CN111157153A - 一种智能高精度力敏传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于压力传感技术，提供一种智能高精度力敏传感器结构设计。本发明利用溅射薄膜压力敏感芯片的去应力阀结构，结合弹性垫片、绝缘底座、定位销等零件，实现内部电路板组件的安装固定。通过在电路板组件之间设置的导电支柱与电路板组件焊接在一起，既起到了固定、支撑电路板组件的作用，又起到了电路板组件之间电气连接的作用，提高了传感器内部电气连接的可靠性。传感器压力接管嘴、安装法兰盘、壳体和插座均采用焊接实现固定和密封，紧固强度高，密封效果好。因此本发明提供的智能高精度力敏传感器结构设计具有体积小，重量轻，可靠性高，环境适应性强的特点，适用于航空压力传感器的设计。

Description

一种智能高精度力敏传感器

技术领域

本发明属于压力传感技术，涉及一种智能高精度力敏传感器结构设计。

背景技术

安装在复杂环境中的压力传感器，在使用中需要耐受剧烈的振动、冲击、加速度等机械环境，以及经受严苛的湿热、淋雨、温度冲击等考核。压力传感器在以上环境中使用时，常出现因振动、冲击等导致内部结构松动和内部电气连接的导线断裂，因湿热、淋雨等导致内部电气绝缘下降，甚至出现短路等故障，导致压力传感器可靠性降低，表现出对使用环境不适用等特点。而解决上述问题的关键在于结构设计；经验证，通过增强内部结构连接的强度，提高电气连接的可靠性，增强整体结构的密封性等措施可提高压力传感器的可靠性和环境适应性。另外，压力传感器小型化、重量轻是传感器的发展趋势之一，也是提高环境适应性的重要措施。

发明内容

本发明的目的是：提供一种体积小、可靠性高、环境适应性强的智能高精度力敏传感器。

本发明采取的技术方案为：

一种智能高精度力敏传感器，包括压力接管嘴1、安装法兰盘2、绝缘层3、导电支柱4、绝缘底座5、定位销6、电路板组件I7、弹性垫片8、压力敏感芯片9、电路板组件II10、插座12以及用于封装的壳体11，所述安装法兰盘2套接在压力接管嘴1上，压力敏感芯片9安装在压力接管嘴1上端，绝缘底座5中部具有用于套接安装法兰盘中部凸起的台阶孔，台阶孔上方设置有弹性垫片8，且弹性垫片嵌入绝缘底座5的中心通孔上部与压力敏感芯片9去应力阀下部之间的间隙，绝缘底座5靠近外侧沿轴向上设置有用于安装导电支柱4的台阶孔，且该台阶孔底部设置有绝缘层3，定位销6安装在绝缘底座侧面的定位槽与壳体内壁的定位槽之间，电路板组件I7设置在绝缘底座5和弹性垫片8的上方，底部设置在绝缘底座5台阶孔内的导电支柱4往上依次穿过电路板组件I7和电路板组件II10的焊孔，电路板组件II10通过导线分别与压力敏感芯片9和插座12连接。

导电支柱4的表面有可焊性导电镀层，与电路板组件I7和电路板组件II10的焊孔焊接并保持电气连通。

壳体11与安装法兰盘2、插座12之间为密封焊接连接，压力接管嘴1与安装法兰盘2之间的接缝为密封焊接。

所述绝缘层3为环氧树脂胶或绝缘橡胶材料。

用于安装定位销6的定位槽由相互接触匹配的绝缘底座部分和壳体部分组成。

压力敏感芯片9是一个中部带有去应力阀、两端为圆柱形、内部轴线方向为圆形盲

孔的零件，压力敏感芯片9盲孔的末端为带有惠斯登压力敏感电桥的弹性敏感膜片。

压力接管嘴1的中心为通孔，外部设置有外螺纹；压力接管嘴1的外螺纹与安装法兰盘2的内螺纹匹配；压力接嘴1的外螺纹底部设置有圆环型凸起，压力接嘴1的一端外径与压力敏感芯片9的端部外径相同，压力接嘴1的另一端为压力传感器与外部的机械接口；安装法兰盘2是一个带有四个安装孔，中心有内螺纹的零件；安装法兰盘2的内螺纹孔的孔径大于压力敏感芯片9去应力阀的外径；安装法兰盘2在安装孔和内螺纹之间设置有薄壁圆形凸起形状，其薄壁圆形凸起的外径与壳体11的外径相配合。

壳体11是外部为圆柱状，内部为中空的薄壁件；壳体11内壁靠近下端的位置设置有定位槽；壳体11的外径与安装法兰盘2中部圆形凸起形状的外径相同；壳体11上端设置有台阶沉孔，沉孔下部与壳体内孔相通，沉孔下部直径小于沉孔上部直径；沉孔上部直径外径与插座12外径设置为小间隙配合，沉孔上部深度与插座12安装盘厚度一致。

导电支柱4为两级阶梯的圆台形零件，下部、中部和上部的直径依次递减；导电支柱4表面有可焊性导电镀层；导电支柱4下部直径小于绝缘底座5外侧阶梯型通孔的下部直径，导电支柱4下部高度小于绝缘底座5外侧阶梯型通孔的下部深度；导电支柱4的中部直径与绝缘底座5外侧阶梯型通孔的上部孔径设置为过盈配合。

电路板组件I7由环形电路板I装焊传感器的一部分电子元器件构成，电路板组件II10由圆形电路板II装焊传感器的另一部分电子元器件构成，环形电路板I的内径大于压力敏感芯片9去应力阀的外径，但小于弹性垫片8的外径；环形电路板I的一面装焊电子元器件，另一面没有装焊电子元器件；环形电路板I和圆形电路板II的外侧设置有若干焊孔，焊孔位置均与绝缘底座5靠近外侧沿轴向上设置的阶梯型通孔位置一一对应，环形电路板I外侧焊孔的直径与导电支柱4的中部直径形成小间隙配合；圆形电路板II外侧焊孔的直径小于导电支柱4的中部直径，与导电支柱4的上部直径形成小间隙配合。

本发明具有有益效果是：本发明提供了一种小型压力传感器的结构设计，巧妙的利用压力敏感芯片的去应力阀、弹性垫片、绝缘底座、定位销等结构设计，实现了内部电路板组件的安装固定。通过在电路板组件之间设置的导电支柱与电路板组件焊接在一起，既起到了固定、支撑电路板组件的作用，又起到了电路板组件之间电气连接的作用，降低了因振动、冲击等应力导致连接导线断裂的故障概率，提高了传感器内部电气连接的可靠性。传感器压力接管嘴、安装法兰盘、壳体和插座均采用焊接实现固定和密封，紧固强度高，密封效果好。因此本发明提供的智能高精度力敏传感器结构设计具有体积小，重量轻，可靠性高，环境适应性强的特点，适用于航空压力传感器的设计。

附图说明

图1是本发明的智能高精度力敏传感器结构设计示意图；

图2是图1的A-A剖面示意图；

图3是图2的I局部放大示意图；

其中，1—压力接管嘴，2—安装法兰盘，3—环氧树脂胶，4—导电支柱，5—绝缘底座，6—定位销，7—电路板组件I，8—弹性垫片，9—压力敏感芯片，10—电路板组件II，11—壳体，12—插座。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明进行详细说明。

根据本发明所公开的技术内容，本领域技术人员将很清楚本发明的其他实施方案，下述实施方案仅作示例。在不违反本发明主旨及范围的情况下，可对本发明进行各种改变和改进。这些改变和改进均应在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参阅图1，本发明智能高精度力敏传感器结构包括压力接管嘴1、安装法兰盘2、绝缘层3、导电支柱4、绝缘底座5、定位销6、电路板组件I7、弹性垫片8、压力敏感芯片9、电路板组件II10、插座12以及用于封装的壳体11。

其中，所述压力敏感芯片9是一个中部带有去应力阀、两端为圆柱形、内部轴线方向为圆形盲孔的不锈钢零件，功能是将输入压力信号转换成为电信号。压力敏感芯片9的盲孔为压力输入孔，压力输入孔末端是弹性敏感膜片，在弹性膜片的外侧即压力敏感芯片9的顶端通过离子溅射工艺制成惠斯登压力敏感电桥。压力介质通过压力输入孔进入压力敏感芯片，作用在弹性膜片上并产生形变；弹性膜片的形变引起压力敏感电桥桥臂电阻变化，从而起到将压力信号转换为电阻信号的作用。压力敏感芯片9的去应力阀是一个圆环状凸起，与压力敏感芯片9的圆柱外形连接为一个整体。

所述压力接管嘴1的中心为通孔，外部设置有外螺纹的零件；压力接管嘴1的外螺纹规格与安装法兰盘2的内螺纹相匹配；压力接嘴1的外螺纹底部设置有圆环形凸起，作为螺纹限动环。压力接嘴1上端外径与压力敏感芯片9压力输入孔的外径相同，以便于压力接嘴管1与压力敏感芯片9压力输入孔外径对接时形成焊缝，使压力接嘴管1与压力敏感芯片9熔焊连接成为一个整体；压力接嘴1的下端为压力传感器与外部的机械接口。

所述安装法兰盘2是一个带有四个安装孔，中心有内螺纹的不锈钢零件；安装法兰盘2内螺纹孔的孔径大于压力敏感芯片9去应力阀外径，使安装法兰盘2内螺纹孔可以穿过压力敏感芯片9，与压力接管嘴1的外螺纹配合连接在一起，压力接嘴1上的螺纹限动环可以限制安装法兰盘2与压力接管嘴1进一步相对转动；此时安装法兰盘2的底部平面与压力接管嘴1的螺纹限动环底部齐平，接缝处采用密封熔焊，使安装法兰盘2和压力接嘴1形成一个整体。安装法兰盘2在安装孔和内螺纹之间设置有薄壁圆形凸起，圆形凸起的外径与壳体11的外径一致，当压力传感器封装时，壳体11的下端面与安装法兰盘2的圆形凸起对接，形成可以密封熔焊的焊缝。

导电支柱4为两级阶梯的圆台形零件，下部、中部和上部的直径依次递减，使导电支柱4可以依次穿过绝缘底座5靠近外侧沿轴向设置的阶梯型通孔、电路板组件I7上设置的用于电气连接的焊孔、电路板组件II10上设置的用于电气连接的焊孔；导电支柱4的中部直径与绝缘底座5外侧阶梯型通孔的上部孔径设置为过盈配合，导电支柱4的上部从绝缘底座5靠近外侧沿轴向设置的阶梯型通孔的下部穿过通孔，通过导电支柱4的中部压入绝缘底座5外侧阶梯型通孔的上部，导电支柱4与绝缘底座5紧固为一个整体；导电支柱4下部直径小于绝缘底座5外侧阶梯型通孔的下部直径，导电支柱4下部高度小于绝缘底座5外侧阶梯型通孔的下部深度，使导电支柱4下部的上端面与绝缘底座5外侧阶梯型通孔下部的上端面贴合时，避免导电支柱4突出绝缘底座5的下端面，在绝缘底座5外侧阶梯型通孔下部在导电支柱4下端面以下空间中填涂环氧树脂胶3，使导电支柱4的下端面避免在装配后与安装法兰盘2接触，保证了导电支柱4与安装法兰盘2、压力接管嘴1等封装零件的绝缘性能。导电支柱4的表面有可焊性导电镀层，可以与电路板组件I7上设置的用于电气连接的焊孔、电路板组件II10上设置的用于电气连接的焊孔之间采用锡铅钎料焊接在一起，既起到了固定、支撑电路板组件的作用，又起到了电路板组件之间电气连接的作用，提高了传感器内部电气连接的可靠性。

绝缘底座5是一个由酚醛层压玻璃布板加工而成的圆环状零件，外部设置有两个对称的定位槽，中心为阶梯形通孔，这样设置的目的是使绝缘底座5既具有较好地机械强度，加工成特定形状，以安装固定传感器其它零件，又具有良好地绝缘性能，保证压力传感器电路部分具有良好地绝缘电阻性能。绝缘底座5的外径与壳体11内径设置为间隙配合，便于壳体11将绝缘底座5等其它零组件封装在内部；绝缘底座5的中心通孔中部孔径略大于压力敏感芯片9去应力阀外径，使绝缘底座5可以穿过压力敏感芯片9；绝缘底座5的中心通孔下部分的孔径和深度分别与安装法兰盘2中心凸起部分的外径和高度设置为紧密配合，保证绝缘底座5的安装强度；绝缘底座5的中心通孔的上部孔径与弹性垫片8外侧半圆形的直径设置为间隙配合，深度与弹性垫片8的厚度一致，使弹性垫片8嵌入绝缘底座5的中心通孔上部与压力敏感芯片9的去应力阀下部之间的间隙后，不容易脱出，从而保证安装的可靠性。绝缘底座5的中心通孔穿过安装法兰盘2的螺纹外部，使底部紧贴安装法兰盘2的底面，使绝缘底座5通孔下部在导电支柱4下端面以下空间中填涂环氧树脂胶3封闭在绝缘底座5与安装法兰2之间，可有效防止填涂的环氧树脂3从绝缘底座5中脱落，既保证了导电支柱4的安装强度，又保证了导电支柱4与安装法兰盘2之间的绝缘可靠性。

所述弹性垫片8是由弹性合金材料制成的半环形薄壁零件；两个弹性垫片8在同一平面上分别嵌入绝缘底座5的中心通孔上部与压力敏感芯片9的去应力阀下部之间的间隙中，使弹性垫片8完全沉入绝缘底座5的上部沉孔中；弹性垫片8内侧半圆形的直径小于压力敏感芯片9的去应力阀外径，但大于压力敏感芯片9弹性膜片的外径，从而使压力敏感芯片9的去应力阀能够通过弹性垫片8压紧绝缘底座5，防止绝缘底座5在轴向上产生松动，实现绝缘底座5与安装法兰盘2在轴向上形成一个整体的目的。

所述壳体11的外部为圆柱状，内部中空的薄壁不锈钢零件；壳体11下端内臂上设置有的定位槽，请参阅图2、图3，其中，图2是图1的A-A剖面示意图，图3是图2的I局部放大示意图。定位销6的内侧与绝缘底座5的定位槽形状相匹配，外侧与壳体11的定位槽形状相匹配，使得定位销6安装在绝缘底座6和壳体11共同构成的封闭定位槽内后，可以有效防止二者的相对转动。壳体11定位槽的长度与定位销6的长度相匹配，定位槽顶端与壳体11的内壁形成台阶，起到防止定位销6沿轴向移动，使定位销6不会从定位槽中脱出，从而保证了绝缘底座6和壳体11的固定强度。壳体11上端设置为台阶型沉孔，沉孔下部与壳体内孔相通，沉孔下部直径小于沉孔上部直径；沉孔上部直径与熔焊型圆形插座12外径设置为小间隙配合，沉孔上部深度与插座12熔焊安装盘厚度一致。

插座12安装在壳体11上端的沉孔上部，壳体11的上端面与插座12熔焊安装上端面齐平，圆周接缝处采用熔焊，形成焊缝，使壳体11与插座12形成一个整体。

电路板组件I7由环形电路板I装焊传感器的一部分电子元器件构成，电路板组件II10由圆形电路板II装焊传感器的另一部分电子元器件构成；电路板组件I7和电路板组件II10共同构成了压力传感器信号调理的电路部分。环形电路板I设置为仅一面装焊电子元器件，另一面没有装焊电子元器件，使该面与绝缘底座5的上端面紧密贴合；环形电路板I7的内径大于压力敏感芯片9的去应力阀外径，但小于弹性垫片8的外径，使环形电路板I7可以穿过压力敏感芯片9，安装在绝缘底座5的上端面，同时可以使环形电路板I7压紧弹性垫片8，防止弹性垫片8从安装间隙中脱出，从而保证了绝缘底座5与压力底座2之间安装的可靠性。环形电路板I和圆形电路板II的外侧设置有若干焊孔，用于两块电路板之间的电气连接，焊孔位置均与绝缘底座5的外侧阶梯型通孔外置一一对应，便于导电支柱4依次穿过绝缘底座5、电路板组件I7、电路板组件II10；环形电路板I外侧焊孔的直径与导电支柱4的中部直径设置为小间隙配合，便于使环形电路板I紧贴绝缘底座5的上端面后通过外侧焊孔和导电支柱4的中部焊接在一起；圆形电路板II外侧焊孔的直径小于导电支柱4的中部直径，可以使圆形电路板II外侧焊孔穿过导电支柱4的上部后，放置在导电支柱4中部的上端面，使导电支柱4起到支撑电路板组件II的作用；圆形电路板II外侧焊孔的直径与导电支柱4的上部直径设置为小间隙配合，便于使圆形电路板II与导电支柱4的上部焊接在一起。

导电支柱4的数量、电路板组件I7和电路板组件II10上设置的焊孔数量、绝缘底座5外侧阶梯型通孔的数量一致，根据电路板组件I7和电路板组件II10之间的电气连接数量设置。

电路板组件I7的环形电路板I内孔穿过压力敏感芯片9，使导电支柱4穿过电路板组件I7通过环形电路板I上设置的焊孔，使电路板组件I7没有装焊电子元器件的一面与绝缘底座5的上端面贴合，并压紧弹性垫片8。所有导电支柱4均通过锡铅钎料与环形电路板I上设置的焊孔焊接在一起。电路板组件II10的圆形电路板II上设置的焊孔穿过导电支柱4的上部圆柱，圆形电路板II的下侧紧贴与导电支柱4的中部上端面。所有导电支柱4均通过锡铅钎料与圆形电路板II上设置的焊孔焊接在一起。通过上述设置保证了电路板组件I7、电路板组件II10和导电支柱4之间的连接可靠性。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，本领域技术人员完全可以在不偏离本发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求书范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种智能高精度力敏传感器，其特征在于：包括压力接管嘴、安装法兰盘、绝缘层、导电支柱、绝缘底座、定位销、电路板组件I、弹性垫片、压力敏感芯片、电路板组件II、插座以及用于封装的壳体，所述安装法兰盘套接在压力接管嘴上，压力敏感芯片安装在压力接管嘴上端，绝缘底座中部具有用于套接安装法兰盘中部凸起的台阶孔，台阶孔上方设置有弹性垫片，且弹性垫片嵌入绝缘底座的中心通孔上部与压力敏感芯片去应力阀下部之间的间隙，绝缘底座靠近外侧沿轴向上设置有用于安装导电支柱的台阶孔，且该台阶孔底部设置有绝缘层，定位销安装在绝缘底座侧面的定位槽与壳体内壁的定位槽之间，电路板组件I设置在绝缘底座和弹性垫片的上方，底部设置在绝缘底座台阶孔内的导电支柱往上依次穿过电路板组件I和电路板组件II的焊孔，电路板组件II通过导线分别与压力敏感芯片和插座(12)连接。

2.根据权利要求1所述的智能高精度力敏传感器，其特征在于：导电支柱4的表面有可焊性导电镀层，与电路板组件I和电路板组件II(10)的焊孔焊接并保持电气连通。

3.根据权利要求1所述的智能高精度力敏传感器，其特征在于：所述壳体与安装法兰盘、插座之间为密封焊接连接，压力接管嘴与安装法兰盘之间的接缝为密封焊接。

4.根据权利要求1所述的智能高精度力敏传感器，其特征在于：所述绝缘层为环氧树脂胶或绝缘橡胶材料。

5.根据权利要求1所述的智能高精度力敏传感器，其特征在于：用于安装定位销的定位槽由相互接触匹配的绝缘底座部分和壳体部分组成。

6.根据权利要求1所述的智能高精度力敏传感器，其特征在于：压力敏感芯片是一个中部带有去应力阀、两端为圆柱形、内部轴线方向为圆形盲孔的零件，压力敏感芯片盲孔的末端为带有惠斯登压力敏感电桥的弹性敏感膜片。

7.根据权利要求1所述的智能高精度力敏传感器，其特征在于：压力接管嘴的中心为通孔，外部设置有外螺纹；压力接管嘴的外螺纹与安装法兰盘的内螺纹匹配；压力接嘴的外螺纹底部设置有圆环型凸起，压力接嘴的一端外径与压力敏感芯片的端部外径相同，压力接嘴的另一端为压力传感器与外部的机械接口；安装法兰盘是一个带有四个安装孔，中心有内螺纹的零件；安装法兰盘的内螺纹孔的孔径大于压力敏感芯片去应力阀的外径；安装法兰盘在安装孔和内螺纹之间设置有薄壁圆形凸起形状，其薄壁圆形凸起的外径与壳体(11)的外径相配合。

8.根据权利要求1所述的智能高精度力敏传感器，其特征在于：壳体是外部为圆柱状，内部为中空的薄壁件；壳体内壁靠近下端的位置设置有定位槽；壳体的外径与安装法兰盘中部圆形凸起形状的外径相同；壳体上端设置有台阶沉孔，沉孔下部与壳体内孔相通，沉孔下部直径小于沉孔上部直径；沉孔上部直径外径与插座外径设置为小间隙配合，沉孔上部深度与插座安装盘厚度一致。

9.根据权利要求1所述的智能高精度力敏传感器，其特征在于：导电支柱为两级阶梯的圆台形零件，下部、中部和上部的直径依次递减；导电支柱表面有可焊性导电镀层；导电支柱下部直径小于绝缘底座外侧阶梯型通孔的下部直径，导电支柱下部高度小于绝缘底座外侧阶梯型通孔的下部深度；导电支柱的中部直径与绝缘底座外侧阶梯型通孔的上部孔径设置为过盈配合。

10.根据权利要求1所述的智能高精度力敏传感器，其特征在于：电路板组件I由环形电路板I装焊传感器的一部分电子元器件构成，电路板组件II由圆形电路板II装焊传感器的另一部分电子元器件构成，环形电路板I的内径大于压力敏感芯片去应力阀的外径，但小于弹性垫片的外径；环形电路板I的一面装焊电子元器件，另一面没有装焊电子元器件；环形电路板I和圆形电路板II的外侧设置有若干焊孔，焊孔位置均与绝缘底座靠近外侧沿轴向上设置的阶梯型通孔位置一一对应；环形电路板I外侧焊孔的直径与导电支柱的中部直径形成小间隙配合；圆形电路板II外侧焊孔的直径小于导电支柱的中部直径，与导电支柱的上部直径形成小间隙配合。

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