CN103852109A - 集成温度感测元件的方法 - Google Patents

Abstract

多功能传感器包括具有设置在基板上的感测电路的主体，所述感测电路包括压力传感器和温度传感器，所述温度传感器设置在所述基板的挠性部分上。披露了制造方法和其它实施方案。

Description

集成温度感测元件的方法

技术领域

在这里所披露的发明涉及温度传感器，尤其是涉及组合式温度和压力传感器，它可以安装到各种设备中以便感测温度和压力。

背景技术

许多工艺都需要了解周围的温度和压力状况。例如，在汽车系统中，期望知道气体的压力和温度，从而可以更有效地控制燃烧。已经设计出许多传感器来满足这种需求。

通常，这些传感器设置用于现场检测温度和压力中的至少一个。在一些实施方案中，传感器用于恶劣的环境。如人们所估计的一样，这些传感器中的一些是复杂的装置（因此是昂贵的）。

例如，参见2011年10月18授权给Stoll等人的题目为“Sensor plugfor combined pressure and temperature measurement”的美国专利No.8,038,345。该专利披露了用于对流体介质进行压力和温度测量的传感器塞。该传感器插头包括具有传感器主体轴线的传感器主体以及基本上同心设置在传感器主体轴线上的压力传感器。在传感器主体中还设有用于使得压力传感器与流体介质连通的通孔和具有容纳在其中的温度感测元件的温度感测元件孔。温度感测元件孔具有温度感测元件孔轴线，它相对于传感器主体轴线如此倾斜，从而在其朝着流体介质指向的端部处，它朝着传感器主体轴线倾斜。

不幸的是，该装置装配相对复杂。例如，采用激光焊接工艺，“这必须满足严格的要求”。因此，可以预期组装昂贵耗时，并且导致许多废品。

参见2008年12月23日给Gennissen等人授权的题目为“Sensorarrangement for measuring a pressure and a temperature in a fluid”的美国专利No.7,467,891中所述的另一种装置。该专利披露了用于测量流体中的温度和压力的传感器装置。该传感器装置包括温敏电元件和压力感测电元件，温敏电元件和压力感测电元件两者都连接在金属薄膜结构的一侧上。

与Stoll等人的传感器插头类似，Gennissen等人的传感器装置包括多个单独的感测元件，因此组装复杂。

例如在大规模生产的汽车中往往要大量使用传感器，所以期望具有制造方便可靠的牢固的传感器。因此，需要能够便于简单廉价制造并且得到可靠性能的传感器的设计。

发明内容

在一个实施方案中，披露了一种多功能传感器。该多功能传感器包括具有设置在基板上的感测电路的主体，所述感测电路包括压力传感器和温度传感器，所述温度传感器设置在所述基板的挠性部分上。

在另一个实施方案中，提供了一种制造多功能传感器的方法。该方法包括：选择至少部分设置在挠性基板上的感测电路；将所述感测电路安装到主体中；使得所述基板中的一部分弯曲以使得至少一个传感器定向；以及封盖所述主体和感测电路以提供所述多功能传感器。

在还有一个实施方案中，提供了温度和压力传感器。该温度和压力传感器包括具有设置在挠性基板上的整体式感测电路的主体，所述感测电路具有压力传感器和温度传感器，其中所述压力传感器粘接到设置在所述温度传感器和所述基板之间的载件上，从而所述压力传感器取向成暴露于用于接收取样环境的空间；并且所述温度传感器取向成伸入到所述取样环境中。

附图说明

图1为多功能传感器的实施方案的透视图；

图2为图1的传感器的剖开透视图；

图3为结合到图1的传感器中的感测电路的透视图；

图4为在图1的传感器组装期间设置在主体内的图3的感测电路的透视图；

图5为在安装盖子之前处于最终结构中的感测电路的透视图；

图6显示出用来提供图1的传感器的配合部件；并且

图7为流程图，提供了用于制造图1的传感器的示例性方法。

具体实施方式

在这里披露了一种多功能传感器。在示例性实施方案中，多功能传感器构成用于感测温度和压力。该多功能传感器包括能够高效制造的感测电路。该感测电路设置在至少部分挠性的基板上。在一些实施方案中，感测电路设置在整体式挠性基板上。通常，多功能传感器用于工业用途，例如在苛刻环境中需要长使用寿命的情况中。

现在参照图1，该图显示出示例性多功能传感器100的透视图。在该实施例中，多功能传感器100包括主体10，其一部分被称为感测头8。主体10包括与外部连接器（未示出）连接的电接口6。外部连接器也可以与示例性安装部件4连接，这些安装部件为设置在主体上和/或设置在主体10内。可以依靠构成为与安装部件4合作的外部连接器的连接来给电气部件在电接口6和相应外部连接器内提供牢固连接（例如闭锁连接）。

主体10和感测头8（以及传感器100的一些其它部件）例如由合适的塑料例如聚氯乙烯（PVC）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）和其它类似的材料形成。适当的话可以采用其它材料。另一种材料的示例为陶瓷材料。通常，在主体10和感测头8中的材料在大范围的温度和压力下具有坚固的物理强度以及合适的介电性能。多功能传感器100的制造技术包括普通的技术例如注射模塑。

感测头8可以至少部分由保护盖5围绕。通常，在操作中，保护盖5将浸没在取样环境中或暴露于取样环境以便获得环境温度和环境压力中的至少一个。相当常见的是，取样环境将是严酷的。例如，除了高温高压之外，取样环境可以是酸性的、腐蚀性的或存在会导致多功能传感器100性能下降的其它状况。因此，保护盖5可以由适用于保护多功能传感器100以避免受到取样环境影响的材料制成。

保护盖5可以包括至少一个凸出部7。通常，凸出部7在里面包括有至少一个传感器，同时为温度传感器提供物理保护以避免受到取样环境影响。保护盖5还可以包括O形环或其它类似的装饰件，以便例如为多功能传感器100提供有效密封。

现在参照图2，显示出多功能传感器100的剖开侧视图。从该图的顶部看，电接口6包括至少一个导线29。至少一个导线29通常穿过感测头8设置并且与感测电路20连接。感测头8可以由至少部分包围着感测头8的外壳9保护。

在下面参照图3更详细描述的感测电路20可以设置在内部密封环26上。内部密封环26为暴露于压力环面21的体积提供压力边界。压力环面21又暴露于取样环境。因此，在取样环境中的压力瞬变现象传送给作为感测电路20的一部分的压力传感器23。

感测电路20在加上盖子28的情况下可以相对于感测头8固定不动。盖子28至少部分包围着感测电路20以及内部密封环26。盖子28通常通过外壳9固定在感测头8上，然后用保护盖5盖住外壳。如在该图中所示一样，保护盖5可以包括至少一个O形环31。

在将盖子28、外壳9（适当的话）和保护盖5安装在感测头8上时形成了压力环面21。

在一些实施方案中，盖子28和外壳9集成为单个整体结构。在其它实施方案中，盖子28和外壳9中的至少一个是多部件结构。盖子28和外壳9中的至少一个采用普通的技术组装，例如压力配合、胶粘、附加固定件等。

现在参照包括有凸出部7的区域。可以看出，主体向下延伸以形成开口套筒51（在图5中更详细显示出）。也就是说，套筒51的长度的至少一部分可以如此打开，从而温度臂41可以侧向插入在其中。作为感测电路20的一部分的温度臂41包括在温度臂41的远端附近设置的至少一个温度传感器22。通常，至少一个温度传感器22设置在合适的凝胶或其它材料内，该材料设计用于将来自保护盖5的凸出部区域的温度传递给温度传感器22。在图3中详细地示出了另外的特征（特别地，支撑电子部件24、回流件（return）32和连接器部分34）。

现在还参照图3，按照与安装好的几何形状等同的几何形状显示出感测电路20。但是，在该附图中，感测电路20显示出与主体10分开。在该实施方案中，感测电路20安装在至少部分是挠性的电路板上。可以包括有载件44，用来给支撑电子部件24提供基座。在该实施例中，压力传感器23为电容感测元件，它安装到载件44的与支撑电子元件24相反的侧面上。载件44可以包括至少一个用于导线穿过的通道（未示出），这些导线构成为将来自压力传感器23的信号传输给支撑电子部件24。压力传感器23和感测电路20的提供支撑电子部件24的那部分中的每一个可以例如通过合适的粘接剂例如环氧树脂膏固定在载件44上。载件44可以由合适的材料例如陶瓷或高温聚合物（例如聚酰亚胺）构成。载件44可以设置为层状材料，例如用于高温电路板的基板。

回流件32为电路板的挠性部分，并且包括导体，用于将信号从支撑电子部件24传输给连接器部分34。连接器部分34包括用于与至少一个导线29连接的合适的连接部件。与回流件32相对并且也与连接器部分34连通的是温度臂41。温度臂41延伸合适的长度，从而在最终组装好时安装在其上的温度传感器22将适当地设置在凸出部7内。

现在参照图4，显示出设置在主体10内的感测电路20的透视图。图5显示出安装在主体10中的感测电路20。

将感测电路20安装到主体10中可以手动地（用手）完成，或者例如通过专用工具（未示出）来完成。在一个实施例中，将粘接剂施加到主体10的包围着至少一个导体29的一部分上。随后，将感测电路20的连接器部分34安放到粘接剂上。然后专用工具将使得温度臂41压配到开口套筒51中。

更具体地说，例如如图5所示，套筒51可以包括设置在其上的脊部52。这些脊部52可以如此设置，从而感测电路20的温度臂41部分可以塞在脊部52下面，因此固定在套筒51中。在一个实施例中，工具给温度臂41施加侧向压紧，从而温度臂41的宽度减小。一旦温度臂41的宽度减小足够大，则温度臂41可以侧向插入到开口套筒51中。然后使得温度臂41松弛，这时脊部52将使得温度臂51的侧部固定不动。

要指出的是，脊部52可以是不连续的，因此包括至少一个间隙53。另外，至少一个间隙53可以设置用来帮助保持温度传感器22的正确定位。

一旦组装成在图5中所示的状态，则将盖子28（适当的话以及外壳9）设置在感测电路20和主体10上。

参照图6，然后将所得到的多功能传感器100插入到保护盖5中。在插入之前，可以将用于在保护盖5的凸出部7和温度传感器22之间提供热传导的导热膏装入到凸出部7中，并且另外装入到套筒51和臂41上。因此，在将多功能传感器100插入到保护盖5中时，温度传感器22将浸没在导热膏中。

参照图7，显示出多功能传感器100的示例性组装方法70。在该实施例中，第一步是选择感测电路20。所选的感测电路20可以包括多种传感器中的任一种或多种。第二步是安装感测电路71。第三步是封盖传感器73。封盖传感器73例如可以包括安装盖子28、外壳9以及保护盖5。

除了所披露的示例性实施方案之外，还可以提供一些附加的方面。

应该理解的是，多功能传感器100可以用于多种感测用途。也就是说，多功能传感器100可以构成为在特定温度或压力范围上进行感测。在一些实施方案中，压力传感器和温度传感器每个都构成为感测在内燃机、汽轮机和其它类似部件的操作期间所碰到的状况。

通常，多功能传感器100由普通的材料和部件构成。例如，可以采用各种塑料、陶瓷和金属材料。感测电路20可以整个或只是部分的挠性电路。因此，感测电路20在安装在主体10之前可以用多个部件构成，随后组装在一起，或者感测电路20可以为单个整体感测电路20。主体10可以具有由设计者、用户、制造商和其它具有类似感兴趣的部门认为合适的任意形状和尺寸。

由于从制造角度看感测电路20的简单性，所以可以以高效率以及高可靠性完成多功能传感器100的组装。这使得能够提高感测电路20的组装，并且为多功能传感器100提供简单的调整和改进。另外，通过单独组装整个感测电路20，从而主体10不会受到焊接所需的有害温度和材料。

在一些实施方案中，温度传感器22为表面贴装器件（SMD）的热敏电阻。但是，温度传感器22可以采用看起来合适的任意技术（例如热电偶）。压力传感器23可以测量绝对压力和/或计量压力。在一些实施方案中，压力传感器23包括电容感测元件。在这些实施方案中，电容元件的至少一部分的变形（由于施加在其上的压力而导致的）导致来自该元件的输出信号的变化。输出信号的变化可以与所施加的压力相关。

应该知道的是，在这里的教导仅仅是例举说明而不是对本发明进行限制。另外，本领域技术人员将知道，在不脱离本发明范围的情况下，可以实现其它部件、结构、布置等。例如，传感器、电路、封盖等的结构可以与在这里所披露的不同。通常，多功能传感器的部件的设计和/或应用只是由系统设计者、制造商、操作人员和/或用户的需求以及在任意特定用途中所存在的要求所限制。

可以包括各种其它部件，用于实现在这里的各个方面教导。例如，可以采用其它材料、材料组合和/或删除材料来给出落入在这里给出的教导的范围内的其它实施方案。

在介绍本发明或其实施方案的元件时，冠词用来指代一个或多个元件。同样，形容词“另一个”在用来介绍元件时用来指代一个或多个元件。术语“包括”和“具有”用来表示包含，从而除了所列出的元件之外还有其它元件。

在当前用途中，描述了各种变量，包括但不限于部件、条件和性能特性。要理解的是，这些变量的任意组合可以限定本发明的实施方案。例如，在给定环境条件的特定范围下在一组传感器的情况下才采用用于主体的特定材料组合本发明的实施方案，但是该特定组合可能没有明确表述。本领域普通技术人员可以想到的是，从在这里所列出的变量中也可以特别选择物品、部件、条件和/或方法的其它组合以给出其它实施方案。

虽然已经参照示例性实施方案对本发明进行了说明，但是本领域技术人员要理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以作出各种变化并且可以用等同物来代替其元件。另外，本领域技术人员将想到许多变型来将特定仪器、情况或材料适用于本发明的教导，而不会脱离其基本范围。因此，本发明不应该局限于在这里被披露作为用于实施本发明的最佳方式的具体实施方案，而是本发明将包括落入在所附权利要求的范围内所有实施方案。

Claims (20)

1.一种多功能传感器，包括：

包括设置在基板上的感测电路的主体，所述感测电路包括压力传感器和温度传感器，所述温度传感器设置在所述基板的挠性部分上。

2.如权利要求1所述的多功能传感器，其中所述主体包括构成用于保持所述温度传感器的细长套筒。

3.如权利要求2所述的多功能传感器，其中所述套筒包括至少一个引导件，用于保持包括有所述温度传感器的温度臂。

4.如权利要求1所述的多功能传感器，其中所述温度传感器包括表面贴装器件（SMD）的热敏电阻和热电偶中的一个。

5.如权利要求1所述的多功能传感器，包括暴露于取样环境的内部体积。

6.如权利要求1所述的多功能传感器，其中所述压力传感器暴露于取样环境。

7.如权利要求1所述的多功能传感器，其中所述压力传感器设置在所述基板的挠性部分上。

8.如权利要求1所述的多功能传感器，其中在内燃机和汽轮机中的一个中，所述压力传感器构成为感测压力状况，并且所述温度传感器构成为感测温度状况。

9.如权利要求1所述的多功能传感器，还包括设置在所述主体和感测电路上的盖子和保护盖中的至少一个。

10.如权利要求1所述的多功能传感器，其中所述压力传感器设置在载件上。

11.如权利要求10所述的多功能传感器，其中所述载件由陶瓷材料或聚酰亚胺基材料构成。

12.一种制造多功能传感器的方法，该方法包括：

选择至少部分设置在挠性基板上的感测电路；

将所述感测电路安装到主体中；

使得所述基板中的一部分弯曲以使得至少一个传感器定向；以及

封盖所述主体和感测电路以提供所述多功能传感器。

13.如权利要求12所述的方法，其中使得所述基板中的一部分弯曲以使得至少一个传感器定向的步骤包括使得所述部分进入所述主体的套筒中。

14.如权利要求12所述的方法，其中使得所述基板中的一部分弯曲以使得至少一个传感器定向的步骤为手动进行或通过工具进行。

15.如权利要求12所述的方法，其中封盖所述主体和感测电路以提供所述多功能传感器的步骤包括将导热膏布置在至少一个传感器上和/或设置在保护盖中。

16.如权利要求12所述的方法，其中封盖所述主体和感测电路以提供所述多功能传感器的步骤包括将盖子和保护盖中的至少一个布置在所述主体和感测电路上。

17.如权利要求16所述的方法，其中将盖子和保护盖中的至少一个布置在所述主体和感测电路上的步骤包括以压配合、胶粘和搭扣配合中的至少一种方式安装所述盖子和保护盖中的一个。

18.如权利要求12所述的方法，其中所述至少一个传感器包括温度传感器和压力传感器中的一个。

19.一种温度和压力传感器，包括：

具有设置在挠性基板上的整体式感测电路的主体，所述感测电路具有压力传感器和温度传感器，

所述压力传感器结合至设置在所述温度传感器和所述基板之间的载件，使得所述压力传感器取向成暴露于用于接收取样环境的空间，以及

所述温度传感器取向成伸入到所述取样环境中。

20.如权利要求19所述的温度和压力传感器，还包括设置在所述主体和整体式感测电路上的保护盖。

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