CN102782456A - 传感器元件是传感器外壳的一部分的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器，包括非接触式操作的传感器元件(1)、电子组件(5)以及具有电/电子连接的外壳(2)。所述传感器元件(1)为所述外壳(2)的一部分，并朝向测量侧(3)封闭和密封所述外壳(2)。

Description

传感器元件是传感器外壳的一部分的传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，其具有非接触式操作的传感器元件和包括电子组件以及电连接的外壳。

背景技术

在这里讨论的传感器为一种非接触式操作传感器，而采用的具体的原理并不重要。一般而言，它可表示任何非接触式操作传感器，例如压力传感器、光学传感器、温度传感器、电容式或电感式传感器等。在这里讨论的传感器类型是用于不同的应用中检测物理参数。在许多应用中，传感器受环境影响相当大，如污垢、灰尘、水、油或其他媒介，这些因素可能令到测量结果不正确或甚至破坏传感器。过大的压力或真空以及过高的温度也可能对传感器产生不良影响或甚至破坏传感器。因此，在这些应用中经常需要紧紧地封闭，很多时候甚至密封外壳，以保护传感器免受外来影响。

在某些具体应用中，可能需要防止环境受到来自传感器的干扰影响。尤其是在高真空或在高洁净度环境的情况下。环境可能因传感器排放污染物而受到影响。例如，当用于超高真空时必须防止任何干扰物质的蒸发，因为它们可以破坏真空。或者，在高洁净度的环境中，不容许传感器排放干扰物质。例如，在半导体生产中就如是，在生产过程中的环境必须要非常干净。颗粒或气体可能损害或甚至破坏分度线、基板或光学设备，例如镜子或透镜。因此，在这些环境情况下，传感器不会将干扰物质分离到外界是必须的。

众所周知，密封传感器外壳有许多种做法。例如，可以利用多部件式外壳，其各部件彼此互相机械性地(例如通过螺丝连接、夹紧、铆接等)连接。进行密封时通常利用由橡胶或塑料所制造的密封元件。此外，粘附或模塑成型方法是众所周知的，它们通常用于传感器技术。在此，粘附或模塑成型的意思是外壳各部件彼此互相连接和/或与传感器元件连接。最终利用模塑成型材料固定传感器元件在外壳内。

密封的另一个做法是通过钎焊或焊接。此时彼此相同或相似的材料(尤其是金属)连接在一起。此外，在现有技术中，金属陶瓷焊焊连接是众所周知的。

众所周知，以上所述的密封手段有缺点，以致传感器元件实施成分开的组件装在外壳内，或多或少地被外壳部件封装。多种传感器由于外壳的缘故而导致测量不正确，即使外壳壁实施成非常薄。例如，光学传感器通过玻璃窗来进行测量，为了密封，该玻璃窗粘附于外壳。由于吸收或折射，尤其是在粘附处，出现影响测量的风险。在磁性传感器中，磁铁材料影响测量信号。对于电感或涡流传感器，金属外壳激发电磁场，导致测量信号减少。尤其工业用的传感器要求有可靠性和机械稳定性，通常需要利用金属来制造外壳，通常是利用低成本的钢材。为了防止外壳过度地影响测量信号，传感器的端面通常由塑料、陶瓷或其他非导电材料制成的罩遮盖和/或密封。罩与金属外壳的连接可以通过粘附、夹紧或利用密封圈来实现，尤其使用陶瓷罩的情况下，还可以通过钎焊连接。

现有技术的传感器和生产它们的方法是有缺点的，实际传感器元件(例如电感操作的传感器的铜线圈或电容式传感器的电容板)由外壳将传感器元件与测量位置远离和/或相隔开。这导致传感器的灵敏度因外壳的影响而降低。

特别对于距离传感器，由于外壳和/或外壳的物料的厚度而使传感器元件和测量物体之间的测量距离增加，这是因为壁的厚度或者已存在的距离(归因于外壳的存在或由于所需的空气或粘附空隙)增加了实际测量距离。此外，需要利用外壳罩适当地封装和/或遮盖导致有额外成本，其一方面是材料成本，而另一方面是组装成本。

众所周知，生产传感器的塑料外壳比生产金属外壳更有效益成本。然而，塑料外壳的缺点是它们从环境中吸收湿气或水，尤其是吸收空气中的湿气。这样，对电容式传感器和涡流传感器的功能造成损害，因为吸收的水改变了传感器配置的性能，并经常地引致测量的偏移。

鉴于上述说明，本发明的目的为提供具有非接触式操作的传感器元件的传感器，其外壳能充分并很好地封装该传感器而不会以任何不利的形式遮蔽传感器元件。此外，传感器的生产可以做到有效益成本。

发明内容

上述目的通过权利要求1的特征而实现。因此，通用传感器的特征在于传感器元件作为外壳的一部分和该外壳朝向测量的一侧被封闭或密封。

本发明与传感器外壳朝向测量的一侧由罩或类似物封闭的现有技术不同。反而，本发明实现了新技术，将实际传感器元件直接放置在传感器的测量侧和/或形成传感器的测量侧，从而该传感器元件自身作为外壳的罩，因此该传感器元件成为该外壳的一部分和朝向测量侧封闭该外壳，并藉此同时密封该外壳。

根据上述解释，本发明要求作为结构单元的传感器元件是适于覆盖外壳。换句话说，该传感器元件形成外壳的罩，因此传感器元件除了提供实际测量或检测功能，还提供密封和/或封装功能。

因此，该传感器元件成为外壳的一部分，并与该外壳紧密连接形成一个单元。

实际上，该外壳可以如前述一样较佳地由金属制成。至少传感器元件的表面可由陶瓷制成。传感器元件的功能元件可整合在适当地限定的陶瓷基板上。

为了避免热拉伸和因热拉伸而形成裂缝，特别是在连接位置处，进一步有利的是将该外壳和传感器元件的热膨胀系数大致调整至相等。外壳用的金属外壳和传感器元件用的陶瓷很容易获得，它们的膨胀系数也大约相等。

实际上，传感器元件较佳地可齐平放置在外壳的测量侧，并通过粘附、钎焊或焊接至外壳。在传感器元件的齐平实施例中，这意味着外壳朝向测量侧至少稍微地延伸，然而此处的外壳和外壳的内部被紧密地密封。

传感器元件也可以以定制合身和/或形状匹配的方式插入外壳，并在此在测量侧限定外壳的罩。在这样的实施例的范围内，外壳壁容纳整个传感器元件，其中传感器元件形成外壳的面罩，无需额外地遮蔽该传感器元件。

如前所述，传感器元件可以任何方式连接到外壳，密封连接是有利的。传感器元件可以粘附、钎焊或焊接至外壳。传感器元件也可以插入受热的外壳中，在冷却过程中传感器外壳不停地收缩至传感器元件上，造成力传递连接，或者插入粘合设备。

传感器元件还可以由陶瓷和/或陶瓷基板制成，该传感器元件的功能可能由多层陶瓷限定。在特别有利的方式中，传感器元件由LTCC技术(低温共烧陶瓷)制成。如下为LTCC技术的阐述：

利用LTCC技术可制成所谓低温共烧陶瓷。现有的多层电路是采用这种技术基于烧结陶瓷基板而制成的。也可以制成电路板印刷线、电容器、电阻和线圈。各元件可以通过丝网印刷或光技术处理而施加于多层上。绿色陶瓷片独立地构成(即各传感器的功能元件)，然后堆栈和层压。最后，调至陶瓷材料的烧结温度(通常在约850至900℃范围)形成已限定的烧结轮廓。

无论如何，特别有利的是采用LTCC技术上将传感器元件制成多层陶瓷基板，其包括相应传感器的电/电子组件以及触点和/或连接。因此，LTCC技术制成的传感器元件应被理解为一个主要由陶瓷所制成的单一元件。这样制成和/或烧结的传感器元件可理想地用于封闭金属外壳，因为它的抗压力性能足够好，无需如实际传感器元件那样用保护罩遮蔽而与外部隔绝。相反，传感器元件暴露于测量侧，很大程度上消除了现有技术衍生的实践上的问题。

本发明的优点可以简单概括如下：

-传感器元件定位于前部非常远的位置，因此接近测量物体，没有任何分离件、空气空隙、模制空隙等，所以灵敏度较高；

-由于传感器元件的灵敏度较高，所以可以选择扩增较小的信号，这增加了传感器的分辨率和稳定性；

-由于距离短，所需的测量点较小，容许恒定线性地测量和/或检测更小的测量物体；

-传感器元件是外壳的一部分，从而节省了外壳所需的罩；

-采用钎焊连接将传感器元件与外壳密封连接，可有效地避免异物进入传感器的内部；

-传感器被紧密地密封，适用于压力或真空应用，而不用额外的密封措施；

-有效地防止从传感器内部排放或释出挥发性物质至真空或超洁净环境；

-在传感器元件后面的集成电子容许较短的电线长度和较低的寄生电容，这增加传感器的稳定性(持久稳定性，EMV稳定性，温度稳定性)和灵敏度；

-使用陶瓷基板为传感器元件提供了高机械可靠性和稳定性；特别是由于陶瓷的膨胀系数低而导致高的温度稳定性，实现了传感器的温度稳定和持久耐用；

-吸进陶瓷的水是微不足道的，因此寄生电容的变化没有造成干扰；

-可以在陶瓷紧接测量线圈或测量电容处直接测量温度，因此不会受温度梯度影响；直接在测量位置(即在传感器的测量侧)进行温度补偿。

有各种不同方法都可以有利地实施并更进一步改进本发明的教导。为此，一方面参考权利要求1的从属权利要求，另一方面参考以下基于附图的本发明具体实施例的阐释。结合附图对本发明优选的示范性实施例的阐释再进一步解释本发明教导的一般优选实施例和进一步改进。附图表示为：

附图说明

图1为根据本发明的传感器的一般设计的侧视截面示意图，其中由LTCC技术制成的传感器元件包括陶瓷基板并根据涡流原理操作。

图2为另一个根据本发明的传感器的具体实施例的侧视截面示意图，其中由LTCC技术制成的传感器元件包括陶瓷基板并根据涡流原理操作，而电子组件配置在传感器元件的后面。

图3为另一个根据本发明的传感器的具体实施例的侧视截面示意图，其中由LTCC技术制成的传感器元件包括陶瓷基板并根据涡流原理和电容原理操作，而电子组件配置在传感器元件的后面。

图4为另一个根据本发明的传感器的具体实施例的侧视截面示意图，其中由LTCC技术制成的传感器元件包括陶瓷基板，并做成压力传感器，而电子组件配置在传感器元件的后面。

图5为另一个根据本发明的传感器的具体实施例的侧视截面示意图，利用多层LTCC技术制成并连接成一体。

具体实施方式

图1显示了根据本发明的传感器的具体实施例的侧视截面示意图，该传感器为电感式或电容式传感器。可以看出，传感器元件1为外壳2的一部分，朝向测量侧紧密地密封该外壳。

事实上，传感器元件1是多层陶瓷9，其由LTCC技术(低温共烧陶瓷)所制成。此处的实际传感器元件1是线圈4，整合在多层陶瓷9中，嵌入多层陶瓷基板9。

在电容式传感器中，这代表平的导电电极，其为在该电极和测量物体之间形成的电容器的一部分。此处的传感器元件也是一个包括多层的陶瓷基板，在烧结过程中(即通过扩散)将各层连接起来。在烧结过程中形成结构紧凑、稳定和易于处理的单元。

如图1所示的传感器元件1焊接至外壳2，并包括金属，从而形成结构紧凑、固定连接的单元。该外壳2通过传感器元件1紧密地密封。图中标记8为焊接连接。

应当提及，图1未有示出电连接，因为图1只示出了外壳2和覆盖的传感器元件1的设计原理。

图2显示了一个根据本发明的传感器的进一步改进，在传感器元件1的后面装配有电子组件5，即在外壳2的内部。在图2示出的传感器元件1是根据涡流原理操作的传感器元件1。

可根据电子组件本身已知的混合技术来提供电子组件。

图2还显示提供了一个密封电缆管道6，连接电缆7延伸穿过密封电缆管道到传感器元件1，连接电缆7的导线与传感器元件耦合和/或电连接。

此外，图2示出了在外壳2和传感器元件之间的密封焊接连接8。所述焊接连接形成了紧固的密封。此外，传感器元件1由陶瓷基板制成，有足够的抵抗性。

图3显示了一个根据本发明的传感器的具体实施例，在此，两个不同的操作传感器元件1配置和/或整合在陶瓷基板9上。除了涡流传感器的线圈4之外，同时整合电容式传感器的电极10。这形成一个组合式传感器，其还可以额外地配有温度传感器。例如，可以按测量温度的已知的方法来使用线圈的欧姆电阻，从而对电感操作的传感器元件作温度补偿，这特别有利于插入至陶瓷基板9并与陶瓷基板9隔开的测量线圈和补偿线圈。此处，可根据用途(测量距离和温度补偿)而调整线圈的各种相应特征。

图4所示的传感器中，传感器元件1亦是根据LTCC技术做成压力传感器。同样地，此处的陶瓷基板9包括多层，各层通过焊接连接8相互连接成覆盖和密封外壳2，该外壳实施为金属外壳。

同样地，此处的传感器元件1和/或陶瓷基板9的后面提供了电子组件5。

如图4所示，连接电缆7也延伸穿过电缆管道6进入外壳2的内部，并耦合和/或电连接至传感器元件1的后面。

也可从图4看出，压敏元件11做成空腔12直接地封装在陶瓷基板9上。陶瓷基板9的前部形成压敏薄膜13，当受压力冲击时压敏薄膜弯曲。为了测量压敏薄膜13的距离变化，可能再次在陶瓷基板9内使用涡流线圈的电容式电极。

由LTCC陶瓷制成的上述传感器元件1与由钛、锆或其合金制成的外壳2的组合是特别有利的。钛或锆和陶瓷的热膨胀系数几乎相同，因此在材料之间的连接处，在温度发生变化时没有在连接部位形成干扰张力。进行软钎焊焊接时需要对陶瓷基板作诸如金属化等预处理，或者在焊接部位对金属外壳作镀金处理。由于钛的材料特性，特别是钛的比表面能/表面张力，钛与陶瓷的钎焊尤其良好。在活性钎焊中，钛和陶瓷可以直接彼此连接，而不用在钎焊连接之前施加作为粘附剂的任何中间层。

金属外壳可以由几个部分来实施，例如包括金属框架和外壳盖。在一个多级处理中，可以将例如包括钛或锆的金属框架通过硬钎焊焊接至传感器元件。由于硬焊接在大约850℃的相对高温度下进行，因此随后的钎焊处理可通过软焊接来实现，无需放弃硬钎焊连接。这样，电子组件可以在金属框架钎焊至传感器元件之后再钎焊至传感器元件。安装了电子组件后，将外壳盖连接至金属框架。这可以例如通过钎焊、焊接或粘附来实现。

使用多层LTCC技术是特别有利的，因为可以制成电路板印刷线，从而制成贯穿连接。当必须使用电缆、电线或导线时，在真空区的压力室的电子组件接触往往是问题。将导线引出这些区也成问题的，这是因为需要昂贵和复杂的真空管道。它们往往用玻璃绝缘，因此在生产和应用时也是复杂和昂贵的。

如图5所示，在陶瓷9内部和金属外壳下面的电路板印刷线4、14可被引导离开本发明的传感器元件1内的压力室或真空区15。在陶瓷9内烧结连接将电路板印刷线4、14紧密地密封，从而不会损害外壳2的密封。不需要为连接线提供额外的真空或压力管道，因此可以实现简单、廉价和非常紧凑的通道。这样，非常简单就可以为电子组件提供紧密密封和机械稳定的连接。

在背离压力室或真空区的一侧17，通过贯穿连接18引导电路板印刷线14离开陶瓷基板9。在贯穿连接18的点设置钎焊垫，然后以传统的钎焊技术将插头19或连接电缆20焊接至钎焊垫。由于陶瓷9的这一侧位于压力室15和/或真空外，因此可以使用便利的简单插头19，不用承受高压或真空。

关于本发明传感器的其他有利的具体实施例，可参阅整份说明书以及附上的权利要求，不再赘述。

最后，明确地指出，上述的根据本发明的传感器的具体实施例只用作解释要求保护的教导，然而它们不限于具体实施例。

参考特征列表

Claims (11)

1.一种传感器，其具有非接触式操作的传感器元件(1)和包括电子组件(5)以及电/电子连接的外壳(2)，其特征在于，所述传感器元件(1)为所述外壳(2)的一部分，并朝向测量侧(3)封闭和密封所述外壳(2)。

2.根据权利要求1的传感器，其特征在于，所述外壳由金属制成，而所述传感器元件(1)至少在传感器元件的表面包括陶瓷。

3.根据权利要求1或2的传感器，其特征在于，所述外壳(2)包含钛或锆或相应的合金。

4.根据权利要求1或3的传感器，其特征在于，所述外壳(2)和所述传感器元件(1)的热膨胀系数大约调整至彼此相同。

5.根据权利要求1至4之一的传感器，其特征在于，在所述测量侧将所述传感器元件(1)较佳地以齐平的方式设置在所述外壳上，或者在所述测量侧将所述传感器元件(1)以定制合身和/或形状匹配的方式插入所述外壳(2)。

6.根据权利要求1至5之一的传感器，其特征在于，所述传感器元件(1)粘附、钎焊或焊接至所述外壳(2)。

7.根据权利要求1至6之一的传感器，其特征在于，所述传感器元件(1)包括多层陶瓷。

8.根据权利要求7的传感器，其特征在于，所述传感器元件(1)由LTCC技术(低温共烧陶瓷)制成。

9.根据权利要求1至8之一的传感器，其特征在于，在所述传感器元件(1)的后面，即背离所述测量侧(3)的一侧，较佳地以混合技术安装所述电子组件(5)。

10.根据权利要求7至9之一的传感器，其特征在于，两个或以上的所述传感器元件(1)整合和/或组合在陶瓷基板(9)。

11.根据权利要求10的传感器，其特征在于，所述传感器元件(1)在功能上彼此连接。

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