CN118670600B - 一种耐高温高过载的单晶硅差压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温高过载的单晶硅差压传感器，属于差压传感器技术领域。该差压传感器，包括基体A和基体B，基体B与基体A之间设置有毛细管组；基体A包括负压膜片基座和正压膜片基座，负压膜片基座和正压膜片基座之间设置有中心膜片，负压膜片基座外侧端设置有负压端波纹感压膜片，正压膜片基座外侧端设置有正压端波纹感压膜片；毛细管组包括正压端毛细管和负压端毛细管，正压端毛细管与正压膜片基座连接，负压端毛细管与负压膜片基座连接，本发明通过充油毛细管的散热使整体本申请可以满足现场高温流体介质的差压测量。本发明采用三膜片结构的设计，可在高过载及高静压工况下正常使用。

Description

一种耐高温高过载的单晶硅差压传感器

技术领域

本发明涉及差压传感器技术领域，更具体地说，涉及一种耐高温高过载的单晶硅差压传感器。

背景技术

单晶硅差压传感器采用单晶硅压阻式测量原理，将单晶硅MEMS差压芯片封装于金属壳体内部，并且充灌高真空硅油，通过正负两侧金属波纹隔离膜片的感压，将压力传递至内部硅油，硅油再将感受的实际压力无损的传递到单晶硅差压芯片，芯片的压阻式电桥测量出实际的差压值，转换为电信号进行输出，此传感器广泛适用于石油、化工、燃气、通用设备等行业。单晶硅差压传感器一般设计有中心膜片及波纹仿形面，满足高静压及高过载下使用。

现有技术的缺陷和不足：

1.现有单晶硅差压传感器的使用温度一般为-40℃～125℃，因为采用的单晶硅差压芯片材料自身耐温只能满足125℃，高温下材料会损坏。

2.现有单晶硅差压传感器在高低温下使用时受高温环境对芯片封装时粘接剂的影响，无法满足更高温度环境下使用。

鉴于此，我们提出一种耐高温高过载的单晶硅差压传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高温高过载的单晶硅差压传感器，以解决上述背景技术中提出的问题：

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种耐高温高过载的单晶硅差压传感器，包括基体A和基体B，基体B与基体A之间设置有毛细管组，基体B内设置有传感器感压芯片；

基体A内设置有三膜片结构，三膜片结构包括中心膜片、负压端波纹感压膜片和正压端波纹感压膜片；

基体A包括负压膜片基座和正压膜片基座，中心膜片设置于负压膜片基座和正压膜片基座之间，负压端波纹感压膜片设置于负压膜片基座靠近外侧一端，正压端波纹感压膜片设置于正压膜片基座靠近外侧一端；

毛细管组包括正压端毛细管和负压端毛细管，正压端毛细管与正压膜片基座连接，负压端毛细管与负压膜片基座连接。

优选地，正压端毛细管和负压端毛细管外均套设有波纹管护套。

优选地，基体B包括外壳体，毛细管组上端延伸至外壳体内，外壳体上端设置有插头，插头内侧一端设置有硅胶线，硅胶线下端连接有信号调理电路板，外壳体下端设置有固定座，固定座内设置有传感器感压芯片；

外壳体内还设置有充油管，固定座包括烧结座，烧结座设置于外壳体内，烧结座上部一体化钎焊充油管，充油管与毛细管组导通。

优选地，固定座还包括上固定座体和下固定座体，上固定座体套设于烧结座上端，所述下固定座体设置于烧结座下端，上固定座体底面与下固定座体连接，上固定座体外壁与外壳体内壁不接触，下固定座体与外壳体下端连接。

优选地，负压膜片基座外端设置有负压端压力接口，正压膜片基座外端设置有正压端压力接口。

优选地，负压膜片基座上设置有负压杯座，负压端毛细管与负压杯座连接，正压膜片基座上设置有正压杯座，正压端毛细管与正压杯座连接。

优选地，负压膜片基座、正压膜片基座、中心膜片、负压端压力接口、正压端压力接口、负压杯座、正压杯座之间均采用激光焊接形成密封腔体。

优选地，传感器感压芯片粘贴于烧结座的中心位置，烧结座、上固定座体、下固定座体烧结为一体结构。

优选地，波纹管护套采用不锈钢材质。

优选地，外壳体为圆柱状结构。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

（1）本发明能够测量极高温度的流体介质，当高温流体温度转移到传感器感压膜片及感压部件时，常规单晶硅差压传感器在高温下存在芯片及粘接剂失效风险，本发明通过充油毛细管的散热使整体本申请可以满足现场高温流体介质的差压测量。

（2）本发明采用三膜片结构的设计，可在高过载及高静压工况下正常使用。本发明基体B采用一体化烧结座结构，减少了焊接点及传感器封装及充灌硅油结构难点。为棒状结构，结构精巧，可以放置于仪表箱内。

附图说明

图1为本发明单晶硅差压传感器的整体结构示意图；

图2为本发明单晶硅差压传感器的整体结构侧视示意图；

图3为本发明单晶硅差压传感器的整体结构剖视示意图；

图4为本发明的外壳体内部结构示意图。

图中标号说明：1、负压膜片基座；2、正压膜片基座；3、中心膜片；4、负压端波纹感压膜片；5、正压端波纹感压膜片；6、正压端毛细管；7、负压端毛细管；8、负压端压力接口；9、正压端压力接口；10、负压杯座；11、正压杯座；12、波纹管护套；13、外壳体；14、插头；15、传感器感压芯片；16、充油管；17、硅胶线；18、信号调理电路板；19、烧结座；20、上固定座体；21、下固定座体。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例

请参阅图1-4，一种耐高温高过载的单晶硅差压传感器，包括基体A和基体B，基体B与基体A之间设置有毛细管组，基体B内设置有传感器感压芯片15；毛细管组分别与基座A和基座B激光焊接，导通油路；通过设置毛细管组导通油路，同时毛细管具有散热功能，使整体本申请可以满足现场高温流体介质的差压测量，其中毛细管组的长度及内径可以根据现场使用条件进行调整。

基体A包括负压膜片基座1和正压膜片基座2，负压膜片基座1和正压膜片基座2之间设置有中心膜片3，负压膜片基座1外侧端设置有负压端波纹感压膜片4，正压膜片基座2外侧端设置有正压端波纹感压膜片5；其中由中心膜片3、负压端波纹感压膜片4、正压端波纹感压膜片5共同构成三膜片结构，三膜片结构设计使传感器具有极高的单向压力过载性能和极高的静压过载性能，确保在承受压力时压力能够均匀的分布在整个结构上，避免局部应力集中，本申请不会在高压下损坏，有助于提高传感器的使用寿命和可靠性。当外部压力超过传感器的正常工作范围时，三膜片或多膜片设计可以通过其弹性变形来吸收和分散多余的能量，从而能够在极端工况下正常工作。

毛细管组包括正压端毛细管6和负压端毛细管7，正压端毛细管6与正压膜片基座2连接，负压端毛细管7与负压膜片基座1连接，毛细管组均采用不锈钢毛细管，便于散热，通过毛细管组的设置，将高温介质传递的热量远离传感器核心部件，实现高温环境下的差压测量。其中所有零件采用激光焊接工艺进行焊接组合，形成正负压两个密封腔体。

不锈钢毛细管组的选择不仅因其优异的耐腐蚀性，还因为其良好的热传导性能，能够迅速将负压膜片基座1与正压膜片基座2处的热量分散并带走。a.通过毛细管组的有效隔热与散热设计，传感器能够在高温环境中稳定工作，拓宽了其应用范围。b.高温介质产生的热量被有效隔离，避免传感器核心部件的直径受热，延长传感器使用寿命。c.提高测量精度：减少温度对测量电路和敏感元件的影响，提高了差压测量的稳定性和精度。d.易于维护：不锈钢毛细管组具有良好的机械强度和耐腐蚀性，降低了维护成本和难度。

本申请中，正压端毛细管6和负压端毛细管7外均套设有波纹管护套12。其中，波纹管护套12采用不锈钢材质。通过波纹管护套12的设置对毛细管组进行保护，保护毛细管免受外界损坏，同时还进一步增强了散热效果，保证该传感器在高温环境下稳定运行。

本申请中，基体B包括外壳体13，毛细管组上端延伸至外壳体13内，外壳体13上端设置有插头14，插头14内侧一端设置有硅胶线17，硅胶线17下端连接有信号调理电路板18，信号调理电路板18用于处理传感器感压芯片15输出的电信号，硅胶线17用于将处理的信号输出；外壳体13下端设置有固定座，传感器感压芯片15设置于固定座内；

外壳体13内还设置有充油管16，固定座包括烧结座19，烧结座19设置于外壳体13内，烧结座19上部一体化钎焊充油管16，充油管16与毛细管组导通。外壳体13为圆柱状结构，结构精巧，可以放置于仪表箱内，节省了安装空间并提高了使用灵活性。

通过高真空充灌硅油技术，可以将真空硅油通过充油管16充灌入本申请中，最后将充油管16进行氩弧点焊密封，使硅油在腔体内进行压力传递。

本申请中，固定座还包括上固定座体和下固定座体，烧结座19上端套设有上固定座体20，烧结座19下端设置下固定座体21，上固定座体20底面与下固定座体21连接，上固定座体20外壁与外壳体13内壁不接触，下固定座体21与外壳体13下端连接。采用一体化钎焊烧结座19，传感器感压芯片15粘贴于烧结座19的中心位置，烧结座19、上固定座体20、下固定座体21烧结为一体结构，形成密封，减少焊接点和封装难度，并且连通充油油路，保证差压压力可以正常传递。

本申请中，负压膜片基座1外端设置有负压端压力接口8，正压膜片基座2外端设置有正压端压力接口9，负压端压力接口8和正压端压力接口9分别和现场管路连接。

本申请中，负压膜片基座1上设置有负压杯座10，负压端毛细管7与负压杯座10连接，正压膜片基座2上设置有正压杯座11，正压端毛细管6与正压杯座11连接。

本申请中，负压膜片基座1、正压膜片基座2、中心膜片3、负压端压力接口8、正压端压力接口9、负压杯座10、正压杯座11之间均采用激光焊接形成密封腔体。

具体的，三膜片结构设计是一种高效且耐用的设计方式，能够显著提升传感器的单向压力过载性能和静压过载性能，这种设计主要通过以下几个方面来实现其高压下的稳定性和耐用性：a.分散压力载荷：三膜片结构通过三个或更多独立的膜片来共同承受外部压力，这种分布方式可以有效减轻单一膜片所受的压力负担，从而避免膜片因承受过大压力而损坏。每个膜片都能在一定程度上独立变形，共同响应外部压力，使整体结构更加稳定。b.增强结构强度：三膜片结构与负压膜片基座1和正压膜片基座2通过激光焊接连接固定，增强整体结构的刚度，还使得在高压环境下，传感器能够保持其形态稳定，不易发生形变或损坏，同时三膜片或多膜片的设计也为传感器内部敏感元件提供了额外的保护，减少因外部压力直径冲击而导致的损坏风险。c.优化应力分布：三膜片结构的设计经过精细的力学分析和优化，确保在承受外部压力时，应力能够均匀的分布在整个结构上，避免局部应力集中，有助于提高该传感器的使用寿命和可靠性。d.提高过载保护能力：当外部压力超过传感器的正常工作范围时，多膜片设计可以通过其弹性变形来吸收和分散多余的能量，从而保护传感器内部敏感元件不受损坏，这种过载保护机制使得传感器在极端工况下仍能正常工作。综上所示，该传感器能够在需要承受高压力、高冲击等恶劣工况的应用场景中使用。

工作原理：

本申请的传感器由上中下三部分组成，分别为基体B、毛细管组和基体A，本申请下端基体A采用正压膜片基座2、负压膜片基座1、中心膜片3、压力接口及毛细管焊接杯座，所有零件采用激光焊接工艺进行焊接组合，形成正负压两个密封腔体。本申请中间部分为充油毛细管组，毛细管组长度及内径根据现场使用条件可进行调整，毛细管组下端与本申请下部分焊接杯座进行焊接，上部与传感器烧结座19的下固定座体21钎焊连接。毛细管外部为不锈钢波纹管，对毛细管起保护作用。本申请上部基体B为传感器烧结座19，传感器感压芯片15通过粘胶方式粘贴于烧结座19中心位置，烧结座19与上固定座体20及下固定座体21进行焊接密封，本申请整个结构内部形成正负两个密封腔体。上中下三部分焊接后形成正压腔和负压腔两种开口腔体，内部形成正压腔油路和负压腔油路，通过烧结座19正负压腔的充油管16，充灌高真空硅油，将真空硅油充灌入本申请中，最后将充油管16进行氩弧点焊密封，形成密封压腔，负压端压力接口8和正压端压力接口9分别和现场管路连接后，三膜片结构分别感应介质压力发生形变，进一步挤压硅油变形，通过密封腔体油路传递，传感器感压芯片15最终感受到介质压力，将压力信号转换为电信号进行输出。本申请的传感器结构将核心部分通过毛细管组延伸的方式放置于常温环境下，同时毛细管组结构可以将高温介质温度传递降温，避免核心器件因高温损坏而不能进行现场压力测试。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。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仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，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 (5)

1.一种耐高温高过载的单晶硅差压传感器，其特征在于：包括基体A和基体B，所述基体A与基体B之间设置有毛细管组，所述基体B内设置有传感器感压芯片（15）；

所述基体A内设置有三膜片结构，所述三膜片结构包括中心膜片（3）、负压端波纹感压膜片（4）和正压端波纹感压膜片（5）；

所述基体A包括负压膜片基座（1）和正压膜片基座（2），所述中心膜片（3）设置于负压膜片基座（1）和正压膜片基座（2）之间，所述负压端波纹感压膜片（4）设置于负压膜片基座（1）靠近外侧一端，所述正压端波纹感压膜片（5）设置于正压膜片基座（2）靠近外侧一端；

所述毛细管组包括正压端毛细管（6）和负压端毛细管（7），所述正压端毛细管（6）与正压膜片基座（2）连接，所述负压端毛细管（7）与负压膜片基座（1）连接；

所述正压端毛细管（6）和负压端毛细管（7）外均套设有波纹管护套（12）；

所述基体B包括外壳体（13），所述毛细管组上端延伸至外壳体（13）内，所述外壳体（13）上端设置有插头（14），所述插头（14）内侧一端设置有硅胶线（17），所述硅胶线（17）下端连接有信号调理电路板（18），所述外壳体（13）下端设置有固定座，所述传感器感压芯片（15）设置于固定座内；

所述外壳体（13）内还设置有充油管（16），所述固定座包括烧结座（19），所述烧结座（19）设置于外壳体（13）内，所述烧结座（19）上部一体化钎焊充油管（16），所述充油管（16）与毛细管组导通；

所述固定座还包括上固定座体（20）和下固定座体（21），所述上固定座体（20）套设于烧结座（19）上端，所述下固定座体（21）设置于烧结座（19）下端，所述上固定座体（20）底面与下固定座体（21）连接，所述上固定座体（20）外壁与外壳体（13）内壁不接触，所述下固定座体（21）与外壳体（13）下端连接；

所述负压膜片基座（1）外端设置有负压端压力接口（8），所述正压膜片基座（2）外端设置有正压端压力接口（9）；

所述负压膜片基座（1）上设置有负压杯座（10），所述负压端毛细管（7）与负压杯座（10）连接，所述正压膜片基座（2）上设置有正压杯座（11），所述正压端毛细管（6）与正压杯座（11）连接。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温高过载的单晶硅差压传感器，其特征在于：所述负压膜片基座（1）、正压膜片基座（2）、中心膜片（3）、负压端压力接口（8）、正压端压力接口（9）、负压杯座（10）、正压杯座（11）之间均采用激光焊接形成密封腔体。

3.根据权利要求1所述的一种耐高温高过载的单晶硅差压传感器，其特征在于：所述传感器感压芯片（15）粘贴于烧结座（19）的中心位置，所述烧结座（19）、上固定座体（20）、下固定座体（21）烧结为一体结构。

4.根据权利要求1所述的一种耐高温高过载的单晶硅差压传感器，其特征在于：所述波纹管护套（12）采用不锈钢材质。

5.根据权利要求1所述的一种耐高温高过载的单晶硅差压传感器，其特征在于：所述外壳体（13）为圆柱状结构。