CN102914252A - 传感器和传感器元件 - Google Patents

Abstract

一种传感器，其具有一层或多层非接触式工作的传感器元件和包括电气/电子连接端子以及可能的电子部件的外壳，其中传感器元件包括线圈装置，该线圈装置的每一层的绕组具有已定义的线宽度、线厚度和线间距并且该线圈装置的各个层具有已定义的层厚度和可能的层间距，其特征在于，传感器元件在多层陶瓷的意义下由陶瓷层构成，并且与传统的线圈装置相比减小了线宽度和增加了每横截面面积的匝数。

Description

传感器和传感器元件

技术领域

本发明涉及一种传感器，其具有一层或多层非接触式工作的传感器元件和包括电气/电子连接端子以及可能的电子部件的外壳，其中传感器元件包括线圈装置，该线圈装置的每一层的绕组具有已定义的线宽度、线厚度和线间距并且该线圈装置的层具有已定义的层厚度和可能的已定义的层间距。

此外，本发明涉及一种相应的供在根据本发明的传感器中使用的传感器元件。

背景技术

为了进行距离测量和位置监视，往往使用电感式传感器或涡流传感器。这两种传感器类型的重要组成部分是用交流电压来馈电的线圈。在传统的传感器中，线圈通常包括由隔离的铜线制成的众多绕组，这些绕组借助背漆或其他浇铸技术彼此固定连接并且视传感器类型而与铁芯或不与铁芯一起集成在外壳中。在外壳中或者与外壳分开地设置有包含振荡器和解调器的电子装置。在此，线圈是振荡回路的一部分，该振荡回路是振荡器的组成部分或者由振荡器馈电。在此重要的是振荡回路的高品质因数，以便确保传感器较高的测量灵敏度。高测量灵敏度是在较大测量范围的情况下同时达成小干扰敏感度的先决条件。

很久以来，在印刷电路板技术中将线圈实施为扁平线圈的传感器是已知的。相对于缠绕线圈，印刷电路板技术具有以下优点：生产成本较低并且线圈是电子印刷电路板的一部分。最近，扁平线圈技术扩展到陶瓷衬底上。在此，线圈以导电的印制导线层的形式安装在陶瓷衬底上。多个衬底彼此相叠地堆叠，其中利用通孔敷镀来产生这些层之间的电连接。这些层在高温下通过烧结工艺彼此连接并且在烧结后形成紧凑的单元。

传感器测量范围的增大是通过减小传感器与测量对象之间的基本距离的方式达成的。这可以通过如下方式达成：将线圈元件构造为外壳的一部分。基本距离的减小是通过缺少常规传感器中常见的罩子或者全金属实施的方式达成的。借助线圈元件与外壳之间紧密的金属陶瓷连接，附加地得到对传感器内部空间进行可能的密封的优点。

除了陶瓷线圈的上述优点之外，还存在技术限制。尤其是在用于小测量范围的小线圈直径的情况下，常规地缠绕的线圈例如具有显著更高的品质因数，即在较小电阻的情况下得到较大的电感。对于振荡电路的品质因数成立的是：

$Q=\frac{\mathrm{\ωL}}{R}$

其中：

Q：线圈品质因数

L：电感

ω：回路频率

ω=2πf

f：线圈电流的频率

R：线圈电阻

然而，仅仅增大电感并不能达成目的，因为当电感过大时电容效应会降低测量灵敏度或者还使传感器的时间常数（并且由此使时间分辨率）变得过大。因此，必须在给定测量频率的情况下选择最优的电感和欧姆电阻，由此能够得到尽可能大的品质因数。

在传统的缠绕线圈中，导电的铜线与位于这些铜线之间的绝缘组件（导线绝缘层和空气或浇铸物质）的体积比非常大。在进行优化时，可以影响导线横截面、线圈的长度和直径以及匝数。因此，可以在广阔的区域中几乎独立地匹配电感和欧姆电阻。这将导致与陶瓷线圈相比较高的灵敏度。

在那里，导电层与绝缘陶瓷衬底之间的比例是不利的。此外，陶瓷衬底仅在一定的厚度下可用。例如通过厚膜印刷工艺来安装导电层也仅允许印制导线宽度与印制导线厚度之间一定的比例。因此，例如在厚膜印刷时，视所使用的膏体系统，印制导线的宽度必须显著大于厚度。

线圈设计时的另一影响量是绕组彼此之间的电容耦合。在陶瓷衬底中的线圈系统中，电容耦合一般大于缠绕线圈中的电容耦合，因为尽管经印制的印制导线彼此之间的间距较大，但是印制导线之间的有效面积较大并且达ε≈8的陶瓷介电常数附加地增大电容。

一种相对于丝网印刷方法在线厚度大的情况下达成尽可能小的层间距的已知技术是压印。通过压模在各个绕组的位置处使陶瓷衬底的各个层变形。在压印之后必须装上导电绕组，这可以例如通过诸如杜邦公司的

技术之类的光化学工艺或者用合适的印刷方法（例如，通过丝网印刷）进行。

为了能够工艺上可靠地实现尽可能小的结构大小，必须非常精确地制造相应的压印工具。在不同的层几何形状的情况下，需要单独的压印工具。这两个先决条件使得压印非常耗时和昂贵。在压印时不进行材料蚀刻，更确切地说使各个层变形。与此相联系的材料挤出导致材料中不同的密度分布，这些密度分布可能在后续处理时带来问题。因此，例如在烧结陶瓷时在材料中产生应力。

诸如FODEL之类的光化学工艺需要众多彼此之间良好地协调的大量工艺步骤。通常，光化学工艺包括以下工艺步骤：利用感光胶的印刷——曝光——显影——冲洗

与标准工艺相比附加地需要的工艺步骤以及工具和耗材是高成本和昂贵的。此外，可能在光敏层的边缘处出现粘接。这特别是在小的结构参量的情况下是重要的，因为由此可能在绕组之间产生短路。

压印层的印刷特别是在相对较小的线间距和线宽度的情况下是困难的，因为感光胶的定位在压印时必须精确地进行。在定位不准确时，在绕组边缘处产生粘接，这些粘接可能在烧结后导致短路。

通过借助压印技术来优化线圈结构，以相对较高的成本和时间耗费仅能达成传感器特性的有条件改善。此外，通过较大数目且通常还较昂贵的工艺步骤，降低了工艺可靠性以及可重现性。

用于生产的另一可能性在于，直接在绕组的位置处蚀刻材料。这可以例如借助激光进行。然而，激光处理是相对耗时的。这使得该方法本身是高成本和昂贵的。在激光处理时直接蚀刻材料，从而得不到材料压缩。在此，截面表面是非常粗糙的。高粗糙性在稍后用胶进行填充时产生问题。因此，可能例如不产生空气夹杂物，这些空气夹杂物在较高的烧结温度下因压力膨胀而在材料中造成应力。此外，粗糙性会放大导电层的表面。由于根据测量原理需要较高的频率，因而电流由于集肤效应而经过线圈大部分流到表面上，由此最终使电阻增大。如果由于边界面处的粗糙性而在导电胶与绝缘陶瓷之间出现材料混合，则电阻也同样上升。这些效应会对传感器的电数据起负面作用。

很久以来，上述类型的、尤其由多层陶瓷构成的传感器是已知的。仅示例性地，关于此可以参阅DE 10 2008 016 829 A1和DE 103 14 875 A1。

发明内容

现在，本发明的任务在于，设计和改进开头部分所述类型的传感器和相应的传感器元件，以使得在大测量范围的情况下实现足够高的测量灵敏度。该传感器和传感器元件的特征将在于，在尽可能好的电感情况下实现尽可能高的品质因数。

以上任务是通过关于传感器的权利要求1的特征和随后的关于传感器元件的并列权利要求12的特征来解决的。根据本发明的传感器和根据本发明的传感器元件的特征在于，传感器元件在多层陶瓷的意义下由陶瓷层构成，并且与传统的线圈装置相比减小了线宽度和增加了每横截面面积的匝数。

在此处应当注意，以上关于现有技术的实施方式适用于传统的线圈装置。在那里设置的传感器元件的尺寸在很大程度上是通过用于生产传感器元件的各个已知方法预先规定的。迄今为止，人们尚未考虑在充分利用通过微型化给定的基本条件情况下进行优化，尤其是未考虑与标准线圈相比优化的、可重现的、由几何结构导致的传感器性能。

根据本发明认识到，由陶瓷层构成的传感器元件特别适于“几何”优化，即通过显著减小线宽度和增加每横截面面积的匝数，其中每横截面面积匝数的增加是由于线宽度的显著减小才成为可能的。

以根据本发明的方式实现了一层或多层的陶瓷线圈装置，其具有专门为非接触式的距离测量而优化的线圈结构，其中通过优化达成了线圈品质因数的增大、线圈绕组与测量对象的距离的减小以及绕组彼此之间电容耦合的减少。

为了增大品质因数而有利的是，减小线宽度并由此增加可能的匝数，以便增大每层的电感。为了使线圈电阻保持不变，必须增加线厚度。但是，这在许多情形中取决于工艺而不可能。在丝网印刷方法中，例如在线宽度减小的情况下，线厚度甚至会减小，这是因为出于工艺技术的原因厚度必须显著小于宽度。

然而，为了在线厚度、线宽度和线间距保持不变的情况下达成较高的品质因数，减小层间距是有利的。

通过减小的层间距，增加了每单位横截面面积的匝数。但是同时，电阻随着较高的匝数而增大。然而，通过较高的匝数仅使品质因数有条件地增大。这通过以下推导来说明：

如果将关于电感和电阻的公式

$L\∝\frac{r^2{N}^2}{l}$

$R=\frac{\mathrm{\ρ}}{A}2\mathrm{r\πN}$

其中：

r：平均线圈半径

N：匝数

l：线圈长度

ρ：比电阻

A：绕组横截面面积

线宽度与线厚度的乘积在这里假定为常数。

代入关于品质因数的公式，

$Q=\frac{\mathrm{\ωL}}{R}$

则得到关于品质因数的下式：

恒定的横截面面积对应于恒定的平均线圈半径r和恒定的线圈长度l。在横截面面积恒定的情况下通过层间距的减小造成的匝数N的增加因此对应于直接成比例地增大品质因数Q。

根据这个关系得到专门针对微型化的线圈装置、即具有减小的线圈半径r的装置的优点。以上列举的关于最小线宽度、线厚度和线间距的局限性尤其在线圈半径减小的情况下起负面作用。如果要在线圈半径r减小的情况下使品质因数Q保持不变，则必须增加匝数N。这在层间距相同的情况下导致线圈长度l与匝数N成比例地增大。这又会导致品质因Q与线圈半径r的减小成比例的减小。

同时减小层间距将抵消品质因数Q的减小并且由此实现线圈元件的微型化。关于此参照图2a和2b。图2a示出每单位横截面面积具有两层的传统线圈装置。图2b示出每单位横截面面积具有四层的“经压缩”线圈装置。

实践表明，微型化的具有小于60μm的层厚度的陶瓷线圈元件受益于先前提及的关系。可以考虑的层厚度例如为50μm或25μm。

通过减小的层厚度，还得到不仅适用于微型化线圈的其他优点。经优化的标准线圈元件的特征在于，在线圈半径r不变的情况下减小了层间距。通过减小的层间距，还使得线圈与测量对象的距离变小，由此提高测量信号的灵敏度。通过减小层间距，线圈不仅更接近测量对象，而且线圈长度1也同样变小。由此减小了与测量对象的平均线圈距离，这同样对信号灵敏度起有利作用。

通过将线圈元件用作传感器外壳的一部分，还可以进一步减小与测量对象的距离。

从线圈绕组的错开布置得到用于在层间距减小的情况下改进传感器元件的另一措施。

这种线圈布置在机械稳定性方面具有优点。通过绕组在周围载体材料中均匀的材料分布，在负载情形中进行较均匀的力和应力分布，这例如在轴向传力时导致较高的致断负荷。

此外，错开的绕组布置导致线圈元件表面减小的波动性。这种波动性是由于工艺方面附加地应用绕组材料而产生的。附加地引入的材料的高度在多个层上相加并呈现在传感器元件的表面上。通过在各个层上使绕组的位置交替地错开，可以在很大程度上减小这种波动性。由于通常需要平整的传感器表面，因此该措施节省了诸如打磨之类的附加的表面处理。

错开的绕组布置的另一优点在于减小绕组彼此之间的电容耦合。通过错开两个层的相邻绕组，增大了这些绕组之间的有效距离。同样减小了这些绕组之间的有效面积，由此总体上减少了装置的电容，这对测量信号稳定性起正面作用。

附图说明

现在，存在以有利的方式设计和改进本发明的教导的不同可能性。为此，一方面可参照位于权利要求1之后的权利要求，并且另一方面可参照以下根据附图对本发明的优选实施例的说明。结合根据附图对本发明的优选实施例的说明，还总体上解释了本发明教导的优选设计方案和改进方案。在附图中示出：

图1在示意图中以横截面示出现有技术中已知的标准线圈的基本结构，

图2a在示意图中示出图1的主题以与根据图2b的根据本发明的线圈装置作比较，

图2b在示意图中示出根据本发明的每单位横截面面积具有四层的线圈装置的实施例，

图3在示意图中以横截面示出与测量对象相对的根据本发明的线圈的实施例，以尤其定义平均线圈距离和与测量对象的距离，

图4在示意图中以横截面示出根据本发明的具有错开的线圈绕组的线圈装置的另一实施例，以及

图5在示意图中以横截面示出根据本发明的涡流传感器的实施例，该涡流传感器具有根据本发明的作为线圈外壳的组成部分的线圈装置。

具体实施方式

图1在示意图中以横截面示出标准线圈1。在图1所示的实施例中，线圈包括两层2连同集成在那里的绕组3。

线圈的绕组3由具有预定的线宽度5和线厚度6的线4定义。线4之间的距离称为线间距7。

这些层2的绕组3之间的距离称为层间距8a。附图标记8b表示各个层2的厚度，以下称为层厚度8b。

图2a再次示出传统的标准线圈1，其与图2b中所示的根据本发明的线圈装置显著不同，即区别在于，那里替代于两个层2，每单位横截面面积9设有四个层2。根据图2b设置的四个层2与根据图2a的传统标准线圈1中的两个层2占据相同的空间。

图3在示意图中以横截面示出根据本发明的线圈装置的总共包括八个层2的实施例，即由陶瓷层2构成的线圈。在图3中一方面示出平均线圈距离10并且另一方面示出与测量对象11b的距离11。

图4示出根据本发明的由三个层2构成的线圈装置的另一实施例。绕组3彼此错开，由此得到减小的层间距8。

图5在示意图中示出以涡流传感器作为示例的根据本发明的传感器的实施例。传感器元件包括由陶瓷衬底制成的具有集成的绕组3的十二个层2。此外，线圈装置12由四个没有绕组的层13支承，这些层13由厚度例如为50μm的陶瓷衬底构成。由此使线圈装置12稳定。

图5还明确示出，线圈装置12在测量侧封闭外壳14。外壳14的紧密密封是通过使线圈装置12经由活性焊接与外壳14相连接的方式达成的。

图5中还表明，线圈装置12的电触头伸入到外壳14中。在那里实现与总归要提供的连接电缆16触点接通，该连接电缆16通过常见的密封措施从外壳14引出。

传感器元件具体可由厚度为50μm的陶瓷衬底制成的具有12层的多层陶瓷构成。为了增加稳定性，这些层与厚度为100μm的四层常规陶瓷膜烧结在一起。印制导线的宽度为120μm，绕组之间的间距也同样为120μm。匝数为140圈。

传感器元件通过活性焊接与传感器的金属外壳相连接。在外壳14中，连接导线与传感器元件背面上的触头相连接。由于最上面的陶瓷层仅具有50μm的厚度，因而线圈能够非常靠近测量对象，由此相对于传统的陶瓷传感器元件而言增大了有效测量范围。通过较小的层间距，具有经优化的品质因数的传感器具有非常小的结构长度，这有利于微型化。

为了避免重复，关于根据本发明的传感器的其他有利的设计方案可参照说明书的概述部分以及所附的权利要求书。

最后应当明确指出，根据本发明的传感器的上述实施例仅用于解释要求保护的教导，但是该教导不限于这些实施例。

附图标记列表

1    标准线圈

2    层

3    绕组

4    线

5    线宽度

6    线厚度

7    线间距

8a   层间距

8b   层厚度

9    单位横截面面积

10   平均线圈距离

11a  与测量对象的距离

11b  测量对象

12   线圈装置

13   没有绕组的层

14   外壳

15   电触头

16   连接电缆

Claims (12)

1.一种传感器，其具有一层或多层非接触式工作的传感器元件和包括电气/电子连接端子以及可能的电子部件的外壳，其中所述传感器元件包括线圈装置，所述线圈装置的每一层的绕组具有已定义的线宽度、线厚度和线间距并且所述线圈装置的各个层具有已定义的层厚度和可能的层间距，

其特征在于，所述传感器元件在多层陶瓷的意义下由陶瓷层构成，并且与传统的线圈装置相比减小了所述线宽度和增加了每横截面面积的匝数。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，相对于传统的线圈装置而言增加了每层的匝数。

3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，相对于传统的线圈装置而言增大了所述线厚度。

4.如权利要求1到3中任一项所述的传感器，其特征在于，相对于传统的多层线圈装置而言减小了所述层间距。

5.如权利要求1到4中任一项所述的传感器，其特征在于，相邻层的线圈绕组是以彼此错开的方式布置的。

6.如权利要求1到5中任一项所述的传感器，其特征在于，实际的线圈装置在背对测量侧的侧面上具有不含绕组的稳定性基底，所述基底优选由具有两到四层的常规的经烧结的陶瓷膜构成。

7.如权利要求1到6中任一项所述的传感器，其特征在于，所述线圈装置以微型化的方式实施，并且具有小于60μm，例如50μm或25μm的层厚度。

8.如权利要求1到7中任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器元件是所述外壳的一部分并且朝着测量侧封闭和密封所述外壳。

9.如权利要求1到8中任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器元件总体上，至少大部分，布置在所述外壳之外。

10.如权利要求1到9中任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器元件构成所述外壳的测量侧处的、优选平整的封闭件。

11.如权利要求1到10中任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器元件优选通过活性焊接与所述外壳固定连接。

12.一种用于传感器的具有权利要求1到11中任一项所述的特征的传感器元件。

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