CN107727309A - 压力测量单元和用于涂覆压力测量单元的载体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力测量单元(50)和用于涂覆压力测量单元(50)的载体(52)的方法，以及涉及具有这种压力测量单元(50)的压力传感器机构，该压力测量单元具有构成测量膜(52.1)的载体(52)，该测量膜在待检测的压力(P)的作用下变形，其中在载体(52)的表面上施加有绝缘层(54)，在该绝缘层上施加有测量结构(55)，该测量结构检测测量膜(52.1)的变形并且产生至少一个代表所检测的压力(P)的电输出信号。在此绝缘层(54)被施加为在其上印制测量结构(55)的等离子体层。

Description

压力测量单元和用于涂覆压力测量单元的载体的方法

技术领域

本发明涉及一种根据独立权利要求所述类型的压力测量单元或用于涂覆压力测量单元的载体的方法。本发明的对象还包括具有这种压力测量单元的压力传感器机构。

背景技术

由现有技术已知由多个部件制成的压力传感器机构以用于压力测量。将压力转化为电信号通过所谓的压力测量单元实现。在压力测量单元的载体上借助于不同的薄膜工艺施加测量结构，优选惠斯通测量电桥。这些薄膜工艺非常复杂且昂贵并且必须在超净间中进行，以便可没有夹杂物、污染或缺陷地制造薄膜。对于薄膜工艺必须至少研磨压力测量单元的表面。通过附加的保护层保护测量结构的回纹以免受污染和潮湿，因为否则可形成电桥或短路并且由此可由于电化学腐蚀破坏测量结构。在由现有技术已知的压力测量单元中通过施加保护漆或凝胶产生附加的保护层。在已知的方法中必须通过复杂的掩膜工艺露出用于接触测量结构的接合面或者在与对应的接合线接触之后才可通过保护漆或凝胶保护接合面。

由DE 10 2014 221 365 A1已知一种用于传感器机构的预装配组件和对应的传感器机构，其具有实施为压力测量单元的测量元件、旋转对称的传感器载体和电路载体。测量元件与传感器载体连接并且电路载体具有内部接口，该接口采集测量元件的至少一个电输出信号。电路载体的基体实施为具有内部接合几何结构的空心圆柱体，该内部接合几何结构与测量元件的外部轮廓相匹配并且包围该测量元件。此外电路载体的基体通过卡夹连接与传感器载体机械连接。

发明内容

具有独立权利要求1所述特征的压力测量单元和具有独立权利要求6所述特征的用于涂覆压力测量单元载体的方法具有如下优点，即可制造简单且更低成本的压力传感器机构，该压力传感器机构使用更简单且更低成本制造的压力测量单元来替代复杂制备的压力测量单元。通过绝缘层可有利地避免在测量结构的元件之间的不期望的短路并且便于测量结构的印制。

通过施加绝缘层作为等离子层并且由用于将电阻迹线施加在绝缘层上的简单印制工艺代替昂贵且复杂的薄膜工艺，可在压力测量单元的待涂覆的几何结构方面实现较大的变化。此外可通过大气压等离子体工艺将绝缘层施加在任意表面上并且产生具有平面的绝缘层，在该平面上可印制测量结构。由此例如可将液压和/或电气的连接几何结构集成到压力测量单元的几何结构中，从而可省去压力测量单元和电路载体的分离。此外多个部件可组成构件或预装配组件。有利地还可将绝缘层和测量结构直接施加到应在其中测量压力的流体块上。因为对于大气压等离子体工艺和印制工艺不需要超净间的条件，可进一步降低压力测量单元和具有这种压力测量单元的对应压力传感器机构的制造成本。

本发明的实施方式提供了一种具有载体的压力测量单元，该载体构成测量膜。测量膜在待检测的压力的作用下变形。在载体的表面上施加有绝缘层，在该绝缘层上施加有测量结构，该测量结构检测测量膜的变形并且产生至少一个代表所检测的压力的电输出信号。在此将绝缘层施加为在其上印制测量结构的等离子层。

此外提出了一种用于涂覆压力测量单元载体的方法，该载体构成测量膜。在载体的表面上施加绝缘层，其中在绝缘层上施加测量结构。在此借助于大气压等离子体工艺施加绝缘层并且将测量结构印制在绝缘层上。

通过使用用于施加绝缘层的大气压等离子体工艺和用于施加测量结构的印制工艺，没有对环境条件提出特殊要求，从而也可在超净间之外在生产线上制造压力测量单元。

优选使用无接触式印制系统或印制工艺，例如喷墨系统或喷墨工艺，其将墨滴喷射到载体表面上，以将测量结构印制到载体上。代替普通的印制墨水使用包含具有预设的特定欧姆电阻或电导的导电材料(例如金属颗粒和/或碳颗粒)的墨水(丙酮/乙醇)。通过该印制工艺可印制具有相应几何结构的测量结构，该测量结构通过所包含的导电材料具有所期望的欧姆薄膜电阻。

因此例如可使用连续喷墨工艺，其使用具有多个喷嘴的喷嘴板并且以较高的频率朝待印制的表面连续地喷射墨滴。墨滴在从喷嘴板逸出时被加载静电并且通过施加不同的电流而偏转。通过该偏转在待印制的表面上产生所期望的测量结构。未使用或未偏转的墨滴又被收集并且回送到墨水回路。此外可使用连续的气溶胶喷射工艺，在其中使具有导电材料的墨滴通过超声或空气湍流雾化并且喷射。作为替代可使用按需滴定工艺，其产生具有预定大小的墨滴并且分别朝待印制的表面喷射。在按需滴定工艺中，具有导电材料的墨水位于印制头中的墨罐中。在墨罐中建立负压，以使墨水不会自动从印制头下方的喷嘴逸出。该压力设置为使得始终有一滴墨位于喷嘴中。通过合适的装置使喷嘴腔缩小并且使具有导电材料的墨滴从喷嘴喷射到待印制的表面上，从而产生所期望的测量结构。该系统的优点在于，可控制墨滴大小。此外可使用比在连续喷墨工艺中具有更高粘度的溶剂基墨水。

压力测量单元优选地可用在具有保护套的压力传感器机构中，在其中布置有压力测量单元、电路载体和具有垂直于电路载体表面布置的电路板的连接和电路装置以及支撑机构，其中电路板载有具有至少一个电子和/或电气元件的电子电路，支撑机构包括具有外部轮廓的基体并且封闭保护套。压力测量单元与传感器载体连接，该传感器载体具有带有用于保护套的连接区域的固定法兰。电路载体的基体与传感器载体机械连接并且具有内部接口，该内部接口采集压力测量单元的至少一个电输出信号并且施加到电子电路。支撑机构的基体构成具有至少一个电触点的外部接口，通过该外部接口可采集电子电路的至少一个输出信号。该至少一个触点通过电连接部与电路板的对应触点电连接。

通过在从属权利要求中列出的措施和改进方案可有利地改进在独立权利要求1中所说明的压力测量单元和在独立权利要求6中所说明的用于涂覆压力测量单元载体的方法、在独立权利要求10中所说明的压力传感器机构。

特别有利的是，绝缘层可由二氧化硅构成并且可具有在1μm至10μm范围中的层厚度。这种似石英或似玻璃的层非常经久耐用且不受温度影响并且可在具有所指定的层厚度时提供足够的根基和用于施加测量结构的平坦表面。

在压力测量单元的有利的设计方案中，测量结构可具有测量电桥和至少一个第一触点，通过该第一触点可采集至少一个电输出信号。测量电桥可包括多个电阻迹线和可将电阻迹线和/或至少一个第一触点通过电路相互连接的导电迹线。测量电桥优选实施为惠斯通电桥，其中惠斯通电桥的各个电阻可构造为回纹型。

在压力测量单元的另一有利的设计方案中，可在测量结构上施加具有在50nm至200nm范围中的层厚度的保护层。通过所施加的保护层可有利地保护测量结构的构件以防污染和潮湿，从而可防止短路和电化学腐蚀。保护层优选地由二氧化硅构成。这种似石英或似玻璃的层非常经久耐用且不受温度影响并且可在具有所指定的层厚度时提供对测量结构的足够的保护。

在用于涂覆压力测量单元载体的方法的有利设计方案中，可使用六甲基二硅氧烷作为在大气压等离子体工艺中的前体。由此可由二氧化硅简单且低成本地制成似石英或似玻璃的保护层。

在该方法的另一有利的设计方案中，在利用大气压等离子体束施加绝缘层之前可清洁载体的表面。此外在利用大气压等离子体束施加之后可将绝缘层硬化。

在该方法的另一有利的设计方案中，可在测量结构上借助于大气压等离子体工艺施加完全覆盖该测量结构的保护层。

在压力测量单元的有利的设计方案中，载体可实施为盘或流体块的区段。传感器载体例如可实施为具有轴向内孔和环形固定法兰以及至少一个连接区域的车削件，其中在内孔的第一端部处构造有测量连接部并且内孔的第二端部通过压力测量单元的测量膜闭合。此外实施为盘的载体可流体密封地与传感器载体连接。因此实施为盘的载体可模制在传感器载体上并且在一道工序中与传感器载体一起制造。作为替代，流体块可构成传感器载体并且具有孔，该孔流体密封地被压力测量单元的测量膜封闭。在本实施方式中可将绝缘层和测量结构直接施加到应在其中测量压力的流体块的表面上。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在以下说明中加以详细阐释。在附图中相同的附图标记表示执行相同或相似功能的部件或元件。

附图简述：

图1示出了根据本发明的压力传感器机构的第一实施例的示意性透视局部剖视图，其具有根据本发明的压力测量单元的第一实施例。

图2示出了具有图1的压力测量单元的测量机构的示意性立体图。

图3示出了根据本发明的压力传感器机构的第二实施例的示意性立体局部剖视图，其没有保护套而具有根据本发明的压力测量单元的第二实施例。

图4示出了图3的压力传感器机构下部的示意性立体局部剖视图。

图5示出了具有图3和图4的压力测量单元的测量机构的示意性立体图。

图6示出了根据本发明的压力测量单元的一个实施例在测量膜区域中的示意性剖视图。

图7示出了在清洁工序期间根据本发明的压力测量单元的一个实施例在测量膜区域中的示意性剖视图。

图8示出了在涂覆工序期间的图7中的压力测量单元。

图9示出了在硬化工序期间的在图7和图8中的压力测量单元。

具体实施方式

如由图1至图9可见，所示出的压力测量单元50、50A、50B的实施例分别包括构成测量膜52.1的载体52。测量膜52.1在待检测的压力P的作用下变形。在载体52的表面上施加有绝缘层54，在该绝缘层上施加有测量结构55。测量结构55检测测量膜52.1的变形并且产生至少一个代表所检测的压力P的电输出信号。在此绝缘层54作为等离子体层被施加，在其上印制测量结构55。

在所示出的压力测量单元50、50A、50B的实施例中，绝缘层54由二氧化硅构成并且具有在2μm至10μm范围中的层厚度。

特别是由图1至图5进一步可见，在所示出的实施例中测量结构55具有测量电桥56和四个第一触点56.3，通过第一触点可采集至少一个电输出信号。测量电桥56实施为具有四个构造为回纹型的电阻迹线56.1的惠斯通电桥。此外测量结构55具有多个导电迹线56.2，其将电阻迹线56.1和/或第一触点56.3通过电路相互连接，从而实现了惠斯通电桥的功能性。

特别是由图6进一步可见，在所示出的压力测量单元50、50A、50B的实施例中在测量结构55上施加有具有在50nm至200nm范围中的层厚度的保护层57，其完全覆盖测量结构55，以保护测量结构55免受污染和潮湿。

通过用于涂覆压力测量单元50、50A、50B的构成测量膜52.1的载体52的方法，借助于大气压等离子体工艺将绝缘层54施加到载体52的表面上。然后在绝缘层54上印制测量结构55。

如由图7进一步可见，在利用大气压等离子体束施加绝缘层54之前清洁载体52的表面，该等离子体束从等离子体喷嘴2流到载体52的表面上。图8示出了利用大气压等离子体工艺施加绝缘层54，其中在所示出的实施例中使用六甲基二硅氧烷作为前体。如由图9进一步可见，在利用大气压等离子体束施加之后将绝缘层54硬化。在所示出的实施例中绝缘层54由二氧化硅构成并且具有在2μm至10μm范围中的层厚度。当然也可使用具有类似特性的其他材料，以产生绝缘层54。绝缘层54的特性、例如厚度和材料以如下方式选择，即补偿载体52的表面不平度并且简化用来施加测量结构55的印制工序。保护层57同样借助于大气压等离子体工艺被施加在测量结构55上。

如由图1至图6进一步可见，在所示出的实施例中压力传感器机构1、1A、1B分别包括保护套20，在其中布置有压力测量单元50、50A、50B，电路载体60、60A、60B和具有垂直于电路载体60、60A、60B的表面布置的电路板40的连接和电路装置3以及支撑机构30，其中电路板载有具有至少一个电子和/或电气元件44.1、44.2的电子电路44。支撑机构30包括具有外部轮廓37的基体32并且封闭保护套20。压力测量单元50、50A、50B与传感器载体10、10A、10B连接，该传感器载体具有带有用于保护套20的连接区域16的固定法兰12。电路载体60、60A、60B的基体62、62A、62B与传感器载体10、10A、10B机械连接并且具有内部接口24A、24B，该内部接口采集压力测量单元50、50A、50B的至少一个电输出信号并且施加在电子电路44上。支撑机构30的基体32构成具有至少一个电触点34的外部接口26，通过该外部接口可采集电子电路44的至少一个输出信号。该至少一个触点34通过电连接部与电路板40的对应触点连接。

如由图1至图5进一步可见，在所示出的实施例中压力传感器机构1、1A、1B的测量机构9、9A、9B分别包括压力测量单元50、50A、50B、传感器载体10、10A、10B和电路载体60、60A、60B，它们构成用于压力传感器机构1的预装配组件。压力测量单元50、50A、50B产生至少一个代表所检测的压力P的电输出信号并且具有至少一个第一触点56.3，通过该第一触点可采集至少一个电输出信号。压力测量单元50、50A、50B与传感器载体10机械连接，该传感器载体在待测量的介质和压力测量单元50、50A、50B之间建立流体连接。电路载体60、60A、60B与传感器载体10、10A、10B机械连接并且压力测量单元50、50A、50B的至少一个第一触点56.3以电气方式与电路载体60的至少一个第二触点66A、66B电连接，该至少一个第二触点在接触状态下与布置在电路板40上的电子电路44的第三触点46连接。

如由图1和图3进一步可见，电路板40的基体41通过机械的接合几何结构42与电路载体60、60A、60B耦连，其中在电路板40的基体41处的接合几何结构42构成凹槽42.1，该凹槽在两个对置侧分别被引导臂42.2限定。引导臂42.2在接触状态下至少部分地插入电路载体60、60A、60B的外部接合几何结构64A、64B的对应凹槽中。如由图1和图3进一步可见，电路板40在引导臂42.2的区域中具有接触面，其构成第三触点46并且通过导电轨42.3与电子电路44连接。第三触点46与对应的第二触点66A、66B或在电路载体60、60A、60B的基体62、62A、62B上的外部接合几何结构64A、64B区域中的接触面构成内部电接口24A、24B。电路板40插在电路载体60、60A、60B的基体62、62A、62B上的外部接合几何结构64A、64B的凹槽或容纳口中并且必要时在此利用保持粘接剂和导电粘接剂7固定，以确保在电路载体60、60A、60B和电路板40之间的导电连接并且固定电路板40。例如将保持粘接剂引入到电路载体60、60A、60B的凹槽或容纳口的基面处并且例如将导电粘接剂施加到电路板40的接触面46上。作为替代，在电路载体60、60A、60B、的基体62、62A、62B处的第二触点66A、66B可实施为弹性的接触元件，其将与电路板40的插入方向垂直的力施加到电路板40的接触面46上并且同时使插入到外部接合几何结构64A、64B的凹槽或容纳口中的电路板40固定，从而在此处可省去保持粘接剂和导电粘接剂7。电路板40的基础载体42在另一端部处具有未详细示出的触点，其与支撑机构30的基体32的对应触点相接触。支撑机构30的基体32包括两个半壳32.1、32.2，其在所示出的实施例中分别实施为塑料压注件，在其中嵌入有冲压格栅，该冲压格栅构成外部接口26的触点34以及金属化通孔和对应触点。

如由图1和图2进一步可见，在所示出的第一实施例中压力测量单元50A的载体52实施为金属盘52A，在其上印制有绝缘层54和测量结构55。传感器载体10A构造为车削件，其具有轴向内孔和环形固定法兰12与至少一个连接区域16。在内孔的第一端部处在固定法兰12下方构造有测量连接部18作为自锁连接部并且可将其与在图1和图2中未详细示出的流体块压合或连接。内孔的第二端部通过压力测量单元50A的测量膜52.1闭合。在所示出的实施例中金属盘52A在一道工序中与传感器载体10A一起制造，从而金属盘52A流体密封地与传感器载体10A连接。

如由图1和图2进一步可见，在所示出的第一实施例中压力测量单元50A的实施为金属盘52A的载体52附加地构成电路载体60A的基体62A。由此可节省装配步骤。在电路载体60A的基体62A处或在压力测量单元50A的实施为金属盘52A的载体52处作为外部接合几何结构64A构造有两个凹槽以用于容纳电路板40的对应的引导臂42.2。在凹槽的边缘处分别设置有两个导电区域，其伸入到凹槽中并且分别构成第二触点66A。作为附加，电路载体60A的第二触点66A通过导电迹线56.2与压力测量单元50A的对应的第一触点56.3电连接。电路板40的引导臂42.2在插入并接触的状态下支撑在法兰表面14上。如由图1进一步可见，固定法兰12具有构造为阶梯的连接区域16，保护套20压紧在该连接区域上。作为附加或替代，可将保护套20与连接区域16焊接。

如由图3至图5进一步可见，在所示出的第二实施例中压力测量单元50B的载体52实施为流体块8的区段52B，在其上印制有绝缘层54和测量结构55。此外流体块8的区段52B构成传感器载体10B并且具有流体通道8.1，该流体通道流体密封地被压力测量单元50B的测量膜52.1封闭。

如由图3至图5进一步可见，在所示出的第二实施例中压力测量单元50B的实施为流体块8的区段52B的载体52附加地构成电路载体60B的基体62B。在电路载体60B的基体62B处或在压力测量单元50B的实施为流体块8的区段52B的载体52处作为外部接合几何结构64B在流体块8中引入了两个容纳口以用于容纳电路板40的对应的引导臂42.2。在容纳口的边缘处分别设置有两个导电区域，其伸入到凹槽中并且分别构成第二触点66B。作为附加，电路载体60B的第二触点66B通过导电迹线56.2与压力测量单元50B的对应的第一触点56.3电连接。电路板40的引导臂42.2在插入并接触的状态下支撑在容纳口的底部处。此外压力测量单元50B的实施为流体块8的区段52B的载体52具有未详细示出的连接区域，保护套20压紧在该连接区域上。作为附加或替代，可将保护套20与该连接区域焊接。

Claims (11)

1.压力测量单元(50)，其具有构成测量膜(52.1)的载体(52)，所述测量膜在待检测的压力(P)的作用下变形，其中在所述载体(52)的表面上施加有绝缘层(54)，在所述绝缘层上施加有测量结构(55)，所述测量结构检测所述测量膜(52.1)的变形并且产生代表所检测的压力(P)的至少一个电输出信号，其特征在于，所述绝缘层(54)作为等离子体层被施加，在它上面印制所述测量结构(55)。

2.根据权利要求1所述的压力测量单元，其特征在于，所述绝缘层(54)由二氧化硅构成并且具有在2μm至10μm范围中的层厚度。

3.根据权利要求1或2所述的压力测量单元，其特征在于，所述测量结构(55)具有测量电桥(56)和至少一个第一触点(56.3)，通过该第一触点能采集所述至少一个电输出信号。

4.根据权利要求3所述的压力测量单元，其特征在于，所述测量电桥(56)包括多个电阻迹线(56.1)和导电迹线(56.2)，所述导电迹线将所述电阻迹线(56.1)和/或所述至少一个第一触点(56.3)通过电路相互连接。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的压力测量单元，其特征在于，在所述测量结构(55)上施加具有在50nm至200nm范围中的层厚度的保护层(57)。

6.用于涂覆压力测量单元(50)的载体(52)的方法，该载体构成测量膜(52.1)，其中将绝缘层(54)施加到所述载体(52)的表面上，并且将测量结构(55)施加到所述绝缘层(54)上，其特征在于，借助于大气压等离子体工艺施加所述绝缘层(54)，并且将所述测量结构(55)印制到所述绝缘层(54)上。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，使用六甲基二硅氧烷作为在大气压等离子体工艺中的前体。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在利用大气压等离子体束施加所述绝缘层(54)之前清洁所述载体(52)的表面，并且在利用大气压等离子体束施加之后使所述绝缘层(54)硬化。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其特征在于，借助于大气压等离子体工艺在所述测量结构(55)上施加完全覆盖所述测量结构(55)的保护层(57)。

10.压力传感器机构(1)，其具有保护套(20)，在其中布置有压力测量单元(50)、电路载体(60)、连接和电路装置(3)以及支撑机构(30)，所述连接和电路装置具有垂直于所述电路载体(60)的表面布置的电路板(40)，所述电路板载有具有至少一个电子和/或电气元件(44.1、44.2)的电子电路(44)，所述支撑机构包括具有外部轮廓(37)的基体(32)并且封闭所述保护套(20)，其中所述压力测量单元(50)与传感器载体(10)连接，该传感器载体具有带有用于所述保护套(20)的连接区域(16)的固定法兰(12)，其中所述电路载体(60)的基体(62)与所述传感器载体(10)机械连接并且具有内部接口(24A、24B)，其采集所述压力测量单元(50)的至少一个电输出信号并且将其施加给所述电子电路(44)，其中所述支撑机构(30)的基体(32)构成具有至少一个电触点(34)的外部接口(26)，通过该外部接口能采集所述电子电路(44)的至少一个输出信号，其中所述至少一个触点(34)通过电连接部与所述电路板(40)的对应触点电连接，其特征在于，所述压力测量单元(50)根据权利要求1至5中至少一项构造。

11.根据权利要求10所述的压力传感器机构，其特征在于，所述压力测量单元(50)的载体(52)实施为盘(52A)或实施为流体块(8)的区段(52B)。