CN103575451A - 用于确定介质压力的传感器装置和方法以及用于制造这种传感器装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定介质压力（P）的传感器装置。所述传感器装置具有能导电的和/或铁磁的涂层（110）以及能够与所述涂层（110）感应地耦合的或者与所述涂层耦合的采集装置（120）。在此，构造所述采集装置（120）以便感应地求得在所述涂层（110）与所述采集装置（120）之间、取决于有待确定的介质压力（P）的间距，以便由所述间距确定介质压力（P）。

Description

用于确定介质压力的传感器装置和方法以及用于制造这种传感器装置的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定介质压力的传感器装置；涉及一种用于制造用于确定介质压力的传感器装置的方法；以及涉及一种用于确定介质压力的方法。

背景技术

经常借助可变形的膜实施获取在介质中、例如在气体或者液体中的压力。在此，常规地能够借助电阻的、压阻的或者电容的方法实现由压力引起的膜偏移（Membranauslenkung）的测量。

发明内容

以此背景下，本发明根据独立权利要求提供了一种用于确定介质压力的、改善的传感器装置；一种用于制造确定介质压力用的传感器装置的、改善的方法；以及一种用于确定介质压力的、改善的方法。由各个从属权利要求和以下的说明得出有利的设计方案。

本发明提供了一种用于确定介质压力的传感器装置，其中所述传感器装置具有以下特征：

- 能导电的和/或铁磁的涂层；以及

- 能够与所述涂层感应地耦合的或者与所述涂层耦合的采集装置，其中构造所述采集装置以便感应地求得在所述涂层与所述采集装置之间、取决于有待确定的介质压力的间距，以便由所述间距确定介质压力。

所述介质能够是气体、气体混合物、液体、液体混合物或者气体-液体混合物、总体来说为流体。所述介质能够尤其通过在车辆的排气管路中的气体、在例如车辆的蓄电池单池内部或者说电化学蓄能器内部中或者类似的气体形成或者包含所述气体。传感器装置能够具有在与介质接触时化学稳定的材料。因此，形成传感器装置的至少一个外表面的材料能够在与介质接触时化学稳定。在此，传感器装置的材料尤其在传感器装置的使用寿命以内不由介质腐蚀。能够借助能导电材料的分离或者添加能导电的材料形成所述能导电的和/或铁磁的涂层。在此能够以相关的材料元素或者连续的材料层的形式形成能导电的和/或铁磁的涂层。所述能导电的和/或铁磁的涂层能够布置在传感器装置的第一部段中。对于采集装置能够涉及具有至少一个线圈的电线圈。所述采集装置能够布置在传感器装置的与第一部段间隔的第二部段中。在能导电的和/或铁磁的涂层和采集装置之间能够产生感应的耦合。在此，能导电的和/或铁磁的涂层和采集装置能够在初始压力时以初始间距可彼此相关地布置或者彼此相关地布置。当初始压力改变时，在能导电的和/或铁磁的涂层和采集装置之间的初始间距也能够改变。在此，在能导电的和/或铁磁的涂层和采集装置之间的间距在介质压力变化时能够变小或者变大。在此能够借助涡流测量求得在能导电的涂层和采集装置之间的间距或者说间距的间距变化。根据涡流测量原理，采集装置或者说线圈的电感的变化是通过由其自身或者由另一个线圈在能导电的和/或铁磁的涂层中或者说在导电的样本体中感应的涡流。该涡流产生反向磁场。通过求得采集装置或者说线圈的电感的变化能够推断出在采集装置或者说线圈和能导电的和/或铁磁的涂层或者说能导电的样本体之间的间距。能够在与采集装置分开的分析装置中进行基于间距的压力确定。

此外，本发明还提供了一种用于制造确定介质压力用的传感器装置的方法，其中所述方法具有以下步骤：

- 提供第一构件和第二构件，所述第一构件具有能导电的和/或铁磁的涂层，所述第二构件具有能够与所述涂层感应地耦合的采集装置；并且

- 借助接合连接部使得所述第一构件与所述第二构件彼此连接，从而能够借助所述采集装置感应地求得在所述涂层与所述采集装置之间、取决于有待确定的介质压力的间距，以便由所述间距确定介质压力。

通过实施用于制造的方法能够制造这里提供的传感器装置的一种变体。

此外，本发明还提供了一种用于确定介质压力的方法，其中所述方法具有以下步骤：

- 以介质加载这里所提供的传感器装置的一种变体；并且

- 以感应的方式求得在所述传感器装置的涂层与采集装置之间、取决于有待确定的介质压力的间距，以便由所述间距确定介质压力。

结合用于确定的方法能够有利地安装或者说使用这里所提供的传感器装置的一种变体，以便确定介质压力。在此，所述方法也能够具有分析所求得的间距的步骤，以便确定介质压力。

具有程序代码的计算机程序产品也是有利的，所述程序代码存储在可由机器读取的载体上，比如像存储在半导体存储器、硬盘存储器或者光学存储器上，并且当程序产品在计算机或者装置上执行时，实施以上提到的用于确定的方法。

根据本发明的实施方式，相对彼此在应用涡流原理的情况下，通过感应地求得能导电的涂层、例如能够完全或者部分地导电的膜、尤其是微机械地制造的膜（MEMS）的取决于压力的偏移，并且感应地求得形式为电线圈的采集装置有利地确定介质压力。因此，能够在应用涡流传感器的情况下将有利的涡流压力传感器或者说有利的压力确定装载作为压力传感器。尤其能够应用这种涡流压力传感器作为集成的蓄电池传感器或者类似传感器。

本发明的一个优点在于，应用涡流测量原理能够实现具有直至纳米范围的高精度的、这里稳固的和对污染不敏感的间距传感器。通过使用涡流原理能够取消能导电的涂层或者说分析元件的电接触。由此能够省略对于这种接触的否则必要的、耗费的并且昂贵的保护措施，从而能够使用所述传感器装置用于检测介质的、尤其是腐蚀性介质压力。所述传感器装置的结构尤其关于在腐蚀性介质中的使用是简化和有利的。不同于常规的、电阻或者电容的、例如膜偏移的采集，根据本发明的实施方式，所述传感元件、这里为涂层不需要与采集装置电连接。通过取消这种能导电的连接，这里也得出没有对于腐蚀性的介质的侵入点并且能够同样取消昂贵的保护。本发明的实施方式的一种有利的应用是例如使用传感器装置以确定在锂离子电池单池或者类似器件中的气体压力。这里所述介质是能导电的，因此根据本发明的实施方式能够有利地避免键合连接的短路。也能够避免有问题地使用在这种环境下应用的凝胶作为用于传感器装置的标准保护剂，所述凝胶能够溶解和/或使蓄电池单池中毒。同样在使用本发明的实施方式时，例如为了在汽油和柴油车辆的排气管路中求得压力，可实现对耐介质性的有利的影响，其中腐蚀性保护得到简化或者说有利。

根据所述传感器装置的实施方式能够设置能够通过介质压力偏移的膜。在此所述涂层或者所述采集装置能够布置在膜上或者膜中。所述膜能够与介质接触地布置。膜的偏移能够造成可弹性地变形。因此，所述膜能够具有能导电的涂层或者采集装置。当所述膜具有能导电的涂层时，所述能导电的涂层能够在压力变化时关于采集装置可偏移。在此，采集装置能够是传感器装置的通过介质压力不可偏移的部段的一部分。当膜具有能导电的涂层时，对于该膜能够涉及至少部分能导电的膜。在膜中或者膜上的能导电的涂层能够通过能导电的材料的分离、尤其以金属涂层的形式制造或者被制造。膜的导电性也能够由硅通过添加而制造或者被制造。当膜具有采集装置时，采集装置在压力变化时能够关于能导电的涂层可偏移。在此，所述涂层能够是传感器装置的通过介质压力不可偏移的部段的一部分。这种实施方式提供以下优点，即膜示出了一种可不昂贵地制造的偏移元件，所述偏移元件提供了可准确定义的和可有效再现的偏移。

在此，所述膜是借助蚀刻（Ätzung）微机械地制造的构件的一部分。所述膜尤其能够是微机械制造的硅芯片的一部分。在此，微机械构件能够借助用于多孔硅的PorSi方法或者借助KOH蚀刻方法（KOH-Ätz-verfahren）制造或者被制造。所制造的构件能够具有空穴或者说空腔，所述空腔至少部分地被膜约束。在此，空腔能够布置在涂层和采集装置之间。采集装置能够是膜的一部分并且能导电的涂层能够例如固定地布置在空穴的底部上，或者能导电的涂层能够是膜的一部分并且采集装置能够例如固定地布置在空穴的底部上。这种实施方式提供了以下优点，即在复杂的几何形状的情况下也能够提供具有良好的变形特性以及简单的可制造性的膜。

在能导电的和/或铁磁的涂层布置在氧化层上时，本发明是实施方式是特别有利的。本发明的这种实施方式提供了以下优点，即能够制造特别稳定的能导电的和/或铁磁的涂层，从而由此能够提供特别稳固的传感器。同时能够实现在涂层和采集装置之间非常良好的隔离，由此采集装置的信号质量得到提高。

所述涂层尤其能够是第一构件的一部分并且采集装置能够是第二构件的一部分。在此所述第一构件和所述第二构件能够借助接合连接部可连接或者连接。采集装置和能导电的涂层能够作为两个分开的构件的一部分而存在，其中所述构件能够通过粘接、低共熔的连接或者其他的接合过程可连接或者连接。替代地，所述涂层和采集装置也能够是一体地形成的构件的一部分。这种实施方式提供了以下优点，即根据特殊的应用情况合适的构件能够彼此连接，这改善了传感器装置的使用范围以及灵活性。

也能够设有用于分析借助所述采集装置求得的间距的分析装置，以便确定介质压力。分析装置能够与采集装置可电连接或者连接。分析装置能够具有带有电路、例如对于应用来说特定的集成电路或者说ASIC（特定应用集成电路（Application-Specific Integrated Circuit））或者类似器件的电子组件。这种实施方式提供了以下优点，即基于所述间距或者说间距变化能够精确和可靠地确定介质压力。

在此，分析装置和采集装置能够布置在共同的电路壳体中并且附加地或者替代地布置在共同的电路板上并且彼此电连接。电路壳体能够具有塑料、浇铸材料或者说模制材料或者类似材料，其中分析装置和采集装置包装或者说浇铸或者包封在壳体中。分析装置和采集装置尤其能够共同浇铸或者可共同浇铸。所述电路壳体能够是分析装置的壳体，所述采集装置集成到该壳体中。所述采集装置也能够布置在电路板上，所述电路板是分析装置的一部分或者分析装置也布置在所述电路板上。这种实施方式提供了以下优点，即保护采集装置在壳体中不受环境影响或者说在电路板上能够以简单的方式利用电路板特有的导体电路与分析装置相连接。

此外，能够设有用于遮盖涂层的保护层。在此，所述保护层能够布置或者布置在涂层上或者能够布置或者布置在传感器装置的、具有涂层的部段上。能够构造保护层，以便例如产生防止在涂层上或者在传感器装置的具有涂层的部段上的颗粒沉积的保护。在此保护层能够尤其具有凝胶（Gel）。这种实施方式提供了以下优点，即关于保护层的适用降低的要求，因为不需要由保护层保证腐蚀保护（Korrosionsschutz）。

附图说明

借助附图示例性地详细阐述了本发明。附图示出：

图1至5是根据本发明的实施例的传感器装置的示图；并且

图6和7是根据本发明的实施例的方法的流程图。

在以下对本发明的优选的实施例的说明中，对于在不同的附图中示出的并且作用类似的元件使用相同的或者类似的附图标记，其中省略了对这些元件的重复说明。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的一种实施例的传感器装置100的截面示意图。所述传感器装置100具有传感器组件105、能导电的和/或铁磁的涂层110、形式为例如具有三相绕组的电线圈的采集装置120、电路板130、根据示图并且示例性地形式为压接导线（Bonddraht）的两根电导线、形式为ASIC（特定应用集成电路（Application-Specific Integrated Circuit））或者类似器件的分析装置140以及电路壳体150或者说浇铸材料，其中能导电的和/或铁磁的涂层110和采集装置120布置在图1中象征性地示出的感应的耦合部的耦合区域125中。此外，在图1中象征性地通过箭头示出介质压力P，所述压力作用到传感器组件105上、尤其是作用到能导电的和/或铁磁的涂层110上。设置传感器装置100以确定介质压力P。为了特别稳定地设计能导电的和/或铁磁的涂层110，此外能够设有氧化层，所述能导电的和/或铁磁的涂层110能够涂覆到所述氧化层上。然而，为简明起见未在图1中示出这种构造。

根据在图1中示出的本发明的实施例，由多孔的硅（PorSi）借助合适的腐蚀方法形成传感器组件105。因此，传感器装置100能够称作PorSi压力传感器或者说包含PorSi压力传感器组件的压力传感器，其中在传感器组件105的结构中，借助PorSi技术制造传感器装置100的至少一个构件。传感器组件105具有朝向介质的、第一主表面和与第一主表面对置的、朝向采集装置120的第二主表面或者说接合表面。能导电的和/或铁磁的涂层110布置在传感器组件105的第一主表面上。传感器组件105借助接合连接，例如粘接、低共熔的连接或者类似连接，在传感器组件105的第二主表面和电路壳体150的表面的接合部段之间、在采集装置120的区域中安装在电路壳体150上。传感器组件105具有完全包围的空腔，所述空腔布置在传感器组件105的第一主表面与第二主表面之间。在空腔和第一主表面之间的传感器组件105的部段成型为能够通过压力P偏移的膜。构造传感器组件105的膜和能导电的和/或铁磁的涂层110，以便其在压力P的作用下弹性地变形。

采集装置120或者说电线圈、电路板130的部分部段、电导线135或者说压接导线并且分析装置140或者说ASIC布置在电路壳体150内部或者说注入在所述浇铸材料中。所述电路壳体150或者说浇铸材料在此具有凹槽，接合部段布置在凹槽中，进而传感器组件105安装在电路壳体150上。在此，采集装置120与接合部段相邻地布置，在接合部段上传感器组件105与电路壳体150材料配合地连接。在此，采集装置120和传感器组件105与能导电的和/或铁磁的涂层110彼此相关地如此布置，从而能导电的和/或铁磁的涂层110位于采集装置120的感应的耦合部的耦合区域125的内部。构造采集装置120以便感应地求得在能导电的和/或铁磁的涂层110和采集装置120之间、取决于有待确定的介质压力P的间距。采集装置120借助电导线135与电路板130电连接。电路板130根据在图1中示出的本发明的实施例部分地布置在电路壳体150内部或者说注入在浇铸材料中。电导线135例如借助电路板130的电导体电路与分析装置140或者说ASIC电连接。分析装置140布置在电路板130上。构造分析装置140以便分析在能导电的和/或铁磁的涂层110和采集装置120之间、借助采集装置120感应地求得的间距，以便确定介质压力P。分析装置140根据本发明的另一种实施例也能够只是电路组件的一部分，所述电路组件除了压力确定也能够执行其他的功能。

图2示出了根据本发明的一种实施例的传感器装置100的截面示意图。在此除了以下情况，在图2中的示图相当于图1的示图或者说在图2中的传感器装置100相当于图1的传感器装置，即电路壳体150或者说浇铸材料具有不带有凹槽的矩形横截面。电路壳体150具有两个主表面，其中接合部段布置在其中一个主表面上并且进而传感器组件105安装在电路壳体150上。

图3示出了根据本发明的一种实施例的传感器装置100的截面示意图。除了以下情况，在图3中的示图相当于图1的示图或者说在图3中的传感器装置100相当于图1的传感器装置，即所述传感器组件105不一样地形成。根据在图3中示出的本发明的实施例，传感器组件105借助合适的腐蚀方法、例如KOH腐蚀方法或者类似方法形成。因此，传感器装置100能够称作KOH腐蚀的压力传感器或者说包含KOH腐蚀的压力传感器组件的压力传感器，其中在传感器组件105的结构中，借助KOH腐蚀技术制造传感器装置100的至少一个构件。传感器组件105具有能导电的涂层110，所述涂层具有朝向介质的、传感器组件105的能导电的表面。能导电的涂层110通过介质压力P可偏移或者说可弹性变形。传感器组件105也具有从能导电的和/或铁磁的涂层110朝向采集装置120的方向伸出的连接部段。传感器组件105借助接合连接，例如粘接、低共熔的连接或者类似连接，在传感器组件105的连接部段和电路壳体150的接合部段之间、在采集装置120的区域中安装在电路壳体150上。传感器组件105和电路壳体150在此围成一个空腔，所述空腔由能导电的和/或铁磁的涂层110以及传感器组件105的连接部段和电路壳体150的接合部段形成边界。

图4示出了根据本发明的一种实施例的传感器装置100的截面示意图。除了以下情况，在图4中的示图相当于图1的示图或者说在图4中的传感器装置100相当于图1的传感器装置，即电路板一直布置到在电路壳体150内部的安装区域上或者说注入在浇铸材料中，采集装置120在相同的安装区域中的电路板130上形成，传感器组件105在电路板130的安装区域中安装在电路板130上并且分析装置140或者说ASIC横向地与采集装置120相邻地布置在电路板130上。因此，根据本发明的在图4中示出的实施例，代替借助压接导线或者类似器件，这里在图4中借助电路板130的电导体电路实现了在采集装置120和分析装置140之间的电连接。在所述在图4中示出的本发明的实施例的变形方案中，代替借助PorSi方法、借助KOH腐蚀方法或者类似方法形成传感器组件105。

图5示出了根据本发明的一种实施例的传感器装置的部分的截面示意图。示出了传感器组件105、能导电的和/或铁磁的涂层110、形式为例如具有三相绕组的电线圈的采集装置120、膜510以及分隔壁555，其中所述能导电的和/或铁磁的涂层110和采集装置120布置在图5中象征性地示出的感应的耦合部的耦合区域125中。此外，在图5中象征性地通过箭头示出介质压力P或者说介质入口，所述压力作用到传感器组件105上、尤其是作用到具有能导电的和/或铁磁的涂层110的膜510上。设置传感器装置以确定介质压力P。

分隔壁555例如是蓄电池单池的、车辆的排气管路的或者类似器件的包覆材料。分隔壁555将不具有介质的区域或者说干净的介质腔与具有介质的区域或者说腐蚀性的介质腔分开。分隔壁555具有通孔，所述通孔从干净的介质腔处借助传感器组件105密封或者说封闭。在此，从干净的介质腔处覆盖分隔壁555的通孔地布置传感器组件105。

根据在图5中示出的本发明的实施例，例如借助KOH腐蚀方法、蚀刻方法或者说沟槽刻蚀方法或者类似方法形成传感器组件105。传感器组件105具有能导电的和/或铁磁的涂层110和膜510。在此，能导电的和/或铁磁的涂层110布置在膜510上。能导电的和/或铁磁的涂层110示出传感器组件105的朝向介质或者说腐蚀性介质腔的表面。采集装置120布置在传感器组件105的背离介质或者说朝向干净的介质腔的表面上。传感器组件105具有完全包围的空腔，所述空腔布置在膜510和传感器组件105的朝向干净的介质腔的表面之间。在空腔和能导电的和/或铁磁的涂层110之间的传感器组件105的部段形成为膜510，所述膜能够通过介质压力P偏移。构造传感器组件105的膜510和能导电的涂层110用于在压力P的作用下弹性地变形。传感器组件105也具有从能导电的和/或铁磁的涂层110朝向分隔壁555的方向伸出的连接部段。传感器组件105借助在传感器组件105的连接部段与分隔壁555之间的合适的连接部在通孔区域中安装在分隔壁555上。

因此，图1至5不同表达地示出了对于根据本发明的实施例的传感器装置的微机械传感器结构的变形方案。在此，本发明的实施例能够不同表达地示出耐介质的（medienresistent）涡流压力传感器或者说根据涡流原理的耐介质的绝对压力传感器，其中保护采集电子器件和分析电子器件不与介质接触。

图6示出了根据本发明的实施例的、用于制造确定介质压力用的传感器装置的方法600的流程图。所述方法600具有第一构件和第二构件的准备步骤610，所述第一构件具有能导电的和/或铁磁的涂层，所述第二构件具有能够与所述涂层感应地耦合的采集装置。所述方法600也具有借助接合连接部将第一构件和第二构件彼此连接的步骤620。在此构造采集装置以便感应地求得在涂层和采集装置之间、取决于与有待确定的介质压力的间距，以便由所述间距确定介质压力。借助方法600例如能够有利地制造图1至图5其中之一的传感器装置。

图7示出了根据本发明的实施例、用于确定介质压力的方法700的流程图。所述方法700具有以介质加载传感器装置的步骤710。在此，传感器装置具有能导电的和/或铁磁的涂层和能够与涂层感应地耦合的或者与涂层耦合的采集装置。方法700也具有以感应的方式借助采集装置求得720在涂层和采集装置之间、取决于有待确定的介质压力的间距的步骤，以便由所述间距确定介质压力。能够与例如图1至图5其中之一的传感器装置结合地有利地实施所述方法700。

仅仅示例性地选出了所描述的和在附图中示出的实施例。不同的实施例能够完全或者关于各个特征彼此组合。一种实施例也能够通过另一种实施例的特征来补充。此外，能够重复地以及以另一种不同于所描述的顺序实施按照本发明的方法步骤。

Claims (10)

1.用于确定介质压力（P）的传感器装置（100），其中所述传感器装置（100）具有以下特征：

- 能导电的和/或铁磁的涂层（110）；以及

- 能够与所述涂层（110）感应地耦合的或者与所述涂层耦合的采集装置（120），其中构造所述采集装置（120），以便感应地求得在所述涂层（110）与所述采集装置（120）之间、取决于有待确定的介质压力（P）的间距，以便由所述间距确定介质压力（P）。

2.按权利要求1所述的传感器装置（100），其特征在于能够通过介质压力（P）偏移的膜（510），其中所述涂层（110）或者所述采集装置（120）布置在所述膜（510）上或者布置在所述膜（510）中。

3.按权利要求2所述的传感器装置（100），其特征在于，所述膜（510）是借助蚀刻微机械地制造的构件（105）的一部分。

4.按上述权利要求中任一项所述的传感器装置（100），其特征在于，所述能导电的和/或铁磁的涂层（110）布置在氧化层上。

5.按上述权利要求中任一项所述的传感器装置（100），其特征在于，所述涂层（110）是第一构件的一部分，并且所述采集装置（120）是第二构件的一部分，其中所述第一构件和所述第二构件借助接合连接部能够连接或者连接。

6.按上述权利要求中任一项所述的传感器装置（100），其特征在于用于分析借助所述采集装置（120）求得的间距的分析装置（140），以便确定介质压力（P）。

7.按权利要求6所述的传感器装置（100），其特征在于，所述分析装置（140）和所述采集装置（120）布置在共同的电路壳体（150）中和/或布置在共同的电路板（130）上并且彼此电连接。

8.按上述权利要求中任一项所述的传感器装置（100），其特征在于用于遮盖所述涂层（110）的保护层。

9.用于制造确定介质压力（P）用的传感器装置（100）的方法（600），其中所述方法（600）具有以下步骤：

- 提供（610）第一构件和第二构件，所述第一构件具有能导电的和/或铁磁的涂层（110），所述第二构件具有能够与所述涂层（110）感应地耦合的采集装置（120）；并且

- 借助接合连接部使得所述第一构件与所述第二构件彼此连接（620），从而能够借助所述采集装置（120）感应地求得在所述涂层（110）与所述采集装置（120）之间、取决于有待确定的介质压力（P）的间距，以便由所述间距确定介质压力（P）。

10.用于确定介质压力（P）的方法（700），其中所述方法（700）具有以下步骤：

- 以介质加载（710）按权利要求1至8中任一项所述的传感器装置（100）；并且

- 以感应的方式求得（720）在所述传感器装置（100）的涂层（110）与采集装置（120）之间、取决于有待确定的介质压力（P）的间距，以便由所述间距确定介质压力（P）。

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