專利名稱：汽車通用壓力傳感器的制作方法
汽車通用壓力傳感器發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種汽車通用壓力傳感器，特別涉及一種基于硅基MEMS技術(shù)的 汽車通用壓力傳感器，該傳感器可用于各種汽車及各個(gè)車輛系統(tǒng)上面的油壓、氣壓、燃 料、冷媒、液壓等介質(zhì)的壓力測(cè)量。
背景技術(shù)：
汽車通用壓力傳感器作為汽車電子控制系統(tǒng)的信息源之一，是汽車電子控制系 統(tǒng)的關(guān)鍵部件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的核心內(nèi)容之一。汽車通用壓力傳感器在汽 車上主要用于制動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)變速箱、空調(diào)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、動(dòng)力切 換傳輸系統(tǒng)、LPG的動(dòng)力系統(tǒng)等部分的壓力測(cè)量控制。
80年代傳統(tǒng)的汽車高壓傳感器使用厚膜陶瓷技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展雖然其現(xiàn)在 陶瓷芯體的制作成本已有大幅的下降，完全滿足汽車應(yīng)用要求，但由于陶瓷材料極其脆 性特點(diǎn)，不能抗液體壓力沖擊過(guò)載(一般為1.5倍)，抗震動(dòng)能力差，靈敏度輸出很低 (2mV/V),可靠性低無(wú)法滿足汽車壓力測(cè)量的發(fā)展需要被淘汰。90年代又出現(xiàn)了使用 應(yīng)變技術(shù)的汽車高壓傳感器，在芯體的制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(dòng)能力差，同時(shí)提高了一定的抗壓力沖擊過(guò)載能力，但由于其結(jié)構(gòu)原理 使用了膠粘金屬應(yīng)變片技術(shù)，有機(jī)膠的疲勞導(dǎo)致傳感器整體壽命較短，由于膠的蠕變導(dǎo) 致測(cè)量精度會(huì)隨使用時(shí)間降低同時(shí)靈敏度輸出依然很低。近年來(lái)美國(guó)精量公司和美國(guó) 森薩塔將此技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，利用高溫玻璃粉燒結(jié)硅應(yīng)變片技術(shù)代替了膠粘金屬應(yīng)變片 技術(shù)，其芯體制作成本雖然有小幅上升卻解決了傳感器的壽命問(wèn)題和測(cè)量精度隨時(shí)間變 化問(wèn)題，同時(shí)利用硅應(yīng)變片大幅提高了靈敏度輸出但由于燒結(jié)玻璃粉工藝中玻璃粉層很 薄，面積就相對(duì)較大，對(duì)于較為脆性的玻璃材料來(lái)說(shuō)，在受到壓力快速過(guò)載沖擊及溫度 沖擊時(shí)會(huì)出現(xiàn)燒結(jié)玻璃層斷裂的現(xiàn)象，其抗壓力過(guò)載沖擊2倍，工作溫度范圍僅為-20 80°C,很多地方無(wú)法滿足汽車級(jí)的使用要求。同時(shí)后期由應(yīng)變式衍生出來(lái)的濺射薄膜式 通用壓力傳感器解決了前面應(yīng)變式的缺點(diǎn)，使用溫區(qū)也可以滿足汽車級(jí)的要求，靈敏度 輸出可達(dá)5mV/V，抗沖擊壓力過(guò)載2倍，但由于其制造成本較高，無(wú)法大范圍在汽車應(yīng) 用中推廣。歐洲KELLER公司及美國(guó)Honeywell公司等公司使用MEMS單晶硅敏感元 件，靈敏度輸出可達(dá)20mV/V，抗沖擊壓力過(guò)載3倍，在滿足汽車級(jí)所有應(yīng)用的基礎(chǔ)上雖 然利用半導(dǎo)體MEMS工藝生產(chǎn)解決了敏感元件的相對(duì)批量化低成本制造，但由于國(guó)際上 其單晶硅通用壓力傳感器芯片通用設(shè)計(jì)為背面支撐正面承壓結(jié)構(gòu)，中間需要復(fù)雜的隔離 充油焊接技術(shù)解決測(cè)量介質(zhì)兼容性的技術(shù)缺陷，卻由于加入了隔離充油焊接技術(shù)而大幅 增加了產(chǎn)品的制造成本，使其無(wú)法大范圍在汽車應(yīng)用中推廣。發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種汽車通用壓力傳感器，具有測(cè)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(cè)量要求，安裝方便可罪。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種汽車通用壓力傳感器，由傳感器殼體、 硅壓阻敏感芯體、傳感器芯座、信號(hào)調(diào)理電路、汽車電器接口組成，該硅壓阻敏感芯 體、傳感器芯座和信號(hào)調(diào)理電路位于該傳感器殼體的內(nèi)腔室，該傳感器殼體安裝于該汽 車電器接口，其中
1)該硅壓阻敏感芯體由硅壓阻敏感元件和玻璃環(huán)片組成，該硅壓阻敏感元件由 圓平硅膜片的正面依次覆蓋有^IO2層和 3N4層形成，該硅壓阻敏感元件正面中部設(shè)有惠 斯頓電橋，而周部裸露出硅膜片后，焊固于與硅有相似熱膨脹系數(shù)的該玻璃環(huán)片，該惠 斯頓電橋上應(yīng)變電阻通過(guò)焊接金絲內(nèi)引線引出，該硅壓阻敏感元件和玻璃環(huán)片正面形成 絕緣氧化層；
2)該玻璃環(huán)片另一面密封固定于該傳感器芯座上設(shè)有的環(huán)形凹坑面，該傳感器 芯座密封旋固于該傳感器殼體上的進(jìn)壓端口，該硅壓阻敏感芯體上金絲內(nèi)引線通過(guò)該傳 感器芯座之環(huán)形凹坑面上中心孔，引入到設(shè)于該中心孔另一端的轉(zhuǎn)接板后，并經(jīng)該信號(hào) 調(diào)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于該傳感器基座后形成內(nèi)腔室的傳感器外 殼組成，該傳感器外殼安裝于該汽車電器接口，該傳感器基座中部具有作為引壓端口的 臺(tái)階孔，該傳感器芯座通過(guò)螺紋密封膠旋固于該傳感器基座上臺(tái)階孔。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該臺(tái)階孔環(huán)周面具有環(huán)型凹槽，該環(huán)型凹槽設(shè)有O 型密封圈，該傳感器芯座旋固于該傳感器基座上臺(tái)階孔的同時(shí)，該傳感器芯座壓緊該O 型密封圈，實(shí)現(xiàn)該傳感器芯座與該傳感器基座密封固定。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該玻璃環(huán)片內(nèi)壁及該傳感器芯座上中心孔內(nèi)壁設(shè)有 作為絕緣表面的膠粘性硅橡膠，該傳感器芯座與傳感器基座之間環(huán)形連接縫，以及該傳 感器基座與傳感器外殼之間環(huán)形連接縫隙利用激光或電子束密封焊接。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，設(shè)有該信號(hào)調(diào)理電路的信號(hào)調(diào)理電路板固定于該傳 感器內(nèi)腔室，該信號(hào)調(diào)理電路具有信號(hào)放大、零位及滿度輸出調(diào)理、零位及靈敏度溫度 系數(shù)補(bǔ)償以及非線性修調(diào)。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)應(yīng)該傳感器壓力量程為0 0.5MRI至 IOOMPa,該圓平硅膜片的直徑為2mm 4mm，厚度為0.22 0.91mm。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該玻璃環(huán)片內(nèi)壁及該傳感器芯座上中心孔內(nèi)壁設(shè)有 作為絕緣表面的膠粘性硅橡膠。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該傳感器外殼通過(guò)密封膠旋固于該汽車電器接口， 該傳感器芯座與該傳感器基座之間環(huán)型連接縫，以及該傳感器外殼與該傳感器基座之間 環(huán)型連接縫，通過(guò)激光或電子束密封焊接。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該傳感器芯座、傳感器基座和傳感器基座為不銹鋼 材質(zhì)。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，該玻璃環(huán)片采用PyreX7740或GG_17玻璃環(huán)片。
本發(fā)明的有益技術(shù)效果是所述硅壓阻敏感元件正面設(shè)有惠斯頓電橋，而反面 作為受壓面，這樣外界介質(zhì)壓力通過(guò)引壓端口引入，通過(guò)該硅壓阻敏感元件反面受壓， 減小了外界介質(zhì)的影響，該硅壓阻敏感元件通過(guò)玻璃環(huán)片密封固定于該傳感器芯座，而4該傳感器芯座又密封固定于該傳感器殼體的引壓端口內(nèi)側(cè)，而該傳感器殼體由傳感器基 座和旋固于該傳感器基座后形成內(nèi)腔室的傳感器外殼組成，該傳感器外殼安裝于該汽車 電器接口，該傳感器基座中部具有作為引壓端口的臺(tái)階孔，該傳感器芯座通過(guò)螺紋密封 膠旋固于該傳感器基座上臺(tái)階孔，這樣通過(guò)多重措施，保證傳感器制作時(shí)玻璃環(huán)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(cè)量可靠性，該硅壓阻敏 感元件和玻璃環(huán)片正面形成絕緣氧化層，提高了測(cè)量精度，該信號(hào)調(diào)理電路的引入實(shí)現(xiàn) 了放大信號(hào)放大、零位及滿度輸出調(diào)理、零位及靈敏度溫度系數(shù)補(bǔ)償以及非線性修調(diào)， 完全滿足了汽車高壓測(cè)量的要求。


圖1為本發(fā)明中所述硅壓阻敏感元件的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明中所述硅壓阻敏感芯體的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明中所述硅壓阻敏感芯體與傳感器芯座的裝配示意圖4為本發(fā)明中裝配后的所述傳感器芯座與傳感器基座的結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
對(duì)照以上附圖作補(bǔ)充說(shuō)明
1——娃壓阻敏感元件
11——圓平硅膜片
12——SiO2 層
13——Si3N4 層
14——應(yīng)變電阻
15——金絲內(nèi)引線
2——玻璃環(huán)片
3——傳感器芯座
4——轉(zhuǎn)接板具體實(shí)施方式
結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4、圖5以下分別做進(jìn)一步描述
一種汽車通用壓力傳感器，由傳感器殼體、硅壓阻敏感芯體、傳感器芯座、信 號(hào)調(diào)理電路、汽車電器接口組成，該硅壓阻敏感芯體、傳感器芯座和信號(hào)調(diào)理電路位于 該傳感器殼體的內(nèi)腔室，該傳感器殼體安裝于該汽車電器接口，設(shè)有該信號(hào)調(diào)理電路的 信號(hào)調(diào)理電路板101固定于該傳感器內(nèi)腔室，其中
1)如圖1和圖2所示，該硅壓阻敏感芯體由硅壓阻敏感元件1和玻璃環(huán)片2組 成，該硅壓阻敏感元件1由圓平硅膜片11的正面依次覆蓋有SiO2層12和Si3N4層13形 成，該硅壓阻敏感元件正面中部設(shè)有惠斯頓電橋，而周部裸露出硅膜片后，焊固于與硅 有相似熱膨脹系數(shù)的該玻璃環(huán)片2，該惠斯頓電橋上應(yīng)變電阻14通過(guò)焊接金絲內(nèi)引線15 引出，反面受壓，減小了外界介質(zhì)的影響，該硅壓阻敏感元件和玻璃環(huán)片正面進(jìn)行半導(dǎo) 體低溫陽(yáng)極氧化絕緣處理，形成絕緣氧化層；
2)如圖3所示，該玻璃環(huán)片2另一面(未拋光毛面)通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂密封固定于該 傳感器芯座3上設(shè)有的環(huán)形凹坑面，該傳感器芯座3密封旋固于該傳感器殼體上的進(jìn)壓端 口，該壓阻敏感芯體上金絲內(nèi)引線15通過(guò)該傳感器芯座之環(huán)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(huán)形連接縫 10——螺紋密封膠 101——信號(hào)調(diào)理電路板5設(shè)于該傳感器芯座上中心孔另一端的轉(zhuǎn)接板4后，并經(jīng)該信號(hào)調(diào)理電路由該汽車電器接 口7上引出，該轉(zhuǎn)接板4粘接于該傳感器芯座上中心孔另一端的環(huán)型凹面，并經(jīng)引出電纜 芯線8連接于該信號(hào)調(diào)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和旋固于該傳感器基座5后形 成內(nèi)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銹鋼材質(zhì) 制成，該傳感器外殼6安裝于該汽車電器接口 7，該傳感器基座5中部具有作為進(jìn)壓端口 的臺(tái)階孔，該傳感器芯座3外螺紋處通過(guò)螺紋密封膠10旋固于該傳感器基座5上臺(tái)階孔 內(nèi)螺紋槽，該臺(tái)階孔環(huán)周面具有環(huán)型凹槽，該環(huán)型凹槽設(shè)有O型密封圈51，該傳感器芯 座3旋固于該傳感器基座5上臺(tái)階孔的同時(shí)，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(shí)現(xiàn)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(huán)片2內(nèi)壁及該傳感器芯座3上中心孔內(nèi)壁設(shè)有作為絕 緣表面的膠粘性硅橡膠，同時(shí)將傳感器芯座3和傳感器基座5之間環(huán)形連接縫91，以及傳 感器基座5與傳感器外殼6之間環(huán)形連接縫隙92利用激光或電子束焊接密封，形成高可 靠三重多道密封結(jié)構(gòu)。
設(shè)有該信號(hào)調(diào)理電路的信號(hào)調(diào)理電路板101固定于該傳感器內(nèi)腔室，該信號(hào)調(diào) 理電路具有信號(hào)放大、零位及滿度輸出調(diào)理、零位及靈敏度溫度系數(shù)補(bǔ)償以及非線性修 調(diào)。對(duì)應(yīng)該傳感器壓力量程為0 0.5MPa至0 lOOMRi，該圓平硅膜片的直徑為2mm 4mm,厚度為 0.22 0.91mm。
為了提高傳感器的測(cè)量精度，結(jié)構(gòu)的密封性尤為重要，該傳感器外殼6通過(guò)密 封膠旋固于該汽車電器接口 7，該傳感器芯座3與該傳感器基座5之間環(huán)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(huán)型連接縫92，通過(guò)激光或電子束密封焊接，形 成高可靠多道密封結(jié)構(gòu)。
該玻璃環(huán)片2采用PyreX7740或GG-17玻璃環(huán)片，該P(yáng)yrex玻璃環(huán)是康寧公司(Corning)的產(chǎn)品，它是專為半導(dǎo)體封裝設(shè)計(jì)，具有與硅接近的物理性能，國(guó)產(chǎn)替代產(chǎn)品 為GG-17硼硅玻璃。該硅壓阻敏感元件的惠斯通電橋部分采用中國(guó)專利“一種微型動(dòng)態(tài) 壓阻通用壓力傳感器及其制造方法”(專利號(hào)ZL2003101063^8)公開(kāi)技術(shù)方案制成。
該汽車通用壓力傳感器采用半導(dǎo)體平面集成電路技術(shù)、MEMS技術(shù)及數(shù)字智能 電路技術(shù)相結(jié)合創(chuàng)造出了具有低成本、高精度、高可靠性、長(zhǎng)壽命的汽車通用壓力傳感ο
基于本發(fā)明技術(shù)的汽車通用壓力傳感器，其主要性能指標(biāo)為
1)壓力量程0 0.5至0 IOOMPa ；
2)供電及信號(hào)供電5VDC士0.5，信號(hào)0 5V之間任意比例輸出；
3)工作溫區(qū)-40 125°C (長(zhǎng)期)，-55 1!35°C (四小時(shí))；
4)精度等級(jí)A級(jí)全工作溫區(qū)綜合誤差優(yōu)于FS，B級(jí)全工作溫區(qū)綜合誤差 優(yōu)于 0.5% FS ；
5)抗沖擊過(guò)載能力大于600% FS ；
6)使用壽命IO7壓力循環(huán)次；
7)年穩(wěn)定性0.25% FSo
權(quán)利要求
1.一種汽車通用壓力傳感器，由傳感器殼體、硅壓阻敏感芯體、傳感器芯座、信號(hào) 調(diào)理電路、汽車電器接口組成，該硅壓阻敏感芯體、傳感器芯座和信號(hào)調(diào)理電路位于該 傳感器殼體的內(nèi)腔室，該傳感器殼體安裝于該汽車電器接口，其特征在于，其中1)該硅壓阻敏感芯體由硅壓阻敏感元件(1)和玻璃環(huán)片(2)組成，該硅壓阻敏感元件(1)由圓平硅膜片(11)的正面依次覆蓋有幻02層(12)和Si3N4層(13)形成，該硅壓阻敏 感元件正面中部設(shè)有惠斯頓電橋，而周部裸露出硅膜片后，焊固于與硅有相似熱膨脹系 數(shù)的該玻璃環(huán)片(2)，該惠斯頓電橋上應(yīng)變電阻(14)通過(guò)焊接金絲內(nèi)引線(15)引出，該 硅壓阻敏感元件和玻璃環(huán)片正面形成絕緣氧化層；2)該玻璃環(huán)片(2)另一面密封固定于該傳感器芯座(3)上設(shè)有的環(huán)形凹坑面，該 傳感器芯座(3)密封旋固于該傳感器殼體上的進(jìn)壓端口，該硅壓阻敏感芯體上金絲內(nèi)引 線(15)通過(guò)該傳感器芯座之環(huán)形凹坑面上中心孔，引入到設(shè)于該中心孔另一端的轉(zhuǎn)接板 (4)后，并經(jīng)該信號(hào)調(diào)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)和旋固于該傳感器基座(5)后形成內(nèi)腔室的傳感 器外殼(6)組成，該傳感器外殼(6)安裝于該汽車電器接口(7)，該傳感器基座(5)中部 具有作為進(jìn)壓端口的臺(tái)階孔，該傳感器芯座(3)通過(guò)螺紋密封膠旋固于該傳感器基座(5) 上臺(tái)階孔。
2.如權(quán)利要求1所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特征在于，該臺(tái)階孔環(huán)周面具有 環(huán)型凹槽，該環(huán)型凹槽設(shè)有0型密封圈(51)，該傳感器芯座(3)旋固于該傳感器基座(5) 上臺(tái)階孔的同時(shí)，該傳感器芯座(3)壓緊該0型密封圈(51)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特征在于，該玻璃環(huán)片(2)內(nèi)壁 及該傳感器芯座(3)上中心孔內(nèi)壁設(shè)有作為絕緣表面的膠粘性硅橡膠，該傳感器芯座(3) 與傳感器基座(5)之間環(huán)形連接縫(91)，以及該傳感器基座(5)與傳感器外殼(6)之間環(huán) 形連接縫隙(92)利用激光或電子束密封焊接。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特征在于，設(shè)有該信號(hào) 調(diào)理電路的信號(hào)調(diào)理電路板(101)固定于該傳感器內(nèi)腔室，該信號(hào)調(diào)理電路具有信號(hào)放 大、零位及滿度輸出調(diào)理、零位及靈敏度溫度系數(shù)補(bǔ)償以及非線性修調(diào)電路。
5.如權(quán)利要求1、2或3所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特征在于，對(duì)應(yīng)該傳感 器壓力量程為0 0.5MPa至0 lOOMPa，該圓平硅膜片的直徑為2mm 4mm，厚度為 0.22 0.91mm。
6.如權(quán)利要求1、2或3所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特征在于，該玻璃環(huán)片(2)內(nèi)壁及該傳感器芯座(3)上中心孔內(nèi)壁設(shè)有作為絕緣表面的膠粘性硅橡膠。
7.如權(quán)利要求1、2或3所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特征在于，該傳感器外 殼(6)通過(guò)密封膠旋固于該汽車電器接口(7)，該傳感器芯座(3)與該傳感器基座(5)之 間環(huán)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(huán)型連接縫(92)， 通過(guò)激光或電子束密封焊接。
8.如權(quán)利要求1、2或3所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特征在于，該傳感器芯 座、傳感器基座和傳感器基座為不銹鋼材質(zhì)。
9.如權(quán)利要求1、2或3所述的一種汽車通用壓力傳感器，其特征在于，該玻璃環(huán)片 (2)采用PyreX7740或GG-17玻璃環(huán)片。
全文摘要
一種汽車通用壓力傳感器由傳感器殼體、硅壓阻敏感芯體、傳感器芯座、信號(hào)調(diào)理電路和汽車電器接口組成，硅壓阻敏感芯體、傳感器芯座和信號(hào)調(diào)理電路位于傳感器殼體的內(nèi)腔室，傳感器殼體安裝于該汽車電器接口，硅壓阻敏感芯體由硅壓阻敏感元件和玻璃環(huán)片組成，硅壓阻敏感元件設(shè)有惠斯頓電橋，惠斯頓電橋上應(yīng)變電阻通過(guò)焊接金絲內(nèi)引線引出，硅壓阻敏感元件和玻璃環(huán)片正面形成絕緣氧化層；玻璃環(huán)片另一面密封固定于傳感器芯座上設(shè)有的環(huán)形凹坑面，傳感器芯座密封旋固于傳感器殼體上的進(jìn)壓端口，硅壓阻敏感芯體上金絲內(nèi)引線通過(guò)該傳感器芯座之環(huán)形凹坑面上中心孔，引入到設(shè)于中心孔另一端的轉(zhuǎn)接板后，并經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路由該汽車電器接口上引出。
文檔編號(hào)G01L1/18GK102023066SQ20101018789
公開(kāi)日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月31日
發(fā)明者李威, 毛超民, 汪超, 王冰, 王文襄, 石橋 申請(qǐng)人:上海文襄汽車傳感器有限公司, 昆山雙橋傳感器測(cè)控技術(shù)有限公司, 王文襄