CN103868533B - 传感器模块和电池元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器模块和电池元件。一种传感器模块包括适于对包装或封装的外表面上的开口或孔进行气密密封的外壳、传感器元件以及隔膜。所述隔膜被布置在所述外壳与所述包装或封装的开口或孔之间。

Description

传感器模块和电池元件

技术领域

本发明涉及一种传感器模块和电池元件。

背景技术

例如在过载、过度放电电流、剧烈外部加热、或机械电解质分解的情况下，电池单元会受到不利影响。此类不利条件可能导致在电池单元的电解质内释放危险气体。因此，电池单元内部压力的增加可能导致相应的电池元件的破裂或者甚至爆炸、释放危险的例如易燃的物质。对电池单元内的气体的积聚或增加的气压的及早检测可以提供保护。

附图说明

附图被包括以提供对实施例的进一步理解并且被并入且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释实施例的原理。当实施例通过参考以下详细说明而变得更好理解时，将容易领会其他实施例和实施例的多个预期优势。附图的元件不必相对于彼此按比例绘制。相似的附图标记指定对应的类似部分。

图1示出根据一个实施例的传感器模块的示意性截面侧视表示；

图2示出根据一个实施例的传感器模块的示意性截面侧视表示；

图3示出根据一个实施例的传感器模块的示意性截面侧视表示；

图4示出根据一个实施例的传感器模块的示意性截面侧视表示；

图5示出根据一个实施例的传感器模块的示意性截面侧视表示；

图6示出根据一个实施例的电池元件的示意性截面侧视表示；

图7a和7b示出根据一个实施例的电池元件的示意性截面侧视表示；以及

图8a和8b示出根据一个实施例的电池元件的示意性截面侧视表示。

具体实施方式

现在参考附图来描述各方面和实施例，其中相似的附图标记通常自始至终被用来指代相似的元件。在以下描述中，为了解释的目的，阐述了许多特定细节以提供对实施例一个或多个方面的透彻理解。然而，对于本领域技术人员可以明显的是，实施例的一个或多个方面可以通过更低程度的特定细节来实施。在其他实例中，已知的结构和元件以示意性形式来示出，以便促进描述实施例的一个或多个方面。要理解的是可以利用其他实施例以及可以做出结构或逻辑上的改变而不背离本发明的范围。应该进一步注意的是附图不按比例绘制或者不必按比例绘制。

另外，虽然可以参考若干实现中的仅一个来公开实施例的特定特征或方面，但是此类特征或方面可以与其他实现的一个或多个其他特征或方面相结合，所述其他实现可以对于任何给定或特定的应用而言是期望并且有益的。此外，就术语“包括”、“具有”、“有”、或被用于详细描述或权利要求的任意一个中的它们的其他变形而言，此类术语意在以与术语“包含”相似的方式而是包容性的。可以连同派生词一起来使用术语“耦合”和“连接”。应理解的是，不管两个元件是采用直接的物理或电气接触，还是它们彼此不直接接触，这些术语都可以被用于指示所述两个元件彼此配合或交互。同样，术语“示例性”仅意为示例而不是最好或最佳。因而，以下详细描述不以限制性意义来进行，并且本发明的范围由所附权利要求来定义。

在若干实施例中，层或叠层被施加到彼此或者材料被施加或沉积到层上。应领会的是，如“施加”或“沉积”的任何此类术语意在照字面涵盖将层施加到彼此上的所有种类和技术。特别地，其意在涵盖其中层作为整体而被同时施加的技术，所述技术像例如层压技术以及其中层被以顺序方式来沉积的像例如溅镀、电镀、模塑、CVD等之类的技术。

半导体芯片可以包括其外表面的一个或多个上的接触元件或接触垫，其中接触元件用于电气地接触半导体芯片。接触元件可以具有任何期望的形式或形状。它们能够例如具有平台形式，即半导体封装的外表面上的平坦接触层。接触元件或接触垫可以由任何导电材料例如由例如作为铝、金、或铜的金属或金属合金、或者导电有机材料、或者导电半导体材料来制成。

参考图1，其示出根据一个实施例的传感器模块10的示意性截面侧视表示。传感器模块10包括适于对包装(casing)或封装16的外表面13上的开口或孔12进行气密密封的外壳11。换句话说，传感器模块10被布置在包装或封装16的外表面13上。包装或封装16可以包括例如电池单元或化学材料的容器、或其部分之类的可以例如产生气体的任何类型的容器。特别地，包装或封装16可以提供具有在与传感器模块10相反的方向上从开口或孔12延伸离开的内部体积(未示出)的密闭壳。包装或封装材料可以是刚性或柔性的，并且可以例如具有盒、管、封皮或包的形状，其中封皮或包可以已围绕轴被折叠或缠绕。

根据图1的传感器模块示出传感器元件14和隔膜(membrane)15，其中隔膜15被布置在外壳11与包装或封装16的开口或孔12之间。隔膜15可以是不透气或透气的(diaphanous)，并且可以是柔性或刚性的。在图1所示出的实施例中，隔膜15是在外壳11的内壁之间延伸的基本平坦的元件。隔膜15可以由塑料、箔、金属、硅、或其他材料制成。隔膜15可以由与外壳11相同的材料来制成。在一个实施例中，可以例如通过使用粘合材料或机械固定元件来将隔膜15固定到外壳11。

在根据图1的实施例中，隔膜15和外壳11定义包围传感器元件14的腔17。在不同的实施例中，传感器元件14可以被布置于腔17之外，例如相对于腔17布置在隔膜15的表面上。在另一个实施例中，传感器元件14可以包括隔膜15。

例如，隔膜15可以是压敏隔膜，即由于在隔膜15的不同侧处存在的不同压力而弯曲的隔膜。此外，传感器元件14可以被布置在隔膜的两个主表面的任意一个上，例如以便检测隔膜15的变形。变形可以指示存在于隔膜15的不同侧上的压力的相应差异。通过选择不透气的隔膜15并且通过将传感器元件14布置成被包围在腔17中，可以防止气体进入腔17并且从而损坏传感器元件14。

在另一个实施例中，隔膜15可以适于当在隔膜15的不同侧处存在的气压的差异超过极限时例如当包装或封装内的气压增加同时腔17内的压力保持基本恒定时破裂即变成透气的。

在一个实施例中，隔膜15是气体过滤器，即对于所选类型的气体而已是透气的过滤器。例如，隔膜15可以被选择成对于当电池被损坏或不适当操作时在电池单元的电解质中可能产生的某些类型的气体而言是透气的。在该情况下，电池单元可以被包围在以上所提到的包装或者封装16中，其中包装或者封装16可以是不透气的。

在一个实施例中，传感器元件14可以例如包括压力传感器、气体传感器、或机械应力传感器。

参考图2，其示出根据一个实施例的传感器模块20的示意性截面侧视表示。传感器模块20包括适于对包装或封装26的外表面23上的开口或孔22进行气密密封的外壳21。传感器模块20进一步包括被布置在外壳21与开口或孔22之间的隔膜25。隔膜25和外壳21定义腔27。隔膜25可以是压敏的，即可以表示测量在隔膜25的不同侧处存在的压力之间的差异的传感器元件的一部分。换句话说，传感器元件可以包括隔膜25。

参考图3，其示出根据一个实施例的传感器模块30的示意性截面侧视表示。传感器模块30包括适于对包装或封装36的外表面上的开口或孔32进行气密密封的外壳31。传感器模块30进一步包括被布置在外壳31与开口或孔32之间的隔膜35。如以上关于根据图2的实施例所描述的，隔膜35可以是压敏的并且可以表示传感器元件的一部分。隔膜35和外壳21定义腔37。图3示出提供至包括隔膜35的传感器元件的接触的印刷电路板或半导体芯片383。所述接触可以例如提供收集传感器信号。在图3中所示出的实施例中，传感器模块30包括从印刷电路板或半导体芯片382延伸至外壳31的表面的电缆381，其中电缆381通过外壳31的层之间的层压来气密密封。

在不同的实施例中，不是使用电缆来载送传感器信号，半导体芯片382可以例如包括适于通过无线通信来发送传感器信号的通信装置。在另一个实施例中，半导体芯片382适于将传感器信号调制到电池电源电流上，其中提供电池电源电流的相应电池单元被包围在以上所提到的包装或封装36中。

参考图4，其示出根据一个实施例的传感器模块40的示意性截面侧视表示。传感器模块40包括适于对包装或封装46的外表面上的开口或孔42进行气密密封的外壳41。传感器模块40进一步包括被布置在外壳41与开口或孔42之间的隔膜45。如以上关于根据图2的实施例所描述的，隔膜45可以是压敏的并且可以表示传感器元件的一部分。进一步地，隔膜45可以定义腔47的内壁并且可以被连接至传感器元件44。此外，在一个实施例中，外壳41包括在固定件48处被焊接到传感器元件44的柔性印刷电路板。因而，柔性印刷电路板41包括通过焊接而与传感器元件44相连接并且从传感器元件44延伸离开的导电通路。在另一个实施例中，相应的印刷电路板是硬的，即非柔性的。

参考图5，其示出根据一个实施例的传感器模块50的示意性截面侧视表示。传感器模块50包括适于对包装或封装56的外表面上的开口或孔52进行气密密封的外壳51。传感器模块50还包括例如被布置在外壳51的内壁上的传感器元件54，并且可以例如包括气体传感器或压力传感器。压力传感器可以例如包括压敏层和腔。传感器模块50包括被布置在外壳51与开口或孔52之间的隔膜59。因而，在该实施例中，隔膜59可以或可以不被连接至外壳51，即可以或可以不在外壳51的内壁之间延伸。隔膜59包括被布置成覆盖包装或封装56中的孔或开口52的薄膜或层，其中薄膜或层可以是气体过滤器。例如，隔膜59可以对于当电池被损坏或不适当操作时在电池单元的电解质中所产生的某些类型的气体而言是透气的。在该情况下，相应的电池单元被包围在可以是不透气的包装或封装56中。因而，例如当传感器元件54检测到气压的增加或特定气体的存在时，相应的传感信号可以被用来指示电池被损坏或不适当操作。

图1至5中所示出的传感器模块10、20、30、40、50的实施例可以进一步包括密封装置，其中密封装置适于具有对包装或封装16、26、36、46、56的开口或孔12、22、32、42、52进行气密密封的外壳11、21、31、41、51。在一个实施例中，密封装置可以例如包括一个或多个夹、闩、螺杆、螺纹、边封、柔性层、粘合层、粘合材料或密封材料。

在图2至5中所示出的传感器模块20、30、40、50的实施例中，外壳21、22、32、42、52可以包括适于对包装或封装26、36、46、56的开口或孔22、32、42、52进行气密密封的柔性材料。外壳21、22、32、42、52可以例如包括柔性层和附加的粘合或固定层，其中所述层允许将传感器模块20、30、40、50简单地固定在包装或封装26、36、46、56的开口或孔之上。当包装或封装26、36、46、56的表面23是柔性即其中传感器模块20、30、40、50例如以标签或胶带的形式被固定在柔性表面上时，该方法尤其有优势。

参考图6，其示出根据一个实施例的传感器模块60的示意性截面侧视表示。传感器模块60包括适于对包装66的开口进行气密密封的外壳61。在图6中所示出的实施例中，传感器模块的外壳61包括被拧紧或以其他方式被固定以对包装66的开口进行气密密封的气密密封盖。本文中，包装或封装66为电池单元660提供容器。于是图6示出包括传感器模块60、电池单元660、和包围电池单元660的容器66的电池元件6。

电池单元660包括例如电解质和电极。此外，电池元件6包括电源插座电缆691，其传导电池电源电流并且从电池单元660延伸通过外壳61。在一个实施例中，例如通过使用密封或浇铸孔692将电源插座电缆691气密密封至外壳61。图6中的传感器模块60包括被布置在外壳61的内壁上的传感器元件64。传感器元件64可以例如包括气体传感器或压力传感器。传感器模块60包括被布置在外壳61和包装66的开口之间的隔膜65。隔膜65可以包括可以是气体过滤器的薄膜或层。例如，隔膜65可以对于当电池被损坏或不适当操作时在电池单元660的电解质中所产生的某些类型的气体而言是透气的。

在图6中所示出的传感器模块的实施例中，隔膜65和外壳61定义腔67。隔膜65可以是压敏的并且可以表示用于测量隔膜65的不同侧处的气压之间的差异的传感器元件64的一部分。在另一个实施例中，隔膜65可以适于当隔膜65的不同侧处的压力的差异超过极限时即当包装66内的气压增加同时腔67内部的压力保持基本恒定时破裂即变成透气的。传感器元件64可以适于检测隔膜65何时破裂，其可以指示电池单元660已在电解质中产生了气体以及电池可能被损坏或不适当操作。图6中所示出的传感器模块60进一步包括从传感器元件64延伸至外壳61的外表面的传感器电缆681。传感器电缆681适于载送由传感器元件64所提供的传感器信号。

在一个实施例中，电池元件6可以包括切断器，其中切断器适于当传感器元件检测到预定义的条件时断开来自电池单元660的电流。预定义的条件可以例如涉及在电池单元660的容器66内超过预定的气压极限。这可以例如由包括压力传感器的传感器元件64来检测，和/或其中隔膜65适于当在隔膜65的不同侧上存在的压力的差异超过极限时破裂即变成透气的。在另一个实施例中，预定义的条件可以例如涉及气体浓度超过预定义的极限，其中传感器元件适于感测所选择的气体类型的存在。所选择的气体类型可以是当电池被损坏或不适当操作时电池单元660的电解质中所产生的气体。切断器可以例如包括任何类型的电气开关，其可以被用来断开来自电池单元的电流，例如断开载送电池电源电流的电缆691中的电流。例如，切断器可以包括机械继电器开关或基于半导体的开关。

传感器模块10、20、30、40、50、60和电池元件6的进一步实施例能够根据如之前结合图1至6中所示出的实施例而描述的特征和实施例来形成。特别地，电池元件6的进一步实施例能够通过将结合图1至5而描述的传感器模块的特征和实施例进行组合、利用电池单元以及包围电池单元的相应的柔性或刚性包装或封装来形成。

参考图7a和7b，其示出根据一个实施例的电池元件7的示意性截面侧视表示。电池元件7包括电池单元770和包围电池单元770的柔性包装或封装77。此外，电池元件7进一步包括被布置在包装或封装77的外表面上的检测器70。在该实施例中，检测器70包括对表面变形进行响应的机械应力敏感元件。在图7a中，电池单元正常操作，并且柔性的包装或封装77的表面没有明显变形。然而，当电池单元770被损坏或不适当操作时，电池单元770的电解质可能生成使柔性包装或封装77内部的相应的气体体积增大的气体。因此，柔性包装或封装77的表面发生变形。机械应力敏感元件70被布置在包装或封装77的表面上并且对表面变形进行响应。在该实施例中，机械应力敏感元件70检测包装或封装77的变形并且因此触发切断器72以断开来自电池单元770的电流。为了该目的，切断器能够包括适于断开被连接至电池单元770的电池电源电缆791中的电流的开关72。换句话说，切断器72适于当检测器70检测到表面变形即可以指示电池单元770的故障的表面变形时，断开去向或来自电池单元770的电流。这里，电池单元770可以例如包括锂或锂离子电池。

参考图8a和8b，其示出根据一个实施例的电池元件8的示意性截面侧视表示。电池元件8包括电池单元880和包围电池单元880的硬包装或封装88。此外，电池元件8进一步包括被布置在包装或封装88的外表面上的检测器80。在该实施例中，检测器80包括对表面变形进行响应的机械应力敏感元件802。此外，检测器80包括对电池单元880的硬包装或封装88的外表面中的孔82进行气密密封的柔性层801。机械应力敏感装置802被布置在柔性层801的表面上，并且柔性层801被布置在孔82和机械应力敏感装置802之间。于是由电池单元880的包装或封装88内部的气压的改变所施加的力通过柔性层801传达至机械应力敏感装置802。在一个实施例中，机械应力敏感装置802包括用于生成压力相关传感器信号的应变计电路。如以上所提到的，包装或封装88内部的气压的增加可以指示电池单元880已在电解质中产生了气体，从而指示电池被损坏或者不适当操作。

在图8a和8b中所示出的电池元件8的实施例中，机械应力敏感装置802可以包括电路通路，其适于当机械应力超过指示电池单元的故障的阈值时断开电路通路中的电流。在根据图8a和8b的实施例中，电路通路中的电流可以包括由电池电源电缆891所传导的电池电源电流。例如，故障的电池单元880可以在电解质中产生气体，这使包装或封装88内的气压增加。增加的压力将柔性层801推离孔82并且从而在机械应力敏感装置802上施以机械应力。因此，当机械应力超过指示电池单元的故障的阈值时，电路通路断开并且电路通路中的间隙803阻止从被损坏或不适当操作的电池单元880中汲取电源电流。在一个实施例中，电池单元可以例如包括锂或锂离子电池。

如以上结合根据图8a和8b的实施例所提到的，电路通路中的电流可以包括由电池电源电缆891所传导的电池电源电流。在不同的实施例中，电路通路不传导电池电源电流，而是包括被连接至电压源的电阻器，其中经由电阻器的电流指示了电池单元880的包装或封装上的表面变形的程度。在另一个实施例中，电阻器适于像熔断器(fuse)一样地操作，并且当以上所描述的机械应力超过指示电池单元880的故障的阈值时使电路开路。

虽然已关于一个或多个实现来说明并且描述了本发明，但可以对所说明的示例做出更改和/或修改而不背离所附权利要求的精神和范围。特别地，关于由以上所描述的组件或结构(组装件、设备、电路、系统等)所执行的各种功能，除非另有指示，被用来描述此类组件的术语(包括对“装置”的引用)即使与执行本文中所说明的本发明的示例性实现中的功能的所公开结构不是结构上等价的，也意在与执行所描述组件的指定功能(例如，功能上等价)的任何组件或结构相对应。

Claims (22)

1.一种传感器模块，包括：

被配置成对包装或封装的外表面上的开口或孔进行气密密封的外壳，其中所述外壳包括刚性或柔性的印刷电路板；

与所述外壳关联的传感器元件，其中所述传感器元件包括半导体芯片，所述半导体芯片电接触所述刚性或柔性的印刷电路板；以及

隔膜，被布置在所述外壳与所述包装或封装的开口或孔之间；

其中所述传感器元件包括气体传感器，当所述传感器元件检测到气压的增加和特定类型的气体存在中的任一项时，相应的传感器信号被用来指示电池被损坏或不适当操作。

2.如权利要求1的传感器模块，其中所述隔膜和外壳定义包围所述传感器元件的腔。

3.如权利要求2的传感器模块，其中所述传感器元件适于检测所述隔膜何时由于气压的增加而破裂。

4.如权利要求1的传感器模块，其中所述外壳包括电池单元的盖。

5.如权利要求1的传感器模块，其中所述传感器元件还包括压力传感器或机械应力传感器，并且其中所述隔膜是压敏隔膜或气体过滤器。

6.如权利要求1的传感器模块，其中所述隔膜包括被布置成覆盖所述包装或封装中的孔或开口的薄膜或层，其中所述薄膜或层是气体过滤器。

7.如权利要求1的传感器模块，进一步包括密封元件，其中所述密封元件适于使所述外壳对所述包装或封装的开口或孔进行气密密封，其中所述密封元件包括夹、闩、螺杆、螺纹、边封、柔性层、粘合层、粘合材料或密封材料。

8.如权利要求1的传感器模块，其中所述外壳包括柔性材料以对柔性包装或封装的开口或孔进行气密密封。

9.如权利要求1的传感器模块，进一步包括从所述半导体芯片延伸至所述外壳的表面的电缆，其中所述电缆通过所述外壳的层之间的层压来气密密封。

10.如权利要求1的传感器模块，其中所述半导体芯片包括通信设备，所述通信设备被配置成将传感器信号调制到电池电源电流上或者被配置成通过无线通信来发送传感器信号。

11.一种电池元件，包括：

电池单元；

包围所述电池单元的包装或封装；

被配置成对所述包装或封装的外表面上的开口或孔进行气密密封的外壳；

传感器元件，其中所述传感器元件包括半导体芯片；

从所述半导体芯片延伸至所述外壳的表面的电缆，其中所述电缆通过所述外壳的层之间的层压来气密密封；以及

隔膜，其中所述隔膜被布置在所述外壳与所述包装或封装的外表面的开口或孔之间；

其中所述传感器元件包括气体传感器，当所述传感器元件检测到气压的增加或特定类型的气体存在中的任一项时，相应的传感器信号被用来指示电池被损坏或不适当操作。

12.如权利要求11的电池元件，其中所述隔膜和外壳定义包围所述传感器元件的腔。

13.如权利要求12的电池元件，其中所述传感器元件被配置成检测所述隔膜何时由于所述电池单元的包装或封装内的气压的增加而破裂。

14.如权利要求11的电池元件，其中所述外壳包括包围所述电池单元的所述包装或封装的盖。

15.如权利要求11的电池元件，其中所述传感器元件还包括压力传感器或机械应变传感器，并且其中所述隔膜是压敏隔膜或气体过滤器。

16.如权利要求11的电池元件，其中所述隔膜包括被布置成覆盖所述包装或封装的外表面上的孔或开口的薄膜或层，其中所述薄膜或层是气体过滤器。

17.如权利要求11的电池元件，进一步包括密封元件，其中所述密封元件被配置成使所述外壳对所述包装或封装的外表面上的开口或孔进行气密密封，其中所述密封元件包括夹、闩、螺杆、螺纹、密封环、柔性层、边封、粘合层、粘合材料或密封材料。

18.如权利要求11的电池元件，其中所述外壳包括被配置成对所述包装或封装的外表面上的开口或孔进行气密密封的柔性材料，其中所述包装或封装是刚性或柔性体，或者其中所述包装或封装包括橡胶、塑料、钢、和陶瓷材料中的至少一个。

19.如权利要求11的电池元件，进一步包括切断器，其中所述切断器被配置成当所述传感器元件检测到预定义的条件时断开去向或来自所述电池单元的电流。

20.如权利要求11的电池元件，其中所述电池单元是锂或锂离子电池。

21.如权利要求11的电池元件，其中所述包装或封装包括箔。

22.如权利要求11的电池元件，其中所述包装或封装包括金属。