压力测量装置的制作方法

本发明涉及一种压力测量装置，其具有载体、与载体连接的基座、以及安装在基座上的压力传感器，该压力传感器的底表面大于基座的底表面。

背景技术：

压力测量装置用于测量压力，尤其是绝对压力、相对压力和压差，并且用于工业测量技术。

在压力测量技术中，常用的是所谓的半导体压力传感器。例如使用绝缘体上硅(soi)技术，如今经常制造基于硅的半导体传感器。例如，它们被形成为通常具有膜载体和布置在膜载体上的测量膜的压力传感器芯片。

这些压力传感器是非常灵敏的，并且因此放置在通常是金属的壳体中，并且承受压力，所述压力将经由连接在上游并且填充有传递压力的液体的隔膜密封件来测量。因此，壳体和压力传感器由具有迥然不同的热膨胀系数的不同材料制成。因此，由于壳体与传感器组件所需的压力传感器之间的机械连接，可能会产生影响测量膜的传递特性的机械应力，从而损害可实现的测量精度及其再现性。这特别是针对测量结果的温度依赖滞后。

为了降低作用在压力传感器上的温度依赖应力，de102007052364a1描述了压力传感器芯片在陶瓷中间载体上的布置，该芯片的热膨胀系数与半导体材料的热膨胀系数相匹配。中间载体经由用弹性粘合剂实现的粘合结合直接胶合到壳体的金属载体上。柯伐合金被指定为载体的材料。柯伐合金的热膨胀系数为6ppm/k，并且因此与诸如热膨胀系数为16ppm/k的不锈钢的，其成本也显著更低的更标准壳体材料相比，显著更接近用于压力传感器的2.6ppm/k的硅的热膨胀系数。

在所描述的压力测量装置中，陶瓷中间载体的底表面大于布置于其上的压力传感器的底表面。这种情况的结果是，尽管中间层的相当好地匹配的热膨胀系数，但是剩余的热机械应力可以在整个基座底表面上对压力传感器产生影响。

作为上述的替代方案，从现有技术已知互补的解决方案，其中通过将压力传感器布置在其底表面明显小于安装于其上的压力传感器的底表面的基座上，来实现作用在压力传感器上的温度依赖应力的降低的压力传感器。为此目的，例如在de3436440a1中描述了已知两种不同的具体实施例。在一个具体实施例中，基座是壳体的金属载体的整体部件，并且由壳体的材料制成。在第二具体实施例中，基座被形成为通过玻璃化(glazing)被放置在载体中的孔中的单独部件。玻璃化具有以下优点：其导致压力传感器抵靠壳体的电气绝缘。然而，期间可以产生气密密封玻璃化的基座材料和载体材料的材料组合受到限制。

技术实现要素：

本发明的目的是指出上述类型的压力测量装置，其中压力传感器被保护免受热机械应力。

为此，本发明包括具有如下部分的压力测量装置，

-载体，

-连接到载体的基座，以及

-安装在基座上的压力传感器，该压力传感器底表面大于基座的底表面，

其特征在于，

基座的远离压力传感器定向的端部通过粘合结合而被胶合到载体中的凹槽中。

发展的不同之处在于，压力传感器通过接合被安装在基座的从凹槽突出的端部上，所述接合尤其是粘合结合；尤其是用环氧树脂基粘合剂、热塑性粘合剂或硅粘合剂实现的粘合结合；硅粘合剂尤其是硅橡胶；从凹槽突出的端部尤其是具有零点几毫米数量级的长度的突出端。

第一变形的特征在于，载体与基座之间的粘合结合在基座的在凹槽中伸展的端部的外部夹套表面上延伸。

第一变形的发展的特征在于，

-基座的总长度大于或等于3mm，尤其是总长度为从3mm到7.5mm，以及

-基座的在凹槽中延伸的端部具有大于或等于2.5mm的长度，

-基座的从凹槽突出并承载压力传感器的端部具有尤其是零点几毫米的长度，尤其是0.5mm数量级的长度。

第二变形的特征在于，载体与基座之间的粘合结合在基座的朝向凹槽的底板表面定向的端表面上延伸。

第三变形的特征在于，载体与基座之间的粘合结合在凹槽中伸展的基座的端部的外部夹套表面上延伸，并且在基座的朝向凹槽的底板表面定向的端面上延伸。

第二或第三变形的发展的特征在于，基座3具有小于或等于3mm的总长度，尤其是约0.5mm至3mm的总长度。

发展的特征在于，在凹槽中，设置有用于使基座对中的定心装置，尤其是由凹槽的基座底表面形成的定心装置，该定心装置朝向基座的基座底表面渐缩，即，沿凹槽的放置有基座的底板表面的方向上渐缩。

进一步发展的特征在于，该基座由金属制成，所述金属尤其是不锈钢、殷钢或可伐合金；由碳化硅制成；或由绝缘体制成，所述绝缘体尤其是陶瓷，所述陶瓷尤其是氧化铝、氮化硅或氮化铝；或由玻璃制成，所述玻璃尤其是硼硅酸盐玻璃。

进一步发展的特征在于，基座与载体之间的粘合结合是用基于环氧树脂的粘合剂、热塑性粘合剂或硅粘合剂——尤其是硅橡胶——实现的粘合结合。

进一步发展的特征在于，基座与载体之间的粘合结合是根据可用于结合基座与载体的粘合表面而选择的粘合剂，所使用的粘合剂弹性越大，可用粘合表面越大。

进一步发展的特征在于：

-压力测量装置是用于测量较高压力，尤其是大于或等于4mpa(40巴)的压力的差压测量装置或绝对或相对压力测量装置，以及

-基座由弹性模量大于或等于200000mpa的的材料制成，尤其是由不锈钢、殷钢、柯伐合金或陶瓷制成，所述陶瓷尤其是氧化铝、氮化硅、碳化硅或氮化铝。

进一步发展的特征在于，基座由具有与压力传感器的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数的材料制成。

进一步发展的特征在于，基座的长度在0.5mm至7.5mm的范围内，外径在0.5mm至7mm的范围内，并且是棒形的或具有在0.25mm至4mm的范围内的内径。

根据优选实施例，载体由金属制成，尤其是由不锈钢制成。

根据本发明的压力测量装置的优点在于，由于基座经由驱散热机械应力的粘合结合而被设置在载体中的凹槽中，所以压力传感器被保护免受作用在其上的温度依赖应力。这里，在外部围绕基座的粘合结合具有这样的优点：这提供了大的粘合表面，使得即使使用非常有弹性并且因此特别适合于驱散热机械应力的粘合剂，也可以实现机械固体和气密密封结合。与具有比压力传感器更小的底表面的基座有关，以这种方式，在测量结果的温度依赖性方面实现了显著的下降。此外，对于用于安装压力传感器的部件的材料的选择，具有显著更大的灵活性，使得即使与由就成本而言更有利的材料(例如，不锈钢)制成的载体相关联，也实现了提高的测量精度。

附图说明

现在将使用附图中的图形来详细说明本发明及其优点，在附图中显示了三个实施例。相同的元件在附图中由相同的附图标记表示。

图1示出具有外部胶合基座的压力测量装置；

图2示出了压力测量装置，具有胶合在其端面处的基座；

图3示出压力测量装置，具有在外部并且在其端面处胶合的基座；以及

图4示出具有不锈钢基座的不锈钢载体的压力测量装置。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的压力测量装置。它包括载体1、连接到载体1的基座3和安装在基座3上的压力传感器5。压力传感器5是所谓的半导体压力传感器，例如硅基压力传感器芯片，并且具有例如膜载体7和布置在膜载体7上的测量膜9，压力室11被封闭在测量膜9下。

压力测量装置可以被形成为差压测量装置，形成为相对压力测量装置，或形成为绝对压力测量装置。

为了检测差压，测量膜9的第一侧经受第一压力p1，并且其第二侧经由压力传输线13经受第二压力p2，如图1中的虚线所示，该虚线延伸通过载体1、基座3和膜载体7，并且在压力室11开口。在该具体实施例中，作用在第一和第二压力p1、p2之间的测量膜9上的压差导致测量膜9的挠曲，测量膜9的挠曲是要测量的压差p的函数。

为了检测相对压力，测量膜9的第一侧经受要测量的压力p，并且为测量膜9的第二侧提供参考压力pref，而不是第二压力p2，所述参考压力例如环境压力，将测量与参考压力相关的、作用在第一侧上的压力p。在该具体实施例中，作用在测量膜9上的、压力p与参考压力pref之间的压力差导致测量膜9的挠曲，该挠曲是要测量的相对压力的函数。

为了检测绝对压力，封闭在测量膜9下方的压力室11被抽空，并通过测量膜9和膜载体7与外部环境完全密封。在这种情况下，省略了延伸穿过载体1、基座3和膜载体7，通向压力室11的压力传输线13，并且作用在测量膜9的第一侧上的压力p导致测量膜9的挠曲，该挠曲是要测量的绝对压力的函数。

在所有三种情况下，测量膜9的最终挠曲经由例如布置在测量膜9上或测量膜9中的传感器元件15，例如连接在一起以形成电阻测量桥的压阻元件被记录，并且被转换为电输出信号，所述电输出信号然后可用于进一步处理和/或评估。

在差压测量装置和相对压力测量装置中，基座3在形状上是管状的，并且在绝对压力测量装置中是棒形的，并且其底表面小于压力传感器5的底表面。作为该几何形状的结果，已经引起了测量膜9与载体1解耦合，这样保护压力传感器5免受热机械应力。

半导体压力传感器通常具有一般来说为正方形的底表面，且其大小为1mm²至100mm²的数量级，这取决于测量范围和测量灵敏度。相反，基座3优选地具有圆形或圆环形的底表面。根据压力传感器5的底表面的尺寸，基座3的外径优选在0.5mm至7mm的范围内。在棒形基座3的情况下，这对应于数量级为0.2mm²至40mm²的底表面。在具有圆环形底表面的基座3的情况下，基座3和压力传感器5彼此连接的接合表面更小，其中具有圆形环形底表面的基座3优选具有范围为0.25mm至4mm的内径。基座3优选地具有在0.5mm至7.5mm的范围内的总长度。根据本发明，这种解耦合被加强，因为载体1具有朝向压力传感器5定向的凹槽17，基座3的端部通过粘合结合19被放置在凹槽17中。为了产生粘合结合19，基于环氧树脂的粘合剂、热塑性粘合剂或诸如硅橡胶的硅粘合剂是特别合适的。

粘合剂比刚性连接(诸如玻璃化、粘合连接、锡焊连接或焊接连接)显著更有弹性，并且因此能够补偿由载体1和基座3的不同热膨胀系数产生的应力。因此粘合结合19导致热机械应力的下降，否则其将作用于或被传递到压力传感器5，尤其是其测量膜9。由粘合剂19产生的热机械应力的减小越大，粘合结合19的弹性越大。

为了实现尽可能大的粘合表面，在基座3和载体1之间的粘合结合19优选地在凹槽17中伸展的基座3的端部的外部夹套表面上延伸。在此，可用的粘合表面随着被置于凹槽17中的基座3的端部的长度l的增加而增加。此长度又对应于凹槽17的深度。

基座在位于凹槽17中的基座3的整个外部夹套表面上延伸粘合结合19提供了相当大的粘合剂表面的优点，使得可以获得相当高的紧密度和强度，即使使用诸如硅橡胶的极富弹性的粘合剂。

此外，该具体实施例提供的优点是，粘合结合19基本上仅暴露于分布在整个粘合表面上的剪切载荷，与压力加载的或拉伸加载的粘合结合相比，剪切载荷具有在高压加载下可能发生的减小的变形滞后的优点。

在图1所示的具体实施例中，基座3优选地具有大于或等于3mm的总长度，尤其是3mm至7.5mm的总长度，并且在凹槽17中伸展的基座3的端部优选地具有大于或等于2.5mm的长度l，长度l被确定为基座3的外径、使用压力测量装置的压力测量范围和所使用的粘合剂的函数。为了实现尽可能大的粘合表面，优选地将基座3放置在凹槽17中，使得从凹槽17突出和承载压力传感器5的基座3的端部具有比在凹槽17中伸展的端部显著更小的长度。在这里，如果从凹槽17突出的端部具有零点几毫米的最小长度(尤其是约0.5mm)，则就足够了。

优选地，在凹槽17中，设置有用于将基座3在凹槽17中对中的定心装置19，通过该定心装置19，当将基座3放置在凹槽17中并且在随后的粘合过程期间防止基座3倾斜。这是有利的，尤其是与具有相对较大总长度的基座3(尤其是总长度大于或等于3mm)和/或与在执行粘合剂过程中具有低粘度的粘合剂的粘合结合19相关联。因为在这里，倾斜基座3的危险特别大。定心装置19优选地由具有基座底表面的凹槽17形成，该基座底表面在其放置有基座3的底板表面的方向上渐缩。该定心装置19优选地在凹槽17的制造过程中直接产生，并且在这种情况下形成载体1的整体部件。或者，相应形状的插入件可以被放置在载体1的凹槽17中。

或者，代替图1所示的外部粘合结合19，可以提供粘合结合23，该粘合结合23在位于凹槽17中的基座3的端部的朝向凹槽17的底板表面定向的端面上延伸。这种情况的示例性实施例如图2所示。

另一个替代方案通过图3所示的在基座3与载体1之间的粘合结合25形成，该粘合结合25在底部3的外部夹套表面和基座3的朝向载体1的底板表面定向的端面上延伸。

图2和图3所示的特定实施例尤其适用于具有较短基座3的压力测量装置，尤其是总长度为0.5mm至3mm的数量级的基座3，和/或尤其适用于如下压力测量装置：其中例如为了空间的原因，不能提供对于专门的外部粘合结合19足够大的凹槽17的深度。

两个具体实施例与图1所示的示例性实施例的不同之处在于，凹槽17的较小深度和相应的粘合结合23或25延伸的区域。在其他方面，参考图1的描述。同样在这些具体实施例中，尤其是结合具有较大总长度的基座3，可以提供用于对基座3居中的定心装置(在图2和图3中未示出)。

在所有描述的粘合结合19、23、25中，通过粘合结合19、23、25引起的接合的强度和紧密度一方面是粘合剂的选择并且另一方面是可用于基座3和载体1的结合的粘合表面的函数。相应地，用于产生粘合结合19的粘合剂优选地作为可用的粘合表面和强度要求的函数进行选择，可用的粘合表面和强度要求是将使用压力测量装置的压力测量范围的函数，使用的粘合剂弹性越大，可用的粘合表面越大，并且强度要求越低。

这里，要记住，粘合剂的强度通常是温度的函数，并且在某些情况下，是粘合结合19、23、25的负载类型的函数。当在外部围绕基座3的粘合结合19基本上暴露于剪应力时，端面粘合结合23基本上暴露于压力应力，并且在差压测量和相对压力测量的情况下也受到拉伸应力。然而，在这两种情况下，在压力传感器5的方向上从载体1定向的粘合结合19、23、25上的载荷需要比在载体1的方向上从压力传感器5在相反方向上作用的载荷更高的粘合剂强度，因为后者不仅被粘合剂吸收，而且被载体1吸收。

因此，用于各个负载方向的粘合剂的弹性模量是强度的量度。因此，根据部件的尺寸、材料的选择和粘合表面的尺寸，例如与根据本发明的差压测量装置或根据本发明的用于测量更高的压力(尤其是大于或等于4mpa(40巴)的压力)的绝对或相对压力测量装置相关，使用具有大于或等于2000mpa的弹性模量(尤其是在2000mpa至10000mpa范围内的弹性模量)的粘合剂可能是有利的。相反，例如，根据部件的尺寸、材料的选择和粘合表面的尺寸，与根据本发明的用于测量较小压力(尤其是小于或等于40巴的压力，这取决于粘合表面的尺寸)的绝对或相对压力测量装置相关，使用具有小于或等于2000mpa的弹性模量(尤其是在10mpa至1000mpa范围内的弹性模量)的粘合剂是有利的，并且与用于测量较小压力(尤其是压力小于或等于4mpa(40巴)，这取决于粘合表面的尺寸)的绝对或相对压力测量装置相关，甚至具有小于或等于10mpa的弹性模量的粘合剂是有利的。

所有描述的粘合结合19、23、25都具有这样的优点，即，通过它们不仅驱散热机械应力，而且还可以将大量不同的基座3和载体1的材料相互结合。

这里，对于载体1，关于其压力强度，优选使用具有高弹性模量的材料，并且关于其相对大的体积，优选使用诸如不锈钢的低成本材料。

关于针对压力测量装置的具体要求，可以从大量不同的材料中选择基座3的材料。这些材料包括：金属，尤其是不锈钢、可伐合金或殷钢；陶瓷，尤其是氧化铝(al2o3)、碳化硅(sic)、氮化硅(si3n4)或氮化铝(aln)；以及玻璃，尤其是硼硅酸盐玻璃。

这里，为了测量差压或高绝对或相对压力，例如大于或等于4mpa(40巴)的压力，优选使用由具有高弹性模量(尤其是弹性模量大于或等于200000mpa)的材料制成的基座3。由于弹性模量比较高，所以大大地防止了对可实现的测量精度的影响，所述影响为作用在基座3上的压力的函数。为此，特别合适的是由不锈钢、可伐合金、殷钢或由陶瓷制成的基座3，所述陶瓷例如氧化铝(al2o3)、碳化硅(sic)、氮化硅(si3n4)或氮化铝(aln)。为了测量较低的绝对压力或相对压力，例如高达4mpa(40巴)范围内的压力，也可以使用具有较低弹性模量的材料，例如玻璃。

此外，可以通过选择绝缘体作为基座3的材料来实现载体1与压力传感器5的电绝缘。电绝缘可以由例如由玻璃(例如，硼硅酸盐玻璃)或陶瓷(例如氧化铝(al2o3)、氮化硅(si3n4)或氮化铝(aln))制成的基座3提供，其中陶瓷优选用于测量压差或高绝对或相对压力(诸如，大于或等于4mpa(40巴)的压力)，因为陶瓷具有比玻璃显著更高的弹性模量。

在其压力传感器已经具有要连接到基座3的基板或由绝缘体(例如，玻璃或陶瓷)制成的膜载体的压力测量装置中，不需要这种绝缘。

基座3的与基座3的第端部相对的第二端承载压力传感器5，并通过接合27连接到压力传感器5。接合27优选地也是粘合结合，具有进一步降低热机械应力的上述优点并且相对于可用作基座3的材料的材料而言具有大的灵活性。该粘合结合也可以通过例如基于环氧树脂的粘合剂、热塑性粘合剂或硅粘合剂(尤其是硅橡胶)来实现。

在基座3的两端处，粘合结合19、23或25和27，提供了这样的优点，即，通过它们的相互作用，即使使用具有相对较高弹性模量的粘合剂来实现粘合结合19、23或25和27，仍然引起显著降低的热机械应力。

或者，可以使用不同的接合方法例如焊接来连接压力传感器5和基座3。

为了进一步降低作用在压力传感器5(尤其是其测量膜9)上的温度依赖应力，基座3优选由具有与压力传感器5的热膨胀系数匹配的热膨胀系数的材料制成。关于2.6ppm/k的硅的热膨胀系数，为此目的，硼硅酸盐玻璃是特别合适的，其具有3.2ppm/k数量级的热膨胀系数。然而，在用于测量差压或更高的绝对或相对压力的压力测量装置中，优选选择具有较高弹性模量的材料，诸如具有5ppm/k数量级的热膨胀系数的可伐合金，具有0.55ppm/k数量级的热膨胀系数的殷钢，或陶瓷，例如具有8.5ppm/k的热膨胀系数的氧化铝(al2o3)，具有3.5ppm/k至4.5ppm/k数量级的热膨胀系数的碳化硅(sic)，具有4ppm/k至5ppm/k数量级的热膨胀系数的氮化铝(aln)或具有2.8ppm/k至2.9ppm/k数量级的热膨胀系数的氮化硅(si3n4)。

为了说明基座3的各种材料对根据本发明的压力测量装置的温度依赖性测量误差的影响，测量了使用图1所示的压力测量装置、利用未加载的测量膜9进行的差压测量的与温度相关的滞后。在每种情况下，通过将测量膜9的两侧暴露于相同的压力p＝p1＝p2进行测量，并且根据如下等式，将滞后h确定为在25℃的环境温度下测得的压差δp(25℃)和在135℃的环境温度下测得的压差△p(135℃)之间的差相对于50kpa(500毫巴)的压差测量范围：

对于所有测量，使用在设计上完全相同的基座3，用环氧树脂粘合剂将基座3胶合到凹槽17中，该环氧树脂粘合剂在25℃下的弹性模量为4500mpa，基座的总长度为5mm，长度为l，在凹槽17中伸展并且在4.5mm的外部夹套表面上被胶合，外径为2mm。对于由不锈钢制成的基座3，测量结果表明滞后h为0.025％，而对于由氧化铝、柯伐合金和硼硅酸盐玻璃制成的基座3，在每种情况下，滞后h的结果是小于0.005％。

与此相比，利用图4所示的压力测量装置，使用布置在不锈钢载体31的不锈钢基座29(高度为0.5mm)上的相同形状的压力传感器5，通过与接合27相同地实现的接合，在相同的测量条件下，测量出温度相关滞后h为0.125％。

附图标记

1支撑件

3基座

5压力传感器

7膜载体

9测量膜

11压力室

13压力传输线

15传感器元件

17凹槽

19粘合结合

21定心装置

23粘合结合

25粘合结合

27接合

29不锈钢基座

31不锈钢载体