CN103180703A

CN103180703A - 温度传感器

Info

Publication number: CN103180703A
Application number: CN201180051418XA
Authority: CN
Inventors: Z·阿尔纳卡什; K·库巴瑟克; R·N·兰迪斯
Original assignee: Stoneridge Inc
Current assignee: Stoneridge Inc
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: WO2012033859A1; DE112011102974B4; CN103180703B; DE112011102974T5; US20120082181A1; US8690423B2

Abstract

一种构造成检测排气装置的排气温度的传感器，该传感器包括壳体和至少部分地布置在壳体内的感测元件。包括第一介质和至少一种另外的介质的填充材料布置在壳体内并且至少部分地围绕所述感测元件。所述第一介质构造成在高达800°C的还原气氛中和高达850°C的氧化气氛中是稳定的，所述第二介质构造成提供氧气储存能力并且增强化学稳定性和/或氧气捕获能力。

Description

温度传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年9月7日申请的美国临时专利申请序列号61/380,504的优先权，其全文通过引用并入于此。

技术领域

本发明总体涉及内燃机的传感器，更特别地涉及排气温度传感器

背景技术

内燃机，比如但不局限于柴油和汽油发动机，可以包括至少部分地布置在排气系统内的一个或多个温度传感器。这些温度传感器感测排气的温度并且可以至少部分地由发动机控制系统使用以调节发动机的一个或多个特性，比如但不限于空气/燃料比、增压压力、排气再生循环/持续时间、正时等。由于操作环境，这些温度传感器可以暴露到相对恶劣的条件下，包括但不限于振动、接触碎屑、湿气和腐蚀性化学品、大的温度范围以及温度变化率以及相对高的持续使用操作温度。这些条件可以使温度传感器的性能退化并且最终可以致使这些传感器不适合于它们预期的目的。

薄膜电阻式温度检测器是在许多应用（包括但不限于发动机的排出物或喷射物）中的用于检测温度的一种温度传感器。例如，这样的检测器可以用于检测内燃机的排气温度。排气温度传感器可以是发动机管理系统的一部分。各种操作参数，比如供油量等等，可以部分地基于测量到的排气温度调节。

铂金属薄膜电阻式温度检测器是用于检测排出物温度的一种特殊种类的温度传感器。用在这种温度检测器中的铂金属电阻元件对于环境条件敏感。例如，如果周围大气中的氧气在阈值浓度以下，降低的大气压可以造成电阻元件的铂薄膜从其基底迁移（migration）。由于铂的分解或迁移导致的电阻式温度检测器的铂的显著损失可以对温度检测器的性能和寿命具有不利影响。

通常称做负温度系数（NTC）元件和/或正温度系数（PTC）元件的基于氧化物/陶瓷的电阻式温度感测元件也是一种结合到用于检测排出物温度的温度传感器中的特殊元件。NTC元件大体上是指在限定的温度范围内随着温度的升高电阻降低的材料。PTC元件大体上是指随着温度的升高电阻增大的材料。所述系数越大，对于给定的温度增加电阻增大的越多。与铂金属电阻元件类似，用在这些温度传感器中的NTC/PTC元件也对环境条件敏感，比如上面讨论的那些，其可以对温度检测器的性能和寿命具有不利影响。

封闭的或者封装的温度传感器的内表面可以与封闭环境中的被封住的氧气反应，从而减小氧气浓度并且使铂电阻元件易于受到源自还原环境的破坏。可以包含在封闭的温度传感器内的空气的体积可能是有限的，这是由于太大的内部容积可能将电阻式温度检测器元件与传感器外部隔离，大大增大热时常数并且降低了传感器性能。由于封罩内部容积上的限制，即便封罩的内表面在传感器的最后组装之前已经被预先氧化，随着时间的流逝可能发生的内表面的进一步的氧化和/或污染仍然可以降低氧气浓度，使电阻元件，比如铂和/或PTC/NTC元件易于受到破坏。

不提供封闭环境的开放式温度探头朝向外部大气开放，以允许实现与温度检测器的铂薄膜的氧气交换，以便于在还原气氛的情况下防止金属薄膜的损失或迁移。虽然开放式设计可以实现与外部大气的联通，但是外部大气不能必要地提供足够的氧气浓度来避免薄膜电阻元件的损失或者对其的破坏。此外，开放式设计可能允许污染物进入，抑制或者以其他方式负面地影响温度检测器的基底、铂薄膜、热响应时间等等。开放式探头还可能遭受湿气的引入——当与冰冻温度组合并且少于最佳安装取向和/或位置时，由于施加到其上的冰冻/融化力而可以导致结构上的破坏。

附图说明

本发明的特征和优点由根据本发明的实施方式的描述来阐述，该描述应该结合附图来考虑，其中：

图1是包括根据本发明的温度传感器的车辆的示意图；

图2是根据本发明的温度传感器的实施方式的侧面剖视图；

图3是图2的温度传感器的正面剖视图。

具体实施方式

本发明的主题在一些情况下可以包括相关的产品、针对特定问题的替代性解决方案和/或单个系统或物品的多个不同用途。

本发明总体上涉及温度传感器。这里描述的实施方式可以涉及排气温度传感器系统，例如构造成与内燃机（例如但不限于柴油发动机、汽油发动机等）一起使用的排气温度传感器系统。排气温度传感器系统的输出可以由用于控制发动机的一个或多个参数的控制器接收。然而，根据本发明的传感器和/或系统可以用于检测、感测和/或监视其他参数的温度，包括但不限于催化式排气净化器温度、润滑油温度（比如但不限于发动机机油、传动装置机油、差速器机油等）、制动器温度、发动机冷却剂温度等。根据本发明的传感器和/或系统可以结合各种其他应用一起使用，二者均涉及或者不涉及车辆。

参见图1，示意性地示出了车辆100的实施方式。车辆100可以包括具有排气系统104的内燃机102，所述排气系统可以输送来自于发动机102的排气流。温度传感器106可以连接到排气系统104，用于测量由排气系统104输送的排气的温度。所述温度传感器106可以提供响应于或者表示排气温度的输出。车辆控制系统108，比如发动机控制模块（ECM）等，可以接收来自于温度传感器106的所述输出。响应于温度传感器106的输出，所述发动机控制系统108可以改变一个或多个操作参数，比如供油量、空气/燃料比、增压压力、正时等。

参见图2-3，以侧面和正面剖视图示出了根据本发明的温度传感器106的实施方式的一部分。该温度传感器106大体上可以包括纵向主体200，该主体具有布置在主体200一端上的壳体202。温度感测元件204可以至少部分地布置在壳体202内。温度传感器106的电连接件206，208可以从温度感测元件204延伸远离并通过所述主体200。应该指出的是在其他实施方式中，温度传感器106可以包括另外的连接件以补偿任何附加的特征和/或材料。例如，在其他实施方式中，从温度感测元件204到所述主体200的距离可以增大，这可能导致要包含附加的特征和/或材料以及连接件。温度传感器系统可以包括各种安装特征，比如凸缘和安装螺母、压缩套箍等，其能够安装至少部分地延伸到排气系统中的温度传感器，同时保持排气系统的基本密封状态。类似地，所述温度传感器系统可以包括电连接器或触头，其电连接到温度传感器的电连接件。合适的连接器可以包括整体的特征以及尾纤连接器等等。

温度感测元件204可以是电阻式温度感测元件，其中整个元件的电阻可以根据温度改变。在一个特殊实施方式中，温度感测元件204可以是薄膜电阻式温度检测器，其包括布置在基底212上的至少一层金属薄膜210，例如铂薄膜。在其他实施方式中，多种温度感测元件可以被包括进来，例如电阻式温度检测器（RTD）、负温度系数（NTC）型元件、正温度系数（PTC）型元件和/或热电偶式元件。

如图所示，所述壳体202可以限定内部容积214。温度感测元件204可以至少部分地布置在由壳体202限定的内部容积214内。这样，所述温度感测元件204可以至少部分地由所述壳体202封装。所述壳体202可以在所述壳体202的开放端216处连接到温度传感器106的主体200。在一个实施方式中，所述壳体202可以连接到所述主体200以提供基本的气体密封，从而将温度感测元件204置于基本封闭的环境中。该基本封闭的环境可以减少或消除温度感测元件204与外部环境的污染物等的接触。

由所述壳体202提供的封闭的氛围可以防止或减少温度感测元件204与污染物的接触。相应地，由所述壳体202提供的基本封闭的环境可以至少部分地保持或控制与温度感测元件204紧挨的周围的环境。在铂金属薄膜电阻式温度检测器的情况下，或者类似的易受影响的元件的情况下，由所述壳体202提供的内部容积214可以允许在温度传感器106的内部大气中存在足够量的氧气，以降低温度感测元件204的退化或者退化速率。

根据本发明，填充材料218可以布置在壳体202的内部容积214内，并且可以至少部分地围绕所述温度感测元件204。所述填充材料218可以是颗粒物。在一个实施方式中，所述填充材料218可以填充感测元件204与壳体202的内表面之间的整个空间。所述填充材料218可以通过壳体202的开放端216以粉末和/或液体的形式提供，然后在壳体202中固化，例如热固化。大体上，所述填充材料218可以提供热传导性，同时是柔性的以在操作期间适应在传感器元件中或之间（例如在感测元件204和与其连接的导线之间）的由热引起的应力。至少部分地围绕所述温度感测元件204的所述填充材料218可以限制温度感测元件204的运动。填充材料218对温度感测元件204的支撑可以限制例如由于振动、冲击等在温度感测元件204上施加的机械载荷和物理应力。因此所述温度感测元件204在某种程度上可以由所述填充材料218进行实体上的保护。

所述填充材料218可以由与氧气具有相对低的反应性的材料制造。与氧气具有低反应性不容易消耗包含在壳体202内的氧气，留下来氧气以防止或减小温度感测元件204的退化。此外，填充材料218可以包括构造成提高热传导性、同时在高温下保持温度感测元件稳定性的材料。

所述填充材料218可以是高耐火（抗热，稳定）材料。

所述填充材料218可以具有比空气或气态介质更大的热传导性。所述填充材料218因此可以至少在某种程度上克服壳体202与温度感测元件204之间的分离的隔离效果。所述填充材料218可以在所述壳体202与所述温度感测元件204之间提供传热路径，从而可以增加温度传感器106的热响应。

此外，填充材料218的使用可以消除对于用来适应传感器元件204上的由热引起的应力的单独的机械应变削弱手段的需求。代替单独的应变削弱手段，所述填充材料218可以是可弹性地挠曲/可弹性地膨胀的，以使传感器元件例如感测元件204和与其连接的导线以不同的速率膨胀（例如由于不同的热膨胀系数导致）。这可以减轻传感器106中由热引起的应力，而不需要单独的机械应变削弱件。

应该指出的是所述填充材料218可以包括一种或多种材料。例如，所述填充材料218比如可以包括第一颗粒物（即第一介质320）和第二颗粒物（即第二介质322）的混合物，其中第一和第二颗粒物是不同的材料。例如，如图3中所示，传感器106的填充材料218可以包括第一介质320和至少一种附加的介质322（为了便于描述下文中称做“第二介质322”），其设置在壳体202中并且至少部分围绕所述感测元件204。

优选地，包含在根据本发明的温度传感器106中的填充材料218包括作为第一介质320的氮化硼。氮化硼由于多个有益的特性——包括但不限于高温稳定性、低摩擦系数、极端压力性能、高的热传导性、高电阻性和多种化学环境中的惰性——而对于高温汽车应用（比如但不限于排气、EGR和/或涡轮增压器）尤其是有用的并且是合适的介质。此外，氮化硼可以是柔软的且质地平滑——由于低的摩擦系数而为感测元件204提供了适宜的环境。氮化硼还可以具有在高温下保持质地平滑的能力。氮化硼可以构造成在高达800°C的还原气氛中和/或高达850°C的氧化气氛中是稳定的和/或不活泼的。正如这里使用的，当材料在特殊环境中和/或在使用期间不是特别活泼的并且材料的特性不显著改变时，材料被认为是“稳定”的。当壳体中的氧气在阈值浓度以下时，出现本文所述的“还原气氛”，从而导致一部分感测元件结构（例如金属薄膜）迁移离开相关联的基底。

根据所有前述各方面，氮化硼对于高温汽车应用（比如排气、EGR和涡轮增压器）是尤其有用的，并且是合适的介质。

在一个实施方式中，第一介质320例如氮化硼可以是呈粉末的形式并且在结构上可以是非晶体。在另一个实施方式中，第一介质320可以包括六方氮化硼，其具有六方晶型结构，其中该晶型结构可以构造成提供增强的热传导能力和/或化学活性的降低。

第一介质320，例如氮化硼，可以选自一定的等级范围——即具有多种颗粒物尺寸的粉末等级。颗粒物尺寸的范围可以给感测元件204提供必要的氧气。氮化硼或六方氮化硼粉末的颗粒物尺寸的范围还可以导致提供暴露到环境中不同量的各种表面积。暴露到环境中不同量可以导致不同的氧气百分比，导致不同的氧化水平。

第二介质322可以是构造成与第一介质320例如氮化硼协同作用的材料，以增强至少氮化硼的化学特性，从而改进温度感测元件204的稳定性并且增加温度感测元件204的耐久性并延长其寿命。特别地，第二介质可以提供氧气存储能力并且增强填充材料218的化学稳定性和/或氧气捕获能力。

优选地，第二介质322包括复合氧化物材料，包括氧化铈和钇稳定化氧化锆（氧化锆基陶瓷）。包括铈和钇稳定化氧化锆的复合氧化物（下文中称做“复合物322”）尤其是有用的，因为这种复合物322的化学结构可以使氧气在低温下结合以及使结合的氧在高温下释放。特别地，复合物322的颗粒物的晶格结构（lattice structure）的物理不规则性使这种复合物322夹带和捕获氧气。夹带的氧气的体积可以作为纯氧气存在。复合物322中夹带的氧气可以允许例如使壳体氧化等而导致的氧气量损失，同时仍然在壳体202的内部容积内保持足够量的氧气，以防止或延迟温度感测元件（或者正如之前所述的被还原气氛或条件负面影响的任何元件）在还原气氛中的退化。

此后，在较高温度下，可以由于晶格结构的膨胀而释放夹带的氧气，从而允许为氧气留出另外的空位，进而降低晶格结构内氧气的电动力/吸引力，并且由于残余电荷和对氧气吸引力的降低使复合物322在较高温度下起到氧气供应体（donor）的作用。不是通过提供间隙体积（interstitial volume）即第一和/或第二介质320，322的分散颗粒物之间的容积来夹带氧气，而是复合物322的颗粒物的晶格结构实现了氧气的夹带和/或释放。

在一个实施方式中，所述填充材料218可以包括混合的颗粒物尺寸，以控制氧气含量和温度传感器106的热响应。较小的颗粒物可以至少部分地位于较大颗粒物的空隙中，从而增加传热路径的效率同时仍然为氧气的夹带提供了开放式间隙体积。用在一个实施方式中的具体颗粒物的粒度可以取决于传感器106、壳体202和感测元件204的尺寸和结构。

根据本发明的温度传感器106可以制造成增强各个特性，比如将氧气浓度保持在阈值浓度以上的能力以防止或减小退化。例如，可以使壳体202的内表面钝化以降低壳体202的活性。壳体202活性的降低可以减少由于壳体202的氧化导致的氧气损失。在一个这样的实施方式中，可以将壳体202的内表面预先氧化。预先氧化可以通过任何已知的方法实现，包括例如接触氧气、用化学氧化剂处理等等。预先氧化可以防止湿气污染以及一旦其中具有传感器元件的壳体相对于外界大气封闭后的进一步的氧化。

在另一个方面中，温度传感器106的壳体202可以振动填充以实现填充材料218的填实。例如，在温度感测元件204至少部分地插入壳体202中的情况下，当将填充材料218比如六方氮化硼粉末引入壳体202中时，可以使壳体202振动。在另一个实施方式中，所述壳体202可以至少部分地用填充材料218填充。具有填充材料218的壳体202可以在温度感测元件204至少部分地插入所述壳体202中时振动。壳体202和填充材料218的振动可以至少部分地使填充材料218流体化，便于温度感测元件204的插入以及填充材料218围绕温度感测元件204的填实。振动填充技术的使用可以实现填充材料218的合适填实并且可以增加对温度感测元件204的实体保护并增加由填充材料218提供的热传导性。当然，可以使用其他操作来提供至少部分地围绕温度感测元件204布置在壳体202中的填充材料218。

根据本发明的一个方面，提供了一种温度传感器，包括主体、连接到主体一端的壳体以及布置在所述壳体内的温度感测元件，其中电连接件从所述感测元件延伸离开并通过所述壳体和主体。填充材料布置在所述壳体中并且至少部分地围绕温度感测元件。所述填充材料包括第一介质和第二介质的混合物。第一介质包括氮化硼，第二介质构造成在低温下与壳体中的氧气结合并且在高于所述低温的高温下释放壳体中的氧气。

根据本发明的另一个方面，提供了一种温度传感器，包括主体、连接到主体一端的壳体以及布置在壳体内的温度感测元件，其中电连接件从所述感测元件延伸通过所述壳体和主体。填充材料布置在所述壳体中并且至少部分地围绕温度感测元件。所述填充材料包括第一介质和第二介质的混合物。第一介质包括六方氮化硼，第二介质构造成在低温下与壳体中的氧气结合并且在高于所述低温的高温下释放壳体中的氧气。所述第二介质还构造成与六方氮化硼协同作用并且增强六方氮化硼的化学特性以及改进温度感测元件的稳定性和耐久性。

根据本发明的又一个方面，提供了一种系统，包括发动机、构造成输送来自于所述发动机的排气的排气系统以及连接到排气系统用于检测排气温度的传感器。所述传感器包括主体、连接到主体一端的壳体以及布置在所述壳体内的温度感测元件，其中电连接件从所述感测元件延伸通过所述壳体和主体。填充材料布置在所述壳体中并且至少部分地围绕温度感测元件。所述填充材料包括第一介质和第二介质的混合物。第一介质包括氮化硼，第二介质构造成在低温下与壳体中的氧气结合并且在高于所述低温的高温下释放壳体中的氧气。该系统还包括构造成响应于所述传感器的输出来控制所述发动机的至少一个操作参数的车辆控制系统。

虽然这里已经描述并图示了本发明的多个实施方式，但是本领域技术人员将会容易地预见用于执行这些功能和/或获得这些结果和/或这里描述的一个或多个优点的多种其他装置和/或结构，这些变型和/或修改的每个被认为在本发明的范围内。更泛泛地，本领域技术人员将会容易地意识到这里描述的所有参数、尺寸、材料和结构旨在是示例性的并且实际的参数、尺寸、材料和/或结构将取决于使用本发明的教导的特殊应用、本领域技术人员将会意识到或仅使用常规实验就能够确定这里所描述的本发明的特殊实施方式的等价方式。因此，应该理解的是前述实施方式是仅通过示例呈现的，并且在所附权利要求及其等价方式的范围内，就像具体描述和声明的那样可以另外实施本发明。本发明涉及这里描述的每个单独的特征、系统、物品、材料、成套用品和/或方法。此外，如果这些特征、系统、物品、材料、成套用品和/或方法不是相互排斥的，那两个或多个这样的特征、系统、物品、材料、成套用品和/或方法的任意组合包含在本发明的范围内。

正如这里限定和使用的所有限定应该理解成包括字典的定义、通过引用结合的文献中的定义和/或所限定的术语的通常的意思。

正如这里在说明书和权利要求中使用的不定冠词，除非清楚指示相互矛盾，否则应该理解为意思是“至少一个”。

正如这里在说明书和权利要求中使用的措辞“和/或”应该理解成意思是由此结合的元素的“任一个或者两个”，即在一些情况下是结合呈现的，在其他情况下是分别呈现的元素。除了通过“和/或”分句而特别识别的元素之外其他元素可以选择性地存在，不管与特别识别的那些元素是否相关，除非清楚地指示相互矛盾。

Claims

1.一种温度传感器，包括：

主体；

连接到所述主体的一端的壳体；

布置在所述壳体内的温度感测元件；

通过所述壳体和所述主体从所述温度感测元件延伸离开的电连接件；以及

布置在所述壳体中并且至少部分地围绕所述温度感测元件的填充材料，所述填充材料包括第一介质和第二介质的混合物，所述第一介质包括氮化硼，所述第二介质构造成在低温下与所述壳体中的氧气结合并且在高于所述低温的高温下释放所述壳体中的氧气。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其中所述氮化硼构造成在高达800°C的还原气氛中和/或高达850°C的氧化气氛中是稳定的。

3.根据权利要求1所述的温度传感器，其中所述氮化硼具有六方晶型结构。

4.根据权利要求1所述的温度传感器，其中所述第二介质构造成提供氧气储存能力。

5.根据权利要求4所述的温度传感器，其中所述第二介质构造成夹带足以避免在所述壳体中出现还原气氛的氧气量。

6.根据权利要求5所述的温度传感器，其中所述第二介质包括复合氧化物。

7.根据权利要求7所述的温度传感器，其中所述复合氧化物包括氧化铈。

8.根据权利要求7所述的温度传感器，其中所述复合氧化物包括氧化锆。

9.根据权利要求7所述的温度传感器，其中所述复合氧化物包括铈和钇稳定化氧化锆。

10.一种温度传感器，包括：

主体；

连接到所述主体的一端的壳体；

布置在所述壳体内的温度感测元件；

布置在所述壳体中并且至少部分地围绕所述温度感测元件的填充材料，所述填充材料包括第一介质和第二介质的混合物，所述第一介质包括六方氮化硼，所述第二介质构造成在低温下与所述壳体中的氧气结合并且在高于所述低温的高温下释放所述壳体中的氧气，所述第二介质构造成与所述六方氮化硼协同作用并且增强所述六方氮化硼的化学特性，并改进所述温度感测元件的稳定性和耐久性。

11.根据权利要求10所述的温度传感器，其中所述六方氮化硼构造成在高达800°C的还原气氛中和/或高达850°C的氧化气氛中是稳定的。

12.根据权利要求10所述的温度传感器，其中所述第二介质构造成夹带足以避免在所述壳体中出现还原气氛的氧气量。

13.根据权利要求12所述的温度传感器，其中所述第二介质包括复合氧化物。

14.根据权利要求13所述的温度传感器，其中所述复合氧化物包括铈和钇稳定化氧化锆。

15.根据权利要求10所述的温度传感器，其中所述填充材料提供所述温度感测元件与所述壳体之间的传热路径，并且是柔性的以适应所述温度感测元件与至少所述电连接件之间的不同的热膨胀率。

16.一种系统，包括：

发动机；

构造成输送来自于所述发动机的排气的排气系统；

连接至所述排气系统以用于检测所述排气的温度的传感器，所述传感器包括：主体；连接到所述主体的一端的壳体；布置在所述壳体内的温度感测元件；通过所述壳体和所述主体从所述温度感测元件延伸离开的电连接件；以及布置在所述壳体中并且至少部分地围绕所述温度感测元件的填充材料，所述填充材料包括第一介质和第二介质的混合物，所述第一介质包括氮化硼，所述第二介质构造成在低温下与所述壳体中的氧气结合并且在高于所述低温的高温下释放所述壳体中的氧气；以及

构造成响应于所述传感器的输出来控制所述发动机的至少一个操作参数的车辆控制系统。

17.根据权利要求16所述的系统，其中所述氮化硼构造成在高达800°C的还原气氛中和/或高达850°C的氧化气氛中是稳定的。

18.根据权利要求16所述的系统，其中所述第二介质构造成夹带足以避免在所述壳体中出现还原气氛的氧气量。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述第二介质包括复合氧化物。

20.根据权利要求19所述的系统，其中所述复合氧化物包括铈和钇稳定化氧化锆。