封起來。雖然圖1中未示，使用由樹脂製成的粘合劑分別將第一膜片81和第二膜片82結合在第一埠元件12和第二埠元件13上。在圖2中，附圖標記100代表將在下文介紹的粘合劑。
在第一和第二膜片81和82被壓靠在連接器殼體元件11上的位置上，0形環90被設置在連接器殼體元件11上，以便利用第一和第二膜片81和82更好地密封住油70。在圖1所示的壓力傳感器S1中，位於傳感裝置20一側也就是第一膜片81所在一側的油70的量最好與傳感裝置20另一側也就是第二膜片82所在一側的油70的量相同。通過在設計壓力傳感器S1時考慮第一凹入部分11a、第二凹入部分11b的容量以及傳感裝置20和臺座30的體積，可以實現上述目的。
雖然圖1中未示，但通過例如軟管，第一壓力引入口12a例如可以在相對於DPF的上遊位置被連接到排氣管，同時第二壓力引入口13a例如可以在相對於DPF的下遊位置被連接到排氣管。利用上述結構，在殼體10內，第一膜片81暴露於DPF上遊位置的壓力下，同時第二膜片82暴露於DPF下遊位置的壓力下。然後施加在第一膜片81上的壓力和施加在第二膜片82上的壓力通過油70被傳輸到傳感裝置20上。傳感裝置20檢測施加在第一膜片81上的壓力和施加在第二膜片82上的壓力之間的壓差。
在圖1所示的壓力傳感器S1中，在DPF上遊位置的壓力通過第一膜片81被施加到已經形成在傳感裝置20上的膜片的上表面，雖然圖中未示；同時在DPF下遊位置的壓力通過第二膜片82被施加到傳感裝置20上的膜片的下表面，由於上遊位置和下遊位置之間的壓力差，傳感裝置20的膜片發生應變，對應於該應變的電信號從傳感裝置20通過導線40和終端10a被傳輸到外部電路，以便檢測壓力差。
下文結合圖2介紹一種用於製造圖1所示的壓力傳感器S 1的方法。首先在第一凹入部分11a內暴露的每個終端10a的第一端被密封材料50在連接器殼體元件11內密封，終端10a和螺母61已經被鑲嵌模塑在連接器殼體元件11內。然後使用粘合劑，將已經與傳感裝置20組裝為一體的臺座30固定在連接器殼體元件11的第一凹入部分11a內的預定位置，再利用導線連接，將傳感裝置20和終端10a連接在一起。
然後使用粘合劑100，將第一膜片81固定在第一埠元件12上，將油70裝入第一凹入部分11a內。將O形環90設置在連接器殼體元件11上。然後通過在真空內利用螺釘60和螺母61將連接器殼體元件11和埠元件12擰在一起，以便密封住油70。採用這種方式緊固螺釘，從而避免在油70內產生氣泡。
隨後類似於第一埠元件12，在真空內使用螺釘62將第二埠元件13緊固在連接器殼體元件11上，第二膜片82、油70和0形環90位於其間。最後進行調整和檢測，完成圖1所示的壓力傳感器S1。
在圖1所示的壓力傳感器S1中，膜片81、82由這樣的材料製成，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為50或更大，並且包含30％重量或更多的鎳。因此，雖然膜片81、82暴露於包含來自廢氣中冷凝的高酸水的惡劣操作環境下，與現有技術中的膜片相比，膜片81、82能夠提供改善的耐腐蝕阻力。
接下來介紹膜片81、82，它們由這樣的材料製成，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為50或更大，並且包含30％重量或更多的鎳。在本發明人進行下述實驗的基礎上選擇材料。
本發明人研究了從汽車柴油發動機中排出的廢氣中冷凝處的水的成分，並發現冷凝水具有很高的酸度，pH值為2。對冷凝水進行分析顯示，存在諸如NO3-和SO42-等氧化基和諸如Cl-、CH3COO-和HCOO-等還原基，這些都引起腐蝕。特別的是Cl-會促進點蝕。
本發明人準備了多種由能夠遏制不同成分的腐蝕的元素組成的材料樣品。這些被認為能夠有效地阻止腐蝕的元素是遏制氧化基的鉻以及遏制還原基的鎳和鉬。鉻、鎳和鉬能夠遏制那些引起點蝕的基。然後本發明人使用與上述從廢氣中冷凝水具有相同成分的準冷凝水進行腐蝕測試。
下文接合圖3介紹用於腐蝕測試的方法。首先將準冷凝水添加到玻璃容器K1內，然後測試件K3被浸入準冷凝水K2內。然後在80℃下對準冷凝水K2進行蒸發，直到所有準冷凝水K2都揮發完為止。此後檢測測試件K3，看看測試件K3是否被腐蝕。測試結果如圖4所示。
如圖4所示，由具有不同重量百分比的鎳、鉻、鉬和氮組成的材料A、B、C和D以及在現有技術中廣泛使用的材料SUS631被用於製造測試件K3。在圖4中顯示了各種材料中的上述元素的重量百分比組合以及由等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數。
如圖4所示，SUS631以及材料A和B被腐蝕，因而它們的耐腐蝕性在DPF所使用的惡劣環境下不足。另一方面，點蝕指數為50或更大並且鎳含量為30％重量或更大的材料C和D沒有被腐蝕，從而它們的耐腐蝕性在DPF所使用的惡劣環境下是足夠的。
上述實驗結果來自於對材料的選擇，也就是選擇這樣的材料製造膜片81、82，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為50或更大，並且包含30％重量或更多的鎳。通過選擇這樣的材料製造膜片81、82，即使在具有高溫和高溼度的腐蝕性惡劣環境下，也能夠阻止膜片81和82被腐蝕。從而圖1所示的壓力傳感器S1適合於在惡劣環境下被使用，以便檢測例如廢氣的壓力。
此外，圖1所示的壓力傳感器20被密封在油70內，從而壓力傳感器並不暴露於惡劣的例如包括來自於廢氣中的冷凝水的操作環境下。
在圖1所示的壓力傳感器S1中，位於連接器殼體元件11第一側也就是設有前膜片81的一側的油70的量基本上與位於連接器殼體元件11第二側也就是設有後膜片82的一側的油70的量相等。
如果在上述兩側的油量顯著不同，當油70熱膨脹或收縮時，在兩側之間產生錯誤的壓力差，傳感器輸出可能出現顯著的誤差。為了避免上述問題，必須使膜片81、82足夠大，從而膜片81和82能夠輕易地變形，使用膜片81和82的變形抑止兩側之間錯誤的壓力差。
相反，在圖1所示的壓力傳感器S1中，位於連接器殼體元件11第一側也就是設有前膜片81的一側的油70的量基本上與位於連接器殼體元件11第二側也就是設有後膜片82的一側的油70的量相等。因此油70在一側的熱膨脹和收縮抵銷另一側的油70的熱膨脹和收縮，顯著地減少了傳感器輸出的誤差。
圖5顯示了第一側和第二側具有相同數量油的優點。在圖5中，表示了在不同溫度(℃)下壓力誤差測量值kPa。在此，所述誤差是指當要被檢測的實際壓力差是0kPa時所獲得的壓力。當要被檢測的實際壓力差是0kPa並且油70的溫度是25℃時，輸出的壓力值被用作適合於0kPa檢測壓力的標準。
在圖5中，「雙側油密封」涉及從多個圖1所示的壓力傳感器S1中所獲得的結果，在每個壓力傳感器S1中，在第一側的油量與在第二側的油量相同。為了進行比較，使用多個壓力傳感器測量誤差和溫度之間的係數，在每個壓力傳感器中，油僅填充一側。在圖5中，「單側油密封」涉及從基準傳感器獲得的結果。具體地說，基準傳感器是符合本發明第二實施例的一種傳感器，將在下文對此進行介紹。
如圖5所示，由於油的熱膨脹或收縮，即使當被檢測的實際壓力為0kPa，每個基準傳感器對即使3kPa的誤差非常敏感，仿佛壓力正從外部被施加到傳感裝置上。另一方面，相對於圖1所示的壓力傳感器S1，由於油70的膨脹和收縮圖1所示的壓力傳感器S1內基本上被抵消。因此，只要涉及圖1所示的壓力傳感器S1就行，為了使用膜片81和82遏制由油70的膨脹和收縮引起的錯誤的壓力差，膜片81、82不需要相對很大。因此膜片81和82可以相對很小，其結果是，壓力傳感器S1可以相對很小。
在圖1所示的壓力傳感器S1內，殼體10由樹脂製成，已經使用由樹脂製成的粘合劑100將第一膜片81和第二膜片82分別接合在第一埠元件12和第二埠元件13上。此外連接器殼體元件11包括用於拾取來自傳感裝置20的信號的終端10a，終端10a基本上平行於殼體10的表面從靠近傳感裝置20的位置向外延伸，也就是傳感裝置20位於該表面上。此外，已經使用螺紋元件60、61和62，將連接器殼體元件11和埠元件12、13中的每個連接在一起。
通過與所提議的其橫截面在圖6中被顯示的油密封半導體壓力傳感器相比，介紹圖1所示的壓力傳感器S1的優點。下文首先簡單介紹圖6所示的壓力傳感器。
如圖6所示，利用粘合劑將其上安置有傳感裝置20的臺座30固定在由樹脂製成的連接器殼體元件J11上。終端J12已經被鑲嵌模塑在連接器殼體元件J11上，通過導線連接，將傳感裝置20與終端J12電連接。殼體J13由諸如鋼等金屬製成並包括壓力引入孔J14。通過將金屬膜片J15的整個周長焊接在殼體J13，將金屬膜片J15固定在殼體J13上。在圖6中焊接部分被附圖標記15a表示。通過將連接器殼體元件J11裝配到殼體J13內，將連接器殼體元件J11和殼體J13連接在一起，使用殼體J13的端部J16夾持連接器殼體元件J11，所述端部J16圍繞連接器殼體元件J11的周邊。
通過將連接器殼體元件J11和殼體J13連接在一起，產生一個被連接器殼體元件J11和膜片J15密封的檢測腔。該檢測腔包括傳感裝置20並且其中已經充滿了油70。要被測量的壓力通過壓力引入孔J14被傳送到圖6所示的壓力傳感器內的膜片J15上。被施加到膜片J15上的壓力通過油70被傳送到傳感裝置20。傳感裝置20輸出對應於壓力級的電信號。所輸出的電信號從傳感裝置20通過終端J12被傳送到外部電路。
在圖6所示的壓力傳感器內，如上所述，用於密封油70的膜片J15通過焊接被固定在殼體J13上。利用這種結構，即使膜片J15被製造得具有高抗腐蝕阻力，焊接部分J15a仍然可能對包括來自廢氣中的高酸冷凝水的惡劣環境下的腐蝕敏感。此外，由於殼體J13自身也由金屬製成，需要考慮抗腐蝕阻力而適合地選擇材料。
相反，由於利用由樹脂製成的粘合劑100將膜片81和82固定在殼體10的埠元件12、13上，圖1所示的壓力傳感器S1在膜片81和82與殼體10的連接部分並沒有這種潛在腐蝕問題。由於殼體10暴露於廢氣的部分也由樹脂製成，殼體10自身也免於腐蝕。
圖6所示的壓力傳感器也包括在連接器殼體元件J11內用於拾取傳感裝置20的輸出的終端J12。然而如圖6所示，終端J12從靠近傳感裝置20的位置沿正交或垂直於傳感裝置20被設置在的表面的方向延伸，在此情況下，從圖6中可以得知，難以為了實測壓力差而將油70設置在傳感裝置20的兩側，由於難以在終端J12所在一側或圖6中傳感裝置20的上側找到足夠的空間用於容置油70，難以為了實測壓力差而將油70設置在傳感裝置20的兩側。
另一方面，在圖1所示的壓力傳感器S1中，終端10a沿基本上平行於傳感裝置20所在表面從靠近傳感裝置20的位置延伸，所以用於形成油密封腔的足夠的空間或第一凹入部分11a可以被輕易地形成在傳感裝置20的上側，並沒有被終端10a阻塞。也就是可以輕易地製造能夠檢測壓力差的壓力傳感器。
在圖6所示的電壓力傳感器中，通過使用殼體J13的端部J16夾持連接器殼體元件J11，連接器殼體元件J11和殼體J13被連接在一起。另一方面，在圖1所示的壓力傳感器S1中，由於用於限制從埠元件12、13伸出的管的壓力引入孔12a、13以及連接器殼體元件11遠大於埠元件12和13，不可能將連接器殼體元件的整個周邊以及埠元件12和13夾持在殼體10內。如果整個周邊不能夾持，組裝可靠性可能變得不足。
因此在圖1所示的壓力傳感器S1中使用螺絲元件60、61、62，從而連接器殼體元件11和埠元件12、13被可靠地連接在一起。然而當圖1所示的壓力傳感器S1要被安裝在車輛內時，通過使用螺釘60，用於將壓力傳感器S1安裝在車身上的支架可以被輕易地連接到壓力傳感器S1上。第二實施例圖7所示的符合本發明第二實施例的壓力傳感器S2被用於檢測絕對壓力。圖7所示的壓力傳感器可以被用作但不局限於被安裝在汽車的柴油發動機的排氣管上的壓力傳感器，以便利用被安裝在排氣管內的DPF檢測壓力損失。壓力傳感器S2可以在相對於排氣管上的DPF的上遊位置檢測壓力級。
在圖7所示的壓力傳感器S2中，殼體10由諸如PPS和PBT等樹脂製成。殼體10包括連接器殼體元件11(傳感裝置安置元件)和埠元件12。連接器殼體元件11包括終端10a。埠元件12被連接到連接器殼體元件11上並包括壓力引入口12a。埠元件12類似於圖1所示的壓力傳感器S1內的第一埠元件12，雖然壓力引入孔12a的位置略有不同。
如圖7所示，僅在連接器殼體元件11的一側上形成凹入部分11a。凹入部分11a類似於圖1所示的壓力傳感器S1內的第一凹入部分11a。將用於檢測壓力的傳感裝置20安裝在凹入部分11a內。正如圖1所示的壓力傳感器S1那樣，傳感裝置20輸出對應於正被施加壓力級的電信號，雖然正被測量的壓力是絕對壓力。圖7所示的壓力傳感器S2中的傳感裝置20也是一種膜片類型的半導體傳感器晶片，其包括例如由矽製成的半導體基片，雖然圖中未示，其具有作為膜片的薄部分。
例如由玻璃製成的臺座30已經被結合在傳感裝置20上，從而使臺座30和傳感裝置20組成一體。使用臺座30將傳感裝置20接合在凹入部分11a的底表面上。使用圖中未示的諸如矽酮類型的粘合劑將臺座30接合在所述底表面上。圖7所示的壓力傳感器S2中的臺座30並不包括任何通孔，雖然圖1所示的壓力傳感器S1內的臺座30包括通孔。代替的是，例如是真空腔的壓力基準腔被形成在臺座30和傳感裝置20之間，雖然圖中未示。
已經被鑲嵌模塑在連接器殼體元件11上的每個終端10a的第一端暴露於凹入部分11a內，並靠近傳感裝置20，並利用例如由鋁或金製成的導線與傳感裝置20電連接。密封材料50圍繞在所述凹入部分11a內暴露的每個終端10a的第一端設置，以便密封每個終端10a的第一端與連接器殼體元件11之間的間隙。所述密封材料50由例如樹脂製成。
如圖7所示，在圖7所示的壓力傳感器S2中，殼體10的連接器殼體元件11組成傳感裝置安置部分，傳感裝置20被安置在其上。
利用螺釘60和螺母61，將連接器殼體元件11和埠元件12連接在一起。所述螺母61被鑲嵌模塑在連接器殼體元件11上。利用螺釘60和螺母61，將連接器殼體元件11和埠元件12被螺紋連接在一起。也可以使用鉚釘代替螺釘60和螺母61。
作為示例，氟化物油或矽油的油70已經充滿連接器殼體元件11的凹入部分11a。膜片81在殼體10內被固定在埠元件12和連接器殼體元件11之間。膜片81類似於圖1所示的壓力傳感器S1內的第一膜片81。在圖7所示的壓力傳感器S2中，膜片81是由這樣的材料製成的金屬膜片，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為50或更大，並且包含30％重量或更多的鎳。
如圖7所示，採用這種方式設置膜片81，從而膜片81覆蓋凹入部分11a並密封位於凹入部分11a內的油70。使用由諸如氟矽酮樹脂或氟化樹脂等樹脂製成的粘合劑，將膜片81結合在埠元件12上，雖然圖7中未示粘合劑，在圖8中用附圖標記100表示這種粘合劑，將在下文對此進行介紹。
採用與圖1所示的壓力傳感器S1中的O形環90相同的方式，將O形環90設置在連接器殼體元件11上，在此位置，膜片81壓靠在連接器殼體元件11上，以便用膜片81更好地密封油70。雖然圖中未示，埠元件12的壓力引入口12a例如可以在DPF上遊的位置例如通過橡膠軟管被連接到排氣管上。利用這種結構，膜片81暴露在DPF上遊位置的壓力下。
通過油70，將施加在膜片81上的壓力傳輸到傳感裝置20上。由於所傳輸的壓力，傳感裝置20上的膜片發生應變，通過導線40和終端10a，從傳感裝置20輸出對應於該應變的電信號被傳送到外部電路，用於檢測壓力。
下文將結合圖8介紹製造圖7所示的壓力傳感器S2的方法。首先，利用密封材料50將暴露於凹入部分11a內的所述每個終端10a的第一端密封在連接器殼體元件11內，其中終端10a和螺母61已經被鑲嵌模塑在連接器殼體元件11內。然後使用粘合劑將已經與傳感裝置20組裝在一起的臺座30固定在連接器殼體元件11的凹入部分11a內的預定位置上，傳感裝置20和終端10a利用導線接合被連接。
然後使用粘合劑100將膜片81固定在埠元件12上，將油70注入凹入部分11a內。將O形環90設置在連接器殼體元件11上。然後利用螺釘60和螺母6 1進行螺紋連接，將連接器殼體元件11和埠元件12組裝在一起，形成真空，以便密封油70。採用這種方式緊固螺釘60。最後進行調整和檢測，完成圖7所示的壓力傳感器S2。
對於圖7所示的壓力傳感器S2，膜片81由這樣的材料製成，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為50或更大，並且包含30％重量或更多的鎳。因此雖然膜片被暴露在包括來自廢氣的高酸冷凝水的惡劣的操作環境下，與現有壓力傳感器中的膜片相比，膜片81能夠改善耐腐蝕性。
選擇製造膜片81的材料的原因與上文結合圖3和4所進行的介紹相同，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為50或更大，並且包含30％重量或更多的鎳。
通過使用這種材料製造膜片81，即使在具有高溫和高溼度的腐蝕惡劣環境下，也能夠阻止膜片81被腐蝕。因此，圖7所示的壓力傳感器S2適用於惡劣環境，從而能夠檢測例如廢氣的壓力。此外，圖7所示的壓力傳感器S2中的傳感裝置20被密封在油70內，從而傳感裝置20沒有暴露在例如具有從廢氣中冷凝出的水的惡劣環境下。
此外，在圖7所示的壓力傳感器S2中，粘合劑100、終端10a以及螺紋元件60和61與圖1所示壓力傳感器S1中的那些元件具有相同的特性和功能。也就是，殼體10由樹脂製成，使用由樹脂製成的粘合劑100，將膜片81固定在埠元件12上。因此膜片81的固定部分和埠元件12與殼體自身不受腐蝕。此外終端10a沿基本上平行於傳感裝置20所在的安裝表面的方向從靠近傳感裝置20的位置在殼體10內延伸。此外利用螺紋元件60和61將連接器殼體元件11(傳感裝置安裝元件)和埠元件12組裝在一起。
如上所述，當壓力傳感器S1、S2被應用於DPF應用時，圖7所示的用於檢測絕對壓力的壓力傳感器S2僅在相對於過濾器的上遊位置實測壓力級。圖1所示的用於檢測壓力差的壓力傳感器S1被用於測量在相對於過濾器的上遊位置和下遊位置的壓力之間的壓力差。
在DPF應用中，對於相對於過濾器的上遊位置的絕對壓力，壓力級的範圍是60～200kPa，過濾器的上遊位置和下遊位置之間的壓力差的取值範圍是20～50kPa。因此在圖1所示的壓力傳感器S1內，壓力級的範圍相對小。
通常，隨著要被測量的壓力變小，壓力傳感器的輸出更受油70的膨脹和收縮的影響。因為膜片的直徑越大，就越容易遏制油70的膨脹和收縮，為此原因，應該在圖1所示的壓力傳感器S1內使用具有更大直徑的膜片，以便降低油膨脹和收縮的影響，除非位於連接器殼體元件11第一側的油70的量基本上與位於連接器殼體元件11第二側的油70的量相等。
另一方面，如果要被測量的壓力級別很高，油膨脹和收縮對輸出的影響可以被忽略不計。因此，無需在圖7所示的壓力傳感器S2中使用具有較大直徑的膜片。
將圖1和圖7進行比較可以明白，圖1所示的壓力傳感器S1與圖7所示的壓力傳感器S2具有類似的元件。因此，兩種壓力傳感器S1和S2可以共享一些元件。如上所述，由於無需擴大圖1所示的壓力傳感器S1中膜片81和82的直徑，圖1所示的壓力傳感器S1與圖7所示的壓力傳感器S2可以使用具有相同尺寸的膜片。從而能夠共用一條生產線，例如形成膜片81和82、密封油70、組裝膜片81和82。第三實施例如圖9所示，符合本發明第三實施例的壓力傳感器S3包括中空圓柱體形狀的金屬杆200。在杆200的上端具有薄膜片201，在下端具有開口202。杆200被容置在金屬殼體210內。
如圖9A所示，杆200和殼體210圍繞其下端的周邊被焊接在一起，形成將杆200連接在殼體210上的焊接部分203。通過杆200上的開口202，將要測量的壓力傳送到膜片201的內表面上。使用例如具有低熔點的玻璃，將作為半導體傳感裝置並例如包括矽基片的傳感器晶片220附著在膜片201的外表面上，雖然圖中未示玻璃。
傳感器晶片220包括圖中未示的量規，當膜片由於要被測量的壓力而發生應變時，傳感器晶片220發生應變，同時改變了量規的電子特性。例如所述量規是通過在矽基片內擴散而形成的電阻，所述電阻組成橋電路，允許傳感器晶片220輸出與要被測量的壓力相關的信號。
陶瓷基片230是一種用於放大和調整來自傳感器晶片220的輸出信號的電路板，它位於傳感器晶片220的外側，位於殼體210上端的一凹入部分內。陶瓷基片230包括用於信號放大和調整的IC晶片。通過導線接合，該IC晶片與傳感器晶片220電連接。利用銷260，該陶瓷基片230被電連接到終端250上，雖然圖9中僅僅顯示了一對終端250和260。陶瓷基片230、終端250和銷260例如可以通過焊接而連接在一起。終端250已經被鑲嵌模塑在樹脂251上，樹脂251已經被固定在殼體210上並被殼體210所支承。
如圖9所示，由例如樹脂製成的連接器殼體270已經被結合在殼體210的上端上。使用O形環280對連接器殼體270和殼體210上端之間的間隙進行密封。使用殼體210上端的末端，連接器殼體270沿其整個周邊被夾持，從而連接器殼體270和殼體210被密封地連接在一起。
在圖9所示的壓力傳感器S3中，當膜片201由於要被測量的壓力而發生應變時，傳感器晶片230輸出與要被測量的壓力相關的信號。該信號被陶瓷基片230產生，並通過銷260和終端250被傳輸到外部電路。在圖9所示的壓力傳感器S3中，杆200由這樣的材料製成，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為50或更大，並且包含30％重量或更多的鎳。
因此，在圖9所示的壓力傳感器S3中，膜片201具有比現有膜片更高的耐腐蝕阻力，從而圖9所示的壓力傳感器S3適合於在惡劣環境下使用，以便檢測例如廢氣的壓力。此外圖9所示的壓力傳感器S3也可以被用於測量諸如靠近渦輪增壓充電器而不是上述DPF的廢氣壓力的高壓。
在圖1、7和9所示的壓力傳感器S1、S2和S3中，膜片81、82和201由這樣的材料製成，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為50或更大，並且包含30％重量或更多的鎳。然而根據圖4所作出的結論，膜片81、82和201最好由這樣的材料製成，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為52.5或更大，並且包含35.5％重量或更多的鎳，從而阻止壓力傳感器S1、S2和S3被腐蝕。
權利要求
1.一種壓力傳感器(S1，S2，S3)，包括傳感裝置(20，220)；第一膜片(81，201)，其中第一膜片(81，201)暴露於第一流體中，使用傳感裝置(20，220)測量相對於該流體的壓力，其中第一膜片(81，201)由這樣的材料製成，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為50或更大，並且包含30％重量或更多的鎳，從而阻止第一膜片(81，201)受第一流體的影響而被腐蝕。
2.根據權利要求1所述的壓力傳感器(S3)，其特徵在於傳感裝置(220)被連接到膜片(201)上，從而傳感裝置(220)與膜片響應於壓力同時發生應變，輸出與壓力級相關的電信號。
3.根據權利要求1所述的壓力傳感器(S2)，還包括殼體(10)，該殼體上包含凹入部分(11a)，傳感裝置(20)位於該凹入部分(11a)；油(70)，其中該凹入部分(11a)充滿了油(70)，第一膜片(81)位於凹入部分(11a)上方，以便密封住油(70)，壓力通過第一膜片(81)和油(70)而被傳送到傳感裝置(20)。
4.根據權利要求1所述的壓力傳感器(S1)，還包括殼體(10)，其具有第一側面和第二側面，所述第一側面與第二側面相反，所述殼體(10)包含位於第一側面的第一凹入部分(11a)和位於第二側面的第二凹入部分(11b)，傳感裝置(20)位於所述第一凹入部分(11a)內，從而使第一凹入部分(11a)和第二凹入部分(11b)之間不相通，以便確保傳感裝置(20)能夠承受來自第一側面或第二側面的壓力；油(70)，其位於第一側面和第二側面，其中凹入部分(11a，11b)內充滿油(70)；第二膜片(82)，其中第一膜片(81)位於第一側面上，用於密封位於第一凹入部分(11a)內的油(70)，第二膜片(82)暴露於第二流體，第二膜片(82)位於第二凹入部分(11b)，用於密封第二凹入部分(11b)內的油(70)，通過第一膜片(81)和位於第一凹入部分(11a)內的油(70)，將第一流體的壓力傳送到傳感裝置(20)，通過第二膜片(82)和位於第二凹入部分(11b)內的油(70)，將第二流體的壓力傳送到傳感裝置(20)；使用傳感裝置(20)，檢測第一流體的壓力和第二流體的壓力之間的壓力差，第二膜片(82)由這樣的材料製成，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為50或更大，並且包含30％重量或更多的鎳，從而阻止第二膜片(82)受第二流體的影響而被腐蝕。
5.根據權利要求4所述的壓力傳感器(S1)，其特徵在於位於第一側面的油(70)的量基本上等於位於第二側面的油(70)的量，從而降低由油(70)的熱膨脹和收縮而引起的傳感裝置(20)輸出電信號的誤差。
6.根據權利要求3所述的壓力傳感器(S2)，還包括包含樹脂的粘合劑(100)，其中殼體(10)由樹脂製成，所述粘合劑(100)位於第一膜片(81)和殼體(10)之間，用於將第一膜片(81)接合在殼體(10)上。
7.根據權利要求4所述的壓力傳感器(S1)，還包括由樹脂製成的粘合劑(100)，其中殼體(10)由樹脂製成，所述粘合劑(100)位於第一膜片(81)和殼體(10)之間以及第二膜片(82)和殼體(10)之間，用於將膜片(81，82)接合在殼體(10)上。
8.根據權利要求6所述的壓力傳感器(S2)，其特徵在於粘合劑(100)包括氟矽酮樹脂和氟化樹脂。
9.根據權利要求3、6和8中任一所述的壓力傳感器(S2)，其特徵在於殼體(10)包括用於拾取傳感裝置(20)所輸出的電信號的終端(10a)，所述終端(10a)沿基本上平行於殼體(10)上的安裝著傳感裝置(20)的表面的方向從靠近傳感裝置(20)的位置伸出。
10.根據權利要求3、6和8中任一所述的壓力傳感器(S2)，其特徵在於，殼體(10)包括傳感裝置安置元件(11)，其包含凹入部分(11a)；埠元件(12)，其包含壓力引入口(12a)；螺紋元件(60，61，62)和鉚釘中的一種，使用螺紋元件(60，61，62)和鉚釘中的一種將傳感裝置安置元件(11)和埠元件(12)組裝在一起。
11.根據權利要求7所述的壓力傳感器(S1)，其特徵在於粘合劑(100)包括氟矽酮樹脂和氟化樹脂。
12.根據權利要求4、5和7中任一所述的壓力傳感器(S1)，其特徵在於殼體(10)包括用於拾取傳感裝置(20)所輸出的電信號的終端(10a)，所述終端(10a)沿基本上平行於殼體(10)上的安裝著傳感裝置(20)的表面的方向從靠近傳感裝置(20)的位置伸出。
13.根據權利要求4、5和7中任一所述的壓力傳感器(S1)，其特徵在於，殼體(10)包括傳感裝置安置元件(11)，其確定了第一和第二側面；第一埠元件(12)，其包括第一壓力引入口(12a)；第二埠元件(13)，其包括第二壓力引入口(13a)；螺紋元件(60，61，62)和鉚釘中的一種，使用螺紋元件(60，61，62)和鉚釘中的一種將傳感裝置安置元件(11)和埠元件(12a，13a)組裝在一起。
14.根據權利要求1所述的壓力傳感器(S1，S2，S3)，其特徵在於膜片(81，201)由這樣的材料製成，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為52.5或更大，並且包含35.5％重量或更多的鎳。
15.根據權利要求1所述的壓力傳感器(S1，S2，S3)，其特徵在於所述第一流體是從柴油發動機排出的廢氣。
全文摘要
一種壓力傳感器(S1，S2，S3)包括傳感裝置(20，220)和膜片(81，201)。膜片(81，201)暴露於流體中，使用傳感裝置(20，220)檢測相對於該流體的壓力。膜片(81，201)由這樣的材料製成，該材料的利用等式(Cr+3.3Mo+20N)定義的點蝕指數為50或更大，並且包含30％重量或更多的鎳，從而阻止膜片(81，201)受第一流體的影響而被腐蝕。
文檔編號G01L13/02GK1453566SQ0312219
公開日2003年11月5日 申請日期2003年4月24日 優先權日2002年4月24日
發明者馬場広伸, 加藤之啟, 野村浩, 小池晴久 申請人:株式會社電裝