专利名称：汽车通用压力传感器的制作方法
汽车通用压力传感器发明领域
本发明涉及一种汽车通用压力传感器，特别涉及一种基于硅基MEMS技术的 汽车通用压力传感器，该传感器可用于各种汽车及各个车辆系统上面的油压、气压、燃 料、冷媒、液压等介质的压力测量。
背景技术：
汽车通用压力传感器作为汽车电子控制系统的信息源之一，是汽车电子控制系 统的关键部件，也是汽车电子技术领域研究的核心内容之一。汽车通用压力传感器在汽 车上主要用于制动系统、自动变速箱、空调系统、悬挂系统、发动机机油压力、动力切 换传输系统、LPG的动力系统等部分的压力测量控制。
80年代传统的汽车高压传感器使用厚膜陶瓷技术，经过多年的发展虽然其现在 陶瓷芯体的制作成本已有大幅的下降，完全满足汽车应用要求，但由于陶瓷材料极其脆 性特点，不能抗液体压力冲击过载(一般为1.5倍)，抗震动能力差，灵敏度输出很低 (2mV/V),可靠性低无法满足汽车压力测量的发展需要被淘汰。90年代又出现了使用 应变技术的汽车高压传感器，在芯体的制作成本上其仍然保持这低成本的特性，其解决 了厚膜陶瓷抗震动能力差，同时提高了一定的抗压力冲击过载能力，但由于其结构原理 使用了胶粘金属应变片技术，有机胶的疲劳导致传感器整体寿命较短，由于胶的蠕变导 致测量精度会随使用时间降低同时灵敏度输出依然很低。近年来美国精量公司和美国 森萨塔将此技术进行了改进，利用高温玻璃粉烧结硅应变片技术代替了胶粘金属应变片 技术，其芯体制作成本虽然有小幅上升却解决了传感器的寿命问题和测量精度随时间变 化问题，同时利用硅应变片大幅提高了灵敏度输出但由于烧结玻璃粉工艺中玻璃粉层很 薄，面积就相对较大，对于较为脆性的玻璃材料来说，在受到压力快速过载冲击及温度 冲击时会出现烧结玻璃层断裂的现象，其抗压力过载冲击2倍，工作温度范围仅为-20 80°C,很多地方无法满足汽车级的使用要求。同时后期由应变式衍生出来的溅射薄膜式 通用压力传感器解决了前面应变式的缺点，使用温区也可以满足汽车级的要求，灵敏度 输出可达5mV/V，抗冲击压力过载2倍，但由于其制造成本较高，无法大范围在汽车应 用中推广。欧洲KELLER公司及美国Honeywell公司等公司使用MEMS单晶硅敏感元 件，灵敏度输出可达20mV/V，抗冲击压力过载3倍，在满足汽车级所有应用的基础上虽 然利用半导体MEMS工艺生产解决了敏感元件的相对批量化低成本制造，但由于国际上 其单晶硅通用压力传感器芯片通用设计为背面支撑正面承压结构，中间需要复杂的隔离 充油焊接技术解决测量介质兼容性的技术缺陷，却由于加入了隔离充油焊接技术而大幅 增加了产品的制造成本，使其无法大范围在汽车应用中推广。发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种汽车通用压力传感器，具有测量精度高、 成本低、满足汽车上油压、气压、燃料、冷媒、液压等压力的测量要求，安装方便可罪。
本发明的技术方案是这样实现的一种汽车通用压力传感器，由传感器壳体、 硅压阻敏感芯体、传感器芯座、信号调理电路、汽车电器接口组成，该硅压阻敏感芯 体、传感器芯座和信号调理电路位于该传感器壳体的内腔室，该传感器壳体安装于该汽 车电器接口，其中
1)该硅压阻敏感芯体由硅压阻敏感元件和玻璃环片组成，该硅压阻敏感元件由 圆平硅膜片的正面依次覆盖有^IO2层和 3N4层形成，该硅压阻敏感元件正面中部设有惠 斯顿电桥，而周部裸露出硅膜片后，焊固于与硅有相似热膨胀系数的该玻璃环片，该惠 斯顿电桥上应变电阻通过焊接金丝内引线引出，该硅压阻敏感元件和玻璃环片正面形成 绝缘氧化层；
2)该玻璃环片另一面密封固定于该传感器芯座上设有的环形凹坑面，该传感器 芯座密封旋固于该传感器壳体上的进压端口，该硅压阻敏感芯体上金丝内引线通过该传 感器芯座之环形凹坑面上中心孔，引入到设于该中心孔另一端的转接板后，并经该信号 调理电路由该汽车电器接口上引出；
3)该传感器壳体由传感器基座和旋固于该传感器基座后形成内腔室的传感器外 壳组成，该传感器外壳安装于该汽车电器接口，该传感器基座中部具有作为引压端口的 台阶孔，该传感器芯座通过螺纹密封胶旋固于该传感器基座上台阶孔。
作为本发明的进一步改进，该台阶孔环周面具有环型凹槽，该环型凹槽设有O 型密封圈，该传感器芯座旋固于该传感器基座上台阶孔的同时，该传感器芯座压紧该O 型密封圈，实现该传感器芯座与该传感器基座密封固定。
作为本发明的进一步改进，该玻璃环片内壁及该传感器芯座上中心孔内壁设有 作为绝缘表面的胶粘性硅橡胶，该传感器芯座与传感器基座之间环形连接缝，以及该传 感器基座与传感器外壳之间环形连接缝隙利用激光或电子束密封焊接。
作为本发明的进一步改进，设有该信号调理电路的信号调理电路板固定于该传 感器内腔室，该信号调理电路具有信号放大、零位及满度输出调理、零位及灵敏度温度 系数补偿以及非线性修调。
作为本发明的进一步改进，对应该传感器压力量程为0 0.5MRI至 IOOMPa,该圆平硅膜片的直径为2mm 4mm，厚度为0.22 0.91mm。
作为本发明的进一步改进，该玻璃环片内壁及该传感器芯座上中心孔内壁设有 作为绝缘表面的胶粘性硅橡胶。
作为本发明的进一步改进，该传感器外壳通过密封胶旋固于该汽车电器接口， 该传感器芯座与该传感器基座之间环型连接缝，以及该传感器外壳与该传感器基座之间 环型连接缝，通过激光或电子束密封焊接。
作为本发明的进一步改进，该传感器芯座、传感器基座和传感器基座为不锈钢 材质。
作为本发明的进一步改进，该玻璃环片采用PyreX7740或GG_17玻璃环片。
本发明的有益技术效果是所述硅压阻敏感元件正面设有惠斯顿电桥，而反面 作为受压面，这样外界介质压力通过引压端口引入，通过该硅压阻敏感元件反面受压， 减小了外界介质的影响，该硅压阻敏感元件通过玻璃环片密封固定于该传感器芯座，而4该传感器芯座又密封固定于该传感器壳体的引压端口内侧，而该传感器壳体由传感器基 座和旋固于该传感器基座后形成内腔室的传感器外壳组成，该传感器外壳安装于该汽车 电器接口，该传感器基座中部具有作为引压端口的台阶孔，该传感器芯座通过螺纹密封 胶旋固于该传感器基座上台阶孔，这样通过多重措施，保证传感器制作时玻璃环片、传 感器芯座、传感器基座和传感器外壳之间密封性，从而保证了测量可靠性，该硅压阻敏 感元件和玻璃环片正面形成绝缘氧化层，提高了测量精度，该信号调理电路的引入实现 了放大信号放大、零位及满度输出调理、零位及灵敏度温度系数补偿以及非线性修调， 完全满足了汽车高压测量的要求。
图1为本发明中所述硅压阻敏感元件的结构示意图2为本发明中所述硅压阻敏感芯体的结构示意图3为本发明中所述硅压阻敏感芯体与传感器芯座的装配示意图4为本发明中装配后的所述传感器芯座与传感器基座的结构示意图5为本发明的结构示意图。
对照以上附图作补充说明
1——娃压阻敏感元件
11——圆平硅膜片
12——SiO2 层
13——Si3N4 层
14——应变电阻
15——金丝内引线
2——玻璃环片
3——传感器芯座
4——转接板具体实施方式
结合图1、图2、图3、图4、图5以下分别做进一步描述
一种汽车通用压力传感器，由传感器壳体、硅压阻敏感芯体、传感器芯座、信 号调理电路、汽车电器接口组成，该硅压阻敏感芯体、传感器芯座和信号调理电路位于 该传感器壳体的内腔室，该传感器壳体安装于该汽车电器接口，设有该信号调理电路的 信号调理电路板101固定于该传感器内腔室，其中
1)如图1和图2所示，该硅压阻敏感芯体由硅压阻敏感元件1和玻璃环片2组 成，该硅压阻敏感元件1由圆平硅膜片11的正面依次覆盖有SiO2层12和Si3N4层13形 成，该硅压阻敏感元件正面中部设有惠斯顿电桥，而周部裸露出硅膜片后，焊固于与硅 有相似热膨胀系数的该玻璃环片2，该惠斯顿电桥上应变电阻14通过焊接金丝内引线15 引出，反面受压，减小了外界介质的影响，该硅压阻敏感元件和玻璃环片正面进行半导 体低温阳极氧化绝缘处理，形成绝缘氧化层；
2)如图3所示，该玻璃环片2另一面(未抛光毛面)通过环氧树脂密封固定于该 传感器芯座3上设有的环形凹坑面，该传感器芯座3密封旋固于该传感器壳体上的进压端 口，该压阻敏感芯体上金丝内引线15通过该传感器芯座之环形凹坑面上中心孔，引入到5——传感器基座 51——O型密封圈6——传感器外壳7——汽车电器接口8——引出电缆芯线91、92——环形连接缝 10——螺纹密封胶 101——信号调理电路板5设于该传感器芯座上中心孔另一端的转接板4后，并经该信号调理电路由该汽车电器接 口7上引出，该转接板4粘接于该传感器芯座上中心孔另一端的环型凹面，并经引出电缆 芯线8连接于该信号调理电路板101输出。
如图4和图5所示，该传感器壳体由传感器基座5和旋固于该传感器基座5后形 成内腔室的传感器外壳6组成，该传感器芯座、传感器基座和传感器基座为不锈钢材质 制成，该传感器外壳6安装于该汽车电器接口 7，该传感器基座5中部具有作为进压端口 的台阶孔，该传感器芯座3外螺纹处通过螺纹密封胶10旋固于该传感器基座5上台阶孔 内螺纹槽，该台阶孔环周面具有环型凹槽，该环型凹槽设有O型密封圈51，该传感器芯 座3旋固于该传感器基座5上台阶孔的同时，该传感器芯座3压紧该O型密封圈51 (可以 用固定扭矩扳手旋入直至到底扭紧密封)，实现该传感器芯座与该传感器基座密封固定， 为了提高传感器的可靠性，该玻璃环片2内壁及该传感器芯座3上中心孔内壁设有作为绝 缘表面的胶粘性硅橡胶，同时将传感器芯座3和传感器基座5之间环形连接缝91，以及传 感器基座5与传感器外壳6之间环形连接缝隙92利用激光或电子束焊接密封，形成高可 靠三重多道密封结构。
设有该信号调理电路的信号调理电路板101固定于该传感器内腔室，该信号调 理电路具有信号放大、零位及满度输出调理、零位及灵敏度温度系数补偿以及非线性修 调。对应该传感器压力量程为0 0.5MPa至0 lOOMRi，该圆平硅膜片的直径为2mm 4mm,厚度为 0.22 0.91mm。
为了提高传感器的测量精度，结构的密封性尤为重要，该传感器外壳6通过密 封胶旋固于该汽车电器接口 7，该传感器芯座3与该传感器基座5之间环型连接缝91，以 及该传感器外壳6与该传感器基座5之间环型连接缝92，通过激光或电子束密封焊接，形 成高可靠多道密封结构。
该玻璃环片2采用PyreX7740或GG-17玻璃环片，该Pyrex玻璃环是康宁公司(Corning)的产品，它是专为半导体封装设计，具有与硅接近的物理性能，国产替代产品 为GG-17硼硅玻璃。该硅压阻敏感元件的惠斯通电桥部分采用中国专利“一种微型动态 压阻通用压力传感器及其制造方法”(专利号ZL2003101063^8)公开技术方案制成。
该汽车通用压力传感器采用半导体平面集成电路技术、MEMS技术及数字智能 电路技术相结合创造出了具有低成本、高精度、高可靠性、长寿命的汽车通用压力传感ο
基于本发明技术的汽车通用压力传感器，其主要性能指标为
1)压力量程0 0.5至0 IOOMPa ；
2)供电及信号供电5VDC士0.5，信号0 5V之间任意比例输出；
3)工作温区-40 125°C (长期)，-55 1!35°C (四小时)；
4)精度等级A级全工作温区综合误差优于FS，B级全工作温区综合误差 优于 0.5% FS ；
5)抗冲击过载能力大于600% FS ；
6)使用寿命IO7压力循环次；
7)年稳定性0.25% FSo
权利要求
1.一种汽车通用压力传感器，由传感器壳体、硅压阻敏感芯体、传感器芯座、信号 调理电路、汽车电器接口组成，该硅压阻敏感芯体、传感器芯座和信号调理电路位于该 传感器壳体的内腔室，该传感器壳体安装于该汽车电器接口，其特征在于，其中1)该硅压阻敏感芯体由硅压阻敏感元件(1)和玻璃环片(2)组成，该硅压阻敏感元件(1)由圆平硅膜片(11)的正面依次覆盖有幻02层(12)和Si3N4层(13)形成，该硅压阻敏 感元件正面中部设有惠斯顿电桥，而周部裸露出硅膜片后，焊固于与硅有相似热膨胀系 数的该玻璃环片(2)，该惠斯顿电桥上应变电阻(14)通过焊接金丝内引线(15)引出，该 硅压阻敏感元件和玻璃环片正面形成绝缘氧化层；2)该玻璃环片(2)另一面密封固定于该传感器芯座(3)上设有的环形凹坑面，该 传感器芯座(3)密封旋固于该传感器壳体上的进压端口，该硅压阻敏感芯体上金丝内引 线(15)通过该传感器芯座之环形凹坑面上中心孔，引入到设于该中心孔另一端的转接板 (4)后，并经该信号调理电路由该汽车电器接口(7)上引出；3)该传感器壳体由传感器基座(5)和旋固于该传感器基座(5)后形成内腔室的传感 器外壳(6)组成，该传感器外壳(6)安装于该汽车电器接口(7)，该传感器基座(5)中部 具有作为进压端口的台阶孔，该传感器芯座(3)通过螺纹密封胶旋固于该传感器基座(5) 上台阶孔。
2.如权利要求1所述的一种汽车通用压力传感器，其特征在于，该台阶孔环周面具有 环型凹槽，该环型凹槽设有0型密封圈(51)，该传感器芯座(3)旋固于该传感器基座(5) 上台阶孔的同时，该传感器芯座(3)压紧该0型密封圈(51)。
3.如权利要求1所述的一种汽车通用压力传感器，其特征在于，该玻璃环片(2)内壁 及该传感器芯座(3)上中心孔内壁设有作为绝缘表面的胶粘性硅橡胶，该传感器芯座(3) 与传感器基座(5)之间环形连接缝(91)，以及该传感器基座(5)与传感器外壳(6)之间环 形连接缝隙(92)利用激光或电子束密封焊接。
4.如权利要求1、2或3所述的一种汽车通用压力传感器，其特征在于，设有该信号 调理电路的信号调理电路板(101)固定于该传感器内腔室，该信号调理电路具有信号放 大、零位及满度输出调理、零位及灵敏度温度系数补偿以及非线性修调电路。
5.如权利要求1、2或3所述的一种汽车通用压力传感器，其特征在于，对应该传感 器压力量程为0 0.5MPa至0 lOOMPa，该圆平硅膜片的直径为2mm 4mm，厚度为 0.22 0.91mm。
6.如权利要求1、2或3所述的一种汽车通用压力传感器，其特征在于，该玻璃环片(2)内壁及该传感器芯座(3)上中心孔内壁设有作为绝缘表面的胶粘性硅橡胶。
7.如权利要求1、2或3所述的一种汽车通用压力传感器，其特征在于，该传感器外 壳(6)通过密封胶旋固于该汽车电器接口(7)，该传感器芯座(3)与该传感器基座(5)之 间环型连接缝(91)，以及该传感器外壳(6)与该传感器基座(5)之间环型连接缝(92)， 通过激光或电子束密封焊接。
8.如权利要求1、2或3所述的一种汽车通用压力传感器，其特征在于，该传感器芯 座、传感器基座和传感器基座为不锈钢材质。
9.如权利要求1、2或3所述的一种汽车通用压力传感器，其特征在于，该玻璃环片 (2)采用PyreX7740或GG-17玻璃环片。
全文摘要
一种汽车通用压力传感器由传感器壳体、硅压阻敏感芯体、传感器芯座、信号调理电路和汽车电器接口组成，硅压阻敏感芯体、传感器芯座和信号调理电路位于传感器壳体的内腔室，传感器壳体安装于该汽车电器接口，硅压阻敏感芯体由硅压阻敏感元件和玻璃环片组成，硅压阻敏感元件设有惠斯顿电桥，惠斯顿电桥上应变电阻通过焊接金丝内引线引出，硅压阻敏感元件和玻璃环片正面形成绝缘氧化层；玻璃环片另一面密封固定于传感器芯座上设有的环形凹坑面，传感器芯座密封旋固于传感器壳体上的进压端口，硅压阻敏感芯体上金丝内引线通过该传感器芯座之环形凹坑面上中心孔，引入到设于中心孔另一端的转接板后，并经信号调理电路由该汽车电器接口上引出。
文档编号G01L1/18GK102023066SQ20101018789
公开日2011年4月20日 申请日期2010年5月31日 优先权日2010年5月31日
发明者李威, 毛超民, 汪超, 王冰, 王文襄, 石桥 申请人:上海文襄汽车传感器有限公司, 昆山双桥传感器测控技术有限公司, 王文襄