CN100449288C - 带模制的传感器隔膜盖子的传感器 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于传感器的隔膜盖子装置和方法。传感器盖子靠近底座安置。凹窝可以安置在盖子内的中央处，其中该凹窝包括与传感器盖子和隔膜分开的部件。凹窝与传感器的传感元件相接触。此外还可以实施用于在传感器经受压力时阻断空气透过传感器隔膜的薄膜。上模制隔膜一般作为传感器盖子的一部分安置。凹窝本身包括高度抛光的表面，以减少应力集中点与传感元件的接触。凹窝可以用诸如不锈钢、陶瓷等材料制作，以使传感器的性能最佳化。

Description

带模制的传感器隔膜盖子的传感器

技术领域

本发明一般涉及传感方法和系统。本发明另外涉及用在汽车、重型车辆以及类似商业市场中的轮胎压力传感器。本发明还涉及传感器盖子和底座的设计。

背景技术

压力传感技术中已知有多种传感器。特别地，许多不同的技术已被提议用于感知轮胎中的压力并将此信息传递给车辆中心位置上的驾驶员，以便他知道轮胎处于低气压还是高气压。

这些压力传感器通常与车辆通信，使得感知的压力可在车辆移动例如车轮相对车辆主体转动时显示给驾驶员。这些装置通常相对复杂且昂贵，或者不是十分可靠。

一些轮胎压力传感器系统采用固定在主体上的传感器，这样，旋转的车轮和底盘间无需转动电气接触。在此系统中，当轮胎压力较低时，轮胎胎壁发生变形，与胎壁接触的传感器杆因而发生偏斜。此系统为低轮胎气压提供一种指示，但不够可靠。例如车轮上的泥土或其他杂物可能引起错误的读数。此外，此系统仅在轮胎压力大为降低时才提供指示，这是轮胎发生较大的膨胀所必需的。很明显这样的系统无法提供轮胎实际压力的读数。

在另一种形式的固定式传感器中，车辆的高度可以被探知，高度降低时认为轮胎压力低。然而，如果轮胎在车辙中或停在不平整的地面上，则很有可能产生错误的低压读数。

更加复杂的系统可监视轮胎压力。例如，一些压力传感器系统采用由多磁极环构成的旋转编码器，该多磁极环由不同极性的磁性段以均匀的间隔且极性交替的方式分布在圆周上形成。与该环和固定捡拾器(一种感应线圈系统)共轴的传送器线圈受在传送器线圈内流通的交变的电流激励，产生一个磁场叠加在多磁极环产生的磁场上，多磁极环产生拾取的信号，并传送与车轮的转动特性即车轮的状态有关的信号。

一些轮胎压力系统也利用车轮系统，其中每个车轮上的每个传感器都带有无线电发射器，该发射器从车轮向车辆主体上的无线电接收器发送轮胎压力等信息，此发送的信号被解码以提供轮胎压力等信息，并使得驾驶员可获得这些信息。然而，常规的无线系统不耐用且设计和生产成本很高。

传感器可由底座上的传感元件和压力变换器传感器隔膜组成，该压力变换器传感器隔膜是盖子的一部分。为了使传感器正常工作，传感器隔膜必须与传感元件在各种压力水平和温度下保持紧密接触。为补偿封装中的膨胀，当传感元件和传感器隔膜被组装起来使输出频率偏移已知的量时，它们必须被预先加载，这保证了始终是接触的。在常规的传感器设计中，盖子和底座间的干涉配合可保持一个预加载，直到盖子和底座用熔焊、锡焊或其他连接方法固定在合适位置。此类干涉配合可在元件固定在一起以前变弱，使得预加载降低。

发明内容

下面的本发明的概要是为了有助于更好地理解本发明特有的一些创新性特征，而不是作为详细的说明。将全部说明书、权利要求书、附图以及摘要作为一个整体可获得对本发明各方面的全面了解。

因此，本发明的一个方面是提供改进的传感器装置和方法。

本发明的另一个方面是提供带模制的隔膜的传感器盖。

本发明的另外一个方面是提供传感器盖上的改进的凹窝，用于提高传感器的效率和性能。

前面提到的本发明的各方面以及其他目的和优点现在可以依照这里的说明获得。公开了一种用于传感器的隔膜和盖子装置和方法。传感器的盖子通常可以靠近底座安放。凹窝可以安置在隔膜内的中央处。但是该凹窝构造成与传感器隔膜和盖子分开的部件。凹窝与传感器的传感元件相接触。

此外还可以实施在传感器经受压力时阻断空气透过传感器隔膜的薄膜。上模制部分(over-mold portion)可以构造成隔膜部或者是传感器盖子的一部分。凹窝本身可以在与传感元件接触的区域中形成并且具有高度抛光的表面，以减少应力集中点。凹窝可以用诸如不锈钢、陶瓷等材料制作，以使传感器的性能最佳化。以及依据设计上的约束情况的不同，可以将传感元件实施为石英传感元件、硅传感元件或者陶瓷传感元件。

附图说明

附图进一步说明了本发明，并与本发明的详细描述一起说明本发明的原理。在各个视图中相同的标号表示相同或功能相似的元件，这些视图在这里被编入并作为说明的一部分。

图1示出了传感器装置的分解图，该装置可依照本发明的实施例实施；

图2示出了盖子的顶视图，该盖子可依照本发明的实施例实施；

图3示出了图2中示出的盖子的侧视截面A-A视图，图中，盖子依照本发明的实施例安装在底座上；

图4示出了金属底座的顶视图和侧视截面图，该底座可依照本发明的实施例实施；

图5示出了图4中示出的依照本发明的实施例的金属底座的侧视截面A-A视图；

图6示出了图4中示出的依照本发明的实施例的金属底座C处的细节图；

图7示出了盖子的顶视图和侧视截面图，该盖子可依照本发明的实施例实施；

图8示出了图7中示出的依照本发明的备选实施例的盖子的凹窝区域的截取图；

图9示出了传感器装置的侧视截面图，该传感器装置带有底座和盖子，底座和盖子间存在间隙，该传感器装置可依照本发明的优选实施例实施；

图10示出了依照本发明的优选实施例的带有包含凹窝和模制隔膜的盖子的传感器的截取侧视图；

图11示出了依照本发明的优选实施例的带有模制的隔膜的传感器盖子的截取侧视图；

图12示出了依照本发明的备选实施例的包括单独元件的传感器盖子组件的视图。

具体实施方式

这些非限制性实例中说明的特定数值和构造可被改变，在此处例举只是为了说明本发明的实施例，而不是限制本发明的范围。

这里说明的发明可依照一种可能的实施例作为无线压力监控系统的部件实施。这样的实施例可构造成尺寸小而重量轻的装置，并基于无电池工作。这里说明的传感器在依照TPMS(轮胎压力监控系统)工作的条件下实施时不消耗电能。因此，本发明可应用在实用且低成本设计的解决方案中。这样的设计可大规模生产用于汽车、载重车辆以及其他商业市场。

这里说明的传感器可作为包括传感元件、封装底座和结合在盖子中的弹性压敏隔膜的传感器实施。为使传感器达到应用所需的精度，压敏隔膜中的凹窝优选应与传感元件在各种压力水平和温度下保持紧密接触。为了补偿封装材料(如底座和盖子)的热膨胀，传感元件(如石英、陶瓷、硅等)和传感器隔膜优选在装配时预先加载，以便使输出频率偏移已知的量以确保始终保持接触。可以理解，本发明的实施例可以在SAW(声表面波)传感器的条件下实施或者在非SAW传感器的条件下实施。

凹窝可形成在盖子的传感器隔膜部分的中心处。凹窝通常与传感元件上的平表面接触，该传感元件可做成小的圆形元件或者方形或矩形元件，这取决于设计上的选择。这种设计构造可以实施为小的圆形密闭按钮组件。示例的尺寸包括直径约12mm，厚度约2mm。本领域的技术人员当然可以理解这里说明的这些的尺寸仅作为示例，而不应被认为限制本发明的特征。传感器尺寸可以依照这种装置的需要和使用而改变。

盖子和底座设计成通常使得组件的公差可降低。底座和盖子的传感器材料可用不锈钢17-7PH制成。这种材料的优点将详细说明。传感器也可与接口设计板联合构造。例如，PCB或柔性电路互连可安放在传感器按钮组件和一个或多个天线间以发送和接收无线数据。

图1示出了传感器100的分解图，该传感器可依照本发明的实施例实施。传感器100通常包括封装盖子104，该盖子包括形成于盖子104中心的凹窝102。传感器100也可以包括模制的隔膜或者隔膜区域103。隔膜103可以模制带有内置的预加载，以简化组装和预加载工艺。传感器100也可以包括传感元件106(如SAW薄片，石英、陶瓷、硅和类似物)和封装底座108。底座108一般包括底座部分120，它可以凹入底座108中且传感元件106可安置在底座部分120中。凹窝102可由不锈钢、陶瓷或者有助于使传感器100的性能最佳化的任何类型的合适材料制成。

盖子104可由不锈钢制成，例如不锈钢17-7PH材料。盖子104开始可由平板料制成。盖子可随后被印模冲压成圆形，并深拉成杯形。接下来，凹窝102可制作在盖子104的中心。本领域的技术人员显然可以理解这里说明的这些尺寸仅作为示例目的，不应被认为是本发明特性的限制。盖子104的尺寸可以依照这种装置的需要和使用改变。一般地，凹窝102可以构造成与传感器盖子104分开的部件，使得凹窝102接触所述传感器100的传感元件。盖子104可以组装到底座108上，直到盖子104的底部是与底座108的端部相“平整”，这可以导致产生预加载，该预加载偏转传感器隔膜103。

底座108也可由不锈钢如不锈钢17-7PH材料制成。将约2mm厚的退火材料印模冲压成圆盘可形成底座108。这种盘可被制成使得两个小鞍座从底座108突出，传感器片(如传感元件106)可安放其上。孔116和孔118因而可冲在底座108中，以利于该处的玻璃金属封接。孔116与杆112相关，而孔118与杆114相关。杆112和114可用于穿过密封进行电气连接。

玻璃金属封接工艺和硬化工艺可同时进行。材料可被加热至约975摄氏度以使玻璃回流，并同时对底座108和盖子104使用的17-7PH不锈钢进行“奥氏体处理”(一种技术中众所周知的工艺，在这里不需要作详细的描述)。所谓的“奥氏体处理”析出大量碳化铬，并准备将其完全转化为硬质马氏体塑料(hard martensitic plastic)。17-7PH型不锈钢随后可冷却至约-100华氏度并保持8小时以完全转化为硬质“马氏体”相，使部件获得最大的强度和刚度。在这种情况下，部件通常较硬，但也易碎。最后的工艺包括将杆114和112镀金以利于丝焊和锡焊。

最后，传感器100可组装起来并测试。传感器组装顺序通常包括以下步骤：模具连接、丝焊、盖子连接、预加载、焊接、焊接后测试、稳定化烘烤、稳定化烘烤测试、PCB连接和腔室测试。盖子104和底座108因此被设计成提供干涉配合，这样预加载工艺和密封工艺可以以提高的精度和效率被控制。传感器100的盖子至底座的设计同样从公差堆积中去掉了组装公差，原因是它采用了无凸缘设计。

图2示出了盖子104的顶视图200，该盖子可依照本发明的实施例实施。注意在图1、2和3中，同样的部件或元件通常用相同的标号标示。图3示出了图2中示出的盖子104的侧视截面A-A视图300，图中盖子104依照本发明的实施例安装在包括杆112和114的底座108上。因此，盖子104通常包括形成在盖子104的中心处的凹窝102。石英传感元件106在图3中被示为位于靠近凹窝102下方且位于杆112和114之间。

图4中分别示出了金属底座108的顶视图400和侧视截面图402，该底座可依照本发明的实施例实施。图5示出了图4中示出的依照本发明的实施例的金属底座108的侧视截面A-A视图500。图6示出了图4中示出的依照本发明的实施例的金属底座108的细节图C600。注意此处的图1至图6中，相同或相似的部件或元件通常用相同的标号标示。

图7示出了盖子104的顶视图和侧视截面视图，该盖子可依照本发明的备选实施例实施。图8示出了图7中示出的依照本发明的备选实施例的凹窝102的截面视图800。注意此处的图1至图8中，相同和相似的部件和元件通常用相同的标号标示。因此，图7示出了盖子104的顶视图700，包括位于盖子104的隔膜103部分或区域的中心处的凹窝102。图7同样示出了盖子104的侧视截面图702，包括盖子104的凹窝102和隔膜103的位置。图8中示出的盖子104的截视图800给出了盖子104的凹窝102和隔膜103的特写视图。

这里说明的传感器可被用于测量车辆轮胎(如客车轮胎或卡车轮胎)中的压力和温度。传感器优选应具有小的横截面和厚度，构造通常重量很轻且与模制卡车轮胎和客车轮胎的工艺相容。压力传感器底座和盖子材料优选在退火条件下具有低屈服强度(例如约40,000psi)，这样传感器可采用如机械加工和成形加工的常规工艺制造。压力传感器底座和盖子材料同样在硬化条件下具有高屈服强度(例如约20,000psi)，这样传感器在最终的应用中具有增强的弹性范围和更低的变形。

使用17-7PH材料作为底座和盖子的传感器材料同样是优选的，原因是硬化工艺同样与形成底座中的玻璃金属封接相容。使用17-7PH材料作为此传感器的材料是本发明的优点，原因是硬化工艺和玻璃金属封接工艺被结合起来。本发明的另一项优点是它提供了高于其他常规压力传感器设计的增强传感器性能。

虽然这里没有显示在图1至图8中，可以看出在SAW压力传感器实施例中，多个共振器(如3个共振器)可被并行连接至位于轮胎或其他需要压力传感器装置中的天线上。这样的SAW压力传感器实施例可通过频率约为434MHz的短射频脉冲询问，该脉冲可激发共振器的自由振荡。这些振荡可通过天线再发射并被询问单元接收。这样的询问单元可分析振荡器的频谱，计算两个不同的频率并得到轮胎的压力和温度。

因此，压力传感器可由底座上的传感元件和模制在盖子上的压力变换器传感器隔膜(pressure transducer sensor diaphragm)组成。盖子通常包括保持形成传感器隔膜的模制材料的特征。为了使传感器正常工作，传感器隔膜优选地应与传感元件在各种压力水平和温度下保持紧密接触。为了补偿封装中的膨胀，当传感元件和传感器隔膜被组装起来时，它们可以被预加载，使输出频率偏移一个已知的量，这保证了始终接触。隔膜可以用如塑料、硅橡胶等模制材料模制。

在常规的传感器设计中，盖子和底座间的干涉配合保持预加载，直至它们通过熔焊、锡焊或其他连接方法锁定在适当的位置上。这类干涉配合可在部件被固定一起以前减弱小并导致预加载减小。下面的图9中示出的设计改善了这种问题。

图9示出了传感器装置900的侧视截面图，该传感器设备包括底座908、盖子904和其间的间隙910和间隙911，可依照本发明的优选的备选实施例实施。装置900与图1中的传感器100以及图1至图9中示出的各种部件相似，区别是装置900包括盖子904与底座908间的间隙910和间隙911。例如，盖子904与图9中的盖子104相似。底座908与图8中的底座108相似。因而间隙910和911各自形成了盖子904和底座908间的空隙。

装置900因而可构造成底座908靠近盖子904安置。传感器元件906以容许盖子904和底座908间形成间隙910和911的方式安置在底座908上。传感器隔膜903被结合在盖子904中。盖子904通常安置在底座908上，使得凹窝902与传感器元件910在各种压力水平和温度下保持紧密接触。

图9的凹窝902与图1中示出的凹窝102大致相似。注意凹窝902的特定形状和尺寸可依照特定的应用改变。因而，图9中示出的凹窝902仅为示例目的给出，其尺寸和形状不应被认为限制本发明的特性，而是仅为针对一个备选实施例。。

从图9可见，没有采用盖子和底座间的干涉配合，而是将其部件可设计成在盖子和底座间形成间隙或空隙。这样的设计不依赖于两个部件间干涉来保持预加载，而是可使用熔焊、锡焊或其他连接手段在盖子组装到底座上时将部件锁定在合适的位置上。

所述部件可设计成即使盖子的内尺寸在其公差范围内最小且底座的外尺寸在其公差范围内最大时，它们被组装起来时它们之间将有间隙。因此，即使盖子的内尺寸在其公差范围内最小且底座的外尺寸在其公差范围内最大，盖子与底座间通常也存在间隙。这种特征的目的是为了生产标称尺寸的部件。

图10示出了依据本发明的优选实施例的压力传感器1000的模制传感器盖子1004的截取侧视图。传感器盖子1004大致包括上模制部分1003和凹窝1002，该凹窝位于上模制部分1003和盖子1004的中心处。凹窝1002还包括与传感元件1006接触的圆形部分1022，而传感元件1006则支撑在底座1008上。

图11示出了依据本发明的优选实施例模制的模制传感器盖子1004的截取侧视图。注意在图10和11中，相同或相似的零件或部件一般用相同的标号标示。这样，传感器盖子1004如图11在所示被模制。薄膜1030或其它材料可以用于阻断空气透过盖子1004。凹窝1002包括在圆形部分1022外部的凹窝表面1024。凹窝表面1024实施为高度抛光表面，以减小与传感元件接触的应力集中点的可能性。

盖子1004由此可以实施为包括是单独部件的凹窝1002的模制传感器隔膜。凹窝1002上的表面区域与传感元件1006接触并且高度抛光，以减小应力集中点，如上所述的那样。凹窝1002的外形不会由于冲压操作上的限制而受到约束，而是可以设计成能提供与传感元件1006的最佳接触。凹窝1002可以由不锈钢、陶瓷或其它合适的材料制作，以使传感器1000的性能最佳化。传感器隔膜可以在带有内置的预加载时模制加工，以便简化组装和预加载工艺。盖子1004可以组装在底座1008上直到盖子1004的底部与底座1008的底部相平整。然后可以进行操作，如焊接、锡焊或者其它的连接操作，以便将两个部件锁定在一起。

盖子1004可以由与将其永久性地在底座1008上连接相容的材料制成。盖子1004优选应包含保持模制的材料的特征。然后可以制造带有抛光接触表面的凹窝1002。薄膜1030或其它材料可以加入到模制隔膜的内部，以便当传感器处于压力阻断空气透过模制的材料。隔膜然后可以用工程塑料、硅橡胶或其它符合性能要求的合适材料模制。

图12示出了依据本发明的实施例的包括单独元件的传感器盖子组件1200的视图。注意在图12中，相同或相似的零件用相同的标号标示。传感器盖子组件1200在图12中按照截面视图示出并且包括盖子1204、凹窝1202和模制的隔膜1203。图12还示出了凹窝1202的单独的视图1205。图12中也示出了模制的隔膜1203的单独视图。

在图12中可以从底视图1201看见传感器盖子组件1200。图12也示出了盖子1204的单独视图1207。由此图12提供了说明传感器盖子组件1200的视图，其可以实施为包括传感器盖子1204、隔膜1203和位于盖子1204内的中心处的凹窝1202，其中凹窝1202包括与传感器盖子1204和隔膜1203分开的部件。

这里给出的实施例和实例被列出来最佳地说明了本发明及其实际应用，因而使得本领域的技术人员可制造和使用本发明。然而，本领域的技术人员将看出，前述说明和实例仅被列出用作说明和示例的目的。本发明的其他变型和改进对于本领域的技术人员将很明显，且附加的权利要求的目的是包括这些变型和改进。

前述说明不是为了详尽地说明本发明或限制本发明的范围。依照以上的教导，很多改进和变型都是可能的，且不偏离接下来的权利要求的范围。预期本发明的使用可包括不同特征的部件。本发明的范围应该由本文所附的权利要求限定，提供对等价物各方面的完全认知。

Claims (20)

1.一种用于传感器的隔膜盖子装置，包括：

与传感器盖子相关联的隔膜；

靠近所述传感器盖子安置的底座；和

安置在所述隔膜内的中心处的凹窝，其中，所述凹窝与所述传感器的传感元件接触；

其特征在于，

所述隔膜包括位于所述传感器盖子内的上模制的传感器隔膜；

并且，

所述凹窝构造成为与所述上模制的传感器隔膜及所述传感器盖子分开的部件。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于，还包括位于所述上模制的传感器隔膜内部，以用于在所述传感器经受压力时阻断空气透过所述隔膜的薄膜。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述传感器盖子包括用于保持所述传感器隔膜模制材料的特征。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述凹窝包括与所述传感元件接触的圆形部分，并且所述凹窝包括减少应力集中点的高度抛光表面。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述凹窝由不锈钢材料制成。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述凹窝由陶瓷材料制成。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述传感元件包括石英传感元件。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述传感元件包括硅传感元件。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述传感元件包括陶瓷传感元件。

10.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述传感元件与所述凹窝的高度抛光表面紧密接触。

11.一种用于传感器的传感器隔膜盖子装置，包括：

传感器盖子组件和靠近所述传感器盖子组件安置的底座；

其中，所述传感器盖子组件包括：

传感器盖子，其形成杯形的构造，并且具有安装在所述底座上方的口部，

模制隔膜，其居中地位于所述传感器盖子内并且处于其底壁上，和

凹窝，其居中地位于所述传感器盖子底壁和所述隔膜中，

其中，所述凹窝包括分开的构成部件，其从所述隔膜突出而与所述底座上的传感元件接触。

12.根据权利要求11的装置，其特征在于，所述装置还包括位于所述隔膜内的薄膜，其用于在所述传感器经受压力时阻断空气透过所述隔膜。

13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述凹窝由不锈钢材料或陶瓷材料制成。

14.一种模制用于传感器的隔膜盖子装置的方法，所述方法包括步骤：

将传感器盖子靠近底座安置；

在所述传感器盖子内模制隔膜；和

在所述模制隔膜的中心处形成凹窝，其中，所述凹窝构造成为与所述模制隔膜和所述传感器盖子分开的部件，并且所述凹窝与所述传感器的传感元件接触。

15.根据权利要求14的方法，其特征在于，还包括在所述隔膜内构造薄膜以便在所述传感器经受压力时阻断空气透过所述隔膜的步骤，其中，所述薄膜是在模制隔膜时形成的。

16.根据权利要求14或15的方法，其特征在于，所述隔膜包括在所述传感器内模制的上模制隔膜。

17.根据权利要求14或15的方法，其特征在于，还包括制作具有用于减少应力集中点的高度抛光表面的凹窝的步骤。

18.根据权利要求14或15的方法，其特征在于，还包括由不锈钢材料制作所述凹窝的步骤。

19.根据权利要求14或15的方法，其特征在于，还包括由陶瓷材料制作所述凹窝的步骤。

20.根据权利要求14或15的方法，其特征在于，还包括将所述传感元件制作为石英传感元件的步骤。

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