CN106404266A - 压电式压力传感器和制造这种压电式压力传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压电式压力传感器(1)，具有：检测压力变化的膜(21)；压电式接收器(22)，所检测到的压力变化在该压电式接收器上产生极化电荷；电极组件(23)，其接收所产生的极化电荷并作为信号通过电荷传导部(23.2)来传导；电连接元件(43，53)和电信号导体(41.1，51.1)，电连接元件(43，53)与电信号导体(41.1，51.1)电连接和机械连接，其中，电荷传导部(23.2)局部地与电连接元件(43，53)材料配合地连接，并且信号通过电连接元件(43，53)被传导至电信号导体(41.1，51.1)中。

Description

压电式压力传感器和制造这种压电式压力传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种如独立权利要求前序部分所述的压电式压力传感器。本发明还涉及一种用于制造这种压电式压力传感器的方法。
背景技术
压电式压力传感器是众所周知并被广泛使用的。利用压电式压力传感器并按照内燃机的压力指示，根据曲轴位置或时间来检测存在于压力室中的缸压力。内燃机包括四冲程发动机和二冲程发动机，例如奥托发动机、柴油发动机、汪克尔发动机等。在船用柴油发动机中，可以借助于压力传感器对缸压力进行长期监测。利用压电式压力传感器可以快速地检测压力变化，其通常在150至250bar的范围内，但是在预点火和发动机突爆时也具有500bar和更高的压力峰值。压电式压力传感器也可用于对喷气发动机、燃气涡轮机、蒸汽轮机、蒸汽机等的压力监测中。
专利文献CH394637A1公开了一种这样的压电式压力传感器。该压电式压力传感器具有膜，该膜通过压力室的孔直接伸入到压力室中。膜的边缘与压电式压力传感器的壳体焊接在一起。由膜检测到的压力变化作用在在壳体中靠近膜设置的压电式接收器上。压力变化在压电式接收器上产生电极化电荷，该电极化电荷作为信号通过电极来接收。该信号与压力变化的大小是成比例的。电极设置在压电式接收器上。信号通过电导体从电极传导到用于信号线缆至分析单元的插拔连接的插座上。该插座被安装在壳体的背向膜的一侧。
压电式接收器通过预紧套筒被机械地预紧。从结构上说，这可以通过压电式压力传感器的圆形对称的结构来实现。壳体是圆柱形的。膜安装在壳体的前侧，在其后面沿着壳体的纵轴线设有压电式接收器。电导体中心地穿过压电式接收器和壳体。预紧套筒关于纵轴线径向地设置在压电式接收器的外面。预紧套筒的后端与壳体焊接在一起，预紧套筒的前端与膜焊接在一起。由此使得预紧组件相对于衬套振动密封和压力密封地密封压电式接收器。
现在，衬套和信号线缆之间的插拔连接部在使用压电式压力传感器时会处在持续稳定(permanent)、强烈的电机振动和200℃以上的高温下，这可能导致该电插拔接触部的微摩擦和摩擦侵蚀。信号线缆护套在高温下还可能会释放气体并导致在电插拔接触部上出现摩擦聚合。并且在插拔连接部中，在高温下可能使非惰性金属扩散到电插拔接触部的接触面上并形成存在于那里的氧化层。这些影响可以单独或组合地出现。其结果是可能导致电插拔接触部的电接触电阻变化。由此使得电接触电阻可以从mΩ范围增大多个数量级至MΩ范围，并且使被传导至分析单元上的信号发生失真，这将导致错误的信号分析。
发明内容
本发明的首要目的在于提出一种压力传感器，其能够在信号传导中有效地避免信号失真。本发明的另一目的在于提出一种压电式压力传感器，其中，信号传导部也能够被机械稳定地设置。本发明的又一目的在于提出一种用于低成本地制造压电式压力传感器的方法。
本发明的至少一个目的通过独立权利要求的特征来实现。
本发明涉及一种压电式压力传感器，其具有：用于检测压力变化的膜；压电式接收器，所检测到的压力变化在该压电式接收器上产生极化电荷；电极组件，该电极组件接收所产生的极化电荷并作为信号通过电荷传导部来传导；电连接元件和电信号导体，电连接元件与电信号导体电连接和机械连接，其中，电荷传导部局部与电连接元件材料配合地连接，并通过电连接元件将信号传导至电信号导体中。
电荷传导部和电连接元件之间的材料配合的连接能够防止在压电式压力传感器的使用过程中发生微摩擦、摩擦侵蚀和摩擦聚合或者在电插拔接触部的接触面之间形成氧化层，由此可以有效地避免信号失真。
本发明还涉及一种用于制造这种压电式压力传感器的方法，其中，传感器组件作为半成品来提供，该传感器组件具有膜、压电式接收器和包括有电荷传导部的电极组件，其中装配有信号线缆组件或分析单元的电连接元件，在此，电荷传导部局部地与电连接元件组合在一起，并且在电荷传导部和电连接元件之间构成材料配合。
由此，通过传感器组件的电荷传导部和电连接元件之间的材料配合而构成压电式压力传感器。这使得传感器组件的变型能够与信号线缆组件的变型能够相结合，或者这使得传感器组件的变型能够直接分析单元相结合而构成压电式压力传感器。由此，基于较少数量的包含相同部件的半成品，可以构成多个不同的压电式压力传感器，这将使得制造成本更低。
附图说明
下面参照附图示例性地对本发明进行详细说明。其中：
图1示出了压电式压力传感器的第一截面图，其具有传感器组件、信号线缆组件和分析单元；
图2示出了压电式压力传感器的第二截面图，其具有传感器组件、信号线缆组件和分析单元；
图3示出了根据图1或图2的传感器组件的第一种实施方式的截面图；
图4示出了根据图1或图2的传感器组件的第二种实施方式的截面图；
图5示出了根据图1或图2的传感器组件的第三种实施方式的截面图；
图6示出了根据图1或图2的压电式压力传感器的传感器组件的第四种实施方式的截面图；
图7以截面图示出了根据图1的压电式压力传感器的一部分；
图8以截面图示出了根据图2的压电式压力传感器的一部分；
图9以断面图示出了根据图7和图8的压电式压力传感器的一部分；
图10示出了根据图1、图2、图7至图9的压电式压力传感器的一部分的视图；
图11示出了根据图1至图10的压电式压力传感器的一部分在传感器组件与信号线缆组件机械连接之前的视图；和
图12示出了根据图11的压电式压力传感器的一部分在传感器组件的电荷传导部与信号线缆组件机械连接之后的视图。
其中，附图标记列表如下：
AA′ 竖直轴线
A÷A′ 截面线
BB′ 水平轴线
B÷B′ 截面线
CC′ 纵轴线
1 压电式压力传感器
2 传感器组件
4 信号线缆组件
5 分析单元
20 传感器壳体组件
20.1 传感器壳体
20.2 加强元件
21 膜
22 压电式接收器
22.1 第一支承元件
22.2 压电式接收器元件
22.3 第二支承元件
23 电极组件
23.1 电荷拾取部
23.2 电荷传导部
24 预紧组件
24.1 预紧套筒
24.2 预紧体
25 第一电绝缘体
26 补偿元件
27 电绝缘套管组件
27.1 第一适配器元件
27.2 第二电绝缘体
27.3 第二适配器元件
40 连接元件壳体
40.1 连接元件壳体凸肩部
41 信号线缆
41.1 电信号导体
41.2 电绝缘元件
41.20 第二锁定元件
41.3 信号线缆护套
42 支撑体
42.1 支撑体框架
43 电连接元件
43.00 第一锁定元件
50 电路板壳体
51 电路板
51.1 电信号导体
52 支撑体
53 电连接元件
具体实施方式
图1和图2示出了根据本发明的压电式压力传感器1的截面图。该截面沿着已完成插入并组装好的压电式压力传感器1的纵轴线CC′示出。图1是完整的截面图，其中将压电式压力传感器1的竖直轴线AA′作为截面线A÷A′。图2是完整的截面图，其中将压电式压力传感器1的水平轴线BB′作为截面线B÷B′。竖直轴线AA′和水平轴线BB′彼此垂直。压电式压力传感器1及其组件在横截面上关于纵轴线CC′基本上为圆形。形容词“基本上”包括±10％的圆形形状变化。但是在本发明的认知中，压电式压力传感器及其组件在横截面上也可以是矩形、多边形等。
压电式压力传感器1的组件可以机械地相互接触或者机械地彼此连接。在本发明中，机械接触是指多个组件只是彼此直接碰触，而机械连接是指多个组件材料配合、力配合或形状配合地彼此固定。也就是说，机械接触不是机械连接。机械接触不是压力密封的(druckdicht)。形容词“压力密封的”是指对抗10bar以上压力变化的稳定性。
压电式压力传感器1具有传感器组件2、信号线缆组件4和分析单元5。传感器组件2或者通过信号线缆组件4与分析单元5电连接和机械连接，或者直接与分析单元5电连接和机械连接。
传感器组件2设置在压电式压力传感器1的前部区域中，其具有膜21、传感器壳体组件20、压电式接收器22和电极组件23。压电式压力传感器1与压力室的壁机械连接，并且膜21通过孔直接伸入到压力室中。这种机械连接通过力配合或形状配合来实现。压电式压力传感器1的前部区域在压电式压力传感器1的使用过程中靠近压力室而处于持续稳定、强烈的电机振动和高温下。对于压电式压力传感器1及其组件而言，形容词“前部”是指朝向膜21的区域，而“后部”是指背向膜21的区域。
信号线缆组件4和分析单元5设置在压电式压力传感器1的周围环境的与前部区域相连的区域中。在压力腔室的周围环境处于大气压中，并且人员处于周围环境空气中。信号线缆组件4具有连接元件壳体40、信号线缆41、支撑体42和电连接元件43。关于信号线缆组件4的其他细节将在对图7至图12的说明中给出。分析单元5具有位于电路板壳体50中的电路板51、支撑体52和电连接元件53。关于分析单元5的其他细节将在对图9至图12的说明中给出。
传感器组件2具有传感器壳体组件20、传感器壳体20.1和加强元件20.2。加强元件20.2防止了机械应力的传递，该机械应力由压电式压力传感器1与压力腔室壁的机械连接引起，该机械应力经过传感器壳体组件20到达压电式接收器22，并且会干扰对压力变化的检测，并使信号发生失真。传感器壳体20.1和加强元件20.2由机械上柔性的材料制成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等，并且彼此机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。在本发明的认知中，本领域技术人员也可以构成没有加强壳体的传感器组件，从而使得传感器组件仅包括传感器壳体。
图3至图6以放大的截面图示出了根据图1和图2的压电式压力传感器1的传感器组件的多种实施方式。端侧的膜21由机械上柔性的材料制成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等。膜21的边缘在整个周向上与加强壳体20.2机械连接。这种机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。由膜21检测到的压力变化作为法向力作用在压电式接收器22上。压电式接收器22关于纵轴线CC′直接设置在膜21的后面。
压电式接收器22具有第一支承元件22.1、第二支承元件22.3和压电式接收器元件22.2。压电式接收器元件22.2关于纵轴线CC′设置在第一支承元件22.1和第二支承元件22.3之间。膜21与第一支承元件22.1平面地机械接触。在根据图3和图4的传感器组件2的实施方式中，第二支承元件22.3与压电式接收器元件22.2平面地机械接触。在根据图5和图6的传感器组件2的实施方式中，第一支承元件22.1和第二支承元件22.3与压电式接收器元件22.2机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如扩散焊接、热压接、钎焊等。在本发明的认知中，本领域技术人员也可以在没有第一支承元件和第二支承元件的情况下实现传感器组件，从而使得压电式接收器元件在一侧与膜21并在另一侧与电极组件23直接平面地机械接触。该机械连接通过材料配合来实现，例如扩散焊接、热压接、钎焊等。
支承元件22.1、22.3将法向力作用均匀地分布在压电式接收器元件22.2上。支承元件22.1、22.3是圆柱形的，并由导电的和机械上刚性的材料构成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金、导电陶瓷、具有导电镀层的陶瓷等。压电式接收器元件22.2同样是圆柱形的，并由压电晶体材料制成，例如石英(SiO2单晶)、锗酸镓钙(Ca3Ga2Ge4O14或CGG)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14或LGS)、电气石、正磷酸镓等。压电式接收器元件22.2在结晶学上被如下地定向：其对于待接收的压力变化具有较高的灵敏度。优选压电式接收器元件22.2被如下地定向：在受到法向力作用的相同表面上也产生正的和负的电极化电荷。该法向力可以被加载或卸载地作用在该表面上。在通过法向力进行机械加载时将产生负的电极化电荷；在通过法向力进行机械卸载时将产生正的电极化电荷。电极组件23在压电式接收器22的背向膜21的一侧关于纵轴线CC′被直接设置在压电式接收器22的后面。在本发明的认知中，本领域技术人员当然也可以使用一个以上的压电式接收器元件。
电极组件23具有圆柱形的电荷拾取部23.1(Ladungsabgriff)和杆形的电荷传导部23.2。电极组件23由导电材料制成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等。电荷拾取部23.1和电荷传导部23.2可以是一体化的，或者机械地相互连接。任何形式的机械连接都是可以的，例如材料配合、形状配合和力配合。电荷拾取部23.1和电荷传导部23.2彼此电连接。负的极化电荷通过第二支承元件22.3被电极组件23作为信号接收，并被传导至分析单元5上。正的极化电荷通过第一支承元件22.1和膜21被接地的加强壳体20.2接收。在本发明的认知中，本领域技术人员也可以使用正的极化电荷作为信号。由此，本领域技术人员可以将正的极化电荷以与接地电绝缘的方式传导至分析单元上。这可以通过传感器壳体组件与信号线缆的屏障件的材料配合的电连接(例如卷边等)以及通过电磁屏障件与电路板壳体的电连接(例如卷边(Crimpen)等)来实现。
电荷拾取部23.1的前表面如下地与第二支承元件22.3的电荷输出后表面平面地电接触：使得在法向力作用的情况下也不会出现具有局部高电压和泄漏电流的非接触区域。在根据图3和图4的传感器组件2的实施方式中，电荷拾取部23.1和第二支承元件22.3的平面电接触通过平面的机械接触来实现。在根据图5的传感器组件2的实施方式中，电荷拾取部23.1和第二支承元件22.3的平面电接触通过电荷拾取部23.1和第二支承元件22.3的机械连接来实现。该机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。在根据图6的传感器组件2的实施方式中，电荷拾取部23.1和第二支承元件22.3的平面电接触通过与第二支承元件22.3一体化制造的电荷拾取部23.1来实现。
电极组件23通过第一电绝缘体25相对于加强壳体20.2电绝缘。第一电绝缘体25是中空圆柱形的，并由电绝缘的且机械上刚性的材料(例如陶瓷、Al2O3陶瓷、蓝宝石等)组成。第一电绝缘体25在电荷拾取部23.1的背向膜21的一侧关于纵轴线CC′直接设置在电荷拾取部23.1的后面。在根据图3的传感器组件2的实施方式中，第一电绝缘体25与电荷拾取部23.1平面地机械接触。在根据图4至图6的传感器组件2的实施方式中，第一电绝缘体25与电荷拾取部23.1机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。
补偿元件26对压电式压力传感器1的组成部件的不同的热膨胀系数进行补偿。补偿元件26是中空圆柱形的，并由机械上刚性的材料组成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金、陶瓷、Al2O3陶瓷、蓝宝石等。补偿元件26在第一电绝缘体25的背向膜21的一侧关于纵轴线CC′直接设置在第一电绝缘体25的后面。在根据图3的传感器组件2的实施方式中，补偿元件26与第一电绝缘体25平面地机械接触。在根据图4至图6的传感器组件2的实施方式中，补偿元件26与第一电绝缘体25机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压缩焊接、钎焊等。补偿元件26是可选的并且也可以舍弃。在本发明的认知中，本领域技术人员可以在没有补偿元件26的情况下实现压电式压力传感器，这没有以附图示出。补偿元件26也可以设置在压电式压力传感器1的其他组件之间，这同样未以附图示出。因此，补偿元件26可以被设置在预紧套筒24.1和压电式接收器22之间，或者在压电式接收器22和电荷拾取部23.1之间，或者在电荷拾取部23.1和第一电绝缘体25之间，或者在第一电绝缘体25和预紧体24.2之间。在此，补偿元件26可以与压电式压力传感器1的这些组件平面地机械接触。
压电式接收器22通过预紧组件24被机械地预紧。预紧组件24具有中空圆柱形的预紧体24.2和中空圆柱形的预紧套筒24.1。预紧组件24由机械上刚性的材料制成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等。压电式接收器22在预紧体24.2和预紧套筒24.1之间被机械地预紧。预紧体24.2设置在电荷拾取部23.1的背向膜21的一侧。预紧体24.2在电荷拾取部23.1的背向膜21的一侧关于纵轴线CC′直接设置在补偿元件26的后面。在缺少补偿元件26的情况下，预紧体24.2在电荷拾取部23.1的背向膜21的一侧关于纵轴线AA′直接设置在第一电绝缘体25的后面。在根据图3的传感器组件2的实施方式中，补偿元件26与预紧体24.2平面地机械接触。在根据图4至图6的传感器组件2的实施方式中，补偿元件26与预紧体24.2机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。因此，电荷拾取部23.1和预紧体24.2通过设置在它们之间的第一电绝缘体25彼此电绝缘。
预紧体24.2的中部区域在整个周向上与加强壳体20.2电连接和机械连接。预紧体24.2的关于纵轴线CC′的外表面与加强壳体20.2的关于纵轴线CC′的内表面电连接和机械连接。优选该电连接和机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压缩焊接、钎焊等。预紧体24.2的前部边缘在整个周向上与预紧套筒24.1的后端部机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。在根据图5和图6的传感器组件2的实施方式中，预紧套筒24.1的前端部附加地与第一支承元件22.1的外表面机械地连接。预紧套筒24.1关于纵轴线CC′径向地设置在压电式接收器22、第一电绝缘体25和补偿元件26的外面。预紧套筒24.1关于纵轴线CC′径向地设置在加强壳体20.2的里面。预紧套筒24.1通过第一间隙与加强壳体20.2间隔开。预紧套筒24.1通过第二间隙与压电式接收器22、电荷拾取部23.1、第一电绝缘体25和补偿元件26间隔开。预紧套筒24.1的前端部在整个周向上与膜21的后部边缘机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。预紧组件24将压电式接收器22、电荷拾取部23.1、第一电绝缘体25和补偿元件26机械地预紧。该机械预紧是力配合的机械连接。
在根据图3的传感器组件2的实施方式中，电极组件23通过电绝缘套管组件27相对于加强壳体20.2电绝缘。在根据图4至图6的传感器组件2的实施方式中不包括这种电绝缘套管组件27。电绝缘套管组件27具有第一适配元件27.1、第二电绝缘体27.2和第二适配元件27.3。该绝缘套管组件27在预紧体24.2的背向膜21的一侧关于纵轴线CC′直接设置在预紧体24.2的后面。
第一适配元件27.1是中空圆柱形的，并由机械上刚性的材料制成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等。第一适配元件27.1在预紧体24.2的背向膜21的一侧关于纵轴线CC′直接设置在预紧体24.2的后面。第一适配元件27.1的前边缘在整个周向上与预紧体24.2的后端部机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。这种材料配合优选是下述的配对：其中，第一适配元件27.1由钛制成，而预紧体24.2由材料标号为1.4552的铁合金制成，这种配对在实现材料配合期间即使在高温下也与方向无关地具有较小的线性热膨胀系数的差值。优选该配对的这种差值小于10ppm，优选小于5ppm。
第二电绝缘体27.2使第二适配元件27.3相对于加强壳体20.2电绝缘。第二电绝缘体27.2是中空圆柱形的，并且由电绝缘的且机械上刚性的材料制成，例如陶瓷、Al2O3陶瓷、蓝宝石等。第二电绝缘体27.2在第一适配元件27.1的背向膜21的一侧关于纵轴线CC′直接设置在第一适配元件27.1的后面。第一适配元件27.1的后部边缘在整个周向上与第二电绝缘体27.2的前端部机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如扩散焊接、热压接、钎焊等。这种材料配合优选是下述的配对：其中，第一适配元件27.1由钛制成，而第二电绝缘体27.2由Al2O3陶瓷制成，这种配对在实现材料配合期间即使在高温下也与方向无关地具有较小的线性热膨胀系数的差值。优选该配对的这种差值小于5ppm，优选小于3ppm。
电荷传导部23.2与第二适配元件27.3电连接和机械连接。第二适配元件27.3是中空圆柱形的，并且由导电材料制成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等。第二适配元件在第二电绝缘体27.2的背向膜21的一侧关于纵轴线CC′直接设置在第二电绝缘体27.2的后面。第二适配元件27.3的前端部在整个周向上与第二电绝缘体27.2的后端部机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如扩散焊接、热压接、钎焊等。这种材料配合优选是下述的配对：其中，第二适配元件27.3由材料标号为1.3981或1.3982的铁合金制成，并且第二电绝缘体27.2由Al2O3陶瓷制成，这种配对在实现材料配合期间即使在高温下也与方向无关地具有较小的线性热膨胀系数的差值。优选该配对的这种差值小于5ppm，优选小于3ppm。
电荷传导部23.2关于纵轴线CC′中心地延伸穿过第一电绝缘体25、补偿元件26、预紧体24.2和电绝缘套管组件27。电荷传导部23.2关于纵轴线CC′通过第三间隙径向地与第一电绝缘体25、补偿元件26、预紧体24.2、第一适配元件27.1和第二电绝缘体27.2间隔开。电荷传导部23.2通过这种间隔与这些组件电绝缘。第二适配元件27.3的后端部在整个周向上与电荷传导部23.2的中部区域电连接和机械连接。该机械连接是直接的连接并通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。电荷传导部23.2的后端部关于纵轴线CC′从第二适配元件27.3向外伸出。在本发明的认知中，本领域技术人员可以实现多种对该实施方式的可能的变型。因此，电荷传导部和第二适配元件也可以一体化地制造。在这种实施方式中，电荷拾取部和电荷传导部由于组装地原因由两部分组成，以便能够将电荷传导部如下地设置：其中心地延伸穿过第一绝缘元件、补偿元件和预紧体。通过在电荷传导部和第二适配元件之间设置中间套筒并使该中间套筒与电荷传导部和第二适配元件材料配合地连接，也可以在电荷传导部和第二适配元件之间实现间接的机械连接。在这种材料配合中，优选将中间套筒与电荷传导部以及中间套筒与第二适配元件配对为，该配对具有较小的线性热膨胀系数的差值。优选该配对的这种差值小于10ppm，优选小于5ppm，优选小于3ppm。
电极组件23支撑在与加强壳体20.2机械连接的预紧体24.2上。
a.在第一支撑区域中，电荷拾取部23.1通过第一电绝缘体25和补偿元件26机械地支撑在预紧体24.2上。在根据图3的传感器组件2的实施方式中，电荷拾取部23.1、第一电绝缘体25、补偿元件26和预紧体24.2彼此机械地接触。在根据图4至图6的传感器组件2的实施方式中，电荷拾取部23.1、第一电绝缘体25、补偿元件26和预紧体24.2彼此机械地连接。第一支撑区域的至少一个机械连接是材料配合的连接，该连接是压力密封的。最有利的是使第一支撑区域的所有机械连接都是压力密封的材料配合连接。
b.在根据图3的传感器组件2的实施方式中，电荷传导部23.2在第二支撑区域中机械地支撑在电绝缘套管组件27上，在此，电荷传导部23.2、电绝缘套管组件27和预紧体24.2彼此机械地连接。第二支撑区域的至少一个机械连接是材料配合的连接，该连接是压力密封的。最有利的是使第二支撑区域的所有机械连接都是压力密封的材料配合连接。
c.在根据图3至图6的传感器组件2的实施方式中，电荷拾取部23.1在第三支撑区域中通过压电式接收器22机械地支撑在预紧套筒24.1上，在此，电荷拾取部23.1、压电式接收器22、预紧套筒24.1和预紧体24.2彼此机械地连接。第三支撑区域的至少一个机械连接是材料配合的连接，该连接是压力密封的。最有利的是使第三支撑区域的所有机械连接都是压力密封的材料配合连接。
这种通过关于纵轴线CC′彼此间隔开的支撑区域在多个空间中进行的多重机械支撑提高了信号传导的机械稳定性。在此，优选传感器组件2的所有机械连接是材料配合的连接。
在膜21破裂的情况下，热气体可能会从压力腔室到达位于一侧的预紧套筒24.1和另一侧的加强壳体20.2之间的第一间隙中。当预紧套筒24.1被热气体损坏时，热气体可以进入位于一侧的预紧套筒24.1和另一侧的压电式接收器22、电荷拾取部23.1、第一电绝缘体25和补偿元件26之间的第二间隙中。由于电极组件23通过电荷传导部23.2与电绝缘套管组件27和预紧体24.2机械地连接，因此在根据图3的传感器组件2的实施方式中，电极组件23密封了第一电绝缘体25和补偿元件26，从而使得热气体只能非常缓慢地到达位于一侧的电荷传导部23.2和另一侧的第一电绝缘体25、补偿元件26和预紧体24.2之间的第三间隙中。在此将这种密封理解为相对于内燃机的平均指示缸压力的抗压强度。平均指示的缸压力也被称为指示平均压力，并处于从150到250bar的快速压力变化最大值的1/3到1/8的范围内。平均指示缸压力是这样的一种压力：该压力在膜21破裂和预紧套筒24.1损坏的情况下时间平均地出现在第二间隙中。电荷拾取部23.1和第一电绝缘体25之间的平面机械接触通过形状配合相对于第二间隙来密封第三间隙。第一电绝缘体25和补偿元件26之间的平面机械接触通过形状配合相对于第二间隙来密封第三间隙。补偿元件26和预紧体24.2之间的平面机械接触通过形状配合相对于第二间隙来密封第三间隙。在舍弃补偿元件26的情况下，电极组件23仅密封第一电绝缘体25，从而使得热气体不会到达第三间隙中。电荷拾取部23.1和第一电绝缘体25之间的平面机械接触通过形状配合相对于第二间隙来密封第三间隙。第一电绝缘体25和预紧体24.2之间的平面机械接触通过形状配合相对于第二间隙来密封第三间隙。当热气体还毁坏了第一电绝缘体25，从而使得第一电绝缘体破碎成多个小的断裂块并且热气体到达第三间隙中时，则在根据图3的传感器组件2的实施方式中，第三间隙通过第二支撑区域被压力密封地与周围环境分离。在根据图4至图6的传感器组件2的实施方式中，第三间隙通过第一支撑区域被压力密封地与周围环境分离。由此，在膜断裂的情况下，不会有热气体逸出到周围环境中。
图7和图8以放大的截面图示出了根据图1或图2所示的已被插入且组装好的压电式压力传感器1的传感器组件2和信号线缆组件4的一部分。图7是完整的截面图，其中的压电式压力传感器1的竖直轴线AA′被作为截面线A÷A′。图8是完整的截面图，其中的压电式压力传感器1的水平轴线BB′被作为截面线B÷B′。图7和图8示出了信号线缆组件4的连接元件壳体40、信号线缆41、支撑体42和电连接元件43。
信号线缆组件4的电连接元件43是中空圆柱形的。电连接元件43由导电材料构成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等。电荷传导部23.2与电连接元件43结合在一起。电荷传导部23.2的后端部关于纵轴线CC′伸入到电连接元件43中。在该区域中，电荷传导部23.2的关于纵轴线CC′的外表面和电连接元件43的关于纵轴线CC′的内表面彼此电连接和机械连接。该电连接和机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊、卷边等。电荷传导部23.2在局部是与电连接元件43材料配合的。这种局部的材料配合可以通过点焊接或整个周向的线焊接来实现。在本发明的认知中，本领域技术人员当然也可以使用其他成型的电连接元件43。因此，电连接元件43可以是板状的或半壳状的。电荷传导部23.2不伸入电连接元件43中。为了建立这种电连接和机械连接，电荷传导部23.2被放置在板状的或半壳状的电连接元件43的上面。
信号线缆41的前端部被设置在信号线缆组件4的支撑体42中。支撑体42是中空圆柱形的，并且由机械上稳定的材料构成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等。支撑体42的后部区域在整个周向上与连接元件壳体40的后部边缘机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。支撑体42的前部区域具有支撑体框架42.1。支撑体框架42.1具有至少一个窗口。如图10所示，支撑体框架42.1由两个平行于纵轴线CC′取向的横梁组成，在这两个横梁之间在竖直轴线BB′上存在两个窗口。电连接元件43可以通过该窗口从外部进入，并且能够利用接合工具达到。连接元件壳体40的前部边缘在整个周向上与传感器壳体20的后部边缘机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。
信号线缆41具有电信号导体41.1、电绝缘元件41.2和信号线缆护套41.3。信号线缆护套41.3的前端部的关于纵轴线CC′的外表面与信号线缆组件的支撑体42的关于纵轴线CC′的内表面机械地连接。任何形式的机械连接都是可以的，例如材料配合、形状配合和力配合，在此优选为卷边。电信号导体41.1由导电材料构成，例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等。电信号导体41.1的前端部和电连接元件43的后端部彼此电连接和机械连接。任何形式的电连接和机械连接都是可以的，例如材料配合、形状配合和力配合。电绝缘元件41.2是中空圆柱形的，并由在热力学上达到至少200℃的温度仍然稳定的电绝缘材料组成，例如聚四氟乙烯、聚酰亚胺、六福丙烯偏二氟乙烯共聚物(FKM)等。电绝缘元件41.2在整个周向上包围电连接元件43和电信号导体41.1之间的连接区域，并在整个周向上包围电信号导体41.1。电绝缘元件41.2使电连接元件43和电信号导体41.1相对于支撑体42电绝缘。电绝缘元件41.2还能够减弱电机振动。
图9示出了根据图7或图8的压电式压力传感器1的传感器组件2和信号线缆组件4的断面图。电连接元件43在外表面上具有第一锁定元件43.00，其例如被构造为径向突出的鼻部43.00。电绝缘元件41.2在内表面上具有第二锁定元件41.20，其例如被构造为凹槽41.20。第一锁定元件43.00和第二锁定元件41.20构成具有缝隙的形状配合或碰触配合(Berührschluss)。该形状配合或碰触配合在将电连接元件43推入电绝缘元件41.2中时自动地形成。该凹槽相对于纵轴线CC′倾斜地延伸。凹槽和鼻部被构造为彼此相匹配的，鼻部伸入至凹槽中。缝隙可以防止电机振动从电信号导体41.1传递至电荷传导部23.2，该电荷传导部会将传递来的电机振动作用在压电式接收器元件22.2上并产生电极化电荷，由此会使得对压力变化的检测发生失真。缝隙大于5μm。该缝隙允许电连接元件43和电绝缘元件41.2之间发生较小的相对运动。在本发明的认知中，本领域技术人员当然可以按照其他方式实现锁定元件，因此，可以使第一锁定元件为凹槽，而第二锁定元件为鼻部。
电信号导体41.1和电绝缘元件41.2沿着纵向方向CC′平行于信号线缆护套41.3延伸。信号线缆护套41.3保护电信号导体41.1和电绝缘元件41.2免于损害性的环境影响，例如污染物(灰尘、湿气等)。信号线缆41可以具有同轴电磁屏障件，并能够保护信号导体41.1免于电磁射线形式的电干扰和电磁干扰，并由此能够实现压电式压力传感器1的电磁相容性。信号线缆41可以是几厘米长，但也可以长达几米。
但是也可以完全地弃用信号线缆组件4，从而使传感器组件2直接与分析单元5电连接和机械连接。然后使电荷传导部23.2与分析单元5的电连接元件53材料配合地连接。传感器壳体20.1与分析单元5的支撑体52是一体的。电路板壳体50则代替连接元件壳体40与传感器壳体20.1机械地连接。这种实施方式可以具有如图10所述的特征，从而使得分析单元5的支撑体52具有包括至少一个窗口的支撑体框架，电连接元件可以通过所述窗口从外部进入，并能够利用接合工具达到。这种实施方式也可以具有如图9所示的特征，在此，分析单元5的支撑套筒52的第一锁定元件可以与分析单元5的电绝缘元件的第二锁定元件形成具有缝隙的形状配合或碰触配合。
信号线缆41的后端部与分析单元5电连接和机械连接。为此，分析单元5具有支撑体52。支撑体52是中空圆柱形的，并且由机械稳定的材料构成，例如不锈钢、钢合金等。如图1和图2所示，支撑体52的后部边缘在整个周向上与电路板壳体50的前部边缘机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压缩焊接、钎焊等。信号线缆护套41.3的后端部的关于纵轴线CC′的外表面与分析单元5的支撑体52的关于纵轴线CC′的内表面局部地机械连接。在此可以是任何形式的机械连接，例如材料配合、形状配合和力配合，在此优选是卷边。信号线缆41的电信号导体41.1的后端部通过电连接元件53与电路板51的电信号导体51.1电连接和机械连接。任何形式的电连接和机械连接都是可以的，例如材料配合、形状配合和力配合。电连接元件53和电信号导体51.1可以是一体化的。被电极组件23接收的信号通过电荷传导部23.2被传导至信号线缆组件4的电连接元件43，并从信号线缆组件4的电连接元件43通过信号线缆41的电信号导体41.1和电连接元件53被传导至电路板51的电信号导体51.1上，并在该处被电放大和分析。该信号相对于膜21所检测到的压力变化的大小是成比例的。当然，电路板和电路板的电信号导体也可以是信号线缆组件的组成部分。
图11和图12示出了用于制造压电式压力传感器1的方法的步骤。根据图3的实施方式的传感器组件2和信号线缆组件4被制成为单独的半成品。这样做的优点在于，传感器组件2的变型可以与信号线缆组件4的变型或者直接与分析单元5构成压电式压力传感器1，由此可以降低制造成本。传感器组件2的变型包括具有不同膜强度的膜21和/或具有不同使用温度范围的压电式接收器22。信号线缆组件4的变型包括具有不同长度的信号线缆41和/或具有或没有电磁屏障件的信号线缆41和/或非常短的信号线缆41。其他的变形还有：传感器组件2可以在没有信号线缆组件4的情况下直接与分析单元5机械连接和电连接。
传感器组件2具有设置在传感器壳体组件20中的膜21、压电式接收器22、电极组件23、预紧组件24、第一电绝缘体25、补偿元件26、电绝缘套管组件27和加强壳体20.2。信号线缆组件4具有连接元件壳体40、信号线缆41、支撑体42和电连接元件43。电连接元件43和信号线缆41的前端部设置在支撑体42中。连接元件壳体40关于纵轴线CC′在支撑体42上被推动，并与连接元件壳体凸肩部40.1机械接触地在外侧贴靠在支撑体42的后端部上。因此在根据图11的视图中，支撑体42的后部区域被连接元件壳体40覆盖，而带有支撑体框架42.1的支撑体42的前部区域可以从外部看见并接近。
在第一方法步骤中，电荷传导部23.2的后端部关于纵轴线CC′被推移至电连接元件43中，从而使得电荷传导部23.2的后端部伸入到电连接元件43中，并且电荷传导部23.2的关于纵轴线CC′的外表面与电连接元件43的关于纵轴线CC′的内表面局部地机械接触。
在下一个方法步骤中，电荷传导部23.2的外表面和电连接元件43的内表面彼此局部地电连接和机械连接。该电连接和机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。为此，接合工具通过支撑体框架42.1的窗口在电荷传导部23.2和电连接元件43之间建立材料配合。该接合工具在图11中未示出。该接合工具可以由具有电阻焊接设备的电极组成，然而也可以是卷边工具、激光等。
在接下来的方法步骤中，将连接元件壳体40关于纵轴线CC′相对于传感器壳体20推移，从而如图7和图8中所示出的那样，使连接元件壳体40的前部边缘与传感器壳体20的后部边缘机械地接触并可以从外部接近。对连接元件壳体40的这种推移在图12中以箭头示出。由此，支撑体42的后部区域如图7和图8中所示出的那样与连接元件壳体40的后部边缘基本上是齐平的，并且可以从外部接近，而现在支撑体42的前部区域被支撑体框架42.1覆盖。
现在，在接下来的方法步骤中，使连接元件壳体40局部地与传感器壳体20.1连接。优选连接元件壳体40的前部边缘与传感器壳体20.1的后部边缘在整个周向上彼此机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。为此，接合工具在连接元件壳体40的前部边缘和传感器壳体20.1的后部边缘之间建立材料配合。该接合工具在图12中未示出。
在接下来的方法步骤中，支撑体42局部地与连接元件壳体40机械地连接。优选支撑体42的后部区域在整个周向上与连接元件壳体40的后部边缘机械地连接。该机械连接通过材料配合来实现，例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。为此，接合工具在支撑体42的后部区域和连接元件壳体40的后部边缘之间建立材料配合。该接合工具在图12中未示出。
在本发明的认知中，本领域技术人员可以将不同的实施方式彼此结合。本领域技术人员可以将根据图3的传感器组件的实施方式与根据图4和/或图5或者图6的传感器组件的实施方式相结合。由此，其可以实现这样一种压电式压力传感器：该压电式压力传感器的所有直接参与信号传导的组件均通过材料配合彼此连接。本领域技术人员也可以实现这样一种压电式压力传感器：该压电式压力传感器的组件之间的所有机械连接均为材料配合的连接。还可以实现这样一种压电式压力传感器：其中的电荷传导部直接与电路板材料配合地连接。

Claims (15)

1.一种压电式压力传感器(1)，具有：检测压力变化的膜(21)；压电式接收器(22)，所检测到的压力变化在该压电式接收器上产生极化电荷；电极组件(23)，其接收所产生的极化电荷并作为信号通过电荷传导部(23.2)来传导；电连接元件(43，53)和电信号导体(41.1，51.1)，所述电连接元件(43，53)与所述电信号导体(41.1，51.1)电连接和机械连接；其特征在于，所述电荷传导部(23.2)局部地与所述电连接元件(43，53)材料配合地连接，并且信号通过所述电连接元件(43，53)被传导至所述电信号导体(41.1，51.1)中。
2.根据权利要求1所述的压电式压力传感器(1)，其特征在于，所述电荷传导部(23.2)的后端部伸入所述电连接元件(43，53)中；并且在该区域中，所述电荷传导部(23.2)的外表面与所述电连接元件(43，53)的内表面彼此材料配合地连接。
3.根据权利要求1或2所述的压电式压力传感器(1)，其特征在于，所述压电式压力传感器(1)具有预紧体(24.2)；所述电极组件(23)具有电荷拾取部(23.1)；所述预紧体(24.2)设置在所述电荷拾取部(23.1)的背向所述膜(21)的一侧；并且所述预紧体(24.2)对所述压电式接收器(22)进行机械预紧。
4.根据权利要求3所述的压电式压力传感器(1)，其特征在于，所述电荷拾取部(23.1)和所述预紧体(24.2)通过设置在它们之间的第一电绝缘体(25)彼此电绝缘。
5.根据权利要求3或4所述的压电式压力传感器(1)，其特征在于，所述电荷传导部(23.2)与所述电荷拾取部(23.1)电连接和机械连接；所述电荷传导部(23.2)设置在所述电荷拾取部(23.1)的背向所述膜(21)的一侧；所述电荷传导部(23.2)中心地延伸通过所述第一电绝缘体(25)和所述预紧体(24.2)；并且通过第三间隙与所述第一电绝缘体(25)和所述预紧体(24.2)间隔开；所述电荷传导部(23.2)在所述预紧体(24.2)的背向所述膜(21)的一侧机械地支撑在电绝缘套管组件(27)上，所述电绝缘套管组件(27)与所述预紧体(24.2)机械地连接。
6.根据权利要求5所述的压电式压力传感器(1)，其特征在于，所述电极组件(23)通过所述电荷拾取部(23.1)机械地支撑在第一支撑区域中，其中，所述电荷拾取部(23.1)、所述第一电绝缘体(25)、补偿元件(26)和所述预紧体(24.2)彼此机械地接触；并且，所述电极组件(23)通过所述电荷传导部(23.2)支撑在第二支撑区域中，其中，所述电荷传导部(23.2)、所述电绝缘套管组件(27)和所述预紧体(24.2)彼此机械地连接。
7.根据权利要求5或6所述的压电式压力传感器(1)，其特征在于，所述电绝缘套管组件(27)具有第一适配元件(27.1)、第二电绝缘体(27.2)和第二适配元件(27.3)；所述电荷传导部(23.2)与所述第二适配元件(27.3)电连接和机械连接；并且所述电荷传导部(23.2)和所述预紧体(24.2)通过设置在它们之间的所述第二电绝缘体(27.2)彼此电绝缘。
8.根据权利要求3或4所述的压电式压力传感器(1)，其特征在于，所述电极组件(23)通过所述电荷拾取部(23.1)机械地支撑在第一支撑区域中，其中，所述电荷拾取部(23.1)、所述第一电绝缘体(25)、补偿元件(26)和所述预紧体(24.2)彼此机械地连接。
9.根据权利要求8所述的压电式压力传感器(1)，其特征在于，所述电极组件(23)通过所述电荷拾取部(23.1)支撑在第三支撑区域中，其中，所述电荷拾取部(23.1)、所述压电式接收器(22)、所述预紧套筒(24.1)和所述预紧体(24.2)彼此机械地连接。
10.根据权利要求9所述的压电式压力传感器(1)，其特征在于，所述压电式接收器(22)具有压电元件(22.2)和第二支承元件(22.3)；所述第二支承元件(22.3)设置在所述压电元件(22.2)的背向所述膜(21)的一侧；所述第二支承元件(22.3)设置在所述压电元件(22.2)和所述电荷拾取部(23.1)之间；并且所述第二支承元件(22.3)与所述压电元件(22.2)材料配合地连接，并且与所述电荷拾取部(23.1)材料配合地连接。
11.根据权利要求10所述的压电式压力传感器(1)，其特征在于，所述压电式接收器(22)具有第一支承元件(22.1)；所述第一支承元件(22.1)设置在所述压电元件(22.2)的朝向所述膜(21)的一侧；并且所述第一支承元件(22.1)与所述压电元件(22.2)材料配合地连接，并且与预紧套筒(24.1)材料配合地连接。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的压电式压力传感器(1)，其特征在于，所述电连接元件(43)在外表面上具有第一锁定元件(43.00)，所述第一锁定元件伸入位于电绝缘元件(41.2)的内表面上的第二锁定元件(41.20)中；并且所述第一锁定元件(43.00)和所述第二锁定元件(41.20)被构造为彼此相匹配的并构成具有间隙的形状配合或碰触配合。
13.一种用于制造根据权利要求1至12中任一项所述的压电式压力传感器(1)的方法，其特征在于，传感器组件(2)作为半成品被提供，所述传感器组件(2)具有膜(21)、压电式接收器(22)和具有电荷传导部(23.2)的电极组件(23)；提供具有传感器线缆组件(4)或分析单元(5)的电连接元件(43，53)；电荷传导部(23.2)局部地与所述电连接元件(43，53)结合在一起；并且在所述电荷传导部(23.2)和所述电连接元件(43，53)之间建立材料配合。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，提供具有支撑体(42)的信号线缆组件(4)，所述支撑体(42)具有支撑体框架(42.1)；将所述电连接元件(43)设置在所述支撑体(42)中，所述电连接元件(43)能够通过所述支撑体框架(42.1)中的至少一个窗口从外部接近；并且通过所述支撑体框架(42.1)中的窗口建立材料配合。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，提供具有连接元件壳体(40)的信号线缆组件(4)，所述连接元件壳体(40)在所述支撑体(42)上被推动，并且所述支撑体框架(42.1)在连接元件壳体(40)被推移的情况下能够从外部接近；所述传感器组件(2)具有传感器壳体(20)；所述电荷传导部(23.2)设置在所述传感器壳体(20)中，所述连接元件壳体(40)在建立材料配合之后相对于所述传感器壳体(20)被推移，并且所述支撑体框架(42.1)在所述连接元件壳体(40)已回移的情况下不再能够从外部接近。
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