基于微熔技术的高温压力传感器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于微熔技术的高温压力传感器，包括壳体和设置在壳体内的电路板，其特征在于，它还包括应变电阻片和用于传递压力产生应变的17-4PH低碳钢结构，所述17-4PH低碳钢结构为柱状结构，所述柱状结构的正面为测量面，所述测量面与测量介质直接接触，所述柱状结构的反面通过玻璃微熔方式与应变电阻片的一面粘贴，所述应变电阻片的另一面与电路板通过超声键合方式连接后封装在一体，组成一个压力测量传感器。本实用新型解决了高温测量压力时的散热问题。数字信号处理电路可通过电脑实现可编程标定，从而减少了外界对传感器信号的影响，提高了稳定性，降低了生产成本；并具有结构简单、耐冲击、使用寿命长等优点，可用于高温压力测量。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及的是传感器领域，具体涉及的是一种基于微熔技术的传感器和信 号处理电路的高温压力传感器。 基于微熔技术的高温压力传感器
【背景技术】
[0002] 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一 定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、 记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
[0003] 传感技术一研究传感器的材料、设计、工艺、性能和应用等的综合技术。传感技 术是一门边缘技术，它涉及物理学，数学，化学，以及对其敏感元件部分的研究和开发，除了 对其芯片的研究和开发外，也应十分重视传感器的封装工艺和封装结构的研究，这往往是 引起传感器不能稳定可靠地工作的关键因素之一。
[0004] 但当压力传感器在高温介质压力测量领域使用时，结构传热引起温度漂移，普通 的芯片粘贴技术限制了传感器在高温领域的使用，传统工艺调试困难限制了批量实现，要 求传感器在宽的温度范围内满足一定的测量精度，传统的压力传感器难于满足要求。将传 统的压力传感器用于使用环境十分恶劣的产品上，高温、冲击，过载，温度漂移，批量生产都 会面临比较大的问题。
[0005] 而目前在传感器应用中，多为传感器和其信号处理电路分开的电路，芯片采用有 机胶粘贴方式，这样做最大的问题是体积大、成本高、耐温等级有限，且封装困难，尤其是应 用在高温压力传感器的信号电路的设计、温度特性的补偿方法、生产过程的自动化水平都 十分低下，影响传感器的稳定性，同时无法实现批量化生产，因此传感器需要进一步的改 进。 实用新型内容
[0006] 针对现有技术上存在的不足，本实用新型目的是提供一种体积小、成本低、传感器 和信号处理电路一体式的基于微烙技术的高温压力传感器，提高了传感器的稳定性。
[0007] 为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：
[0008] 基于微熔技术的高温压力传感器，包括壳体和设置在壳体内的电路板，其特征在 于，它还包括应变电阻片和传递压力产生应变的17-4PH低碳钢结构，即马氏体沉淀硬化型 不锈钢结构；该17-4PH低碳钢结构为柱状结构，柱状结构正面为测量面，所述测量面与测 量介质直接接触，用来传递压力，柱状结构背面采用玻璃微熔方式与应变电阻片的一面粘 贴，柱状结构与外部结构之间通过焊接方式连接，整个结构处于测量介质与电路板之间，测 量介质的压力作用在柱状结构测量表面，产生的变形，改变应变片的电阻值，电阻值的变化 反映了测量介质的压力变化，所述应变电阻片的另一面与电路板通过超声键合方式连接后 封装在一体，组成一个压力测量传感器；提高了耐温度等级，将应变电阻片通过玻璃微熔技 术与一 17-4PH低碳钢金属基体封装在一起。
[0009] 所述壳体采用的高温散热结构，为了达到良好的散热效果，高温散热结构，所述高 温散热结构为呈百叶窗结构的多层片状不锈钢结构，增加了介质回路，增大了散热面积。 [0010] 所述电路板上设置有数字信号处理电路，所述数字信号处理电路与应变电阻片相 连接。
[0011] 所述数字信号处理电路采用的是德州仪器的PGA309。
[0012] 所述数字信号处理电路还连接有输出端子，所述输出端子通过编程电路板与计算 机相连接。
[0013] 所述输出端子采用的是PGA309EVM-USB。
[0014] 所述应变电阻片与输出端子还连接有第一放大电路和第二放大电路。
[0015] 本实用新型采用微熔技术将压力应变电阻片与17-4PH低碳钢结构、电路板封装 在一起的一体式工艺，不锈钢散热结构，无"〇"型密封圈，绝无泄漏隐患。数字信号处理电 路可通过电脑实现可编程标定，从而减少了外界对传感器信号的影响，提高了稳定性，降低 了生产成本。同时从工艺上将能保证大规模生产，满足了市场的需求,将对汽车高温压力传 感器起到进口替代并形成部分核心器件国产化目的，并具有结构简单、体积小、重量轻、使 用寿命长等优异的特点，可广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能 建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 下面结合附图和【具体实施方式】来详细说明本实用新型；
[0017] 图1为本实用新型的高温压力传感器的结构框图。
[0018] 图2为本实用新型的高温化压力传感器的电路图。
[0019] 图3为本实用新型的高温化压力传感器的电路原理图。
[0020] 图4为本实用新型的一实施例。
【具体实施方式】 [0021]
[0022] 为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面 结合【具体实施方式】，进一步阐述本实用新型。
[0023] 参见图1至图4,本实用新型基于微熔技术的高温压力传感器，其采用玻璃微熔技 术将压力应变电阻片与17-4PH低碳钢结构封装在一起的一体式结构的基于微熔技术的高 温压力传感器1〇〇,其包括壳体、安装在壳体内的电路板以及压力应变电阻片、17-4PH低碳 钢结构；壳体上采用了不锈钢散热结构1〇5(多层片状散热结构，为了达到良好的散热效果， 设计了多层片状不锈钢结构，增加了介质回路，增大了散热面积)，应变电阻片、电路板以及 17-4PH低碳钢结构通过玻璃微熔技术封装在一体，组成一个压力测量传感器。
[0024] 本实施中，电路板设置有数字信号处理电路110,数字信号处理电路110采用的是 德州仪器的PGA309。数字信号处理电路110输入端连接应变电阻片电桥120输出端；从而 使数字信号处理电路110和应变电阻片电桥120集成为一体结构，减少了传感器的体积和 外界对传感器的影响，不锈钢散热结构与玻璃微熔技术工艺，满足了在高温环境下使用的 要求，提高了传感器的稳定性，降低了生产本。数字信号处理电路110输出端通过第一放大 电路和第二放大电路连接有输出端子130,输出端子130采用的是PGA309EVM-USB，输出端 子130连接芯片编程板一端，该芯片编程板另一端通过USB通讯接口连接计算机，其，通过 编程板来实现数字信号处理电路110的可编程功能。
[0025] 值得注意的是，本实施中，为了实现可编程功能，在数字信号处理电路中还集成有 单片机和电可擦写可编程只读存储器（EEPR0M)，通过单片机和EEPR0M来实现可编程的数 字信号补偿功能，提高了压力传感器的使用寿命。
[0026] 此外，在国内市场中应用，存在的主要技术瓶颈是国内传感器厂的封装工艺。本实 施例中，为了便于整个基于微熔技术的高温压力传感器1〇〇的封装，提高传感器的稳定性， 在基于微熔技术的高温压力传感器100上还设有各种信号引出管脚的焊盘，该编程、信号 引出管脚连接单片机和EEPR0M，与外部设备如编程板等相连接，方便了整个基于微熔技术 的高温压力传感器100的封装。在基于微熔技术的高温压力传感器100上还设有与外部设 备连接的可调整接口即输出信号的焊盘，可调整接口适合连接不同的设备，适合客户具体 应用。在本实用新型中，由于将应变电阻片电桥120和数字信号处理电路130封装在一起， 并通过输出端子与外部设备相连接，所以其标定和封装过程需要有压焊机、净化车间等工 具来实现，增加了基于微熔技术的高温压力传感器100的封装效果，提高了传感器的稳定 性。
[0027] 再参见图2,本实用新型中的应变电阻片120采用惠斯通原理，将应变片通过特殊 的微熔技术紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片 也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化；本实施例 中，该应变电阻片120为电阻组成的应变电桥121，由于这种应变片在受力时产生的阻值变 化通常较小，电压发生变化也相应较小，所以该应变电桥121输出端还连接有第一放大电 路122和第二放大电路125,变化后电压经过第一放大电路放大后转化为电信号输出。
[0028] 值得一提的是，本实用新型中，在第一放大电路122输出端还连接有斩波解调器 123以及增益校准电路124,放大后的电信号通过斩波解调器123和增益校准电路124调解 和校准后，再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU )显示或执行机构，再有第二放大电 路125输出。
[0029] 更加注意的是，再参见图2,在本实用新型中，在芯片100上内置有温度传感器 140,温度传感器140的感应信息通过A/D转换器160后输给数字处理电路110输入端，然 后经过D /A转换器170输送给第一放大电路122和第二放大电路125,从而达到本实用新 型的温度补偿的目的。另外，在数字处理电路110上还连接检测电路150,进行检测和调试 的作用。
[0030] 由于基于微熔技术的高温压力传感器100是整体式结构，所以需要先为最终产品 定制结构(压力接口尺寸)。传感器使用用户仅需要将输出端子130与电脑连接。
[0031] 本实用新型的工作原理如下：
[0032] 本实用新型采用微熔技术将压力应变电阻片与17-4PH低碳钢结构封装在一起， 传感器和数字信号处理相连，压力传感器的功能是将外界压力信号转换为电信号输出；数 字信号处理电路的功能是通过编程将传感器输出的电信号转换成标准的电压信号输出。编 程的主要功能是实现输出标定和温度补偿。
[0033] 本实用新型将17-4PH低碳钢高温玻璃粉将硅应变计烧结在腔体的背面，腔体由 17-4PH低碳钢整体加工，能适应高压过载，能有效抵御瞬间压力冲击。无充油、无隔离膜片， 可测带有少量杂质的流体介质；不锈钢特殊散热结构，无"〇"型密封圈，绝无泄漏隐患。数 字信号处理电路可通过电脑实现可编程标定，从而减少了外界对传感器信号的影响，提高 了稳定性，降低了生产成本；同时实现了规模化友好的人机界面方便用户对传感器进行标 定；并具有结构简单、耐冲击、使用寿命长等优点，可用于高温压力测量。
[0034] 基于上述，本实用新型采用微熔技术将压力应变电阻片与17-4PH低碳钢结构封 装在一起的一体式工艺的基于微熔技术的高温压力传感器，与数字信号处理电路相连，从 而减少了外界对传感器信号的影响，设计了特殊的不锈钢散热结构，提高了稳定性，降低了 生产成本。同时实现了规模化友好的人机界面方便用户对传感器进行标定。从工艺上将能 保证大规模生产，满足了市场的需求，将对高温压力传感器起到进口替代并形成部分核心 器件国产化目的，并具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点，可广泛应用 于各种自控环境。
[0035] 以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行 业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还 会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型 要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1. 基于微熔技术的高温压力传感器，包括壳体和设置在壳体内的电路板，其特征在于， 它还包括应变电阻片和用于传递压力产生应变的17-4PH低碳钢结构，所述17-4PH低碳钢 结构为柱状结构，所述柱状结构的正面为测量面，所述测量面与测量介质直接接触，所述柱 状结构的反面通过玻璃微熔方式与应变电阻片的一面粘贴，所述应变电阻片的另一面与电 路板通过超声键合方式连接后封装在一体，组成一个压力测量传感器。
2. 根据权利要求1所述的基于微熔技术的高温压力传感器，其特征在于，所述壳体采 用的高温散热结构，所述高温散热结构为呈百叶窗结构的多层片状不锈钢结构。
3. 根据权利要求1或2所述的基于微熔技术的高温压力传感器，其特征在于，所述电路 板上设置有数字信号处理电路，所述数字信号处理电路与应变电阻片相连接。
4. 根据权利要求3所述的基于微熔技术的高温压力传感器，其特征在于，所述数字信 号处理电路采用的是德州仪器的PGA309。
5. 根据权利要求4所述的基于微熔技术的高温压力传感器，其特征在于，所述数字信 号处理电路还连接有输出端子，所述输出端子通过编程电路板与计算机相连接。
6. 根据权利要求5所述的基于微熔技术的高温压力传感器，其特征在于，所述输出端 子采用的是PGA309EVM-USB。
7. 根据权利要求1或2所述的基于微熔技术的高温压力传感器，其特征在于，所述应变 电阻片与输出端子之间还连接有第一放大电路和第二放大电路，所述第一放大电路输出端 还连接有斩波解调器以及增益校准电路。
【文档编号】G01L9/04GK203908724SQ201420227436
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】郭宏, 申爱群, 师斌, 宁建辉, 何堃 申请人:苏州中崟传感股份有限公司, 北京鑫诺金传感技术有限公司, 北京鑫诺金电子科技发展有限公司, 威海诺金传感技术有限公司