CN111386443A - 非接触式工作的路程传感器 - Google Patents

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Abstract

关于使用构造简单的装置在高温范围内进行可靠的测量，提供了一种非接触式工作的路程传感器，具有适合于高温的传感器元件(1)并且具有与所述传感器元件(1)电耦合并带有控制电子器件和/或评估电子器件的电子器件，其特征在于，所述电子器件被设计用于高于125℃的温度范围并直接与所述传感器元件(1)连接或集成到所述传感器元件(1)中。

Description

非接触式工作的路程传感器
技术领域
本发明涉及一种非接触式工作的路程传感器，其具有适合于高温的传感器元件并且具有与所述传感器元件电耦合并带有控制电子器件和/或评估电子器件的电子器件。
背景技术
在实践中，非接触式工作的路程传感器是众所周知的，所述路程传感器例如是带有集成电子器件的用于在-40℃至最高125℃的范围内的温度的路程传感器。在更高的温度情况下，所述电子器件通常与所述传感器元件分离或分开布置，从而将所述电子器件从高温范围排除出去。标准实施的常规CMOS电子器件可以在高达125℃的范围内使用。
在这一点上应该强调的是，本发明涉及一种路程传感器，其可以在高于125℃的所谓高温范围内工作。在此，该术语包括适用于位移测量、位置测量、距离测量、厚度测量等的路程传感器。
由WO 2014/114279 A1已知一种开头所述类型的适合于所述高温范围的非接触式工作的路程传感器。在该文献中描述的传感器情况下，适用于高温的传感器元件被专用补偿元件和壳体包围。电子器件在此与所述传感器元件分离，并经由具有矿物绝缘物的耐高温钢护套缆线与所述传感器元件电耦合。
在已知的由涡流传感器形成的非接触式工作的路程传感器中有问题的是，缆线连接的两个接触部(一个在所述传感器元件上，一个在所述电子器件上)本身带来了多个缺点。这些缺点在下面进行了解释：
由于在已知路程传感器中的缆线是测量链的一部分，这是因为所述传感器元件和所述电子器件是经由缆线连接的，因此在所述路程传感器的操作期间出现的非常小且高频的信号必须经由所述缆线和所述接触部传输。由于所述传感器元件一侧的缆线不可避免地也处于高温范围内，因此需要特殊的专用缆线，例如具有铜绞线或钢绞线的特氟龙缆线、具有由玻璃纤维制成的护套的缆线或矿物绝缘的钢护套缆线。这些类型的缆线很难加工，因为由不锈钢制成的绞线或护套只能通过复杂的焊接牢固地连接到传感器壳体或传感器元件。此外，特氟龙缆线也很难密封，因为灌封料或粘合剂不会或很难粘附在特氟龙上。
此外，还产生测量技术的缺点，因为缆线——作为所述测量链的一部分——会引起寄生阻抗(电容、电阻、电感)，如果缆线由于例如温度、移动或EMV辐射而改变，则所述寄生阻抗可能会影响测量结果。适合于高温的缆线通常具有较低的绝缘电阻或限制了频率范围，因为无法实现高载波频率。由于所述传感器元件处于高温范围内，而所述电子器件处于正常温度范围内，因此沿着所述缆线是难以补偿的温度梯度占主导。
此外，针对测量技术的应用通常必须使用具有上述特性的同轴或甚至三轴缆线，这对构造和连接技术提出了很高的要求。另外，由于需要复杂的缆线接触，安装空间不可避免地非常大。最后，由于难以对缆线或插头上的接触部进行密封或者由于信号线路上的干扰，错误率升高了。
适于高温的路程传感器可以应用于不同领域。这些领域例如是可能出现振动、高压和高温的油气输送领域，监视涡轮机(例如发电机、装载机、蒸汽涡轮机或燃气轮机)的领域，热力发动机或诸如CVD系统的过程系统的领域，放射性辐射环境中的应用领域以及太空旅行的领域。
发明内容
因此，本发明所基于的任务是设计和扩展开头提到的类型的非接触式工作的路程传感器，使得可以使用构造简单的装置在高温范围内进行可靠的测量。
根据本发明，上述任务通过具有权利要求1的特征的传感器来解决。据此将所述传感器设计和扩展为，使得所述电子器件被设计用于高于125℃的温度范围并直接与所述传感器元件连接或集成到所述传感器元件中。
按照本发明的方式已经认识到，即使在高于125℃的高温范围内也可以在传感器元件和电子器件之间建立电耦合而无需已知的缆线，通过该电耦合可以以常规方式将所述电子器件与暴露于高温下的传感器元件分离。具体而言，为该高温范围设计的电子器件与所述传感器元件直接连接或集成到所述传感器元件中。适于高温的电子器件在此几乎直接安置在所述传感器元件上，而不必使用任何缆线连接来在传感器元件和电子器件之间进行电耦合。这确保了高水平的测量可靠性，因为可以避免通过所述缆线在传输所确定的非常小的信号和/或高频信号时引起的干扰影响。此外还明显简化了制造，因为不必使用难以加工的专用缆线并且也不必为复杂的缆线接触提供大的安装空间。
因此，根据本发明的路程传感器提供了一种路程传感器，利用该路程传感器能够以构造简单的装置在高温范围内进行可靠的测量。
为了特别好地适用于所述高温范围，可以基于SoI(Silicon on Insulator，绝缘体上的硅)工艺或基于GaAs、SiC或金刚石作为半导体材料来制造所述电子器件或所述电子器件的至少一个部件。在此，SoI工艺适合高达大约300℃的工作温度。GaAs、SiC或金刚石作为半导体材料也适用于超过300℃的工作温度。
在本发明的上下文中使用的高温传感器元件基于电磁测量原理，即，电感工作方式、电容工作方式或基于涡流的工作方式，所述高温传感器元件用于测量诸如距离、位置、路程、厚度或振动的几何参量并且由于这些应用领域可以被称为路程传感器元件。由于这些测量原理，这些传感器元件特别适用于高温应用。
以构造特别简单的方式，所述传感器元件可以具有衬底，所述衬底具有嵌入其中的至少一个传感器部件，例如线圈的绕组。有利地，在所述衬底上布置可以用于接触所述电子器件的至少一个印制导线。
所述衬底本身应当适合于所述高温范围，其中所述衬底有利地可以具有印刷电路板，其优选由聚酰亚胺、PTFE(聚四氟乙烯)或LCP(液晶聚合物)制成，或具有陶瓷，优选由AL2O3、LTCC(低温共烧陶瓷)或HTCC(高温共烧陶瓷)制成。这种高温印刷电路板适用于高达约300℃的温度。由陶瓷制成的衬底特别有利地适合于高于该温度的温度。原则上，可以实现用于高频范围的陶瓷传感器元件。
所述路程传感器的电子器件可以直接安置在所述传感器元件上。在此，适用于高温的方法可用于所需要的构造和连接技术。例如，所述电子器件可以有利地布置在陶瓷壳体中或者具有至少一个布置在陶瓷壳体中的部件。在此，所述电子器件或电子器件模块可以布置在陶瓷壳体中。替代于此地，所述电子器件可以作为板上芯片或陶瓷上芯片或作为硅载体上的倒装芯片与所述传感器元件连接。在此，半导体模块(晶粒)可以借助于与衬底上的接合焊盘的铝接合或金线接合而与所述传感器元件直接连接。为此，可以使用上面已经提到的印制导线，所述印制导线可以直接布置在所述衬底上。在以印刷电路板作为衬底的情况下，可以具体地使用铜印制导线。在LTCC或HTCC工艺的情况下，可以使用印刷电路或印制导线。
所述控制电子器件可以特别有利地具有振荡器。利用这种振荡器，可以在传感器元件上现场产生所述路程传感器的操作所需要的频率。因此，不必将高频控制信号从远方的位置经由线路传输到所述电子器件。所述振荡器可以是例如正弦振荡器或矩形振荡器，其中这种矩形振荡器可以特别简单地实现。
所述评估电子器件基本上可以由多个功能组件组成。特别有利地，所述评估电子器件可以仅具有解调器作为功能组件，以用于产生整流的电压信号或电流信号。这是所述评估电子器件的一种非常简单的实施。利用这种构型，不需要经由连接线路传输容易受到各种干扰影响的高频信号。还有利的是，所述评估电子器件可以附加地具有前置放大器，因为在这种情况下可以传输具有较高电平的前置放大的信号，所述信号不易受到外部干扰。作为这种前置放大器的替代或补充，所述评估电子器件可以具有模数转换器，利用该模数转换器已经可以对所确定的信号数字化，这使得信号传输特别抗干扰。此外，作为前置放大器和/或模数转换器的替代或补充，所述评估电子器件可以具有已经执行信号处理(例如线性化，滤波等)的微控制器。在配置所述评估电子器件时特别有利的是，目前还有用于高达200℃的温度范围的微控制器可用。
所述电子器件的部件可以例如在SoI或GaAs过程中制造。
所述电子器件可以特别有利地由逻辑模块组成或具有逻辑模块，例如XOR门，因为逻辑模块特别有利地即使在高温实施中也可用。因此可以实现非常简单的振荡器和解调器电路。
由于所述电子器件直接与所述传感器元件连接或集成在所述传感器元件中，因此可以将简单且便宜的缆线用于供电和从所述路程传感器向外围设备传输数据并且在相反的方向上传输数据，因为无需传输高频信号或具有低电平的信号。供电电压足以进行控制。所述传感器元件上或中的所述电子器件可以提供已经解调的信号，对于该信号而言对线路没有特殊要求。因此，标准高温线路或钢护套缆线可以用于输出和/或供电，例如使用绞合线路。在最简单的情况下，如果所述信号被以数字形式调制到供电线路上或经由电流接口被以模拟方式提供，则一个导线对(例如双绞线)就足够了。如果供电线路和信号线路分开实施，则两个导线对就足够了，例如2×2双绞线。这些导线比同轴线路或三轴线路更便宜且更简单。所述连接线路能够以已知的方式穿过壳体并与所述电子器件连接。为此，所述电子器件可以具有合适的缆线连接端。
由于化学过程在高温时加速地运行，因此对所述路程传感器或所述路程传感器的部件进行密封是特别有利的。具体而言，可以对所述路程传感器或所述传感器元件和/或所述电子器件进行密封。所述密封具有两个方面：一方面防止有害物质渗透到所述路程传感器或所述传感器元件和/或所述电子器件中并在那里侵蚀电子器件的部件或引线或接触件。另一方面，所述密封防止物质的排气或溢出，这些物质可能在所述路程传感器的安装位置造成污染或损坏。在特定的应用中，例如在过程系统或太空旅行中，这种密封是必要的。
特别有利的是，在密封时利用优选干燥的保护气体填充所述路程传感器、所述传感器元件或所述电子器件的空腔或排空所述路程传感器、所述传感器元件或所述电子器件的空腔。
所述密封可以通过不同的方式进行。特别简单地，所述密封可以通过壳体实现，特别是通过与所述衬底钎焊到一起、特别是包围所述衬底的壳体实现，所述壳体由此不透气密封地与所述衬底连接。例如，金属壳体可以被气密密封地与陶瓷衬底钎焊到一起，例如通过活性钎焊或通过激光焊接利用预先通过真空钎焊而焊接上的金属环。这种金属壳体有利地提供屏蔽以防止干扰信号的射出或射入。
替代于此地，可以通过衬底中的封装来实现所述密封。在此，可以将所述电子器件或所述电子器件的部件布置在所述衬底的覆层或层之中或之上。进一步有利地，可以实现布置在其上方的、所述衬底的至少一个其他覆层或层，用于进一步封装所述电子器件或所述电子器件的部件。换句话说，可以借助于布置在所述电子器件上方的其他覆层将所述电子装置“掩埋”在一个覆层中。由此可以特别可靠地密封所述传感器以及具体地说密封所述电子装置或所述电子装置的部件。
此外，可以通过所述金属壳体或所述封装实现高压密封性，这在某些应用中是必需的，在这些应用中，除了高温之外高压也是占主导的(例如，在深钻孔中)。
根据本发明的路程传感器可以例如电感地、经由涡流地或电容地工作。
利用根据本发明的路程传感器，提供了具有直接连接或集成的电子器件的紧凑的、适用于高温的路程传感器，其中，可以使用简单的线路来连接至供电设备和/或外围设备。在此，通过已经借助于所述路程传感器的电子器件进行制备和放大的信号可以提供高信号质量。作为用于根据本发明的路程传感器的应用，特别是考虑借助于电感、电容或涡流测量原理来测量距离、位置、路程和振动。
附图说明
现在存在各种可能性来有利地设计和扩展本发明的教导。为此，一方面参考从属权利要求并且另一方面参考基于附图对本发明的优选实施例的以下解释。结合基于附图对本发明的优选实施例的解释，还解释了本教导的总体上优选的设计和扩展。在附图中：
图1以截面图示出了根据本发明的第一实施例的路程传感器，
图2以截面图示出了根据本发明的第二实施例，
图3以截面图示出了根据本发明的第三实施例，
图4以截面图示出了根据本发明的第四实施例，并且
图5示出了根据本发明的第五实施例的框图。
具体实施方式
图1以截面图示出了根据本发明的非接触式工作的路程传感器的第一实施例，该非接触式工作的路程传感器具有为高温而设计的传感器元件1，该传感器元件具有由LTCC陶瓷制成的多层衬底2，该传感器这里是电感路程传感器或涡流路程传感器。传感器元件1的线圈的多层绕组3嵌入衬底2中。具有电子器件部件4的电子器件布置在衬底2的背侧上，其中每个电子器件部件4具有与衬底2钎焊在一起的陶瓷壳体。所述路程传感器测量到测量对象6的距离5。
图2以截面图示出了根据本发明的非接触式工作的路程传感器的第二实施例，其中该实施例基本上具有与根据图1的第一实施例相同的布置。然而，所述电子器件部件不具有陶瓷壳体，而是由半导体模块7即所谓的电子器件芯片(晶粒)形成，所述半导体模块借助于金线接合部8接合到衬底2的接合焊盘上。
图3以截面图示出了根据本发明的非接触式工作的路程传感器的第三实施例，其中该路程传感器是用于测量与金属壳体9的距离的电容路程传感器，所述金属壳体通过活性钎焊与由陶瓷制成的衬底2连接。通过活性钎焊制造气密密封的焊接连接10。所述电容路程传感器包含测量电极11和同心屏蔽电极12，它们集成在衬底2中并因此集成在所述传感器元件中。
图4示出了根据本发明的非接触式工作的路程传感器的第四实施例，其中在涡流路程传感器的该示例中示出了不同类型的密封。电子器件部件4被“掩埋”在多层衬底2的各层内。在此，电子器件部件4被布置在一层上。这是通过在衬底2中形成一个或多个空腔13来完成的。在此，首先为一层配备电子器件部件4。接下来为其他层14配备冲制的自由空间，所述自由空间最后被一层或多层15完全封闭。烧结后，形成带有以线圈3和由电子器件部件4组成的电子器件的形式存在的经烧结的测量元件的全部层的气密密封包装。
图5基于框图示出了根据本发明的非接触式工作的路程传感器的第五实施例，该路程传感器在此是涡流路程传感器。传感器元件1包含具有电感L和电阻器R的线圈24作为测量元件，其中给振荡电路补充具有电容器C16的线圈24。线圈24被烧结在所述衬底中。在所述衬底的背侧上存在具有振荡器17的控制电子器件和评估电子器件，该评估电子器件由作为功能组件的模数转换器20、前置放大器19和解调器18组成。与所述电子器件连接的缆线21由以双绞线布置的2×2根导线组成，其中一个导线对22作为引线提供供电电压，另一个导线对23传输数字化信号。
为了避免重复，关于根据本发明的路程传感器的其他有利构型请参考说明书的发明内容部分和所附权利要求。
最后，应该明确指出的是，根据本发明的路程传感器的上述实施例仅用于讨论要求保护的教导，而不是将所述教导限于所述实施例。
附图标记列表
1 传感器元件
2 多层衬底
3 线圈的绕组，线圈
4 电子器件部件
5 传感器元件与测量对象之间的距离
6 测量对象
7 电子器件芯片(晶粒)
8 金线接合
9 金属壳体
10 焊接连接，焊缝活性钎料
11 测量电极
12 屏蔽电极
13 空腔
14 具有冲制的自由空间的层
15 结束层
16 电容器
17 振荡器
18 解调器
19 前置放大器
20 AD转换器
21 缆线
22 导线对
23 导线对
24 线圈

Claims (15)

1.一种非接触式工作的路程传感器，具有适合于高温的传感器元件(1)以及具有与所述传感器元件(1)电耦合并带有控制电子器件和/或评估电子器件的电子器件，其特征在于，所述电子器件被设计用于高于125℃的温度范围并直接与所述传感器元件(1)连接或集成到所述传感器元件(1)中。
2.根据权利要求1所述的路程传感器，其特征在于，所述电子器件或所述电子器件的至少一个部件(4)是基于SoI工艺、即绝缘体上硅工艺或基于GaAs、SiC或金刚石作为半导体材料来制造的。
3.根据权利要求1或2所述的路程传感器，其特征在于，所述传感器元件(1)具有衬底(2)，所述衬底具有嵌入其中的至少一个传感器部件，其中优选地在所述衬底(2)上布置至少一个印制导线。
4.根据权利要求3所述的路程传感器，其特征在于，所述衬底(2)具有印刷电路板，优选由聚酰亚胺、PTFE或LCP制成。
5.根据权利要求3所述的路程传感器，其特征在于，所述衬底(2)具有陶瓷，优选由Al2O3、LTCC或HTCC制成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的路程传感器，其特征在于，所述电子器件布置在陶瓷壳体中或者具有布置在陶瓷壳体中的至少一个部件(4)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的路程传感器，其特征在于，所述电子器件通过板上芯片作为陶瓷上芯片与所述传感器元件(1)连接。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的路程传感器，其特征在于，所述控制电子器件具有振荡器(17)，优选地具有正弦或矩形振荡器。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的路程传感器，其特征在于，所述评估电子器件仅具有解调器(18)作为功能组件，以用于产生整流的电压信号或电流信号，优选地额外具有前置放大器(19)和/或模数转换器(20)和/或微控制器。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的路程传感器，其特征在于，所述电子器件由逻辑模块组成或具有逻辑模块。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的路程传感器，其特征在于，所述电子器件用于其输出和/或供电的连接端通过一个导线对或两个导线对实现。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的路程传感器，其特征在于，所述电子器件具有缆线连接端。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的路程传感器，其特征在于，所述传感器或所述传感器元件(1)和/或所述电子器件是密封的。
14.根据权利要求13所述的路程传感器，其特征在于，所述密封通过壳体实现，优选通过与所述衬底(2)钎焊到一起的壳体实现，或通过所述衬底(2)中的封装来实现，优选通过将所述电子器件或所述电子器件的部件(4)布置在所述衬底(2)的覆层或层之中或之上，以及进一步优选地通过所述衬底(2)的布置在所述电子器件上方的至少一个其他覆层(15)或层来实现。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的路程传感器，其特征在于，所述路程传感器以电感方式地、经由涡流地或以电容方式地工作。
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