具有帶凸起金屬膜片的壓力傳感器的制作方法

專利名稱：具有帶凸起金屬膜片的壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有帶凸起金屬膜片的壓力傳感器。
背景技術：
近年來，限制汽車排放尾氣的排放標準越來越嚴格。具體地說，尾氣，也就是由柴油動力機車排放的柴油顆粒必須減少。為了減少柴油顆粒，在柴油動力機車中使用了柴油顆粒過濾器(即DPF)系統。DPF系統包括用于收集柴油顆粒的過濾器。過濾器安裝在車輛的排氣管中。當過濾器中積累的柴油顆粒超過預定量時，柴油顆粒就燃燒。這樣，限制了排放到大氣中的柴油顆粒。
DPF系統還包括用于檢測尾氣壓力損失的壓力傳感器。壓力損失是尾氣通過過濾器前和通過過濾器后的壓力差。壓力傳感器應用在惡劣的環境下，比如在尾氣中。需要保護IC芯片，即用于檢測壓力的壓力傳感器芯片。因此采用密封膠保護芯片是不夠的。因此，芯片被一金屬膜片密封在液體中，從而提供一種液封式傳感器。
該液封式傳感器包括引入壓力腔，壓力傳感器芯片和金屬膜片。金屬膜片將芯片從壓力腔的出入口一側分開，以便將液體(即油)密封在芯片一側的空間內。因此，由壓力傳感器檢測的被檢測物(即尾氣)不直接接觸芯片。因此，傳感器可用于惡劣的環境中，即侵蝕環境中。但是，密封在該空間中的油會受熱膨脹或隨環境溫度變化而收縮，從而可能導致傳感器失效。具體地說，膨脹或收縮可能會導致傳感器產生檢測誤差。
當液封式壓力傳感器用于較高壓力下時，例如高于1Mpa時，傳感器的檢測誤差很小，所以基本不用考慮誤差的影響。但是，當液封式壓力傳感器用于柴油動力機車的DPF系統時，傳感器所處使用環境的壓力較低，例如大約在100kPa左右。在這種情況下，傳感器的檢測誤差較大，因此，必須考慮誤差的影響。
根據上面的論述，如果金屬膜片的結構容易變形，則由于溫度變化所產生的油的膨脹或收縮可以通過金屬膜片的變形釋放掉(即吸收)。這樣，檢測誤差變小。公開號為H11-132887的日本專利申請公開了這種具有易變形金屬膜片的液封式壓力傳感器。通常，如果金屬膜片是易于變形的膜片，則可以有效增大其直徑。但是，傳感器的大小(即尺寸)變大。因此，根據現有技術的傳感器包括凸起金屬膜片，以便膜片具有較高的變形率。此處，凸起同心地形成在膜片上，即凸起是波紋形狀。
在現有技術中，膜片上凸起的尺寸和/或形狀根據經驗確定。因此，凸起形狀或尺寸與膜片變形能力之間的關系不明確。例如，現有技術公開膜片的凸起高度在0.075mm-0.15mm之間，并且凸起形成在膜片半徑的2/3以外的區域。然而，現有技術沒有公開凸起高度和寬度之間的關系。而且，現有技術只公開了凸起布置在膜片上的一個較廣的范圍內，因此并沒有準確地公開凸起在膜片上的具體位置。因此，即使將凸起布置在上述區域，即膜片半徑的2/3以外的區域，膜片的變形能力也不足以吸收油的膨脹或收縮。
因此，需要確定凸起的尺寸和數量以使膜片具有最好的變形能力，從而使膜片能夠產生較大變形以便吸收油由于溫度變化而產生的膨脹或收縮。

發明內容
鑒于上述問題，本發明的目的在于提供一種具有帶凸起的金屬膜片的壓力傳感器。具體地說，傳感器的膜片具有最優的變形能力，因此該傳感器的檢測誤差降低。
為了達到上述目的，本發明提出了一種壓力傳感器，它包括用于密封液體的膜片。所述膜片包括多個凸起，所述凸起同心地布置在所述膜片上。每個凸起的徑向截面為圓弧形，并具有環形形狀。每個所述凸起的圓弧長度用L表示，高度用H表示，在徑向的寬度用W表示，兩相鄰所述凸起之間沿徑向的間隔用P表示。所述膜片的有效半徑用R表示，所述膜片的中心與布置在所述膜片最外側的所述凸起的中心之間的距離用r0表示。此處，所述膜片的有效半徑被定義為所述膜片受壓部分的半徑。其中，傳感器具有由α表示的結構參數，其定義為α=(L/H)×(L/W)/P×(r0/R).]]>所述結構參數處于2.5-3.5之間的范圍內。
傳感器的膜片具有最優的變形能力，因此該傳感器的檢測誤差降低。具體地說，密封在膜片中的液體由于環境溫度變化而產生的膨脹和收縮能夠通過所述膜片的變形被吸收。
所述膜片優選具有兩個凸起。
優選地，所述凸起的高度處在0.16mm-0.28mm之間的范圍內。所述凸起的寬度處在1.3mm-1.5mm之間的范圍內。所述凸起被設置在所述膜片的有效半徑一半的外側。
通過下面結合附圖進行的詳細描述，本發明的上述和其他目的、特征和優點更加清楚。


圖1是根據本發明一優選實施例的壓力傳感器的剖視圖。
圖2A是根據本發明優選實施例的傳感器金屬膜片的俯視圖，圖2B是根據本發明優選實施例的傳感器金屬膜片的剖視圖。
圖3是根據本發明優選實施例的傳感器膜片的凸起的放大剖視圖。
圖4A是顯示根據本發明優選實施例的凸起位置的剖面示意圖。圖4B是根據本發明優選實施例的凸起位置和膜片變形之間的關系圖表。
圖5是根據本發明的優選實施例，不同傳感器中壓力和膜片變形之間的關系曲線。
圖6是根據本發明的優選實施例，顯示不同傳感器中凸起位置和膜片變形之間關系的三維圖表。
圖7是根據本發明的優選實施例，顯示不同傳感器中結構系數α和膜片變形之間的關系的圖表。
具體實施例方式
圖1示出根據本發明一優選實施例的具有金屬膜片16的壓力傳感器1。壓力傳感器1是液封式壓力傳感器。具體地說，傳感器1是一種壓差式傳感器。傳感器1用于例如在柴油動力機車的DPF系統中檢測尾氣壓力。因此，傳感器1在較低壓力(例如100kPa)環境下使用。
傳感器1包括外殼2和壓力傳感器芯片5。殼體2包括第一壓力腔3和第二壓力腔4，因此外殼2包括兩個壓力腔3和4。該外殼由殼體6、上外殼7和下外殼8組合在一起構成。
殼體6由塑料制成，為矩形板形狀。殼體6包括一安置在圖1右側的連接器套9。具體地說，連接器套9向殼體6的右側伸出。殼體6還包括設置在殼體6的中心處的凹部6a。壓力傳感器芯片5被安裝在凹部6a中。在凹部6a的底部形成有一個通孔6b。通孔6b穿過殼體6。在殼體6的四個角安置有多個起連接作用的鉚螺母10。鉚螺母10通過嵌件成型技術形成。
殼體6還包括多個通過嵌件成型技術形成的端子11。每個端子11的一端，即圖1中端子的左端，被安置在靠近壓力傳感器5處。具體地說，端子11的左端暴露在凹部6a中，被安置在凹部6a的右側。端子11的主要部分被安置在殼體6中，伸向殼體6的右側。這樣，端子11的另一端置于連接器套9中，以便使端子11和連接器套9形成一個連接件。此處，端子11從殼體6伸出的一端被密封材料例如硅樹脂密封。
壓力傳感器芯片5由一個單晶硅基片、壓力檢測部分(即硅膜片)、四個壓電電阻器和一個底座構成。壓力檢測部分置于基片中心，并且較薄以用作膜片。壓電電阻器置于壓力檢測部分上，這些電阻器提供一個橋式電路。具有壓力檢測部分和電阻器的基片被粘接到底座上。這樣，就形成了芯片5。
芯片5通過粘接劑粘接到殼體6中凹部6a的底部。芯片5上安置的每個電極通過接合線12與端子11的一端電連接。在芯片5的底座上形成的一個通孔與殼體6的通孔6b相連，從而通孔6b貫穿過殼體6的下端和芯片5的下端(即后側)之間。
上外殼7是具有環形凹部的蓋。上外殼7置于殼體6中從而提供第一壓力腔3。安置有壓力檢測部分的芯片5的上端面向第一壓力腔3。也就是說，芯片5的壓力檢測部分暴露在第一壓力腔3中。在上外殼7中安置有一個螺紋孔，用于與殼體6的鉚螺母10對應的螺桿。在上外殼7中形成有與之一體的用于連接到第一壓力腔3的第一出入口7a。
下外殼8具有與上外殼7對稱的結構。下外殼8被安裝在殼體6的底部從而提供了第二壓力腔4。安置有壓力檢測部分的芯片5的下端通過通孔6b連接到第二壓力腔4。也就是說，芯片5的壓力檢測部分的后側與第二壓力腔4相連。在下外殼8中安置有另一螺紋孔，用于與殼體6的鉚螺母10對應的螺桿。在下外殼8中形成有與之一體的用于連接到第二壓力腔4的第二出入8a。
上外殼7的周邊被安置在殼體6的頂部，下外殼8的周邊被安置在殼體6的底部。螺桿13通過上外殼7的螺紋孔從上外殼7的上邊與鉚螺母10固定。同時，螺桿13的頂端從下外殼8的底部與螺母14擰緊。這樣，上外殼7、殼體6和下外殼8通過一對O形環15以這樣的順序組合成一個整體。具體地說，其中一個O形環15安置在上外殼7和殼體6之間，另一O形環15安置在殼體6和下外殼8之間。因此，第一和第二壓力腔3和4是氣密密封的。
金屬膜片16被安裝在第一壓力腔3中。金屬膜片16是圓盤形，并具有一凸起16a。金屬膜片16的周邊部分被夾在殼體6的頂部和上外殼7周邊的底部之間。金屬膜片16的頂部和上外殼7的底部通過粘接劑(未示出)例如氟硅化合物粘接在一起。金屬膜片16的底部和殼體6的頂部通過O形環17氣密密封。
這樣，第一壓力腔3被金屬膜片16分成上部和下部。第一壓力腔3的下部在壓力傳感器芯片一側提供一油封腔，從而使作為密封液體的油18被密封在油封腔中。油18可以是例如氟化油等，其對壓力傳感器芯片沒有損害。
第二壓力腔4中安裝有另一金屬膜片16，其安裝方式與第一壓力腔3中的金屬膜片16的安裝方式相同，但與第一壓力腔3中的金屬膜片16在豎直方向上對稱。第二壓力腔4中的所述另一金屬膜片16的外周邊被夾在殼體6的底部和下外殼8周邊的頂部之間。所述另一金屬膜片16的底部與下外殼8的頂部通過粘接劑(未示出)例如氟硅化合物粘接在一起。所述另一金屬膜片16的頂部和殼體6的底部通過O形環17氣密密封。
這樣，第二壓力腔4被所述另一金屬膜片16分成上部和下部。第二壓力腔4的上部在壓力傳感器芯片一側提供另一油封腔，從而使油18被密封在所述另一油封腔中。油18通過孔6b注滿至壓力傳感器芯片5的壓力檢測部分的后側。
此處，傳感器1被安裝在例如柴油動力機車的發動機的排氣管中。第一壓力腔3的第一出入口7a與過濾器上端相連，第二壓力腔4的第二出入口8a與過濾器下端相連(未示出)。過濾器被安置在排氣管中，以便過濾尾氣，也就是說，過濾器收集柴油顆粒。這樣，傳感器1檢測尾氣通過過濾器之前和通過過濾器之后的壓力差(即壓力損失)。
圖2A、圖2B和圖3詳細示出了金屬膜片16。金屬膜片16由金屬例如不銹鋼等制成，形狀是圓盤形，厚度為25μm。膜片16的外圍表面同心地安置有多個凸起16a。在該實施例中，傳感器1中有兩個環形凸起16a。凸起16在徑向上為圓弧形截面。凸起16a從圓盤向上凸起，因此膜片具有波紋狀結構。
凸起16a和膜片16的尺寸如下。如圖3所示，L代表凸起16a的圓弧長度，H代表凸起16a的高度，W代表凸起在徑向的寬度，P代表兩個凸起16a的中心之間在徑向上的間隔(即距離)，r0代表最外側凸起16a的半徑(即r0代表膜片16的中心與最外側凸起16a的中心之間的距離)，R代表膜片16的有效半徑(即膜片受壓部分的半徑)。此處，結構參數α定義如下α=(L/H)×(L/W)/P×(r0/R)]]>在傳感器1中，參數α的值的范圍在2.5-3.5之間。
具體地說，凸起16a的高度H是0.22mm，寬度是1.44mm，凸起16a之間的間隔P是2.1mm，凸起16a和膜片16的中心之間的距離r0是7.75mm，膜片16的有效半徑R是9.3mm。
當參數α處在2.5-3.5之間的范圍內時，傳感器1，也就是膜片16具有以下優點。在傳感器1中，壓力被通過第一出入口7a引入第一壓力腔3。壓力通過膜片16和油18施加在壓力傳感器芯片5的壓力檢測部分的頂部。另一方面，壓力還通過第二出入口8a引入第二壓力腔4。壓力通過膜片16和油18施加在壓力傳感器芯片5的壓力檢測部分的底部。這樣，通過壓力傳感器芯片5就可檢測出引入第一壓力腔3中的壓力和引入第二壓力腔4中的壓力之間的差。具體地說，芯片5檢測尾氣通過過濾器之前和通過過濾器之后的壓力損失。
此處，柴油動力機車的發動機的尾氣作為檢測物(即壓力媒質)被引入第一、第二壓力腔3和4，因此傳感器1應用在非常惡劣的環境中。不過，芯片5被膜片16和油18密封，不直接接觸尾氣。因此，芯片5受到保護，不會受到惡劣環境即侵蝕環境的損害。
傳感器1被安裝在機車上，因此，其周圍環境溫度通常變化很大。當溫度變化時，密封在第一、第二壓力腔中的油18膨脹或收縮。油18的膨脹或收縮會影響芯片5的壓力檢測部分，從而使傳感器1產生檢測誤差。具體地說，當傳感器1在壓力相對較低的環境下使用時，檢測誤差較大。
由于上述問題，傳感器1具有預定結構。具體地說，結構參數α被設置在2.5-3.5的范圍內。而且，凸起16a的數量確定為兩個。這樣，不必增大金屬膜片16的直徑，就可使膜片16具有很好的變形能力(即彈性)。因此，油18由于溫度變化而引起的膨脹或收縮能夠通過膜片16變形而被吸收。具體地說，膜片16容易發生變形(即位置變化)，從而使油18的膨脹或收縮基本不影響芯片5。這樣，傳感器1的檢測誤差隨之降低。
下面詳細描述傳感器1的上述優點。圖4A-圖7示出了凸起16a的布置方式和膜片變形之間的關系。此處，膜片16的有效半徑是9.3mm。
在圖4A和4B中，如果傳感器1具有單個凸起16a，則具有布置在不同位置處的單個凸起16a的膜片16的變形(即位置變化)可以通過仿真計算出來。X代表膜片的中心軸線。S1代表距離中心軸線X為7.75mm的凸起16a的位置。S2代表距離中心軸線X為5.65mm的凸起16a的位置。S3代表距離中心軸線X為3.55mm的凸起16a的位置。S4代表距離中心軸線X為1.45mm的凸起16a的位置。此處，凸起16a的寬度為1.44mm，高度為0.2mm。傳感器1所處環境溫度為25攝氏度，并受30kPa的壓力。
如圖4B所示，當傳感器只有單個凸起16a的情況下，凸起16a被設置在位置S1和S2處時膜片16的變形最大。
在圖5中，當傳感器1具有多個凸起16a時，具有多個凸起16a的膜片16的變形可以通過仿真計算出來。具體地說，圖5示出膜片16的變形和具有多個不同凸起16a的傳感器1所受壓力之間的關系。S5代表具有四個分別布置在位置S1-S4處的凸起的傳感器1。S6代表具有三個分別布置在位置S1-S3處的凸起的傳感器1。S7代表具有兩個分別布置在位置S1-S2處的凸起的傳感器1。S8代表只有一個布置在位置S1處的凸起的傳感器1。此處，凸起16a的寬度為1.44mm，高度為0.2mm。傳感器1所處環境溫度為25攝氏度，并受壓力。
如圖5所示，當傳感器1具有兩個布置在S1和S2位置處的凸起16a(即當傳感器1是傳感器S7)時，膜片16的變形最大。這是因為在具有單個凸起16a的傳感器S8中膜片16的變形不充分。而且，在具有超過兩個凸起16a的傳感器S5和S6中，至少一個凸起16a布置在膜片16半徑一半的內側。具體地說，凸起16a被布置在靠近膜片16中心軸線X處，從而使膜片16的彎曲剛度變大。因此，膜片16的柔性減小，以致變形不充分。
在圖6中，當傳感器1具有兩個凸起16a時，具有兩個布置在不同位置處的凸起16a的膜片16的變形可以通過仿真計算出來。S9代表具有兩個分別布置在位置S1和S2處的凸起16a的傳感器1。具體地說，第一凸起16a被設置在第二凸起16a的外側，位于S1處，第二凸起16a被設置在位置S2處。S10代表具有兩個分別布置在位置S1和S3處的凸起16a的傳感器1。S11代表具有兩個分別布置在位置S2和S3處的凸起16a的傳感器1。在這種情況下，第一凸起16a被設置在位置S2處，第二凸起被設置在位置S3處。S12代表具有兩個分別布置在位置S1和S4處的凸起16a的傳感器1。S13代表具有兩個分別布置在位置S2和S4處的凸起16a的傳感器1。此處，膜片16的有效半徑是9.3mm。凸起16a的寬度為1.44mm，高度為0.2mm。傳感器1所處環境溫度為25攝氏度，并受30kPa的壓力。
如圖6所示，當傳感器1具有兩個布置在S1和S2位置處的凸起16a(即當傳感器1是傳感器S9)時，膜片16的變形最大。因此，如果傳感器1具有兩個凸起16a，則希望凸起被設置在膜片16的盡可能靠外處。具體地說，希望距離r0盡可能大。
在圖7中，當傳感器1具有多個凸起16a時，具有多個凸起16a的膜片16的變形可以通過仿真計算出來。具體地說，圖7示出膜片16的變形和結構參數α之間的關系。S14代表具有三個凸起16a的傳感器1。具體地說，每個凸起16a的寬度為1.8mm，間隔P為2.5mm，凸起16a的最外側和中心軸線X之間的距離r0為6.8mm。S15代表具有四個凸起16a的傳感器1。具體地說，每個凸起16a的寬度為1.44mm，間隔P為2.1mm，凸起16a的最外側和中心軸線X之間的距離r0為7.75mm。S17代表具有四個凸起16a的傳感器1。具體地說，每個凸起16a的寬度為0.95mm，間隔P為1.8mm，凸起16a的最外側和中心軸線X之間的距離r0為7.1mm。此處，膜片16的有效半徑是9.3mm。傳感器1所處環境溫度為25攝氏度，并受30kPa的壓力。
如圖7所示，當結構參數α處于一個特定范圍2.5-3.5中時，膜片16的變形最大。具體地說，即使當傳感器1具有多個不同結構的凸起16a，也是當結構參數α處于2.5-3.5的范圍時膜片16的變形最大。并且，當傳感器1具有兩個寬度W為1.44mm，高度為0.22mm，間隔為2.1mm，距離r0為7.75mm的凸起16a(即傳感器1是傳感器S16)時，膜片16的變形最大。
并且，發明人還研究了凸起16a的高度H和膜片16的變形之間的關系。此外，發明人還研究了凸起16a的寬度W和膜片16的變形之間的關系。這些進一步的研究的結果是，凸起16a的高度H優選在0.16-0.28mm之間，寬度W優選在1.3-1.5mm之間。
在該優選實施例中，結構參數α被確定以使膜片16具有最好的變形能力(即最好的彎曲能力)。當結構參數α處于范圍2.5-3.5中時，金屬膜片16具有最好的變形能力，從而使密封在壓力腔3和4中的油18由于溫度變化而產生的膨脹和收縮能夠被充分吸收。這樣，傳感器1的檢測誤差降低。
并且，膜片16的有效半徑R，以及凸起16a的高度H、寬度W以及數量和位置被優化以使膜片16獲得最好的變形能力。這樣，不必增大膜片16的有效半徑R，就可以增加膜片16的變形能力。具體地說，不必增大傳感器1的大小(即尺寸)就可使膜片16具有最好的變形能力。
此外，當傳感器1具有兩個凸起16a時，膜片16具有最大的變形能力。
盡管傳感器1是帶有兩個用來密封油18的膜片16的具有兩個壓力腔3和4的壓差式壓力傳感器，但傳感器1可以是其它類型的壓力傳感器，例如具有一個壓力傳感器芯片的壓力傳感器，其底部受到大氣壓力。具體地說，傳感器1可以只具有單個膜片，從而只有上壓力腔被氣密密封，即只有壓力傳感器芯片的頂部被密封。
雖然傳感器1用于柴油動力機車以檢測尾氣壓力，但其還可有其它應用。
雖然傳感器1具有預定結構，例如殼體2等，但其還可有其它殼體結構。并且，只要結構參數α所處的范圍△為2.5-3.5，傳感器1可以具有多于兩個凸起16a。而且，只要結構參數α所處的范圍△為2.5-3.5，傳感器1還可以具有其它不同結構的膜片16。
可以理解，這些變化和修改都處于所附權利要求所保護的范圍內。
權利要求
1.一種壓力傳感器，包括用于密封液體的膜片(16)；其中，所述膜片(16)包括多個凸起(16a)，所述凸起(16a)同心地布置在所述膜片(16)上；其中，每個凸起(16a)的徑向截面為圓弧形，并具有環形形狀；其中，每個所述凸起(16a)的圓弧長度用L表示，高度用H表示，在徑向的寬度用W表示，兩相鄰所述凸起(16a)之間沿徑向的間隔用P表示；其中，所述膜片(16)的有效半徑用R表示，所述膜片(16)的中心與布置在所述膜片(16)最外側的所述凸起(16a)的中心之間的距離用r0表示，所述膜片(16)的有效半徑被定義為所述膜片(16)受壓部分的半徑；其中，傳感器具有由α表示的結構參數，其定義如下α=(L/H)×(L/W)/P×(r0/R),]]>并且其中結構參數(α)處于2.5-3.5之間的范圍內。
2.如權利要求1所述的傳感器，其中，所述膜片(16)具有兩個所述凸起(16a)。
3.如權利要求1或2所述的傳感器，其中，所述膜片(16)由金屬制成，并且其中的液體是油。
4.如權利要求1-3中任一所述的傳感器，其中，所述凸起(16a)的高度處在0.16mm-0.28mm之間的范圍內；其中，所述凸起(16a)的寬度處在1.3mm-1.5mm之間的范圍內；其中，所述凸起(16a)被設置在所述膜片(16)的有效半徑一半的外側。
5.如權利要求1-4中任一所述的傳感器，其中，所述膜片(16)的有效半徑大約為9.3mm，并且，其中，所述傳感器應用在較低壓力環境下。
6.如權利要求1-5中任一所述的傳感器，其中所述傳感器用于檢測柴油動力機車的尾氣壓力。
全文摘要
本發明涉及一種壓力傳感器，包括用于密封液體的膜片(16)。膜片(16)包括多個凸起(16a)，凸起(16a)同心地布置在膜片(16)上。每個凸起(16a)的徑向截面為圓弧形，并具有環形形狀。傳感器具有由α表示的結構參數，其中結構參數(α)處于2.5－3.5之間的范圍內。傳感器的膜片(16)具有最優的變形能力，因此該傳感器的檢測誤差降低。
文檔編號G01L7/08GK1534284SQ20041003133
公開日2004年10月6日 申請日期2004年3月26日 優先權日2003年3月28日
發明者馬場廣伸, 德永正壽, 壽 申請人:株式會社電裝