一种复合传感器敏感芯体的填充陶瓷结构及安装方法.pdf

1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201510038604.X (22)申请日 2015.01.26 G01D 21/02(2006.01) G01K 7/18(2006.01) G01L 9/06(2006.01) (71)申请人 中国电子科技集团公司第四十九研 究所 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区一曼 街29号 (72)发明人 田雷 尹延昭 吴紫峰 苗欣 吴佐飞 丁文波 李玉玲 王明伟 刘志辉 (74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事 务所 23109 代理人 王大为 (54) 发明名称 一种复合传感器敏感芯体的填充陶瓷结构及 安装方法 (57) 摘

2、要 一种复合传感器敏感芯体的填充陶瓷结构及 安装方法，它涉及传感器测量领域，具体涉及一种 复合传感器敏感芯体的填充陶瓷结构及安装方 法。本发明为解决现有填充陶瓷结构中，压力芯片 和温度芯片安装在填充陶瓷结构的同一侧，由于 两个芯片是横向安装，使得传感器的整体尺寸较 大，不方便操作，而且由于温度芯片安装中引线的 要求，填充陶瓷结构中安装温度芯片的內槽需要 加工的很深，硅油的填充量大，导致温度压力复合 传感器测量精度低的问题。本发明所述压力芯片 安装在第一安装槽内，填充陶瓷结构的下端面的 中心处设置有第二安装槽，温度芯片安装在第二 安装槽内，且压力芯片和温度芯片沿着填充陶瓷 结构的中心轴线垂直对称

3、。本发明用于传感器测 量领域。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图6页 (10)申请公布号 CN 104501878 A (43)申请公布日 2015.04.08 CN 104501878 A 1/1 页 2 1.一种复合传感器敏感芯体的填充陶瓷结构，其特征在于 ：所述填充陶瓷结构为圆盘 形，填充陶瓷结构的上端面的中心处设置有第一安装槽 (1)，压力芯片 (2) 安装在第一安装 槽 (1) 内，填充陶瓷结构的下端面的中心处设置有第二安装槽 (3)，温度芯片 (4) 安装在第 二安装槽 (3) 内，且压力芯片 (2

4、) 和温度芯片 (4) 沿着填充陶瓷结构的中心轴线垂直对称。 2.根据权利要求 1 所述的一种复合传感器敏感芯体的填充陶瓷结构，其特征在于 ：所 述填充陶瓷结构的上端面上沿着填充陶瓷结构的中心轴线设置对称有多个压力芯片引线 孔 (5)，且每个压力芯片引线孔 (5) 均与第一安装槽 (1) 连通。 3.根据权利要求 1 所述的一种复合传感器敏感芯体的填充陶瓷结构，其特征在于 ：所 述填充陶瓷结构的下端面上沿着填充陶瓷结构的轴线对称设置多个温度芯片引线孔 (6)， 且每个温度芯片引线孔 (6) 均与第二安装槽 (3) 连通。 4.根据权利要求1或2所述的一种复合传感器敏感芯体的填充陶瓷结构，其特征

5、在于 ： 所述填充陶瓷结构上沿着填充陶瓷结构的厚度方向设置有注油孔 (7)，注油孔 (7) 与第二 安装槽 (3) 连通。 5.一种复合传感器敏感芯体的安装方法，其特征在于 ：所述一种复合传感器敏感芯体 的安装方法包括温度芯片 (4) 的安装、填充陶瓷结构的安装和压力芯片 (2) 的安装 ； 步骤一、温度芯片 (4) 的安装 ： 首先对温度芯片(4)进行定位 ：制作一个与第二安装槽(3)尺寸一致的通透的模具，将 该模具置于管座 (8) 的圆形凹槽的中心位置，根据模具形状在管座 (8) 的圆形凹槽内刻划 出一个定位框，取下模具 ； 其次将温度芯片 (4) 粘接在定位框内 ：将温度芯片 (4) 的

6、引线留长 10mm，其余长度剪 掉，将一根牙签的头部削成扁平状，牙签头部沾取硅油胶涂在定位框和第二安装槽 (3) 上， 胶涂层要均匀，用镊子夹取温度芯片 (4)，使温度芯片 (4) 的背面置于定位框内，压紧按实， 使温度芯片 (4) 四周均挤出胶液，然后进行固化 ； 最后是温度芯片 (4) 的引线引出 ：用镊子夹住温度芯片 (4) 的引线在管座 (8) 的引线 柱 (9) 上绕 2.5 3 圈，用氩弧焊机将温度芯片 (4) 的引线与引线柱 (9) 焊在一起 ； 步骤二、填充陶瓷结构的安装 ：将填充陶瓷结构上除温度芯片(4)与引线柱(9)以外的 位置涂上一层耐硅油胶，将填充陶瓷的压力芯片引线孔

7、(5) 和温度芯片引线孔 (6) 的中心 位置分别对准管座 (8) 上的相应的引线柱 (9) 的位置，将填充陶瓷结构粘接在管座 (8) 内 ； 步骤三、压力芯片 (2) 的安装 ：用镊子夹住压力芯片 (2) 的两端，将压力芯片 (2) 放置 到第一安装槽 (1) 的中心位置，根据压力芯片 (2) 的形状在第一安装槽 (1) 的相应位置做 好定位标记，取出压力芯片 (2)，用牙签沾取耐硅油胶，涂在第一安装槽 (1) 的定位标记的 面积内，再将压力芯片(2)放置在第一安装槽(1)的定位标记内，用按压夹具按压压力芯片 (2)，将压力芯片 (2) 粘接在填充陶瓷结构上端面的第一安装槽 (1) 内。 6

8、.根据权利要求 5 所述的一种复合传感器敏感芯体的安装方法，其特征在于 ：温度芯 片 (4) 采用标准 Pt1000 电阻，温度芯片 (4) 为矩形，宽度为 2mm，长度为 4mm，厚度为 8mm。 7.根据权利要求 5 所述的一种复合传感器敏感芯体的安装方法，其特征在于 ：压力芯 片 (2) 采用 SOI 材料制作，压阻式原理感压，压力芯片 (2) 的底部用静电封接工艺封有玻 璃。 权 利 要 求 书CN 104501878 A 1/4 页 3 一种复合传感器敏感芯体的填充陶瓷结构及安装方法 技术领域 0001 本发明涉及传感器测量领域，具体涉及一种复合传感器敏感芯体的填充陶瓷结构 及安装方

9、法。 背景技术 0002 现有的温度压力复合传感器有一种是将铂膜温度芯片和硅压阻式芯片近距离的 装配在充油芯体内，芯片通过共晶焊或粘接的方式将其焊接在管座上，温度芯体通过氩弧 焊接引出，压力芯体通过金丝球焊接引出，进行真空充油后，通过波纹膜膜片感受压力和温 度信号。早期的裸芯片式压力传感器由于不能适应有油污、粉尘、腐蚀等场合的使用，使压 力传感器的使用范围受到了极大的限制，充油式温度压力复合传感器的工作原理是用波纹 膜片感受压力和温度信号，之后再通过硅油将压力和温度信号传递到压力敏感和温度敏感 芯片上，由于所填充的硅油只是起到压力传递的作用，而硅油在受到温度变化时由于热胀 冷缩会产生体积变化，

10、该体积的变化将导致传感器测量精度变差，因此采用在硅油内利用 填充陶瓷将硅油的体积占据，在不影响压力传递的情况下，使腔体内的硅油尽量少，而且要 求所设计的填充陶瓷便于压力芯片与温度芯片的安装与电极引出。 0003 现有技术中，充油式温度压力复合传感器填充陶瓷将压力芯片和温度芯片安装在 陶瓷上面的同一侧，并且两个芯片横向安装，使得传感器的整体尺寸较大，不方便操作，温 度芯片引线引出需要采用在管座的引线柱上绕 2.5 3 圈，用氩弧焊机将温度芯片引线与 引线柱焊在一起，为保证温度芯片与管座引出的可靠性，温度芯片的引线需要在管座的底 部向上在管座的引线柱上缠绕，因此温度芯片位置的陶瓷需要加工的较深，无

11、法有效的减 少硅油填充量，导致使用该种填充陶瓷的充油式温度压力复合传感器受温度影响较大，测 量精度下降。 发明内容 0004 本发明为解决现有填充陶瓷结构中，压力芯片和温度芯片安装在填充陶瓷结构的 同一侧，由于两个芯片是横向安装，使得传感器的整体尺寸较大，不方便操作，而且由于温 度芯片安装中引线的要求，填充陶瓷结构中安装温度芯片的內槽需要加工的很深，硅油的 填充量大，导致温度压力复合传感器测量精度低的问题，进而提出一种复合传感器敏感芯 体的填充陶瓷结构及安装方法。 0005 本发明为解决上述问题采取的技术方案是 ：本发明所述填充陶瓷结构为圆盘形， 填充陶瓷结构的上端面的中心处设置有第一安装槽，

12、压力芯片安装在第一安装槽内，填充 陶瓷结构的下端面的中心处设置有第二安装槽，温度芯片安装在第二安装槽内，且压力芯 片和温度芯片沿着填充陶瓷结构的中心轴线垂直对称。 0006 一种复合传感器敏感芯体的安装方法，包括温度芯片的安装、填充陶瓷结构的安 装和压力芯片的安装 ； 0007 步骤一、温度芯片的安装 ： 说 明 书CN 104501878 A 2/4 页 4 0008 首先对温度芯片进行定位 ：制作一个与第二安装槽尺寸一致的通透的模具，将该 模具置于管座的圆形凹槽的中心位置，根据模具形状在管座的圆形凹槽内刻划出一个定位 框，取下模具 ； 0009 其次将温度芯片粘接在定位框内 ：将温度芯片的

13、引线留长 10mm，其余长度剪掉， 将一根牙签的头部削成扁平状，牙签头部沾取硅油胶涂在定位框和第二安装槽上，胶涂层 要均匀，用镊子夹取温度芯片，使温度芯片的背面置于定位框内，压紧按实，使温度芯片四 周均挤出胶液，然后进行固化 ； 0010 最后是温度芯片的引线引出 ：用镊子夹住温度芯片的引线在管座的引线柱上绕 2.5 3 圈，用氩弧焊机将温度芯片的引线与引线柱焊在一起 ； 0011 步骤二、填充陶瓷结构的安装 ：将填充陶瓷结构上除温度芯片与引线柱以外的位 置涂上一层耐硅油胶，将填充陶瓷的压力芯片引线孔和温度芯片引线孔的中心位置分别对 准管座上的相应的引线柱的位置，将填充陶瓷结构粘接在管座内 ；

14、 0012 步骤三、压力芯片的安装 ：用镊子夹住压力芯片的两端，将压力芯片放置到第一安 装槽的中心位置，根据压力芯片的形状在第一安装槽的相应位置做好定位标记，取出压力 芯片，用牙签沾取耐硅油胶，涂在第一安装槽的定位标记的面积内，再将压力芯片放置在第 一安装槽的定位标记内，用按压夹具按压压力芯片，将压力芯片粘接在填充陶瓷结构上端 面的第一安装槽内。 0013 本发明的有益效果是 ：本发明将充油式温度压力复合传感器填充陶瓷结构设计 成双面结构，将压力芯片安装在填充陶瓷结构的上端端面，温度敏感芯片安装在填充陶瓷 结构的下端端面，安装温度芯片的第二安装槽不需要设计的太深，有效地减少了填充硅油 的体积，

15、同时利于温度芯片引线在管座的底部向上在管座的引线柱上缠绕，在有效的减少 填充硅油的体积的同时，避免了从上部安装温度芯片需要将温度芯片引线压向下部后再向 上缠绕对引线的损伤，或者采用较深的温度芯片安装槽的弊端，提高了安装的可靠性，有效 的减少了填充硅油的体积，减少了硅油体积变化对敏感芯片带来的误差，与温度芯片和压 力芯片安装在陶瓷结构的同一侧的复合传感器相比较，使传感器的测量精度提高了一倍左 右。 0014 本发明在将温度芯片与压力芯片安装在填充陶瓷结构的上下两个端面，温度芯片 与压力芯片沿着填充陶瓷结构的中心轴垂直对称，与温度芯片和压力芯片安装在填充陶瓷 结构的同一侧的复合传感器相比较，有效减

16、小了填充陶瓷结构的尺寸，从而使得传感器的 整体尺寸减小了一倍，方便操作。 附图说明 0015 图 1 是本发明的主视图 ；图 2 是图 1 的 A-A 剖视图 ；图 3 是图 1 的 B-B 剖视图 ；图 4 是图 1 的仰视图 ；图 5 是温度芯片的粘接示意图 ；图 6 是压力芯片的粘接示意图 ；图 7 是 复合传感器的结构示意图。 具体实施方式 0016 具体实施方式一 ：结合图 1、图 2、图 3、图 4 和图 7 说明本实施方式，本实施方式所 述填充陶瓷结构为圆盘形，填充陶瓷结构的上端面的中心处设置有第一安装槽 1，压力芯片 说 明 书CN 104501878 A 3/4 页 5 2安

17、装在第一安装槽1内，填充陶瓷结构的下端面的中心处设置有第二安装槽3，温度芯片4 安装在第二安装槽 3 内，且压力芯片 2 和温度芯片 4 沿着填充陶瓷结构的中心轴线垂直对 称。 0017 具体实施方式二 ：结合图 1 至图 4 说明本实施方式，本实施方式所述填充陶瓷结 构的上端面上沿着填充陶瓷结构的中心轴线设置对称有多个压力芯片引线孔 5，且每个压 力芯片引线孔 5 均与第一安装槽 1 连通。每个压力芯片引线孔 5 与第一安装槽 1 通过一条 第一浅槽 10 连通，第一浅槽 10 设置在填充陶瓷结构的上端面，在满足压力芯片 2 安装在较 小的空间内的同时，保证了引线与管座 8 的金属壳体的绝缘

18、引出，引线穿过压力芯片引线 孔 5，一端与压力芯片 2 连接，另一端与管座 8 上的引线柱 9 连接，引线可以粘接在第一浅 槽 10 内，避免了其他操作或者是管座 8 与填充陶瓷结构之间的摩擦而对引线造成损伤，延 长了引线的使用寿命，其中压力芯片引线孔 5 的数量为四个。其他组成与连接关系与具体 实施方式一相同。 0018 具体实施方式三 ：结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述填充陶瓷结构 的下端面上沿着填充陶瓷结构的轴线对称设置多个温度芯片引线孔 6，且每个温度芯片引 线孔 6 均与第二安装槽 3 连通。每个温度芯片引线孔 6 与第二安装槽 3 通过一条第二浅槽 11 连通，第二浅槽

19、 11 设置在填充陶瓷结构的下端面，在满足温度芯片 4 安装在较小的空间 内的同时，保证了引线与管座 8 的金属壳体的绝缘引出，引线穿过温度芯片引线孔 6，一端 与温度芯片 4 连接，另一端与管座 8 上的引线柱 9 连接，引线可以粘接在第一浅槽 10 内，避 免了其他操作或者是管座 8 与填充陶瓷结构之间的摩擦而对引线造成损伤，延长了引线的 使用寿命，其中温度芯片引线孔 6 的数量为两个。其他组成与连接关系与具体实施方式一 相同。 0019 具体实施方式四 ：结合图 1、图 2 和图 4 说明本实施方式，本实施方式所述填充陶 瓷结构上沿着填充陶瓷结构的厚度方向设置有注油孔7，注油孔7与第二安

20、装槽3连通。如 此设置，保证了所填充的硅油可以在真空注油时充满整个腔体。其他组成与连接关系与具 体实施方式一或二相同。 0020 具体实施方式五 ：结合图 5、图 6 和图 7 说明本实施方式，本实施方式所述一种复 合传感器敏感芯体的安装方法包括温度芯片 4 的安装、填充陶瓷结构的安装和压力芯片 2 的安装 ； 0021 步骤一、温度芯片 4 的安装 ： 0022 首先对温度芯片4进行定位 ：制作一个与第二安装槽3尺寸一致的通透的模具，将 该模具置于管座 8 的圆形凹槽的中心位置，根据模具形状在管座 8 的圆形凹槽内刻划出一 个定位框，取下模具 ； 0023 其次将温度芯片 4 粘接在定位框内

21、 ：将温度芯片 4 的引线留长 10mm，其余长度剪 掉，将一根牙签的头部削成扁平状，牙签头部沾取耐硅油胶涂在定位框和第二安装槽 3 上， 胶涂层要均匀，用镊子夹取温度芯片 4，使温度芯片 4 的背面置于定位框内，压紧按实，使温 度芯片 4 四周均挤出胶液，然后进行固化 ； 0024 最后是温度芯片 4 的引线引出 ：用镊子夹住温度芯片 4 的引线在管座 8 的引线柱 9 上绕 2.5 3 圈，用氩弧焊机将温度芯片 4 的引线与引线柱 9 焊在一起 ； 0025 步骤二、填充陶瓷结构的安装 ：将填充陶瓷结构上除温度芯片4与引线柱9以外的 说 明 书CN 104501878 A 4/4 页 6

22、位置涂上一层耐硅油胶，将填充陶瓷的压力芯片引线孔 5 和温度芯片引线孔 6 的中心位置 分别对准管座 8 上的相应的引线柱 9 的位置，将填充陶瓷结构粘接在管座 8 内 ； 0026 步骤三、压力芯片 2 的安装 ：用镊子夹住压力芯片 2 的两端，将压力芯片 2 放置到 第一安装槽 1 的中心位置，根据压力芯片 2 的形状在第一安装槽 1 的相应位置做好定位标 记，取出压力芯片 2，用牙签沾取耐硅油胶，涂在第一安装槽 1 的定位标记的面积内，再将压 力芯片 2 放置在第一安装槽 1 的定位标记内，用按压夹具按压压力芯片 2，将压力芯片 2 粘 接在填充陶瓷结构上端面的第一安装槽 1 内。 00

23、27 本实施方式中，温度芯片 4 的背面粘接在管座 8 上，温度芯片 4 的正面设置在第二 安装槽 3 内。温度芯片 4 在粘接的过程中，注意胶不得沾在温度芯片 4 的上表面、玻璃釉及 引线上，将多余的胶液清除掉，避免妨碍后续安装。 0028 温度芯片 4 的引线与引线柱 9 的焊接参数参考值为 ：起弧电流 182A，焊接电流 212A ；焊接时间 1 3s ；氩气流速不小于 40ft3/h，其中，40ft3/h 即 40 立方英尺每小时。 0029 压力芯片 2 在安装过程中，用按压夹具按压压力芯片 2，操作中注意夹持压力芯片 2 的力度，不要损坏压力芯片 2。 0030 具体实施方式六 ：

24、结合图3说明本实施方式，本实施方式所述温度芯片4采用标准 Pt1000 电阻，温度芯片 4 为矩形，宽度为 2mm，长度为 4mm，厚度为 8mm。如此设置，使用小型 的温度芯片 4，保证了复合传感器的整体尺寸的小型化，方便操作。其他组成及连接关系与 具体实施方式五相同。 0031 具体实施方式七 ：结合图 6 说明本实施方式，本实施方式所述压力芯片 2 采用 SOI 材料制作，压阻式原理感压，压力芯片 2 的底部用静电封接工艺封有玻璃。如此设置，采用 SOI 材料保证了复合传感器压力部分可以耐高温，提高了传感器的整体耐温能力并使用底 部玻璃进行应力隔离，可以提高产品的稳定性。其他组成及连接关

25、系与具体实施方式五相 同。 0032 工作原理 0033 根据静电封接后的硅片及玻璃片的实际厚度以及安装要求在填充陶瓷结构的上 端面上加工第一安装槽1，如玻璃厚度为0.5mm，硅片厚度为0.525mm时，考虑到粘接时胶的 厚度，可加工 1.6mm 深度的第一安装槽 1，为避免引线与安装填充陶瓷结构的管座 8 上部金 属波纹片之间连接而造成短路，在压力芯片 2 与管座 8 上的引线柱 9 之间的引线部分加工 浅沟，使得压力芯片与压力芯片引线孔连通，如采用直径为 0.3mm 的金丝引出，深度可以为 0.6mm，将压力芯片 2 粘接在第一安装槽 1 内。 0034 根据温度芯片 4 的实际厚度以及安

26、装要求在填充陶瓷结构的下端面上加工第二 安装槽 3，第二安装槽 3 与温度芯片引线孔 6 之间连通，方便温度芯片 4 与管座 8 上的引线 柱9之间的引线联通，以便缠线和焊接安装，温度芯片4的引线通过氩弧焊接的方法引出到 管座 8 的引线柱 9 上。 0035 通过合理的距离设计，将温度芯片 4 和压力芯片 2 通过粘接的方法安装到填充陶 瓷结构和管座8内，利用氩弧焊接将波纹膜片焊接到管座8上，采用真空注油的方法向温度 压力复合传感器内注入硅油，注油完成后进行注油孔封堵，完成温度压力复合传感器的整 体制作。 说 明 书CN 104501878 A 1/6 页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104501878 A 2/6 页 8 图3 说 明 书 附 图CN 104501878 A 3/6 页 9 图4 说 明 书 附 图CN 104501878 A 4/6 页 10 图5 说 明 书 附 图CN 104501878 A 5/6 页 11 图6 说 明 书 附 图CN 104501878 A 6/6 页 12 图7 说 明 书 附 图CN 104501878 A