CN110036287A

CN110036287A - 电容式水滴传感器和包含其的公用仪表

Info

Publication number: CN110036287A
Application number: CN201680091278.1A
Authority: CN
Inventors: 拉斯·叶斯帕森; 亨里克·博克·斯蒂芬森
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2019-07-19
Also published as: WO2018108242A1; EP3552003A1; EA201991364A1

Abstract

本发明涉及一种电容式水滴传感器(1)，该电容式水滴传感器包括印刷电路板。该传感器(1)包括第一电极(6)和第二电极(7)，该第一电极和该第二电机均布置在该印刷电路板的传感器层中。该第一电极(6)和该第二电极(7)形成该传感器(1)的电容器(2)。本发明的任务是提供一种更容易集成到现有印刷电路板中的电容式传感器。为此，通过电绝缘的非吸水性材料(8)将该第一电极(6)和该第二电极(7)完全覆盖至该印刷电路板的外部。

Description

电容式水滴传感器和包含其的公用仪表

本发明涉及一种电容式水滴传感器，电容式水滴传感器包括印刷电路板，其中传感器包括第一电极和第二电极，第一电极和第二电极均布置在印刷电路板的传感器层中，其中第一电极和第二电极形成传感器的电容器。此外，本发明还涉及一种包括这种电容式水滴传感器的公用仪表。

在电子产品领域，由冷凝水引起的腐蚀和短路是一个长期存在的问题。根据电子产品的应用和环境，这个问题可能或多或少地严重。特别地，对于靠近或甚至集成在水管或水箱中的电子应用，甚至微小的泄漏(如果没有检测到)也可能导致电子产品发生故障。

因此，在现有技术中已知将电容式湿度传感器集成到印刷电路板(PCB)中以发信号通知所测量的空气中的相对湿度是否达到使电子产品有危险的水平。为此，电容器被吸水的绝缘层覆盖。这样，电容器的容量将根据与电容器相邻的吸水层中吸收的水量而改变。

然而，这个解决方案的缺点在于它使PCB的结构复杂化。特别地，吸水层是非标准部件，该部件使结构复杂化并且增加了PCB的成本。

因此，本发明的任务是提供一种用于已知的电容式相对湿度传感器的不太复杂的替代方案。

根据本发明，上述任务得以解决在于：第一电极和第二电极通过电绝缘的非吸水性材料被完全覆盖至印刷电路板的外部。

与已知的相对湿度传感器相比，解决方案因此省去了与电容器相邻布置的吸水层。这具有以下缺点：传感器比已知的相对湿度传感器灵敏度低，后者能够检测PCB周围空气中的高湿度水平。然而，如果水滴凝结在覆盖第一电极和第二电极的非吸水性材料的表面上，则本发明将仅检测容量的显著变化。同时，将电容式传感器集成到PCB中变得更加容易和便宜。电容式传感器可以包括其他电路元件。在传感器中，包括第一电极和第二电极的电容器可以与诸如一个或多个电阻器和/或晶体管的其他电路部件组合。电容式传感器可以包括振荡器电路。通过确定振荡器电路的频率，可以检测电容器的容量相对于容量的参考值的变化。这是因为如果水被吸附在该非吸水性材料的表面上，则电容器的容量将改变。

在实施例中，非吸水性材料是树脂层压板、塑料或阻焊膜。树脂层压板、某些塑料和阻焊膜是PCB的标准材料，可以选择这些材料作为电绝缘和非吸水性材料。树脂层压板可以是纤维或织物增强层压板。树脂层压板可以是例如玻璃纤维增强层压板，例如FR-4。塑料可以是合适的电绝缘、非吸水性塑料，例如特氟龙(Teflon)。然而，电绝缘的非吸水性材料也可以是PCB层的任何其它合适的衬底材料，如氧化铝陶瓷或共烧陶瓷。

在实施例中，非吸水性材料是树脂层压板或塑料，树脂层压板或塑料是与传感器层靠近的印刷电路板层的一部分。在实施例中，第一电极和第二电极由树脂层压板或塑料覆盖，树脂层压板或塑料是PCB的相邻层的一部分。然后可以通过从金属层(例如铜层)中蚀刻出第一电极和第二电极、例如用热固性树脂形成传感器层、并且然后在传感器层的顶部形成PCB的另一层来在传感器层中形成电容器。在最后一步中，覆盖电容器的层的区域应该仅包括电绝缘的非吸水性材料，即不应在电容器的正上方形成导电轨道。在优选实施例中，印刷电路板包括至少三层，其中传感器层布置成靠近两个表面层中的至少一个表面层。该实施例确保由第一电极和第二电极形成的电容器布置得足够靠近印刷电路板的表面，使得水滴在印刷电路板的表面上的吸附将对电容器的容量产生足够大的影响。

在实施例中，传感器层是印刷电路板的最外层中的一个最外层，并且非吸水性材料是覆盖传感器层的阻焊膜。在这里和在本申请的其余部分中，阻焊膜不是印刷电路板层的一部分。

在实施例中，从金属层(例如，铜层)中蚀刻出第一电极和第二电极。在本实施例中，可以沿着布置在传感器层中的剩余电路系统形成电容器。在这里和整个申请中，“传感器层”表示其中至少布置有第一电极和第二电极的层。这个传感器层当然可以包括印刷电路板的许多其他电路系统元件。

在实施例中，第一电极合并到金属层的其余部分中。由于通过蚀刻掉第一电极和第二电极之间的空间可以将电容器放置在传感器层的任何“未使用”区域中，所以本实施例简化了印刷电路板的结构。然后可以将剩余的未使用区域留在传感器层中，使得第一电极合并到金属层的其余部分中。另外，金属层可以是铜层。

在实施例中，非吸水性材料具有粗糙表面以增加水滴的吸附。由于存在较大数量的微观槽和凹口，所以粗糙表面增加了水滴的吸附。这些微缺陷局部降低了吸附所需的能量。

在实施例中，第一电极与第二电极之间的距离基本上恒定。

在实施例中，第一电极和第二电极形成双线螺旋图案。这种双线螺旋图案允许有效地使用为电容器提供的区域。替代地，第一电极和第二电极可以形成梳状图案。梳状图案可以是单面或双面的。

在实施例中，第一电极和第二电极形成圆形双线螺旋图案、椭圆形双线螺旋图案或矩形双线螺旋图案。

在实施例中，传感器包括振荡器电路，其中振荡器电路包括第一电极和第二电极的电容器、电阻器以及与非门(NAND-Gate)。然而，传感器不一定包括这些部件，因为其足以能够检测该电容器的容量变化。

上述任务得以解决还在于一种公用仪表，公用仪表包括根据上述实施例中任一项所述的电容式水滴传感器。

在实施例中，公用仪表是流量计。

在实施例中，公用仪表是热量计。

现在参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了根据本发明的电容式水滴传感器的振荡器电路的示意性电路图，

图2a至图2c示出了根据本发明的电容器的图案的几个实例，

图3a至图3c示出了根据图2a至图2c的实施例，此外示出了由非吸水性材料覆盖的区域，

图4a至图4c示出了覆盖有阻焊膜的电容器的实施例，

图5示出了电容器的实施例，其中第一电极合并到周围金属层的其余部分中。

图1示出了根据本发明的电容式水滴传感器1的振荡器电路的示意性布置。在下文中，电容式水滴传感器1简单地表示为传感器1。传感器1包括电容器2，该电容器布置在印刷电路板的传感器层中。此外，传感器1包括电阻器3以及与非门4。

振荡器电路是采用施密特触发器(Schmitt-trigger)的RC振荡器电路，如图所示，其中振荡器由ENABLE输入端子5上的高信号来使能。振荡频率由电阻器3的电阻R、电容器2的电容以及施密特触发器输入与非门4的电压阈值确定。振荡器电路的振荡频率取决于源自电容器的杂散电场，该杂散电场受到电容器附近的冷凝水滴(例如，已经吸附在印刷电路板上的液滴)的影响。这些水滴增加了电容器的电容，从而改变了振荡器电路的振荡频率。由此，可以通过振荡器电路的振荡频率的变化来间接地测量电容器附近的水滴的出现。一旦电容器的推断容量超过预定阈值，电容式水滴传感器就可以确定在印刷电路板附近存在危险水平的湿度。

图2a至图2c示出了传感器1的电容器2的三个实施例。电容器2包括第一电极6和第二电极7。图2a、2b和2c示出了第一电极6和第二电极7形成双线螺旋图案的实施例。在图2a中，第一电极6和第二电极7形成矩形双线螺旋图案。在图2b中，第一电极6和第二电极7形成椭圆形双线螺旋图案。在图2c中，第一电极6和第二电极7形成圆形双线螺旋图案。

图3a至图3c对应于图2a至图2c的电极形状。另外，图3a至图3c示意性地示出了布置有电绝缘的非吸水性材料8的区域，该材料将第一电极6和第二电极7完全覆盖至印刷电路板的外部。由非吸水性材料8覆盖的区域可以大于由第一电极6和第二电极7占据的区域。

例如，非吸水性材料8可以是环氧树脂，特别是玻璃环氧树脂或是阻焊膜。图4a至图4c示出了与图2a至图3c相同的电极图案，但是在这种情况下，非吸水性材料8是阻焊膜。在非吸水性材料8是阻焊膜的情况下，其中布置有电容器2的传感器层优选地是印刷电路板的最外层中的一个最外层。如果非吸水性材料8是环氧树脂(例如与传感器层相邻的印刷电路板层的一部分)，则传感器层优选地是与印刷电路板的最外层中的一个最外层靠近的层。

图5示出了第一电极6和第二电极7的替代图案。此处，第一电极6合并到金属层9的其余部分中。由于传感器层的“未使用”区域可以通过简单地蚀刻两个电极6、7之间的空间并且将剩余的金属层9留在未使用区域中而设置有第一电极6和第二电极7，所以本实施例与先前实施例相比，制造起来略微简单一些。当然，第一电极6也可以呈例如在图2b和图2c中示出的第一电极6和第二电极7的形状或者电极6、7的任何其他形状合并到金属层9的其余部分中。

第一电极6和第二电极7还可以形成图中所示的替代形状，例如，单面梳状图案或双面梳状图案。在这种情况下，第一电极6可以基本上围住第二电极7。

电容式水滴传感器1可以是在应用中使用的公用仪表的一部分，该应用具有增加的高湿度进入公用仪表的风险。例如，该公用仪表可以是流量计或热量计，该流量计或热量计均可以布置在流体管线或流体箱附近。

Claims

1.一种电容式水滴传感器(1)，该电容式水滴传感器包括印刷电路板，其中该传感器(1)包括第一电极(6)和第二电极(7)，该第一电极和该第二电极均布置在该印刷电路板的传感器层中，其中该第一电极(6)和该第二电极(7)形成该传感器(1)的电容器(2)，其特征在于，通过电绝缘的非吸水性材料(8)将该第一电极(6)和该第二电极(7)完全覆盖至该印刷电路板的外部。

2.根据权利要求1所述的电容式水滴传感器(1)，其特征在于，该非吸水性材料(8)是树脂层压板、塑料或阻焊膜。

3.根据权利要求2所述的电容式水滴传感器(1)，其特征在于，该非吸水性材料是树脂层压板或塑料，该树脂层压板或塑料是与该传感器层靠近的该印刷电路板层的一部分。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电容式水滴传感器(1)，其特征在于，该印刷电路板包括至少三层，其中该传感器层布置成靠近该印刷电路板的两个表面层中的至少一个表面层。

5.根据权利要求2或4所述的电容式水滴传感器(1)，其特征在于，该传感器层是该印刷电路板的最外层中的一个最外层，并且该非吸水性材料(8)是覆盖该传感器层的阻焊膜。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的电容式水滴传感器(1)，其特征在于，该第一电极(6)和该第二电极(7)从金属层(9)中蚀刻出。

7.根据权利要求6所述的电容式水滴传感器(1)，其特征在于，该第一电极(6)合并到该金属层(9)的其余部分中。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的电容式水滴传感器(1)，其特征在于，该非吸水性材料(8)具有粗糙表面以增加水滴的吸附。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电容式水滴传感器(1)，其特征在于，该第一电极(6)与该第二电极(7)之间的距离基本上恒定。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的电容式水滴传感器(1)，其特征在于，该第一电极(6)和该第二电极(7)形成双线螺旋图案。

11.根据权利要求10所述的电容式水滴传感器(1)，其特征在于，该第一电极(6)和该第二电极(7)形成圆形双线螺旋图案、椭圆形双线螺旋图案或矩形双线螺旋图案。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的电容式水滴传感器(1)，其特征在于，该传感器(1)包括振荡器电路，其中该振荡器电路包括该第一电极(6)和第二电极(7)的电容器(2)、电阻器(3)以及与非门(4)。

13.一种公用仪表，其特征在于，该公用仪表包括根据权利要求1至12中任一项所述的电容式水滴传感器(1)。

14.根据权利要求13所述的公用仪表，其特征在于，该公用仪表是流量计。

15.根据权利要求13所述的公用仪表，其特征在于，该公用仪表是热量计。