CN107870054A - 感测流体介质压力的压力传感器和其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于感测测量室中的流体介质的压力的压力传感器(10)和一种用于制造该压力传感器的方法。所述压力传感器包括压力接头(12)和用于感测流体介质的压力的传感器元件(24)，借助于压力接头能够将压力传感器(10)安装在测量室上或安装在该测量室中。在压力接头(12)中构造有输入通道(18)。传感器元件(24)布置在衬底(20)上。输入通道(18)由衬底(20)来封闭并且构造用于将流体介质输入至传感器元件(24)。压力接头(12)和衬底(20)一件式地构造，并且传感器元件(24)被印刷到衬底(20)上。

Description

感测流体介质压力的压力传感器和其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于感测测量室中的流体介质的压力的压力传感器和一种用于制造该压力传感器的方法。
背景技术
由现有技术已知用于感测流体介质、例如气体和液体的压力的不同的装置和方法。压力这样的测量参数是在气体和液体中出现的、全面作用的、没有指向的力作用。为了测量压力，存在动态地和静态地起作用的测量值接收器或传感器。动态地起作用的压力传感器仅用于测量气态或液态介质中的压力波动。压力测量可以例如直接地、经由膜片变形或通过力传感器实现。尤其为了测量非常高的压力原则上可能的是，将电阻暴露给介质，因为许多已知的电阻显示出压力相关性。然而在此，对同时的电阻与温度的相关性的抑制和电接头从压力介质中压力密封的穿出表现为困难的。
因此，一个广泛传播的压力感测方法为了获取信号首先使用薄的膜片作为机械的中间级，该膜片在一侧暴露给压力并且在该压力的影响下弯曲。该膜片可以在宽的界限内根据厚度和直径适配于相应的压力范围。小的压力测量范围导致相对大的膜片，该膜片具有可以处于0.1mm至1mm范围内的弯曲。然而，高的压力要求有小直径的较厚的膜片，这些膜片大部分仅仅弯曲几微米。例如在Konrad Reif(编者)：Sensoren im Kraftfahrzeug，2010第一版，第80-82页和第134-136中描述了这种压力传感器。
为了将压力传感器安装在测量室中或安装在该测量室上，该压力传感器通常具有压力接头。压力接头可以例如实施为螺纹接头并且被旋入到测量室的壁中。真正的测量值接收器或真正的传感器元件要么直接地要么间接地通过中间载体布置在支座上。支座与压力接头要么整体地或一件式地构造，例如在DE 10 2009 054 689 A1中所描述的那样，要么支座和压力接头是单独的构件，所述构件借助于焊接持久地相互连接，例如在DE 10 2011088 044 A1中所描述的那样。
尽管由现有技术已知的压力传感器有大量优点，这些压力传感器仍包含改进潜力。因而在之前所提到的现有技术中，传感器元件借助于薄层技术或者作为玻璃粘接的硅应变片制造在衬底或载体上。在此，衬底或载体包括膜片。由于所利用的半导体技术，用于产生传感器元件的电阻的薄层可以仅施加在小的片粒形的衬底或载体上。然后，这些片粒被焊接到具有输入通道的压力接头上。由于焊缝，不能将该传感器用于例如3000巴的高压应用，因为焊缝会破裂。
发明内容
因此，提出一种压力传感器和一种用于制造该压力传感器的方法，它们至少在很大程度上避免已知压力传感器的缺点并且尤其能够实现即使针对最高压力应用也具有高信号精度的传感器。本发明原则上适用于感测任何使用地点上的压力，尤其是在机动车中待测量的压力、尤其是例如在共轨中存在的高压和最高压的范围内的压力。
所提出的压力传感器用于感测测量室中的流体介质的压力。该压力原则上可以作为绝对压力和/或也作为压力差来感测。此外，可以在相应地集成对应构件的情况下确定流体介质的一个或多个另外的物理和/或化学特性，例如包括温度、另一压力、流动特性或一个或多个其他特性。
测量室原则上可以是任意的室，在该室中静止地或流动地接收流体介质、即气体和/或液体。测量室尤其可以是燃料系统的一部分。因此，压力传感器可以尤其使用或构型用于感测燃料压力。
压力传感器具有压力接头，借助于该压力接头能够将压力传感器安装在测量室上或安装在该测量室中。在压力接头中构造有输入通道。压力接头可以例如构造为压力接管。压力接管在本发明的范围内应理解为具有至少一个孔的附件或管件，流体介质穿过该孔可以导引至传感器元件，该孔例如是柱状接管中的柱状孔。压力接管可以构造为耐压的接管，以便例如不由于在燃料管路中出现的高压而受损。
压力接头可以尤其借助于一个或多个连接元件、例如借助于至少一个外螺纹固定在测量室的壁中，该外螺纹啮合到测量室的壁的内螺纹中。然而替代地或附加地，其他固定方案原则上也是可能的。所述固定可以尤其密封压力地和/或密封介质地进行。
此外，压力传感器具有用于感测流体介质的压力的传感器元件。传感器元件布置在衬底上。衬底包括膜片。在本发明的范围内，膜片应理解为薄的材料层。膜片具有以下特性：在负载下变形、尤其弯曲，仅接收拉力并且可以将该拉力转递到该膜片的边缘上。这样的膜片具有100μm至300μm、例如200μm的厚度。
输入通道由衬底封闭并且构造用于将流体介质输入至传感器元件。根据本发明提出：压力接头和衬底与膜片一件式地构造并且传感器元件被印刷到衬底上。因此，在本发明中使用具有集成的膜片的一件式压力接管。该方案的优点是：膜片在没有起弱化作用的焊缝的情况下放置在压力接管上并且因此可以覆盖最高压力范围。传感器元件的施加到膜片上的压力允许传感器元件本身以小的造型的方式非常准确地构造。传感器元件可以例如借助于筛网印刷来施加。筛网印刷具有以下优点：该筛网印刷是一种成本有利的方法，该方法也可以用于小批量生产。在筛网印刷之后紧接着，大部分需要用于交联或再熔化的热工艺。本发明允许使用不同的方式用于构造传感器元件。
优选地，压力接头和衬底整体式地构造，即由一个件组成地、连续地并且无接缝地构造。因而压力接头和衬底例如制造为由金属构成的一个唯一的构件。
传感器元件可以尤其构造为结构化的层。在本发明的范围内，层应理解为一定高度的面状延展的统一的质量体，该质量体处于其他元件上面、下面或之间。相应地，传感器元件可以薄地构造，并且各个敏感元件可以构造为在层中的结构。
所述层可以由金属制造。这样的材料能够好地结构化。所述金属例如是合金、例如CuNiMn。
在传感器元件和膜片之间可以布置有具有电绝缘特性的层、尤其是电介质。由此，传感器元件相对于通常由金属制造的压力接头电绝缘，以便因而避免信号失真。
根据本发明的、用于制造用于感测测量室中的流体介质的压力的压力传感器的方法包括：
-提供压力接头，借助于该压力接头能够将压力传感器安装在测量室上或安装在该测量室中，其中，在压力接头中构造有输入通道，
-通过衬底封闭输入通道，
-将用于感测流体介质的压力的传感器元件布置在衬底上，其中，输入通道构造用于将流体介质输入至传感器元件。压力接头和衬底一件式地构造。将传感器元件印刷到衬底上。
传感器元件可以作为层被印刷到衬底上并且结构化。例如借助于筛网印刷将所述层印刷到衬底上。
所述层可以由金属制造，因为这样的材料能够好地结构化。
在传感器元件和膜片之间可以布置具有电绝缘特性的层、尤其是电介质，由此使传感器元件与压力接头电绝缘。
本发明的基本构思是应用一种印刷方法，用于使一件式的压力接头电绝缘并且设有功能层、例如惠斯通电桥，以便测量金属膜片的拱起、应变和伸展。由于由压力通道或输入通道所施加的压力而发生金属膜片的拱起。借助于印刷技术能够将不同的、尤其纳米尺度的弥散体和膏添加地借助于掩膜或以数码的形式应用到二维和三维表面上。这些结构可以在印刷之后借助于激光、紫外线束或红外线束、通过焙烤工艺或通过电烧结来热激活，以便例如建立导电结构。
为此，使能印刷的敏感材料适应在机动车技术方面常见的要求并且鉴定用于优质钢膜片的绝缘。可实现的是，将应变传感器借助于筛网印刷印刷到绝缘的优质钢衬底上。
绝缘层(聚合物氧化物，Polymeroxid)作为第一层被印刷或喷射，以便使功能层相对于金属载体电绝缘，在第二步骤中借助于筛网印刷结构化地施加功能层(CuNiMn)。
通过本发明能够实现一件式的、由传感器元件和螺纹件组成的压力传感器，该压力传感器允许新的压力传感器设计可行方案，并且可以成本有利地制造。不需要净化室技术来实现传感器元件层。此外，根据本发明的方法允许更容易地生产传感器结构。
附图说明
本发明的其他可选的细节和特征由下面对附图中示意性示出的优选实施例的描述得出。
附图示出:
图1根据本发明的压力传感器的横截面视图，和
图2和3根据本发明的用于制造压力传感器的方法的不同步骤的横截面视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的压力传感器10的示例性实施方式。压力传感器10可以例如构造用于感测内燃机的燃料管路中的燃料的压力。压力传感器10包括压力接头12。压力接头12构造为压力接管并且具有外螺纹14。外螺纹14用于将压力接头12固定在测量室的壁上或固定在测量室的壁中，其中，外螺纹14啮合到测量室的壁的配合成型的内螺纹中。压力接头12由金属制成。
压力接头12在一端部上具有用于待测量的被压力加载的介质的开口16，该介质处于未示出的测量室、例如燃料管路中。在压力接头12中构造输入通道18。输入通道18连接到开口14上。输入通道18由衬底20通过膜片21来封闭。衬底20如此布置，使得膜片21处于压力接头12的与开口16相对置的端部上。此外，压力接头12与呈六角形形式的壳体支座22连接。在壳体支座22上可以布置未详细示出的传感器壳体。
压力接头12和衬底20一件式地并且优选整体式地构造。因而压力接头12和衬底20制造为由金属构成的一个构件。在衬底20上布置有用于感测流体介质的压力的传感器元件24。更确切地，传感器元件24被印刷到衬底20上。在此，输入通道18构造用于将流体介质输入至传感器元件24。传感器元件24构造为经结构化的层26。层26由金属制造。可选的，在层26与膜片20之间可以布置具有电绝缘特性的层28。例如在层26与衬底20之间布置有电介质。具有电绝缘特性的层28例如由聚合物氧化物(Polymeroxid)制造。
接下来参考图2和3描述用于制造压力传感器10的方法。在此，图2和3示出用于制造压力传感器10的方法的不同步骤的横截面视图。
图2示出所述方法开始时的横截面视图。提供压力接头12。在压力接头12中构造有输入通道18。输入通道18可以例如构造为孔，该孔从压力接头12的一端部延伸到该压力接头中，而不会完全贯穿该压力接头。因此，压力接头12构造有开口16和连接到该开口上的输入通道18。通过使输入通道18以盲孔的类型构造，使得输入通道18由衬底20封闭。由此也使得衬底20和压力接头14一件式地、尤其整体式地构造。在此，图2仅示出压力传感器10在衬底的膜片21的区域中的部分剖面。
例如借助于筛网印刷将由电绝缘材料构成的可选的层28印刷到衬底20的膜片21上。可选的层28可以具有10μm至100μm、例如25μm的层厚度，并且与相应的施加方法有关。具有在外边缘上的筛网框架32的筛网30被放置到膜片21上。筛网30具有用于待形成的结构的开口34。将印刷膏36施加到筛网30上。印刷膏36例如由CuNiMn制成。借助于沿着箭头40的方向按压到筛网上并且沿着箭头42的方向运动的刮板38将印刷膏填充或涂抹到开口34中。
图3示出接下来的方法步骤的横截面视图。将筛网30从膜片21移除或脱开。之前填充到开口34中的印刷膏36保留在膜片21上并且形成传感器元件24的结构化部。在筛网印刷之后紧接着，可能需要的是用于交联或再熔化的热工艺。以该方式使传感器元件24实现为结构化的层26。
因此，传感器元件24处于传感器壳体的内部，并由此免受外部影响并且尤其免受流体介质的影响。传感器元件24尤其如此布置在传感器壳体24中或布置在该传感器壳体上，使得该传感器元件为了测量介质的压力而能够间接地暴露给介质。传感器元件24例如在膜片21的背离介质的侧上具有电阻。这些电阻可以连接成惠斯通电桥，该惠斯通电桥的电阻由于由膜片21的下侧所施加的压力和膜片21的由此产生的变形而改变。
压力信号的准备和信号放大借助于电路板上的未详细示出的分析处理电路进行，该分析处理电路能够以专用集成电路(英语，application-specific integratedcircuit，ASIC)、也被称为定制芯片的形式来实现，或者通过混合电路来实现。ASIC是一种已实现为集成电路的电子电路。由此，不能再操纵ASIC的功能。

Claims (10)

1.压力传感器(10)，用于感测测量室中的流体介质的压力，所述压力传感器包括压力接头(12)和用于感测所述流体介质的压力的传感器元件(24)，借助于该压力接头能够将所述压力传感器(10)安装在所述测量室上或安装在所述测量室中，其中，在所述压力接头(12)中构造有输入通道(18)，其中，所述传感器元件(24)布置在衬底(20)上，其中，所述输入通道(18)由所述衬底(20)来封闭并且构造用于将所述流体介质输入至所述传感器元件(24)，
其特征在于，
所述压力接头(12)和所述衬底(20)一件式地构造，并且所述传感器元件(24)被印刷到所述衬底(20)上。
2.根据权利要求1所述的压力传感器(10)，其中，所述压力接头(12)和所述衬底(20)整体式地构造。
3.根据权利要求1或2所述的压力传感器(10)，其中，所述传感器元件(24)构造为结构化的层(26)。
4.根据权利要求3所述的压力传感器(10)，其中，所述结构化的层(26)由金属制造。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的压力传感器(10)，其中，在所述传感器元件(24)和所述衬底(20)之间布置具有电绝缘特性的层(28)、尤其是电介质。
6.用于制造压力传感器(10)的方法，所述压力传感器用于感测测量室中的流体介质的压力，所述方法包括
-提供压力接头(12)，借助于所述压力接头能够将所述压力传感器(10)安装在所述测量室上或安装在所述测量室中，其中，在所述压力接头(12)中构造有输入通道(18)，
-通过衬底(20)来封闭所述输入通道(18)，
-将用于感测所述流体介质的压力的传感器元件(24)布置在所述衬底(20)上，其中，所述输入通道(18)构造用于将所述流体介质输入至所述传感器元件(24)，
其特征在于，
-所述压力接头(12)和所述衬底(20)一件式地构造，并且将所述传感器元件(24)印刷到所述衬底(20)上。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，将所述传感器元件(24)作为层印刷到所述衬底(20)上并且结构化。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，结构化的层(26)由金属制造。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中，借助于筛网印刷方法将所述传感器元件(24)印刷到所述衬底(20)上。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中，在所述传感器元件(24)和所述衬底(20)之间布置具有电绝缘特性的层(28)、尤其是电介质。
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