CN111595507A - 一种压力传感器模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力传感器模块技术领域，具体的说是一种压力传感器模块，包括壳体，所述壳体下端右侧设置有进气管，所述壳体上端右侧设置有出线管；所述壳体内由下到上依次设置有第一空腔、安装腔及第三空腔，所述第一空腔通过气流通道与进气管连通，所述安装腔通过布线孔与出线管连通且所述出线管内设置有密封塞；在不改变压力芯片的最大变形的情况下，通过使第二空腔及第一空腔的设置，使得压力芯片在较小压力下向下反向变形，而在较大压力时向上正向变形，在低成本的情况下实现了使得压力传感器模块的灵敏度及量程均按比例提高。

Description

一种压力传感器模块

技术领域

本发明涉及压力传感器模块技术领域，具体的说是一种压力传感器模块。

背景技术

气体压力压力传感器模块是一种一体化压力传感器模块，在气动控制，压力开关与控制器，便携式压力表和压力计，MAP(manifold absolute pressure sensor)等领域有着广泛的应用，这些领域除了对压力传感器模块的灵敏度、稳定性、耐久性要求很高外，对封装工艺也要求简单、成本要求低廉、经济适用。

现有中国专利(申请号为CN2017204888694)公开了一种小型硅压阻式气体压力压力传感器模块结构，包括外壳、陶瓷基座、压力芯片、电路板；外壳中形成腔体，陶瓷基座安装在外壳的腔体中，压力芯片安装在陶瓷基座上与外部气体相通；电路板安装在腔体中与压力芯片电连接，电路板通过电缆线输出信号。其使用时，气体通过管路作用于压力芯片的感压面，压力芯片产生变形并把压力信号转换成电压信号，通过引线与电路板连接，电路板对压力芯片的输出电压信号进行处理，最终通过电缆线向外传输。但是，现有的压力芯片多为平膜式结构，其受压时由扁平状至正向变形转变，由此得到的最大变形范围对应的压力信号范围即为其量程，因此压力芯片的压电性能直接关系到压力压力传感器模块的灵敏度及量程，而我们知道，越是压电性能好的压力芯片价格成本越高，因此如何采用压电性能低的压力芯片实现较高的灵敏度及较大的量程成为一个急需解决的难题。

为此本公司设计了一种压力传感器模块，通过在压力芯片一侧设置一个能够改变体积的密封腔体，来对压力芯片施加一个反向变形，进而提高压力芯片的最大变形范围，在不增加成本的情况下提高了压力传感器模块的灵敏度及量程。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，解决如何采用压电性能低的压力芯片实现较高的灵敏度及较大的量程的问题，本发明提出的一种压力传感器模块。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压力传感器模块，包括壳体，所述壳体下端右侧设置有进气管，所述壳体上端右侧设置有出线管；所述壳体内由下到上依次设置有第一空腔、安装腔及第三空腔，所述第一空腔通过气流通道与进气管连通，所述安装腔通过布线孔与出线管连通且所述出线管内设置有密封塞；所述安装腔内设置有与第一空腔同轴的环形凸台，所述环形凸台外套装有能够上下移动的密封罩，所述环形凸台下端设置有密封第一空腔顶端的柔性基座，所述柔性基座上设置有压力芯片，所述压力芯片的引线通过布线孔延伸至出线管外，所述压力芯片、环形凸台及密封罩之间构成的密封空间为第二空腔，所述第二空腔的横截面积大于第一空腔的横截面积；所述第三空腔下端与安装腔上端连通且其上端通过引流通道与进气管连通。

使用时，一部分气体经进气管及气流通道进入第一空腔，挤压压力芯片下表面，与此同时，还有一部分气体经引流通道进入第三空腔，并通过第三空腔继续进入安装腔，挤压密封罩的上表面使密封罩下移，由于第二空腔为密封空间，因此密封罩下移会挤压第二空腔内的空气使其升压，并且由于密封罩的外径大于内径，因此第二空腔升压幅度要大于安装腔的升压幅度，而安装腔的压强又与第一空腔的压强相同，因此可以认为第二空腔的压强P₂大于第一空腔的压强P₁，此时压力芯片受一个向下的反向变形，并且随着P₁的增大而逐渐向压力芯片的反向最大变形靠近，直至密封罩下移至安装腔底部时停止，此时，压力芯片达到反向最大变形，而后，不论P₁如何增加，第二空腔都不再被压缩，因此达到反向最大变形后的P₂为固定值P_MAX，随着P₁的增大，压力芯片逐渐消除反向变形，并转变为正向变形，直至正向最大变形后停止；因此，此时压力传感器模块的量程按比例提高为原设计的量程，对应的其灵敏度也极大的提高了。

具体的，第一阶段，当压力芯片达到反向最大变形之前，压力芯片受力F＝(P₁-P₂)S,其中S为压力芯片的有效作用面积，而P₂与P₁之间为等比增加，因此压力芯片受力F＝K₀P₁S，K₀为常数，通过合理设计密封罩等结构，可以使得K₀值在-1与0之间，对应压力芯片的最大受力，可以有效提高可测P₁的最大值，即进一步提高了压力传感器模块的量程；第二阶段，当压力芯片达到反向最大变形之后，压力芯片受力F＝(P₁-P_MAX)S＝P₁S-P_MAXS，由于P_MAX为固定值，因此压力芯片受反向最大变形时对应的量程可以增加P_MAX，即使其量程增加了。

优选的，位于所述环形凸台上方的密封罩内设置有环形限位台，用于对密封罩下行时的限位；环形凸台的设置避免密封罩继续下行导致第二空腔内与第一空腔之间压差过大，致使压力芯片承受压力超过其反向变形的额定压力而损坏的情况，达到保护压力芯片的效果；同时也能够用于调节P_MAX的具体数值，以满足不同量程压力传感器模块的制备。

优选的，所述第二空腔的横截面积大于第三空腔的横截面积，所述密封罩上端中部固定设置有密封柱，所述密封柱上端延伸至第三空腔内且与第三空腔滑动密封；设置密封柱及第三空腔，主要是通过结构来改变K₀常数，以此来调整第一阶段压力芯片的变形快慢，即调整对应的灵敏度；同时密封柱及第三空腔还能起到一个导向的作用，使得密封罩更好的竖直下移，避免倾斜卡死。

优选的，所述密封柱与第三空腔顶端之间通过弹簧连接；一方面，能够通过弹簧抵消密封柱及密封罩的自重，避免密封柱及密封罩的自重压缩第二空腔的空气，产生一个初始压强影响测量的精准度的问题；另一方面，弹簧还能够起到气体泄压时密封柱及密封罩复位的作用。

优选的，所述第三空腔内设置有与密封柱顶端抵触的调节杆，所述调节杆穿过第三空腔顶部延伸至壳体外，所述调节杆上端设置有调节旋钮，所述调节杆与壳体之间为滑动密封；使用时，通过调节旋钮旋转带动调节杆下移，使得调节杆挤压密封柱下移，进而推动密封罩下移压缩第二空腔的空气，产生一个初始的定值压强P₀，当我们将调节杆位于最低位使定值压强P₀＝P_MAX时，能够使得压力芯片跳过第一阶段的变形而直接开始第二阶段的变形，因此，能够测得的最大压力为压力芯片的最大变形压力与P_MAXS的和，此时压力传感器模块的灵敏度及量程均按比例提高，最高可以为原设计量程的两倍。

优选的，所述壳体内设置有与调节杆及密封塞匹配的凹槽，所述凹槽内有多组且其内部设置有密封圈。采用密封圈的方式使得壳体内形成一个冲压式的全封闭结构，避免密封性能差影响安装腔或第三空腔的压力，进而影响检测的灵敏度。

本发明的有益效果如下：

1.本发明所述的一种压力传感器模块，在不改变压力芯片的最大变形的情况下，通过使第二空腔及第一空腔的设置，使得压力芯片在较小压力下向下反向变形，而在较大压力时向上正向变形，在低成本的情况下实现了使得压力传感器模块的灵敏度及量程均按比例提高，最高可以为原设计量程的两倍。

2.本发明所述的一种压力传感器模块，通过设置环形限位台，避免密封罩继续下行导致第二空腔内与第一空腔之间压差过大，致使压力芯片承受压力超过其反向变形的额定压力而损坏的情况，达到保护压力芯片的效果；同时也能够用于调节P_MAX的具体数值，以满足不同量程压力传感器模块的制备。

3.本发明所述的一种压力传感器模块，设置密封柱及第三空腔，主要是通过结构来改变K₀常数，以此来调整第一阶段压力芯片的变形快慢，即调整对应的灵敏度；同时密封柱及第三空腔还能起到一个导向的作用，使得密封罩更好的竖直下移，避免倾斜卡死。

4.本发明所述的一种压力传感器模块，采用气流通道的方式，将气体引入安装腔提供反向压力，不需要在压力芯片的上部注入额外的介质，因此简化结构，同时也提高了整体的密封性能，改善压力传感器模块的稳定性及精确度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的立体图；

图2是本发明的俯视图；

图3是图2中A-A方向的剖视图；

图4是图3中B处的局部放大图；

图5是图3中C处的局部放大图；

图中：

壳体1、进气管2、出线管3、调节杆4、第一空腔5、气流通道6、环形凸台7、柔性基座8、压力芯片9、密封罩10、第二空腔11、安装腔12、密封柱13、引流通道14、第三空腔15、布线孔16、密封塞17、环形限位台18、弹簧19。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图5所示，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种压力传感器模块，包括壳体1，所述壳体1下端右侧设置有进气管2，所述壳体1上端右侧设置有出线管3；所述壳体1内由下到上依次设置有第一空腔5、安装腔12及第三空腔15，所述第一空腔5通过气流通道6与进气管2连通，所述安装腔12通过布线孔16与出线管3连通且所述出线管3内设置有密封塞17；所述安装腔12内设置有与第一空腔5同轴的环形凸台7，所述环形凸台7外套装有能够上下移动的密封罩10，所述环形凸台7下端设置有密封第一空腔5顶端的柔性基座8，所述柔性基座8上设置有压力芯片9，所述压力芯片9的引线通过布线孔16延伸至出线管3外，所述压力芯片9、环形凸台7及密封罩10之间构成的密封空间为第二空腔11，所述第二空腔11的横截面积大于第一空腔5的横截面积；所述第三空腔15下端与安装腔12上端连通且其上端通过引流通道14与进气管2连通。

使用时，一部分气体经进气管2及气流通道6进入第一空腔5，挤压压力芯片9下表面，与此同时，还有一部分气体经引流通道14进入第三空腔15，并通过第三空腔15继续进入安装腔12，挤压密封罩10的上表面使密封罩10下移，由于第二空腔11为密封空间，因此密封罩10下移会挤压第二空腔11内的空气使其升压，并且由于密封罩10的外径大于内径，因此第二空腔11升压幅度要大于安装腔12的升压幅度，而安装腔12的压强又与第一空腔5的压强相同，因此可以认为第二空腔11的压强P₂大于第一空腔5的压强P₁，此时压力芯片9受一个向下的反向变形，并且随着P₁的增大而逐渐向压力芯片9的反向最大变形靠近，直至密封罩10下移至安装腔12底部时停止，此时，压力芯片9达到反向最大变形，而后，不论P₁如何增加，第二空腔11都不再被压缩，因此达到反向最大变形后的P₂为固定值P_MAX，随着P₁的增大，压力芯片9逐渐消除反向变形，并转变为正向变形，直至正向最大变形后停止；因此，此时压力传感器模块的量程按比例提高为原设计的量程，对应的其灵敏度也极大的提高了。

具体的，第一阶段，当压力芯片9达到反向最大变形之前，压力芯片9受力F＝(P₁-P₂)S,其中S为压力芯片9的有效作用面积，而P₂与P₁之间为等比增加，因此压力芯片9受力F＝K₀P₁S，K₀为常数，通过合理设计密封罩10等结构，可以使得K₀值在-1与0之间，对应压力芯片9的最大受力，可以有效提高可测P₁的最大值，即进一步提高了压力传感器模块的量程；第二阶段，当压力芯片9达到反向最大变形之后，压力芯片9受力F＝(P₁-P_MAX)S＝P₁S-P_MAXS，由于P_MAX为固定值，因此压力芯片9受反向最大变形时对应的量程可以增加P_MAX，即使其量程增加了。

作为本发明的一种实施方式，位于所述环形凸台7上方的密封罩10内设置有环形限位台18，用于对密封罩10下行时的限位；环形凸台7的设置避免密封罩10继续下行导致第二空腔11内与第一空腔5之间压差过大，致使压力芯片9承受压力超过其反向变形的额定压力而损坏的情况，达到保护压力芯片9的效果；同时也能够用于调节P_MAX的具体数值，以满足不同量程压力传感器模块的制备。

作为本发明的一种实施方式，所述第二空腔11的横截面积大于第三空腔15的横截面积，所述密封罩10上端中部固定设置有密封柱13，所述密封柱13上端延伸至第三空腔15内且与第三空腔15滑动密封；设置密封柱13及第三空腔15，主要是通过结构来改变K₀常数，以此来调整第一阶段压力芯片9的变形快慢，即调整对应的灵敏度；同时密封柱13及第三空腔15还能起到一个导向的作用，使得密封罩10更好的竖直下移，避免倾斜卡死。

作为本发明的一种实施方式，所述密封柱13与第三空腔15顶端之间通过弹簧19连接；一方面，能够通过弹簧19抵消密封柱13及密封罩10的自重，避免密封柱13及密封罩10的自重压缩第二空腔11的空气，产生一个初始压强影响测量的精准度的问题；另一方面，弹簧19还能够起到气体泄压时密封柱13及密封罩10复位的作用。

作为本发明的一种实施方式，所述第三空腔15内设置有与密封柱13顶端抵触的调节杆4，所述调节杆4穿过第三空腔15顶部延伸至壳体1外，所述调节杆4上端设置有调节旋钮，所述调节杆4与壳体1之间为滑动密封；使用时，通过调节旋钮旋转带动调节杆4下移，使得调节杆4挤压密封柱13下移，进而推动密封罩10下移压缩第二空腔11的空气，产生一个初始的定值压强P₀，当我们将调节杆4位于最低位使定值压强P₀＝P_MAX时，能够使得压力芯片9跳过第一阶段的变形而直接开始第二阶段的变形，因此，能够测得的最大压力为压力芯片9的最大变形压力与P_MAXS的和，此时压力传感器模块的灵敏度及量程均按比例提高，最高可以为原设计量程的两倍。

作为本发明的一种实施方式，所述壳体1内设置有与调节杆4及密封塞17匹配的凹槽，所述凹槽内有多组且其内部设置有密封圈。采用密封圈的方式使得壳体1内形成一个冲压式的全封闭结构，避免密封性能差影响安装腔12或第三空腔15的压力，进而影响检测的灵敏度。

使用时，一部分气体经进气管2及气流通道6进入第一空腔5，挤压压力芯片9下表面，与此同时，还有一部分气体经引流通道14进入第三空腔15，并通过第三空腔15继续进入安装腔12，挤压密封罩10的上表面使密封罩10下移，由于第二空腔11为密封空间，因此密封罩10下移会挤压第二空腔11内的空气使其升压，并且由于密封罩10的外径大于内径，因此第二空腔11升压幅度要大于安装腔12的升压幅度，而安装腔12的压强又与第一空腔5的压强相同，因此可以认为第二空腔11的压强P₂大于第一空腔5的压强P₁，此时压力芯片9受一个向下的反向变形，并且随着P₁的增大而逐渐向压力芯片9的反向最大变形靠近，直至密封罩10下移至安装腔12底部时停止，此时，压力芯片9达到反向最大变形，而后，不论P₁如何增加，第二空腔11都不再被压缩，因此达到反向最大变形后的P₂为固定值P_MAX，随着P₁的增大，压力芯片9逐渐消除反向变形，并转变为正向变形，直至正向最大变形后停止；因此，此时压力传感器模块的量程按比例提高为原设计的量程，对应的其灵敏度也极大的提高了；环形凸台7的设置避免密封罩10继续下行导致第二空腔11内与第一空腔5之间压差过大，致使压力芯片9承受压力超过其反向变形的额定压力而损坏的情况，达到保护压力芯片9的效果；同时也能够用于调节P_MAX的具体数值，以满足不同量程压力传感器模块的制备；设置密封柱13及第三空腔15，主要是通过结构来改变K₀常数，以此来调整第一阶段压力芯片9的变形快慢，即调整对应的灵敏度；同时密封柱13及第三空腔15还能起到一个导向的作用，使得密封罩10更好的竖直下移，避免倾斜卡死；设置弹簧19，一方面，能够通过弹簧19抵消密封柱13及密封罩10的自重，避免密封柱13及密封罩10的自重压缩第二空腔11的空气，产生一个初始压强影响测量的精准度的问题；另一方面，弹簧19还能够起到气体泄压时密封柱13及密封罩10复位的作用；设置调节杆4，能够手动调节调节杆4使压力芯片9受反向最大变形，进而测得的最大压力为压力芯片的最大变形压力与P_MAXS的和，此时压力传感器模块的灵敏度及量程均按比例提高，最高可以为原设计量程的两倍。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种压力传感器模块，其特征在于：包括壳体(1)，所述壳体(1)下端右侧设置有进气管(2)，所述壳体(1)上端右侧设置有出线管(3)；所述壳体(1)内由下到上依次设置有第一空腔(5)、安装腔(12)及第三空腔(15)，所述第一空腔(5)通过气流通道(6)与进气管(2)连通，所述安装腔(12)通过布线孔(16)与出线管(3)连通且所述出线管(3)内设置有密封塞(17)；所述安装腔(12)内设置有与第一空腔(5)同轴的环形凸台(7)，所述环形凸台(7)外套装有能够上下移动的密封罩(10)，所述环形凸台(7)下端设置有密封第一空腔(5)顶端的柔性基座(8)，所述柔性基座(8)上设置有压力芯片(9)，所述压力芯片(9)的引线通过布线孔(16)延伸至出线管(3)外，所述压力芯片(9)、环形凸台(7)及密封罩(10)之间构成的密封空间为第二空腔(11)，所述第二空腔(11)的横截面积大于第一空腔(5)的横截面积；所述第三空腔(15)下端与安装腔(12)上端连通且其上端通过引流通道(14)与进气管(2)连通。

2.根据权利要求1所述的一种压力传感器模块，其特征在于：位于所述环形凸台(7)上方的密封罩(10)内设置有环形限位台(18)，用于对密封罩(10)下行时的限位。

3.根据权利要求2所述的一种压力传感器模块，其特征在于：所述第二空腔(11)的横截面积大于第三空腔(15)的横截面积，所述密封罩(10)上端中部固定设置有密封柱(13)，所述密封柱(13)上端延伸至第三空腔(15)内且与第三空腔(15)滑动密封。

4.根据权利要求3所述的一种压力传感器模块，其特征在于：所述密封柱(13)与第三空腔(15)顶端之间通过弹簧(19)连接。

5.根据权利要求3或4所述的一种压力传感器模块，其特征在于：所述第三空腔(15)内设置有与密封柱(13)顶端抵触的调节杆(4)，所述调节杆(4)穿过第三空腔(15)顶部延伸至壳体(1)外，所述调节杆(4)上端设置有调节旋钮，所述调节杆(4)与壳体(1)之间为滑动密封。

6.根据权利要求5所述的一种压力传感器模块，其特征在于：所述壳体(1)内设置有与调节杆(4)及密封塞(17)匹配的凹槽，所述凹槽内有多组且其内部设置有密封圈。

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