专利名称：具有带凸起金属膜片的压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有带凸起金属膜片的压力传感器。
背景技术：
近年来，限制汽车排放尾气的排放标准越来越严格。具体地说，尾气，也就是由柴油动力机车排放的柴油颗粒必须减少。为了减少柴油颗粒，在柴油动力机车中使用了柴油颗粒过滤器(即DPF)系统。DPF系统包括用于收集柴油颗粒的过滤器。过滤器安装在车辆的排气管中。当过滤器中积累的柴油颗粒超过预定量时，柴油颗粒就燃烧。这样，限制了排放到大气中的柴油颗粒。
DPF系统还包括用于检测尾气压力损失的压力传感器。压力损失是尾气通过过滤器前和通过过滤器后的压力差。压力传感器应用在恶劣的环境下，比如在尾气中。需要保护IC芯片，即用于检测压力的压力传感器芯片。因此采用密封胶保护芯片是不够的。因此，芯片被一金属膜片密封在液体中，从而提供一种液封式传感器。
该液封式传感器包括引入压力腔，压力传感器芯片和金属膜片。金属膜片将芯片从压力腔的出入口一侧分开，以便将液体(即油)密封在芯片一侧的空间内。因此，由压力传感器检测的被检测物(即尾气)不直接接触芯片。因此，传感器可用于恶劣的环境中，即侵蚀环境中。但是，密封在该空间中的油会受热膨胀或随环境温度变化而收缩，从而可能导致传感器失效。具体地说，膨胀或收缩可能会导致传感器产生检测误差。
当液封式压力传感器用于较高压力下时，例如高于1Mpa时，传感器的检测误差很�。曰静挥每悸俏蟛畹挠跋�。但是，当液封式压力传感器用于柴油动力机车的DPF系统时，传感器所处使用环境的压力较低，例如大约在100kPa左右。在这种情况下，传感器的检测误差较大，因此，必须考虑误差的影响。
根据上面的论述，如果金属膜片的结构容易变形，则由于温度变化所产生的油的膨胀或收缩可以通过金属膜片的变形释放掉(即吸收)。这样，检测误差变小。公开号为H11-132887的日本专利申请公开了这种具有易变形金属膜片的液封式压力传感器。通常，如果金属膜片是易于变形的膜片，则可以有效增大其直径。但是，传感器的大小(即尺寸)变大。因此，根据现有技术的传感器包括凸起金属膜片，以便膜片具有较高的变形率。此处，凸起同心地形成在膜片上，即凸起是波纹形状。
在现有技术中，膜片上凸起的尺寸和/或形状根据经验确定。因此，凸起形状或尺寸与膜片变形能力之间的关系不明确。例如，现有技术公开膜片的凸起高度在0.075mm-0.15mm之间，并且凸起形成在膜片半径的2/3以外的区域。然而，现有技术没有公开凸起高度和宽度之间的关系。而且，现有技术只公开了凸起布置在膜片上的一个较广的范围内，因此并没有准确地公开凸起在膜片上的具体位置。因此，即使将凸起布置在上述区域，即膜片半径的2/3以外的区域，膜片的变形能力也不足以吸收油的膨胀或收缩。
因此，需要确定凸起的尺寸和数量以使膜片具有最好的变形能力，从而使膜片能够产生较大变形以便吸收油由于温度变化而产生的膨胀或收缩。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种具有带凸起的金属膜片的压力传感器。具体地说，传感器的膜片具有最优的变形能力，因此该传感器的检测误差降低。
为了达到上述目的，本发明提出了一种压力传感器，它包括用于密封液体的膜片。所述膜片包括多个凸起，所述凸起同心地布置在所述膜片上。每个凸起的径向截面为圆弧形，并具有环形形状。每个所述凸起的圆弧长度用L表示，高度用H表示，在径向的宽度用W表示，两相邻所述凸起之间沿径向的间隔用P表示。所述膜片的有效半径用R表示，所述膜片的中心与布置在所述膜片最外侧的所述凸起的中心之间的距离用r0表示。此处，所述膜片的有效半径被定义为所述膜片受压部分的半径。其中，传感器具有由α表示的结构参数，其定义为α=(L/H)×(L/W)/P×(r0/R).]]>所述结构参数处于2.5-3.5之间的范围内。
传感器的膜片具有最优的变形能力，因此该传感器的检测误差降低。具体地说，密封在膜片中的液体由于环境温度变化而产生的膨胀和收缩能够通过所述膜片的变形被吸收。
所述膜片优选具有两个凸起。
优选地，所述凸起的高度处在0.16mm-0.28mm之间的范围内。所述凸起的宽度处在1.3mm-1.5mm之间的范围内。所述凸起被设置在所述膜片的有效半径一半的外侧。
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点更加清楚。
图1是根据本发明一优选实施例的压力传感器的剖视图。
图2A是根据本发明优选实施例的传感器金属膜片的俯视图，图2B是根据本发明优选实施例的传感器金属膜片的剖视图。
图3是根据本发明优选实施例的传感器膜片的凸起的放大剖视图。
图4A是显示根据本发明优选实施例的凸起位置的剖面示意图。图4B是根据本发明优选实施例的凸起位置和膜片变形之间的关系图表。
图5是根据本发明的优选实施例，不同传感器中压力和膜片变形之间的关系曲线。
图6是根据本发明的优选实施例，显示不同传感器中凸起位置和膜片变形之间关系的三维图表。
图7是根据本发明的优选实施例，显示不同传感器中结构系数α和膜片变形之间的关系的图表。
具体实施例方式
图1示出根据本发明一优选实施例的具有金属膜片16的压力传感器1。压力传感器1是液封式压力传感器。具体地说，传感器1是一种压差式传感器。传感器1用于例如在柴油动力机车的DPF系统中检测尾气压力。因此，传感器1在较低压力(例如100kPa)环境下使用。
传感器1包括外壳2和压力传感器芯片5。壳体2包括第一压力腔3和第二压力腔4，因此外壳2包括两个压力腔3和4。该外壳由壳体6、上外壳7和下外壳8组合在一起构成。
壳体6由塑料制成，为矩形板形状。壳体6包括一安置在图1右侧的连接器套9。具体地说，连接器套9向壳体6的右侧伸出。壳体6还包括设置在壳体6的中心处的凹部6a。压力传感器芯片5被安装在凹部6a中。在凹部6a的底部形成有一个通孔6b。通孔6b穿过壳体6。在壳体6的四个角安置有多个起连接作用的铆螺母10。铆螺母10通过嵌件成型技术形成。
壳体6还包括多个通过嵌件成型技术形成的端子11。每个端子11的一端，即图1中端子的左端，被安置在靠近压力传感器5处。具体地说，端子11的左端暴露在凹部6a中，被安置在凹部6a的右侧。端子11的主要部分被安置在壳体6中，伸向壳体6的右侧。这样，端子11的另一端置于连接器套9中，以便使端子11和连接器套9形成一个连接件。此处，端子11从壳体6伸出的一端被密封材料例如硅树脂密封。
压力传感器芯片5由一个单晶硅基片、压力检测部分(即硅膜片)、四个压电电阻器和一个底座构成。压力检测部分置于基片中心，并且较薄以用作膜片。压电电阻器置于压力检测部分上，这些电阻器提供一个桥式电路。具有压力检测部分和电阻器的基片被粘接到底座上。这样，就形成了芯片5。
芯片5通过粘接剂粘接到壳体6中凹部6a的底部。芯片5上安置的每个电极通过接合线12与端子11的一端电连接。在芯片5的底座上形成的一个通孔与壳体6的通孔6b相连，从而通孔6b贯穿过壳体6的下端和芯片5的下端(即后侧)之间。
上外壳7是具有环形凹部的盖。上外壳7置于壳体6中从而提供第一压力腔3。安置有压力检测部分的芯片5的上端面向第一压力腔3。也就是说，芯片5的压力检测部分暴露在第一压力腔3中。在上外壳7中安置有一个螺纹孔，用于与壳体6的铆螺母10对应的螺杆。在上外壳7中形成有与之一体的用于连接到第一压力腔3的第一出入口7a。
下外壳8具有与上外壳7对称的结构。下外壳8被安装在壳体6的底部从而提供了第二压力腔4。安置有压力检测部分的芯片5的下端通过通孔6b连接到第二压力腔4。也就是说，芯片5的压力检测部分的后侧与第二压力腔4相连。在下外壳8中安置有另一螺纹孔，用于与壳体6的铆螺母10对应的螺杆。在下外壳8中形成有与之一体的用于连接到第二压力腔4的第二出入8a。
上外壳7的周边被安置在壳体6的顶部，下外壳8的周边被安置在壳体6的底部。螺杆13通过上外壳7的螺纹孔从上外壳7的上边与铆螺母10固定。同时，螺杆13的顶端从下外壳8的底部与螺母14拧紧。这样，上外壳7、壳体6和下外壳8通过一对O形环15以这样的顺序组合成一个整体。具体地说，其中一个O形环15安置在上外壳7和壳体6之间，另一O形环15安置在壳体6和下外壳8之间。因此，第一和第二压力腔3和4是气密密封的。
金属膜片16被安装在第一压力腔3中。金属膜片16是圆盘形，并具有一凸起16a。金属膜片16的周边部分被夹在壳体6的顶部和上外壳7周边的底部之间。金属膜片16的顶部和上外壳7的底部通过粘接剂(未示出)例如氟硅化合物粘接在一起。金属膜片16的底部和壳体6的顶部通过O形环17气密密封。
这样，第一压力腔3被金属膜片16分成上部和下部。第一压力腔3的下部在压力传感器芯片一侧提供一油封腔，从而使作为密封液体的油18被密封在油封腔中。油18可以是例如氟化油等，其对压力传感器芯片没有损害。
第二压力腔4中安装有另一金属膜片16，其安装方式与第一压力腔3中的金属膜片16的安装方式相同，但与第一压力腔3中的金属膜片16在竖直方向上对称。第二压力腔4中的所述另一金属膜片16的外周边被夹在壳体6的底部和下外壳8周边的顶部之间。所述另一金属膜片16的底部与下外壳8的顶部通过粘接剂(未示出)例如氟硅化合物粘接在一起。所述另一金属膜片16的顶部和壳体6的底部通过O形环17气密密封。
这样，第二压力腔4被所述另一金属膜片16分成上部和下部。第二压力腔4的上部在压力传感器芯片一侧提供另一油封腔，从而使油18被密封在所述另一油封腔中。油18通过孔6b注满至压力传感器芯片5的压力检测部分的后侧。
此处，传感器1被安装在例如柴油动力机车的发动机的排气管中。第一压力腔3的第一出入口7a与过滤器上端相连，第二压力腔4的第二出入口8a与过滤器下端相连(未示出)。过滤器被安置在排气管中，以便过滤尾气，也就是说，过滤器收集柴油颗粒。这样，传感器1检测尾气通过过滤器之前和通过过滤器之后的压力差(即压力损失)。
图2A、图2B和图3详细示出了金属膜片16。金属膜片16由金属例如不锈钢等制成，形状是圆盘形，厚度为25μm。膜片16的外围表面同心地安置有多个凸起16a。在该实施例中，传感器1中有两个环形凸起16a。凸起16在径向上为圆弧形截面。凸起16a从圆盘向上凸起，因此膜片具有波纹状结构。
凸起16a和膜片16的尺寸如下。如图3所示，L代表凸起16a的圆弧长度，H代表凸起16a的高度，W代表凸起在径向的宽度，P代表两个凸起16a的中心之间在径向上的间隔(即距离)，r0代表最外侧凸起16a的半径(即r0代表膜片16的中心与最外侧凸起16a的中心之间的距离)，R代表膜片16的有效半径(即膜片受压部分的半径)。此处，结构参数α定义如下α=(L/H)×(L/W)/P×(r0/R)]]>在传感器1中，参数α的值的范围在2.5-3.5之间。
具体地说，凸起16a的高度H是0.22mm，宽度是1.44mm，凸起16a之间的间隔P是2.1mm，凸起16a和膜片16的中心之间的距离r0是7.75mm，膜片16的有效半径R是9.3mm。
当参数α处在2.5-3.5之间的范围内时，传感器1，也就是膜片16具有以下优点。在传感器1中，压力被通过第一出入口7a引入第一压力腔3。压力通过膜片16和油18施加在压力传感器芯片5的压力检测部分的顶部。另一方面，压力还通过第二出入口8a引入第二压力腔4。压力通过膜片16和油18施加在压力传感器芯片5的压力检测部分的底部。这样，通过压力传感器芯片5就可检测出引入第一压力腔3中的压力和引入第二压力腔4中的压力之间的差。具体地说，芯片5检测尾气通过过滤器之前和通过过滤器之后的压力损失。
此处，柴油动力机车的发动机的尾气作为检测物(即压力媒质)被引入第一、第二压力腔3和4，因此传感器1应用在非常恶劣的环境中。不过，芯片5被膜片16和油18密封，不直接接触尾气。因此，芯片5受到保护，不会受到恶劣环境即侵蚀环境的损害。
传感器1被安装在机车上，因此，其周围环境温度通常变化很大。当温度变化时，密封在第一、第二压力腔中的油18膨胀或收缩。油18的膨胀或收缩会影响芯片5的压力检测部分，从而使传感器1产生检测误差。具体地说，当传感器1在压力相对较低的环境下使用时，检测误差较大。
由于上述问题，传感器1具有预定结构。具体地说，结构参数α被设置在2.5-3.5的范围内。而且，凸起16a的数量确定为两个。这样，不必增大金属膜片16的直径，就可使膜片16具有很好的变形能力(即弹性)。因此，油18由于温度变化而引起的膨胀或收缩能够通过膜片16变形而被吸收。具体地说，膜片16容易发生变形(即位置变化)，从而使油18的膨胀或收缩基本不影响芯片5。这样，传感器1的检测误差随之降低。
下面详细描述传感器1的上述优点。图4A-图7示出了凸起16a的布置方式和膜片变形之间的关系。此处，膜片16的有效半径是9.3mm。
在图4A和4B中，如果传感器1具有单个凸起16a，则具有布置在不同位置处的单个凸起16a的膜片16的变形(即位置变化)可以通过仿真计算出来。X代表膜片的中心轴线。S1代表距离中心轴线X为7.75mm的凸起16a的位置。S2代表距离中心轴线X为5.65mm的凸起16a的位置。S3代表距离中心轴线X为3.55mm的凸起16a的位置。S4代表距离中心轴线X为1.45mm的凸起16a的位置。此处，凸起16a的宽度为1.44mm，高度为0.2mm。传感器1所处环境温度为25摄氏度，并受30kPa的压力。
如图4B所示，当传感器只有单个凸起16a的情况下，凸起16a被设置在位置S1和S2处时膜片16的变形最大。
在图5中，当传感器1具有多个凸起16a时，具有多个凸起16a的膜片16的变形可以通过仿真计算出来。具体地说，图5示出膜片16的变形和具有多个不同凸起16a的传感器1所受压力之间的关系。S5代表具有四个分别布置在位置S1-S4处的凸起的传感器1。S6代表具有三个分别布置在位置S1-S3处的凸起的传感器1。S7代表具有两个分别布置在位置S1-S2处的凸起的传感器1。S8代表只有一个布置在位置S1处的凸起的传感器1。此处，凸起16a的宽度为1.44mm，高度为0.2mm。传感器1所处环境温度为25摄氏度，并受压力。
如图5所示，当传感器1具有两个布置在S1和S2位置处的凸起16a(即当传感器1是传感器S7)时，膜片16的变形最大。这是因为在具有单个凸起16a的传感器S8中膜片16的变形不充分。而且，在具有超过两个凸起16a的传感器S5和S6中，至少一个凸起16a布置在膜片16半径一半的内侧。具体地说，凸起16a被布置在靠近膜片16中心轴线X处，从而使膜片16的弯曲刚度变大。因此，膜片16的柔性减�。灾卤湫尾怀浞�。
在图6中，当传感器1具有两个凸起16a时，具有两个布置在不同位置处的凸起16a的膜片16的变形可以通过仿真计算出来。S9代表具有两个分别布置在位置S1和S2处的凸起16a的传感器1。具体地说，第一凸起16a被设置在第二凸起16a的外侧，位于S1处，第二凸起16a被设置在位置S2处。S10代表具有两个分别布置在位置S1和S3处的凸起16a的传感器1。S11代表具有两个分别布置在位置S2和S3处的凸起16a的传感器1。在这种情况下，第一凸起16a被设置在位置S2处，第二凸起被设置在位置S3处。S12代表具有两个分别布置在位置S1和S4处的凸起16a的传感器1。S13代表具有两个分别布置在位置S2和S4处的凸起16a的传感器1。此处，膜片16的有效半径是9.3mm。凸起16a的宽度为1.44mm，高度为0.2mm。传感器1所处环境温度为25摄氏度，并受30kPa的压力。
如图6所示，当传感器1具有两个布置在S1和S2位置处的凸起16a(即当传感器1是传感器S9)时，膜片16的变形最大。因此，如果传感器1具有两个凸起16a，则希望凸起被设置在膜片16的尽可能靠外处。具体地说，希望距离r0尽可能大。
在图7中，当传感器1具有多个凸起16a时，具有多个凸起16a的膜片16的变形可以通过仿真计算出来。具体地说，图7示出膜片16的变形和结构参数α之间的关系。S14代表具有三个凸起16a的传感器1。具体地说，每个凸起16a的宽度为1.8mm，间隔P为2.5mm，凸起16a的最外侧和中心轴线X之间的距离r0为6.8mm。S15代表具有四个凸起16a的传感器1。具体地说，每个凸起16a的宽度为1.44mm，间隔P为2.1mm，凸起16a的最外侧和中心轴线X之间的距离r0为7.75mm。S17代表具有四个凸起16a的传感器1。具体地说，每个凸起16a的宽度为0.95mm，间隔P为1.8mm，凸起16a的最外侧和中心轴线X之间的距离r0为7.1mm。此处，膜片16的有效半径是9.3mm。传感器1所处环境温度为25摄氏度，并受30kPa的压力。
如图7所示，当结构参数α处于一个特定范围2.5-3.5中时，膜片16的变形最大。具体地说，即使当传感器1具有多个不同结构的凸起16a，也是当结构参数α处于2.5-3.5的范围时膜片16的变形最大。并且，当传感器1具有两个宽度W为1.44mm，高度为0.22mm，间隔为2.1mm，距离r0为7.75mm的凸起16a(即传感器1是传感器S16)时，膜片16的变形最大。
并且，发明人还研究了凸起16a的高度H和膜片16的变形之间的关系。此外，发明人还研究了凸起16a的宽度W和膜片16的变形之间的关系。这些进一步的研究的结果是，凸起16a的高度H优选在0.16-0.28mm之间，宽度W优选在1.3-1.5mm之间。
在该优选实施例中，结构参数α被确定以使膜片16具有最好的变形能力(即最好的弯曲能力)。当结构参数α处于范围2.5-3.5中时，金属膜片16具有最好的变形能力，从而使密封在压力腔3和4中的油18由于温度变化而产生的膨胀和收缩能够被充分吸收。这样，传感器1的检测误差降低。
并且，膜片16的有效半径R，以及凸起16a的高度H、宽度W以及数量和位置被优化以使膜片16获得最好的变形能力。这样，不必增大膜片16的有效半径R，就可以增加膜片16的变形能力。具体地说，不必增大传感器1的大小(即尺寸)就可使膜片16具有最好的变形能力。
此外，当传感器1具有两个凸起16a时，膜片16具有最大的变形能力。
尽管传感器1是带有两个用来密封油18的膜片16的具有两个压力腔3和4的压差式压力传感器，但传感器1可以是其它类型的压力传感器，例如具有一个压力传感器芯片的压力传感器，其底部受到大气压力。具体地说，传感器1可以只具有单个膜片，从而只有上压力腔被气密密封，即只有压力传感器芯片的顶部被密封。
虽然传感器1用于柴油动力机车以检测尾气压力，但其还可有其它应用。
虽然传感器1具有预定结构，例如壳体2等，但其还可有其它壳体结构。并且，只要结构参数α所处的范围△为2.5-3.5，传感器1可以具有多于两个凸起16a。而且，只要结构参数α所处的范围△为2.5-3.5，传感器1还可以具有其它不同结构的膜片16。
可以理解，这些变化和修改都处于所附权利要求所保护的范围内。
权利要求
1.一种压力传感器，包括用于密封液体的膜片(16)；其中，所述膜片(16)包括多个凸起(16a)，所述凸起(16a)同心地布置在所述膜片(16)上；其中，每个凸起(16a)的径向截面为圆弧形，并具有环形形状；其中，每个所述凸起(16a)的圆弧长度用L表示，高度用H表示，在径向的宽度用W表示，两相邻所述凸起(16a)之间沿径向的间隔用P表示；其中，所述膜片(16)的有效半径用R表示，所述膜片(16)的中心与布置在所述膜片(16)最外侧的所述凸起(16a)的中心之间的距离用r0表示，所述膜片(16)的有效半径被定义为所述膜片(16)受压部分的半径；其中，传感器具有由α表示的结构参数，其定义如下α=(L/H)×(L/W)/P×(r0/R),]]>并且其中结构参数(α)处于2.5-3.5之间的范围内。
2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述膜片(16)具有两个所述凸起(16a)。
3.如权利要求1或2所述的传感器，其中，所述膜片(16)由金属制成，并且其中的液体是油。
4.如权利要求1-3中任一所述的传感器，其中，所述凸起(16a)的高度处在0.16mm-0.28mm之间的范围内；其中，所述凸起(16a)的宽度处在1.3mm-1.5mm之间的范围内；其中，所述凸起(16a)被设置在所述膜片(16)的有效半径一半的外侧。
5.如权利要求1-4中任一所述的传感器，其中，所述膜片(16)的有效半径大约为9.3mm，并且，其中，所述传感器应用在较低压力环境下。
6.如权利要求1-5中任一所述的传感器，其中所述传感器用于检测柴油动力机车的尾气压力。
全文摘要
本发明涉及一种压力传感器，包括用于密封液体的膜片(16)。膜片(16)包括多个凸起(16a)，凸起(16a)同心地布置在膜片(16)上。每个凸起(16a)的径向截面为圆弧形，并具有环形形状。传感器具有由α表示的结构参数，其中结构参数(α)处于2.5－3.5之间的范围内。传感器的膜片(16)具有最优的变形能力，因此该传感器的检测误差降低。
文档编号G01L7/08GK1534284SQ20041003133
公开日2004年10月6日 申请日期2004年3月26日 优先权日2003年3月28日
发明者马场广伸, 德永正寿, 寿 申请人:株式会社电装
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