CN107543629B - 具有传热元件的温度传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度传感器，包括用于将所感测的温度转换为电输出信号的温度感测元件。本发明还涉及一种用于制造这样的温度传感器的方法。温度传感器(100)包括用于将所感测的温度转换为电输出信号温度感测元件(102)、用于至少部分地包封温度感测元件(102)的保护外壳(108)、以及用于保护温度传感器元件(102)的传热元件(112)，传热元件(112)形成为用于接收温度元件(102)的至少一部分的护套，其中传热元件(112)的外表面与保护外壳(108)的内壁导热接触，其中所述传热元件(112)被制造为与所述温度传感器元件(102)分离的预制件。

Description

具有传热元件的温度传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种温度传感器，其包括温度感测元件，以将所感测的温度转换为(transducing)电输出信号。本发明还涉及一种用于制造这样的温度传感器的方法。根据本发明的温度传感器特别适用于监测高温。

背景技术

在工业生产和汽车应用的许多领域中都需要从所感测的温度形成电输出信号的温度传感器。这样的温度传感器基本上包括与待监测的介质接触的外部保护外壳、以及温度敏感元件，所述温度敏感元件布置在所述保护外壳内，并将所感测的温度转换为电输出信号。为了实现快速的响应时间和精确的测量，重要的是在温度敏感元件和外部介质之间提供特别好的导热连接，使得温度敏感元件的位置处的温度尽可能精确地反映保护外壳外部的温度。

另一方面，例如在汽车应用中，要求温度传感器是鲁棒的(特别是振动稳定的)并且承受高温(高达1000℃)。因此，已知用陶瓷材料(粘固物或粉末)填充保护外壳的内壁与温度敏感元件的外表面之间的空间。

然而，仍然需要具有快速的响应时间和改善的精确度的鲁棒的温度传感器。

上述目的由独立权利要求的主题来解决。本发明的有利实施例是从属权利要求的主题。

发明内容

本发明提供一种温度传感器，其包括用于将所感测的温度转换为电输出信号的温度感测元件、用于至少部分地包封所述温度感测元件的保护外壳、以及用于保护所述温度传感器元件的传热元件，所述传热元件形成为用于接收所述温度元件的至少一部分的护套，其中所述传热元件的外表面与所述保护外壳的内壁导热接触。

本发明是基于将传热元件制造为与所述温度传感器元件分离的预制件(prefabricated part)的构思。提供预制的传热元件的优点在于，在组装温度传感器时不需要处理粉末或液体。有利地，传热元件由导电材料形成。当使用覆盖有电绝缘涂层或外罩的温度感测元件时，传热元件不需要电绝缘，并且可以利用导电材料的较高导热性。

特别地，使用多孔金属来制造传热元件实现了从保护外壳的外部到温度感测元件的敏感区域的显著改善的传热。特别是与保护外壳的陶瓷填料相比，多孔金属的导热系数(thermal conductivity)通常较高。另一方面，多孔金属具有足够的弹性，以避免损坏温度感测元件。此外，由于是导电的，传热元件可以附加地作为屏蔽元件，以抵抗温度感测元件的位置处的对电输出信号的电磁干扰。与全金属材料相比，多孔金属更轻且更具延展性。材料的多孔性允许在温度感测元件周围存在氧，从而确保改善的长期稳定性。

与常规的矿物绝缘填料相比，对于400℃以上的温度值，根据本发明的多孔金属的导热系数随着温度的升高而增加。

根据本发明的示范性实施例，传热元件由压缩金属丝网(compressed metal wiremesh)制造。这种结构的优点在于传热元件的表面具有弹簧般的弹性，其安全地缓冲温度感测元件，以抵抗冲击和振动。由于保护外壳和温度感测元件的热膨胀系数不同，金属丝网的弹性和可压缩性降低了对温度感测元件施加的机械应力的量。

有利地，所述压缩金属丝网可以由编织丝网(knitted wire mesh)形成。编织材料的优点在于传热元件可以由单个丝线或限定数量的丝线制造，从而显著地减少了松散的丝线可能导致温度传感器内的短路或损坏温度感测元件的风险。

除了压缩的丝网以外，还可以使用任何其他多孔金属来制造传热元件。例如，传热元件可以由以下制造：焊接的或烧结的金属颗粒、金属泡沫、蜂窝状金属(cellularmetal)、或金属泡沫。

可以看出，当所述传热元件具有大约45％的密度时，即空隙体积相当于大约55％时，柔性和弹性、以及导热特性是特别有利的。

此外，传热元件也可以借助于3D打印、机加工、或模制来制造为实心件。

根据本发明，选择耐腐蚀、温度稳定、且导热性高的金属或金属合金来制造传热元件。例如，所述金属包括铂、铜、铝、镍、镍铬合金、镍硅合金和/或镍铬钼铌合金。当然也可以选择其它金属，并且所选择的材料也取决于特定的制造技术。例如，为了生产编织丝线，必须确保足够的拉伸强度和断裂强度。

另外，所述多孔金属的空隙和丝网的自由空间分别可以填充有空气或金属氧化液。对于铂电阻温度感测元件，有利的是在填料中存在氧气。

有利地，传热元件成型为具有基部区域和两个相对的侧壁，所述侧壁从所述基部区域垂直地延伸，且形成用于容纳温度感测元件的凹部。这允许在不用旋转的情况下，将温度感测元件接收在传热元件内。因此，在操作期间可以将更少的摩擦力施加到温度感测元件。

为了确保从保护外壳朝向温度感测元件的足够的热传递，传热元件具有至少部分圆柱形的轮廓，其与所述保护外壳的基本上圆柱形的内部轮廓匹配。有利地，在保护外壳和传热元件之间提供稍微的压配合。

对于本领域技术人员显而易见的是，可以在根据本发明的温度传感器中使用任何合适类型的温度感测元件。例如，所述温度感测元件包括电阻式温度检测器(RTD)、热敏电阻或硅基温度传感器。

特别地，使用单晶硅的硅IC传感器允许IC(集成电路)增强的片上制造。然而，使用IC工艺也将硅基温度传感器的操作限制在大约150℃的上限。通常使用两种类型的硅传感器：基于体电荷传导和pn结电压差的扩展电阻。另外，基于陶瓷氧化物组分的热敏电阻被制造为呈现NTC或PTC(负的或正的温度系数)电阻特性，在这种情况下，随着温度的升高，传感器的电阻降低或增加若干个数量级。在所谓的RTD(电阻式温度检测器)高温传感器中，印刷有铂薄膜感测元件，然后将其嵌入氧化铝—陶瓷层状结构内。随着温度的升高，铂元件的电阻线性地增加。

根据本发明的温度传感器可以有利地用于汽车应用。这里，在50℃至150℃的温度范围中，使用硅传感器测量并控制空气、气体和流体。热敏电阻型传感器在在55℃至1000℃的各种范围内工作。热敏电阻用于测量发动机冷却剂温度，且还通常用作液位传感器来检测冷却剂、燃料、润滑剂、制动和转向流体(在这种情况下，当浸没和未浸没在流体中时，传感器的自加热温度之间的差异提供输出信号)。为了测量非常高(超过1050℃)的温度，如催化剂过热监测的车载诊断(OBD)要求所需要的，热敏电阻型传感器和RTD型传感器都被使用。为了满足OBD要求，这些传感器必须响应于在给定持续时间内限定的温度阶跃变化。

对于高温应用，RTD是铂电阻高温传感器，例如PT200传感器。

本发明还提供一种用于制造温度传感器的方法，所述方法包括以下步骤：

提供温度感测元件，所述温度感测元件可操作为将所感测的温度转换为电输出信号；

制造保护外壳，以至少部分地包封所述温度感测元件；

由多孔金属制造传热元件；

将传热元件安装在所述温度传感器元件上，所述传热元件形成为护套，以用于接收所述温度元件的至少一部分，

组装所述保护外壳，使得所述传热元件的外表面与所述保护外壳的内壁传热接触。

除了上述优点之外，上述制造方法的优点是可以以完全自动化的方式进行，并且在组装温度传感器时无需处理任何粉末或液体。

根据本发明的有利方法，制造多孔传热元件的步骤包括压缩丝网(优选编织丝网)、焊接或烧结金属颗粒、或者生产金属泡沫、蜂窝状金属、或金属泡沫。

在现有技术中，存在许多成熟的制造技术来生产这些不同的多孔金属结构。

例如，压缩编织丝网可以通过编织、并且然后压缩直径为0.05mm的600来制造。例如，可以选择压缩力来产生约50％至55％的剩余空隙量。可选地，可以执行后编织处理步骤，例如防腐蚀和防氧化步骤。压缩传热元件可以进一步经受可选的退火步骤，以便在由于压缩步骤引起的塑性变形之后重置丝线的弹性行为。

用于生产可以编织的丝线的其他合适的金属是镍200、镍铬硅热电偶丝(Nicrosil)、或者镍硅热电偶丝(Nisil)。对于低温应用，也可以使用具有高达400W/m·K的导热系数的铜线。

根据本发明的另一有利实施例，传热元件由相互连接的金属颗粒制造。例如，可以提供烧结金属颗粒，其被压缩成期望的形状或者由烧结坯料机加工。另外，焊接技术(如冲击焊接)也可用于从金属粉末形成多孔金属传热元件。

另外，还可以由金属泡沫、泡沫或其他蜂窝状金属来制造多孔金属结构。对于高温应用，可以使用稳定的金属，例如，镍和镍合金。多孔金属和金属泡沫目前是非常活跃的研究和开发活动的焦点，本领域技术人员知晓用于制造这些结构的大量制造技术。

附图说明

将附图并入说明书中并且形成说明书的一部分，以说明本发明的若干实施例。这些附图与说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅仅是为了说明如何制造和使用本发明的优选和替代示例的目的，而不应将其解释为将本发明仅限于示出和描述的实施例。另外，根据本发明的解决方案，实施例的若干方面可以单独地或以不同的组合形成。因此，以下描述的实施例可以单独考虑或者以其任意组合来考虑。如附图所示，从以下对本发明的各种实施例的更具体的描述中，其他特征和优点将变得显而易见，在附图中相似的附图标记指代相似的元件，且其中：

图1是根据本发明的示范性实施例的温度传感器的透视、部分剖视图；

图2是传热元件的透视图；

图3是图2所示的传热元件的侧视图；

图4是图2所示的传热元件的另一侧视图；

图5是图2所示的传热元件的俯视图；

图6是由编织丝网形成的传热元件的透视图；

图7是600、铝和镍200的随温度而变的导热系数的示意图；

图8是根据本发明的另一示范性实施例的温度传感器的透视、部分剖视图。

具体实施方式

现在将参考附图更详细地解释本发明，首先参考图1。

图1示出了根据本发明的示范性实施例的温度传感器100的透视、部分剖视图。这样的温度传感器可以例如用于测量汽车中的废气温度。温度传感器100可以包括温度感测元件102，其可操作为将所感测的温度转换为电输出信号。根据有利的实施例，温度感测元件包括PT200传感器作为实际的温度检测器。铂传感器由于其在高温范围内的潜在精度和长期稳定性而特别有利。这些感测元件使用铂金属的热系数。为了减少铂的使用量，且为了获得更多的信号，目前大多数铂感测元件都是薄膜电阻器的形式。

然而，对于本领域技术人员显而易见的是，也可以根据本发明使用其他小型化的温度感测元件。例如，温度感测元件102可以包括另一电阻式温度检测器(RTD)、热敏电阻或硅基半导体温度传感器。

电输出信号在连接到电缆(图中未示出)的导电引线104处输出。

高温传感器的一个汽车应用例如是测量废气的温度。这意味着可能是还原性或氧化性的侵蚀性气体，含有硫、氮、氢、氧及其各种化合物。这与温度结合确定了外壳和配件的材料。因此，电缆可以例如是矿物绝缘电缆。

另外，为了保护温度感测元件102抵抗侵蚀性气氛，提供保护外壳108。在图1中，保护外壳108以剖视图示出，以便示出安装在内部的温度感测元件102和传热元件112。保护外壳108优选为管状，并接收温度感测元件102。保护外壳108可以例如由金属制造。为了填充保护外壳108的内壁与温度感测元件102的传导区域110的外表面之间的空间，提供根据本发明的传热元件112。传热元件112代替常规温度传感器使用的陶瓷粉末填料。

根据本发明，传热元件112在温度传感器100的组装之前制造，并且例如由导电材料形成。更具体地，传热元件112可以由多孔金属制造。

这样的构造的优点在于，在组装温度传感器100不需要处理粉末或流体。传热元件112在保护外壳108的内壁与温度感测元件102的传导区域110的外表面之间提供导热路径。此外，保护了机械敏感的传导区域110抵抗振动和冲击。

传热元件可以例如借助于3D打印、机加工、烧结、冲压、模制等来制造。

另外，传热元件112可以通过形成多孔金属结构的任何合适的技术来制造。如上面提到的，传热元件可以由压缩的丝网(优选编织丝网)、焊接或烧结的金属颗粒、或者由金属泡沫、蜂窝状金属或金属泡沫制造。对于所有这些材料，重要的方面是空隙存在于金属基体内。这导致机械柔性，允许吸收冲击和振动，同时仍然受益于金属的优良导热系数。

根据本发明的示范性实施例，传热元件112由编织和压缩的丝网制造。可以看出，可以通过压缩编织丝网由具有0.05mm的截面直径的600丝线来制造具有大约45％的密度的传热元件。相应地，存在大约55％的空隙百分比。这些空隙可以填充有空气、惰性气体或导热流体。编织工艺允许用单个丝线或已知数量的丝线生产实心部分，从而与编织丝网相比显著地减少了丝线松动的风险。

通过金属编织传热元件112替代常规的矿物绝缘填料材料，改善了保护外壳108和温度感测元件102之间的热传导。因此，可以实现显著改善的响应时间。编织丝网的多孔性进一步允许在温度感测元件102周围存在氧，其在铂耐热元件的情况下确保更好的长期稳定性。

另外，由于所涉及的材料的热膨胀，编织丝网的弹性和可压缩性降低了对温度感测元件102施加的机械应力的水平。

图2至图5示出了可以在图1所示的布置中使用的传热元件112的有利实施例。应当注意，几何尺寸可以通过任何上述制造多孔金属的技术来实现。

如图2所示，传热元件112包括基部区域116和两个相对的侧壁118，两个相对的侧壁118从基部区域116基本上垂直地延伸。基部区域116和侧壁118一起形成用于容纳换区域110的凹部120。传热元件112的外表面形成为匹配保护外壳108的内表面。因此，在最终的组装状态，传热元件112与保护外壳108传热接触。另一方面，侧壁118的内壁与温度感测元件102的传导区域110传热接触。因此，可以实现从外部环境通过保护外壳108和传热元件112到传导区域110的有效的热传递。

为了避免当将温度感测元件102插入传热元件112中时对其造成损坏，传热元件112沿着侧壁118的边缘包括倒角区域122。

如从图5可见，传热元件112具有基本上圆形的轮廓，所述基本上圆形的轮廓在其外围装配在保护外壳108的圆柱形的内部空间内。

图6示出了通过编织和压缩的丝线制造的传热元件112。如已经提到的，根据编织丝网的压缩力和丝线直径，传热元件112具有大约45％的密度。根据本发明，传热元件112应当承受从﹣40℃到大约+1100℃的温度范围。编织丝网应当没有缺陷，例如夹杂物、丢失的股线、穿孔或氧化。优选地，达到约50％的自由体积。

优选地，不存在丢失或切割的股线，使得传热元件112通过单独的压缩而进入其最终形式。然而，当选择生产多孔金属结构(例如烧结或发泡的金属)的另一种可能性时，预先制造坯料也是有利的，然后所述坯料通过机械加工过程进入最终形式。

编织丝网可以通过金属的大面板制造。示范性的线材例如是600、镍200、镍铬硅热电偶丝或镍硅热电偶丝。另外，对于较低温度的应用，也可以选择铜线，因为铜具有高达400W/m·K的高导热率。

为了避免腐蚀或氧化，可以提供可选的后编织工艺。另外，也可以在压缩发生之后执行退火步骤。

图7显示了三种不同线材(600，铝和镍200)的随温度变化的导热系数的示意图。曲线700表示/>600的随温度变化的导热系数，而曲线702和704分别示出了由镍200和铝制造的传热元件112的导热系数。如从这一比较可以看出，镍200以及600呈现出其导热系数随温度的升高而升高的有利特性。对于镍200，这种行为只能在高于400℃的温度下发现。

图8示出了根据本发明的温度传感器100的替代实施例。与图1至图6所示的第一实施例相比，传热元件112具有接收温度感测元件102的闭合矩形容置部114。除了这种其形式上的差异之外，参照图1至图6解释的所有其他特征也适用于图8所示的实施例。

总而言之，本发明提供了一种用于填充温度感测元件102和闭合保护管108之间的间隙的改进思路，并且确保了从管进入温度感测元件的改进的热传递，并且免去了通常的陶瓷粘固物(cement)或粉末填料。因此，填料可以在插入温度感测元件之前形成，这对于制造过程是有利的。

附图标记

Claims (9)

1.一种温度传感器，包括：

温度感测元件(102)，其用于将所感测的温度转换为电输出信号；

保护外壳(108)，其用于至少部分地包封所述温度感测元件(102)；

传热元件(112)，其用于保护所述温度感测元件(102)，所述传热元件(112)形成为用于接收所述温度感测元件(102)的至少一部分的护套，其中所述传热元件(112)的外表面与所述保护外壳(108)的内壁导热接触；

其中，所述传热元件(112)被制造为与所述温度感测元件(102)分离的预制件；

其中，所述传热元件(112)具有基部区域(116)和两个相对的侧壁(118)，所述两个相对的侧壁从所述基部区域(116)垂直地延伸，且具有彼此相对的两个平坦内表面，所述两个平坦内表面形成用于容纳所述温度感测元件(102)的凹部(120)；

其中，传热元件由压缩的丝网制造且具有50％至55％的剩余空隙量。

2.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，所述传热元件(112)由金属制造，所述金属包括铂、铜、铝、镍、镍铬合金、镍硅合金和/或镍铬钼铌合金。

3.根据权利要求1或2所述的温度传感器，其中，所述丝网的空隙填充有空气或金属氧化液。

4.根据权利要求1所述的温度传感器，其中，所述传热元件(112)具有至少部分圆柱形的轮廓，所述至少部分圆柱形的轮廓与所述保护外壳(108)的基本上圆柱形的内部轮廓匹配。

5.根据权利要求1或2所述的温度传感器，其中，所述温度感测元件(102)包括电阻式温度检测器(RTD)、热敏电阻、或硅基温度传感器。

6.根据权利要求5所述的温度传感器，其中，所述电阻式温度检测器是铂电阻高温传感器。

7.一种用于制造温度传感器的方法，所述方法包括以下步骤：

提供温度感测元件(102)，所述温度感测元件可操作为将所感测的温度转换为电输出信号；

制造保护外壳(108)，所述保护外壳用于至少部分地包封所述温度感测元件(102)；

压缩丝网以制造传热元件(112)且使得所述传热元件(112)具有50％至55％的剩余空隙量，其中将传热元件(112)制造为与所述温度感测元件(102)分离的预制件，且使得所述传热元件(112)具有基部区域(116)和两个相对的侧壁(118)，所述两个相对的侧壁从所述基部区域(116)垂直地延伸，且具有彼此相对的两个平坦内表面，所述两个平坦内表面形成用于容纳所述温度感测元件(102)的凹部(120)；

将所述传热元件(112)安装在所述温度感测元件(102)上，使得所述温度感测元件(102)位于所述传热元件(112)的凹部(120)中，所述传热元件(112)形成为用于接收所述温度感测元件(102)的至少一部分的护套，

组装所述保护外壳(108)，使得所述传热元件(112)的外表面与所述保护外壳(108)的内壁导热接触。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述传热元件(112)由导电材料制造。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述传热元件(112)由铂、金、铜、铝、镍、镍铬合金、镍硅合金和/或镍铬钼铌合金制造。