CN111886486A - 用于压力测量和温度测量的传感元件 - Google Patents

Abstract

一种用于压力测量和温度测量的传感元件(2a，2b)，包括：具有膜(110)和围绕所述膜(110)设置的边缘区(120)的基体(100)。传感元件(2a，2b)还包括能导电的层(10)，其具有设置在基体(100)的膜(110)之上的第一区域(11)和设置在基体(100)的边缘区(120)之上的第二区域(12)。所述膜(110)构成为基体(100)的压敏区，并且边缘区(120)构成为基体(100)的非压敏区。所述能导电的层(10)在第二区域(12)中结构化为，使得在能导电的层的第二区域(12)中构成至少一个与温度相关的电阻(20)。

Description

用于压力测量和温度测量的传感元件

技术领域

本发明涉及一种用于压力测量和温度测量的传感元件。

背景技术

基于薄膜技术的压力测量传感器包括具有薄的区域的基体，所述区域构成为膜。与作用在膜的上侧上的参考压力，例如大气压力和作用在膜的下侧上的待测量的压力相关地出现膜的变形。能够电检测膜的变形。在电阻式压力传感器的情况下，传感层设置在膜上，所述传感层具有电阻，所述电阻根据膜的变形而变化。

在许多应用领域中，除了压力信息外，还需要关于在传感器的周围环境中存在的温度的温度信息。压力和温度信息在许多应用情况中都是必需的，例如用于系统的开环控制和/或闭环控制。

发明内容

本发明的目的是，提出一种用于压力测量和温度测量的传感元件，其中传感元件具有用于压力测量和温度测量的功能，并且所述压力测量和温度测量能够以节省空间的方式和以小的生产技术方面的耗费集成到传感元件中。

在权利要求1中提出了一种用于压力测量和温度测量的传感元件的实施方式，其中压力测量的功能以及温度测量的功能能够以制造方面简单的方式集成到传感元件中。

用于压力测量和温度测量的传感元件包括具有膜和围绕所述膜设置的边缘区的基体。此外，传感元件包括能导电的层，所述能导电的层具有设置在基体的膜之上的第一区域。能导电的层除此之外包括设置在基体的边缘区之上的第二区域。膜构成为基体的压敏区，使得膜根据膜的上侧和下侧之间的压力差而变形。而边缘区构成为基体的非压敏区。能导电的层在第二区域中，即在基体的边缘区之上结构化为，使得在能导电的层的第二区域中构成有至少一个与温度相关的电阻。

在能导电的层的第一区域中能够设置有至少一个与压力相关的电阻。因为与温度相关的电阻设置在能导电的层的第二区域中，即在位于膜外的非压敏的边缘区中，所以在第二区域中也能够存在与设计用于在能导电的层的第一区域中构成至少一个与压力相关的电阻的相同的能导电的材料。为了构成能导电的层，能够在能导电的层的第一区域和第二区域中使用相同的材料。

因为能导电的层在膜之上的第一区域中和在边缘区之上的第二区域中由相同的材料形成，所以可以使用唯一结构化方法来结构化至少一个与温度相关的电阻和至少一个与压力相关的电阻。用于制造至少一个与温度相关的电阻和至少一个与压力相关的电阻的能导电的层的结构化能够在一个工作步骤中以相同的结构化方法来实现。例如能够通过激光切割来实现在第一区域中的能导电的层的结构化以制造至少一个与压力相关的电阻并且实现在第二区域中的能导电的层的结构化以制造至少一个与温度相关的电阻。因为能够使用同一结构化方法来制造至少一个与压力相关的电阻和至少一个与温度相关的电阻，所以具有压力测量和温度测量的传感元件可以在生产技术方面以简单从而低成本的方式来制造。

为了构成至少一个与温度相关的电阻，将能导电的层的第二区域结构化为，使得在能导电的层的第二区域中构成带状导线。除此之外，能够将能导电的层的第二区域结构化为，使得在能导电的层的第二区域中构成用于接触带状导线的接触面。带状导线的宽度和/或长度确定在特定温度下与温度相关的电阻的电阻值。

能导电的层的结构化能够在基体的边缘区之上的第二区域中进行，使得多个与温度相关的电阻设置在能导电的层的第二区域中。这些电阻能够结构化为，使得其在相同温度下具有相同或相似的电阻值或不同的电阻值。

如果能导电的层的第二区域中的与温度相关的电阻在相同温度下具有相同的电阻值，那么电阻的相应的带状导线能够具有相同的宽度和/或长度。与温度相关的电阻例如可在相同温度下以不同的电阻值来制造，其方式是，每个电阻的带状导线具有不同的宽度和/或长度。根据应用情况，在该实施方式中，能够使用最适合于应用目的的与温度相关的电阻，而为此无需附加的空间或不存在关于电阻值的输出的限制。

附图说明

下面参照示出本发明的实施例的附图详细阐述本发明。

附图示出：

图1示出具有与压力相关的电阻的用于压力测量的传感元件的俯视图和横截面视图，

图2A示出具有与压力相关的电阻和与温度相关的电阻的压力测量和温度测量的传感元件的第一实施方式的俯视图，

图2B示出具有在传感元件的基体的边缘区中的与温度相关的电阻的的用于压力测量和温度测量的传感元件的能导电的层的区段的放大图，

图3示出具有拥有不同电阻值的与压力相关的电阻和与温度相关的电阻的用于压力测量和温度测量的传感元件的第三实施方式的俯视图，以及

图4示出具有在传感元件的能导电的层的区段之间的与压力相关的电阻的用于压力测量的传感元件的俯视图。

具体实施方式

图1在上部的图像区域中示出俯视图以及在下部的图像区域中示出用于压力测量的传感元件1的横截面。传感元件包括具有压敏膜110和围绕膜110设置的、与压力无关的边缘区120的基体100。膜110通过绝缘区70与基体100的非压敏的边缘区120分开。能导电的层10设置在膜110之上。能导电的层10构成为例如具有压阻特性的传感层。基体100在膜的下侧U110上具有空腔。具有待测量的压力的介质作用到膜110的下侧U110上。参考压力，例如环境压力，作用到膜的上侧O110上。

膜110构成为基体100的压敏区。膜110根据膜的上侧O110和下侧U110之间的压力差而发生变形。由于膜110的变形，传感层10的电阻改变。通过评估所引起的电阻变化，能够根据膜110的上侧O110上的参考压力来求取膜的下侧U110上的压力。通过将能导电的层10结构化，能够在能导电的层中设置一个或多个与压力相关的电阻61、62、63和64。

图2A示出用于压力测量和温度测量的传感元件2a的第一实施方式的俯视图，其中压力测量的功能和温度测量的功能集成到传感元件中。传感元件包括具有膜110和围绕膜110设置的边缘区120的基体100。此外，传感元件1包括能导电的层10，所述能导电的层构成为用于压力测量和温度测量的传感层。能导电的层10具有设置在基体100的膜110之上的第一区域11。此外，能导电的层10包括第二区域12，所述第二区域设置在基体100的边缘区120之上。

能导电的层10的第一区域11被划分为多个区段81、82、83、84。在各个区段之间，能导电的层在区域11中中断。图2B示出具有能导电的层10的区段83的放大的部分的传感元件2a。

膜110构成为基体100的压敏区。如在图1中所示出的传感元件的实施方式中那样，在传感元件2a中膜110构成为基体100的薄的区域。膜110构成为基体的压敏区，使得膜根据膜的上侧和的下侧之间的压力差而发生变形，所述上侧和下侧朝向测量单元。基体100的边缘区120构成为基体的非压敏区。因此在边缘区120的区域中不会发生基体100的变形。

为了实现温度测量，在第二区域12中，即在基体100的非压敏的边缘区之上的区域中将能导电的层10结构化为，使得在能导电的层的第二区域12中构成至少一个与温度相关的电阻20。

在图2A和2B中示出的传感元件2a中，能导电的层10在第二区域12中结构化为，使得在能导电的层10的第二区域12中存在多个与温度相关的电阻20。特别地，能导电的层10的第二区域12能够结构化为，使得第二区域12包括与温度相关的第一电阻21和至少一个与温度相关的第二电阻22、23、24。在图2A中示出的传感元件2a的实施方式中，传感元件在能导电的层10的第二区域12中，包括与温度相关的电阻21、22、23和24。根据应用情况，电阻中的一个或多个电阻能够用于温度测量或连接到电路上。

电阻21、22、23、24中的每个位于能导电的层的区域12的如下部段中，所述部段向外连接到能导电的层10的区域11的区段81、82、83和84之一上。区段81、82、83和84通过绝缘区70与能导电的层10的区域12的不同的部段分开。区段81、82、83和84以及能导电的层10的区域12的相应的部段例如构成为四分之一圆区段/部段。

能导电的层10在第二区域12中结构化为，使得能导电的层10在第二区域12中具有至少一个第一接触面30和至少一个第二接触面40，用于外部接触至少一个与温度相关的电阻20。此外，能导电的层10在第二区域12中结构化为，使得至少一个与温度相关的电阻20构成为带状导线50。与温度相关的电阻的相应的带状导线50和与温度相关的电阻的相应的第一接触面30和相应的第二接触面40连接。特别地，相应的带状导线50设置在相应的第一和第二接触面30、40之间。

相应的带状导线50的宽度小于分别连接到其上的第一和第二接触面30和40的宽度。与温度相关的电阻21、22、23和24的每个带状导线50构成为能导电的层10的窄带，所述窄带通过能导电的层的中断部与能导电的层的围绕所述窄带的面部段分开。

在图2A和2B中示出的传感元件2a的实施方式中，第一与温度相关的电阻21和至少一个与温度相关的第二电阻22、23、24在相同温度下具有相同的电阻值。为此，与温度相关的电阻21、22、23和24的相应的带状导线50的宽度和/或长度能够是相同的。

图3示出用于压力测量和温度测量的传感元件2b的第二实施方式。如在图2A和2B中所示出的实施方式中，传感元件2b包括能导电的层10，其具有设置在基体100的膜110之上的第一区域11和设置在基体100的边缘区120之上的第二区域12。膜110构成为基体的压敏区，而基体100的边缘区120构成为非压敏区。

如在图2A中所示的实施方式中，将能导电的层10在第二区域12中结构化为，使得在能导电的层的第二区域12中构成至少一个与温度相关的电阻20。在图3所示的实施方式中，与温度相关的电阻21、22、23和24在能导电的层10的第二区域12中构成。能导电的层10在第二区域12中结构化为，使得能导电的层10在第二区域12中具有至少一个第一接触面30和至少一个第二接触面40，用于外部接触至少一个与温度相关的电阻20。

能导电的层10在第二区域12中结构化为，使得与温度相关的电阻21、22、23和24分别构成为带状导线50。与温度相关的电阻的相应的带状导线50分别设置在第一接触面30之一和第二接触面40之一之间，并且与相应的第一接触面30和相应的第二接触面40连接。

与在图2A中示出的传感元件2a的实施方式不同，在传感元件2b中能导电的层10在第二区域12中结构化为，使得不同的与温度相关的电阻21、22、23和24在相同温度下具有不同的电阻值。

为此，与温度相关的电阻21、22、23和24的相应的带状导线50具有不同的宽度和/或长度。在图3中所示出的实施方式中，根据应用情况，最适合集成到电路中的与温度相关的电阻之一能够用于温度测量。因此，通过在能导电的层10的第二区域12中，即在基体100的非压敏的边缘区域120之上设置与温度相关的电阻21、22、23和24，能够提供大量具有不同的电阻值的与温度相关的电阻，而与仅用于压力测量的在图1中所示出的传感元件1的实施方式相比，无需附加的空间，或者不会在读取电阻值方面产生限制。

图4示出传感元件2a和2b的膜110或能导电的层10的第一区域11的俯视图。能导电的层10在第一区域11中结构化为，使得能导电的层在第一区域11中具有至少一个与压力相关的电阻60。特别地，能导电的层10在传感元件2a和2b中结构化为，使得能导电的层10在第一区域11中具有多个与压力相关的电阻61、62、63和64。能导电的层10构成为具有压阻特性的传感层。在膜110由于膜的上侧和下侧之间的压力差而变形时，在电阻61、62、63和64中发生电阻改变。

在图2A、3和4中示出的传感元件2a，2b的实施方式中，能导电的层10在第一区域11中具有与压力相关的电阻61、62、63和64。电阻61、62、63和64有利地形成电阻桥，以便均衡由于在压力测量时的老化或温度波动而导致的第一区域11中的能导电的层10的电阻改变。

能导电的层10的第一区域11被划分成多个区段81、82、83和84。能导电的层10的区段通过能导电的层10中的中断部14彼此绝缘。两个相邻的区段分别通过与压力相关的电阻61、62、63和64之一彼此电连接。在此，区段81、82、83和84的面积大于与压力相关的电阻61、62、63和64的面积。与压力相关的电阻61、62、63和64分别构成为由能导电的层10的第一区段11的中断部限定的路径90。通过路径90，两个相邻的区段81、82或81、84和82、83或83、84彼此电连接。

用于接触与压力相关的电阻61、62、63和64的电触点13位于膜110的中性区域140中。在中性区域140中，在膜110是拱起时，不进行传感层10的压缩或拉伸。由此，用于接触与压力相关的电阻的电触点不受损。

下面说明用于制造用于压力测量和温度测量的传感元件的方法。为了制造传感元件2a和2b，首先提供具有膜110和围绕膜110设置的边缘区120的基体100。基体100能够由陶瓷材料制成或者例如由(不锈)钢制成。膜110构成为基体100的压敏区，使得膜110根据膜的上侧O110和下侧U110之间的压力差而发生变形。边缘区120构成为基体100的非压敏区。

能导电的层10借助于在基体100的膜110之上的第一区域11和在基体100的边缘区120之上的第二区12来施加。能导电的层10具有压阻材料。对于能导电的层10而言，例如能够使用复合材料，如镍-碳、钴-碳或钯-碳，其中，在无定形碳中容纳有良好导电的金属颗粒。

如果基体100具有陶瓷材料，那么能够将能导电的层10直接沉积在基体100的陶瓷衬底上。特别地，在基体100的陶瓷衬底和能导电的层10之间不需要绝缘层。由此，仅需要花费相对少的处理步骤即可制造传感元件2a和2b。

能导电的层10在第二区域12中结构化为，使得在能导电的层10的第二区域12中构成至少一个与温度相关的电阻20。此外，能导电的层10在第二区域12中结构化为，使得能导电的层10在第二区域12中具有第一接触面30和第二接触面40，用于外部接触至少一个与温度相关的电阻20。除此之外，能导电的层10在第二区域12中结构化为，使得至少一个与温度相关的电阻20构成为与第一和第二接触面30和40连接的带状导线。

因为至少一个与温度相关的电阻在能导电的层10的第二区域12中，即在基体100的非压敏区中构成，所以能导电的层10在具有至少一个与压力相关的电阻60的第一区域11中和在具有至少一个与温度相关的电阻20的第二区域12能够由相同的材料制成。因为能导电的层10在第一区域11和第二区域12中具有相同的材料，所以能够通过相同的方法将第一和第二区域中的能导电的层10结构化。激光切割法例如能够用于结构化。与光刻法相比，激光加工是在制造方面更简单且成本更低的工艺方法。

附图标记列表

1 用于压力测量的传感元件

2a、2b 用于压力测量和温度测量的传感元件

10 能导电的层/传感层

11 传感层的第一区域

12 传感层的第二区域

13 电触点

14 传感层的中断部

20、21、22、23、24 与温度相关的电阻

30 第一接触面

40 第二接触面

50 带状导线

60、61、62、63、64 与压力相关的电阻

70 绝缘区

81、82、83、84 能导电的层的区段

90 导电路径

100 基体

110 膜

120 边缘区

130 测量单元

140 中性区域

Claims (15)

1.一种用于压力测量和温度测量的传感元件，包括：

-具有膜(110)和围绕所述膜(110)设置的边缘区(120)的基体(100)，

-能导电的层(10)，其具有设置在所述基体(100)的膜(110)之上的第一区域(11)和设置在所述基体(100)的边缘区(120)之上的第二区域(12)，

-其中所述膜(110)构成为所述基体(100)的压敏区，使得所述膜(110)根据所述膜(110)的上侧(O110)和下侧(U110)之间的压力差而变形，

-其中所述边缘区(120)构成为所述基体(100)的非压敏区，

-其中所述能导电的层(10)在所述第二区域(12)中结构化为，使得在所述能导电的层的第二区域(12)中构成至少一个与温度相关的电阻(20)。

2.根据权利要求1所述的传感元件，

其中所述能导电的层(10)在所述第一区域(11)中和在所述第二区域(12)中由相同的材料构成。

3.根据权利要求1或2所述的传感元件。

其中所述能导电的层(10)在所述第二区域(12)中结构化为，使得所述能导电的层(10)在所述第二区域(12)中具有第一接触面和第二接触面(30，40)，用于外部接触所述至少一个与温度相关的电阻(20)。

4.根据权利要求3所述的传感元件，

其中所述能导电的层(10)在所述第二区域(12)中结构化为，使得所述至少一个与温度相关的电阻(20)构成为带状导线(50)，所述带状导线与所述第一接触面和第二接触面(30，40)连接。

5.根据权利要求4所述的传感元件，

-其中所述与温度相关的电阻(20)的带状导线(50)设置在所述第一接触面和第二接触面(30，40)之间，

-其中所述带状导线(50)的宽度小于所述第一接触面和第二接触面(30，40)的宽度和/或长度。

6.根据权利要求4或5所述的传感元件，

-其中所述至少一个与温度相关的电阻(20)包括与温度相关的第一电阻(21)和至少一个与温度相关的第二电阻(22、23、24)，

-其中所述与温度相关的第一电阻(21)和所述至少一个与温度相关的第二电阻(22，23，24)的相应的带状导线(50)具有不同的宽度和/或长度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的传感元件，

其中所述能导电的层(10)在所述第一区域(11)中结构化为，使得所述能导电的层(10)在所述第一区域(11)中具有至少一个与压力相关的电阻(60)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的传感元件，

其中所述能导电的层(10)的所述第一区域和第二区域(11，12)通过绝缘区(70)彼此电绝缘。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的传感元件，

-其中所述能导电的层(10)在所述第一区域(11)中构成为，使得所述能导电的层(10)在所述第一区域(11)中具有多个与压力相关的电阻(61，62，63，64)，

-其中所述多个与压力相关的电阻(61，62，63，64)形成电阻桥。

10.根据权利要求9所述的传感元件，

-其中所述能导电的层(10)的第一区域(11)被划分成多个区段(81，82，83，84)，

-其中两个相邻的区段(81，82，83，84)分别通过所述与压力相关的电阻(61，62，63，64)之一彼此电连接，

-其中所述区段(81，82，83，84)的面积大于与压力相关的电阻(61，62，63，64)的面积，

-其中所述与压力相关的电阻(61，62，63，64)分别构成为由所述能导电的层(10)的第一区域(11)的中断部所限定的路径(90)，通过所述路径，两个相邻的区段(81，82，83，84)电连接。

11.一种用于制造用于压力测量和温度测量的传感元件的方法，包括：

-提供具有膜(110)和围绕所述膜(110)设置的边缘区(120)的基体(100)，其中所述膜(110)构成为所述基体(100)的压敏区，使得所述膜(110)根据所述膜的上侧(O110)和下侧(U110)之间的压力差而变形，并且其中所述边缘区(120)构成为所述基体(100)的非压敏区，

-施加能导电的层(10)，所述能导电的层具有在所述基体(100)的膜(110)之上的第一区域(11)并且具有在所述基体(100)的边缘区(120)之上的第二区域(12)，

-将所述能导电的层(10)在所述第二区域(12)中结构化为，使得在所述能导电的层(10)的第二区域(12)中构成至少一个与温度相关的电阻(20)。

12.根据权利要求11所述的方法，包括：

将所述能导电的层(10)在所述第二区域(12)中结构化为，使得所述能导电的层(10)在所述第二区域(12)中具有第一接触面和第二接触面(30，40)，用于外部接触所述至少一个与温度相关的电阻(20)，并且所述至少一个与温度相关的电阻(20)构成为带状导线(50)，所述带状导线与所述第一接触面和第二接触面(30，40)连接。

13.根据权利要求11或12所述的方法，包括：

将所述能导电的层(10)在所述第一区域(11)中结构化为，使得所述能导电的层(10)在所述第一区域(11)中具有至少一个与压力相关的电阻(60)。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，

其中，将所述能导电的层(10)在所述第一区域和第二区域(11，12)中的结构化通过激光切割进行。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，

其中，所述能导电的层(10)在所述第一区域(11)和所述第二区域(12)中由相同的材料构成。

Images