高温压力温度一体复合传感器的制作方法

本发明属于压力温度复合传感器领域。

背景技术：

现有的压力温度复合传感器主要有两种方式：

一种是将各自独立的压力传感器和温度传感器组装在一起，两个传感器间隔距离较远，不能同时感受较小或局部区域的压力信号和温度信号，这种压力传感器和温度传感器分别独立封装且与被测介质隔离，导致整体传感器的体积较大，制造成本较高；

另一种是制作压力和温度复合测量的单芯片传感器，将压力传感器和温度传感器制作在同一芯片上，但是由于温度传感器的标准感受膜为铂膜，压力传感器的力敏电阻是刻蚀在单晶硅上，其制作工艺较难且工艺兼容性较差，即使是采用coms工艺在单晶硅上制作温度传感器，要制作性能良好的单芯片压力温度复合传感器也十分困难。而且，实现高温200℃环境下测量的压力温度传感器基本采用分体方式测量，不能测量100mpa以上大量程压力。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的压力温度复合传感器体积大、兼容性差且高温条件下不能满足大量程压力测量的问题，现提供高温压力温度一体复合传感器。

高温压力温度一体复合传感器包括：管座1、压环2、波纹膜片3、压力敏感芯片5、温度敏感芯片7、陶瓷环9、压力引出线柱10和温度引出线柱11；

管座1为圆柱形，管座1的顶部开有圆形大凹槽101，陶瓷环9位于该圆形大凹槽101内，压力敏感芯片5位于陶瓷环9的环内，并通过共晶焊6焊接在圆形大凹槽101底部中心，波纹膜片3覆盖在圆形大凹槽101的开口端，波纹膜片3与压力敏感芯片5之间填充有高温硅油8，管座1的侧壁开有注油孔103，高温硅油8通过注油孔103注入，注油孔103通过封堵钢球13进行封堵，压环2固定在圆形大凹槽101的开口处，

圆形大凹槽101底部沿管座1的轴向开有端柱引出通孔102，压力引出线柱10位于该端柱引出通孔102内，压力敏感芯片5的输出端通过内引线4与压力引出线柱10的首端相连，压力引出线柱10的末端置于管座1外部，压力引出线柱10与端柱引出通孔102壁之间的空隙内填充有玻璃材料14，

所述端柱引出通孔102内壁为双阶梯结构，压力引出线柱10沿其周向开有两个环形槽，

管座1的底部开有圆形小凹槽104，温度敏感芯片7位于该圆形小凹槽104内，温度敏感芯片7的输出端通过内引线4与温度引出线柱11的首端相连，温度引出线柱11的末端置于管座1外部，圆形小凹槽104的开口端和端柱引出通孔102的末端均通过高温封接胶12封堵，

管座1、压环2、圆形大凹槽101、圆形小凹槽104和陶瓷环9同轴，陶瓷环9的外径等于圆形大凹槽101的内径，压环2的外径等于管座1顶部端面的直径，压环2的内径等于圆形大凹槽101的内径。

本发明所述的高温压力温度一体复合传感器的优点是：

传感器的压力敏感芯片充油封装与温度敏感芯片嵌入封装在同一个管座结构体内，不仅体积小，且耐受200℃高温环境，能够承受200mpa压力的测量。

两芯片分别采用高温硅油和高温胶独立保护，同被测介质以传递方式接触，非直接接触，具有很高的稳定性、安全性和可靠性。

由于压力敏感芯片和温度敏感芯片在同一管座结构内且距离非常近，可以同时准确测量同一区域内的压力信号和温度信号。

传感器的压力敏感芯片和温度敏感芯片的组装工艺简洁，易于装配操作性强，具有适合批量生产的特征。

本发明与现有压力传感器和温度传感器各自独立组装的复合方式相比，将压力敏感芯片充油封装和温度敏感芯片嵌入封装在一个管座结构体内复合，具有体积小、易于批量生产、更准确测量同一位置压力信号和温度信号的优点。

本发明与现有制作压力和温度复合测量的单芯片传感器相比，不仅避免了压力敏感芯片和温度敏感芯片不同制作工艺的兼容性问题，而且更能够耐受200℃高温环境，测量同一区域的压力信号和温度信号。同时，解决了200℃高温环境下一体小结构方式测量的压力温度传感器复合问题，并能够承受大压力量程。

附图说明

图1为高温压力温度一体复合传感器的剖视图；

图2为管座的剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和2具体说明本实施方式，本实施方式所述的高温压力温度一体复合传感器，包括：管座1、压环2、波纹膜片3、压力敏感芯片5、温度敏感芯片7、陶瓷环9、压力引出线柱10和温度引出线柱11；

管座1为圆柱形，管座1的顶部开有圆形大凹槽101，陶瓷环9位于该圆形大凹槽101内，压力敏感芯片5位于陶瓷环9的环内，并通过共晶焊6焊接在圆形大凹槽101底部中心，波纹膜片3覆盖在圆形大凹槽101的开口端，波纹膜片3与压力敏感芯片5之间填充有高温硅油8，管座1的侧壁开有注油孔103，高温硅油8通过注油孔103注入，注油孔103通过封堵钢球13进行封堵，压环2固定在圆形大凹槽101的开口处，

圆形大凹槽101底部沿管座1的轴向开有端柱引出通孔102，压力引出线柱10位于该端柱引出通孔102内，压力敏感芯片5的输出端通过内引线4与压力引出线柱10的首端相连，压力引出线柱10的末端置于管座1外部，压力引出线柱10与端柱引出通孔102壁之间的空隙内填充有玻璃材料14，

所述端柱引出通孔102内壁为双阶梯结构，压力引出线柱10沿其周向开有两个环形槽，

管座1的底部开有圆形小凹槽104，温度敏感芯片7位于该圆形小凹槽104内，温度敏感芯片7的输出端通过内引线4与温度引出线柱11的首端相连，温度引出线柱11的末端置于管座1外部，圆形小凹槽104的开口端和端柱引出通孔102的末端均通过高温封接胶12封堵，

管座1、压环2、圆形大凹槽101、圆形小凹槽104和陶瓷环9同轴设置，陶瓷环9的外径等于圆形大凹槽101的内径，压环2的外径等于管座1顶部端面的直径，压环2的内径等于圆形大凹槽101的内径。

本实施方式中，压力敏感芯片5通过共晶焊6焊接在管座上，再真空充油封装，由波纹膜片3感受压力。温度敏感芯片7嵌入管座芯体底部圆形小凹槽104，通过氩弧焊接引出，并灌胶封装。

高温硅油8用于传递压力，其填充方法为：

将高温甲基硅油进行脱水脱气处理后，利用真空灌注工艺加注到管座压力腔体内；灌注完成后采用冲压方法或储能焊接方法用封堵钢球13进行侧面封堵，满足大200mpa压力承载，并且封堵钢球13的封堵位置同时承受内外压力，可均匀平衡受力。

端柱引出通孔102具有两个环形阶梯，使得端柱引出通孔102具有三组变径孔洞，三组孔洞的直径由上至下依次减小，形成双阶梯结构。该双阶梯结构能够提高玻璃粉烧结效率，并且能够分解200mpa压力下受力分布。压力引出线柱10的两个环形槽采用冲压或滚压加工而成，与端柱引出通孔102内的双阶梯结构用玻璃烧结后熔为一体，能够提高烧结和受力的牢固性；同时在承受200mpa压力时能够有效分解受力。二者通过玻璃烧结进行固定连接，能够保证密封性并耐受200℃高温环境。

陶瓷环9用于保护其环内的压力敏感芯片5，尽量少的高温硅油填充，使用陶瓷环占据管座无法加工的无用腔体空间。利用氩弧焊接工艺将波纹膜片3通过压环焊接到管座的充油壳体上，采用真空注油的方法在管座壳体侧面注入耐高温硅油8。

本实施方式将压力敏感芯片5和温度敏感芯片7装配在一个管座1上，装配距离接近又相互独立，能够实现200℃高温环境下同时测量压力信号和温度信号的功能。管座和压力引出线柱10采用玻璃烧结，可承受200mpa压力，实现大量程压力测量。

由于压力敏感芯片5和温度敏感芯片7放置非常近，通过管座组装为小型一体复合器件，可以同时感受较小或局部区域的压力信号和温度信号，解决了在同一高温200℃区域内同时测量压力和温度的技术难题，另一方面还能够对压力传感器的温度进行补偿。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温压力温度一体复合传感器作进一步说明，本实施方式中，压力敏感芯片5为soi压力敏感芯片。

压力敏感芯片5以soi基片为衬底材料，硅微压阻式原理感压。该芯片利用上层单晶硅作为制作压力敏感电阻材料，并制作出四个压力敏感电阻，电路连接成wheatstone电桥感受压力信号，压力敏感电阻与衬底之间通过mems工艺方法和高能氧离子注入技术形成sio2隔离层，去除了传统扩散硅压阻式敏感芯片中的pn隔离结，由sio2层实现了器件和衬底的全介质隔离，因而具有良好的高温稳定性和安全性。c型硅杯底部再通过静电键合工艺将背面与pyrex7740玻璃进行封接，得到参考腔，实现在200℃以上的高温环境下测量高温压力敏感芯片。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温压力温度一体复合传感器作进一步说明，本实施方式中，温度敏感芯片7为pt1000温度敏感芯片。

温度敏感芯片7采用铂薄膜电阻进行温度测试。该芯片设计成陶瓷基片、铂薄膜和表面包封三层结构，铂薄膜紧密的贴附于衬底及包封层之间。温度敏感芯片三层材料的热性能匹配一致，使衬底对铂薄膜的压应变和包封层引起的压应变相互抵消，不仅能拓宽铂薄膜热敏电阻的使用温度，而且能提高其可靠性、稳定性和重复性。在陶瓷基片制作标准的pt1000电阻，铂薄膜表面通过半导体工艺覆有玻璃层，银钯引线端子玻璃釉覆盖，外形尺寸为2mm×4mm。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温压力温度一体复合传感器作进一步说明，本实施方式中，

管座1、压环2、压力引出线柱10和温度引出线柱11的材料均为4j29可伐金。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温压力温度一体复合传感器作进一步说明，本实施方式中，

共晶焊6、压力引出线柱10和温度引出线柱11的外表面均镀有金属金层。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温压力温度一体复合传感器作进一步说明，本实施方式中，压力敏感芯片5的内引线4为金丝。

实际应用时，压力敏感芯片5通过金丝球超声热压焊的工艺将金丝键合在压力引出线柱10上，保证金丝的焊接抗拉强度10g以上。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温压力温度一体复合传感器作进一步说明，本实施方式中，温度敏感芯片7的内引线4为银钯丝。

温度敏感芯片7的内引线4采用银钯丝引出，为保证焊接强度，先将银钯丝在温度引出线柱11上缠绕两圈，用氩弧焊接进行焊接。然后将温度敏感芯片7嵌入到圆形小凹槽104内，采用耐高温和绝缘性的高温封接胶12进行灌封。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温压力温度一体复合传感器作进一步说明，本实施方式中，共晶焊6为ausn焊料片。

ausn共晶焊料(熔点280℃)具有强度高、抗蠕变、导热导电性能好、耐受腐蚀、浸润性优良、低粘性等特征。在真空环境下进行无助焊剂的ausn共晶回流焊接，实现压力敏感芯片5在管座腔体内一体化。真空回流焊可以大大降低焊接的空洞率，并提高焊接质量。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温压力温度一体复合传感器作进一步说明，本实施方式中，管座1与之间通过压环2氩弧焊接；端柱引出通孔102与压力引出线柱10之间通过玻璃材料14烧结。

具体实施方式十：本实施方式是对具体实施方式一所述的高温压力温度一体复合传感器作进一步说明，本实施方式中，温度敏感芯片7的外引线采用银钯丝与温度引出线柱11相互缠绕，并通过氩弧焊接。