CN113710999A - 用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的传感器(100)，其中传感器构件(3)借助于纳米线(50)与另外的传感器构件(2，4，9A，9C，20，20B)耦联，并且其中传感器构件(2，3，4，9A，9C，20，20B)相对于彼此固定、密封或电接触。例如，传感器构件(3)直接与电路板经由纳米线(50)连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的传感器。
背景技术
从现有技术中已知用于检测压力、料位、流量、密度、质量或温度的一般传感器。
发明内容
本发明基于如下目的，提出相对于现有技术改进的用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的传感器。
所述目的根据本发明借助具有在权利要求1中给出的特征的传感器和借助具有在权利要求7中给出的特征的传感器来实现。
本发明的可能的设计方案是从属权利要求的主题。
根据本发明的用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的传感器包括第一传感器构件和另一传感器构件，其中这两个传感器构件相对于彼此压紧。在此，至少一个传感器构件的至少一侧至少在压紧的区域中设有纳米线，其中传感器构件根据纳米线、也称作为纳米丝相对于彼此经由力锁合和/或形锁合固定，并且借助于纳米线在压紧的区域中在传感器构件之间构成至少一个密封的和/或导热的和/或导电的连接。
因此，传感器具有如下构造，其中传感器构件或传感器组件与另一传感器构件借助于纳米线连接。在此，纳米线将两个传感器构件持久地相对于彼此固定。附加地，所述连接是导电的并且此外是压力密封的，使得尤其可建立与工作接口或传感器承载件的压力密封的连接。将压力密封的连接在此尤其理解成如下连接，所述连接例如具有小于1*10- 3mbar*l/s的泄漏率。此外，借助于连接可实现在传感器构件之间的热耦联，以便运输热量或者向外朝向周围环境输出。这种借助于纳米线的连接可尤其简单地且可靠地实现。
在传感器的一个可能的设计方案中，传感器在一侧或在两侧直接施加到至少一个传感器构件上或者条状地作为中间接合层施加。这样施加的纳米线能够实现尤其稳定的连接。在一侧施加时，在按压到一起时，在各另一构件的表面处执行烧结加工，其中表面例如是清洁的和/或粗化的。
在传感器的另一可能的设计方案中，传感器构件是厚度尤其为0.03mm和0.05mm的朝向工作的膜片。另一传感器构件是传感器承载件，其中膜片借助于环绕的耦联部段密封地固定在传感器承载件处并且封闭至传感器构件的通道。环绕的耦联部段具有条宽为2mm至8mm的圆形形状并且设有纳米线。在所述设计方案中，传感器构件形成传感器盘，所述传感器盘通过完全环绕的耦联部段加强。因此，传感器盘是机械尤其稳定的并且同时构成用于精确的且灵敏的检测。
在传感器的另一可能的设计方案中，传感器构件是电路板或者电路板连接件或者电子组件，其中传感器构件借助于纳米线固定至配对构件，并且配对构件将传感器构件与另一配对构件热地或电地连接。这种构造是非常紧凑的，使得传感器可以尤其小型构造地构成。借助于纳米线的固定和接触在此可非常可靠地、鲁棒地且简单地建立。
在传感器的另一可能的设计方案中，配对构件是冷却体或壳体部段，其与传感器构件相比以增大的表面建立至传感器内部或传感器周围环境的散热。替选地或附加地，传感器构件的构件面和/或构件边缘面设有纳米线，用于至传感器内部或传感器周围环境的散热，其中构件面和/或构件边缘面小于40mm2、尤其小于20mm2。这种构造是非常紧凑的，使得传感器可以尤其小型构造地构成。同时，确保可靠的散热。借助于纳米线的固定和热接触在此可非常可靠地、鲁棒地且简单地建立。
在传感器的另一可能的设计方案中，传感器构件构成为接触销、电路板、传感器芯片、传感器或挠性连接件，其构成为刚性-挠性电路板，即具有薄膜状的、导电的多极电连接的电路板的区段。这样构成的传感器构件借助于纳米线的连接可尤其简单地建立并且特征在于尤其高的可靠性和鲁棒性。
另一根据本发明的用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的传感器包括用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的第一传感器构件，和另一传感器构件，其中第一传感器构件包括应变敏感的部段、在耦联部段上的接触面和应变测量电阻和/或用于电容式检测的应变敏感的部段的拱曲的面。另一传感器构件具有接触面，所述接触面与印制导线和组件连接，所述组件构成用于评估应变敏感的部段的拱曲。第一传感器构件的各个接触面或接触面的一部分与另一传感器构件的接触面的子面重合。在此，至少一个接触面至少部段地设有纳米线，其中纳米线建立传感器构件相对于彼此的电连接和/或固定作用。
因此，传感器具有如下构造，其中传感器构件或传感器组件与另一传感器构件借助于纳米线连接。在此，纳米线将两个传感器构件持久地相对于彼此固定。附加地，所述连接是导电的并且此外是压力密封的，使得尤其可建立与工作接口或传感器承载件的压力密封的连接。将压力密封的连接在此尤其理解成如下连接，所述连接例如具有小于1*10- 3mbar*l/s的泄漏率。这种借助于纳米线的连接可尤其简单地且可靠地实现。
在传感器的一个可能的设计方案中，纳米线在一侧或在两侧直接施加到至少一个传感器构件上或者条状地作为中间接合层施加。这样施加的纳米线能够实现尤其稳定的连接。在一侧施加时，在按压到一起时，在各另一构件的表面处执行烧结加工，其中表面例如是清洁的和/或粗化的。
在传感器的另一可能的设计方案中，第一传感器构件借助于纳米线与传感器承载件连接。这种构成方案能够实现第一传感器构件在传感器承载件处的简单的、可靠的且介质密封的设置。将介质密封的设置在此尤其理解成如下设置，所述设置例如具有小于1*10- 3mbar*l/s的泄露。
在传感器的另一可能的设计方案中，另一传感器构件具有如下部段，所述部段超出第一传感器构件的环周并且借助于纳米线与传感器承载件电地和机械地连接。在此，纳米线将另一传感器构件和传感器承载件持久地相对于彼此固定。附加地，所述连接是导电的并且此外是压力密封的，使得第一传感器构件压力密封地与在另一传感器构件之上构成的传感器容积封闭。将压力密封的封闭在此尤其理解成如下封闭，所述封闭例如具有小于1*10-3mbar*l/s的泄漏率。
在传感器的另一可能的设计方案中，纳米线在一侧或在两侧施加并且由铜、锡、银、镍、金或不锈钢形成。这种构成方案能够实现在对应的接合配对物之间借助于纳米线的简单的且可靠的连接，尤其当接合配对物中的至少一个接合配对物由黄铜、不锈钢、合金、陶瓷或氧化硅陶瓷形成时如此。
附图说明
本发明的可能的实施例在下文中根据附图详细阐述。
在此示出：
图1示意地示出纳米线，
图2示意地示出用于检测压力、料位、密度、温度和/或流量的传感器的剖面图，
图3示意地示出用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的构成为管式传感器的传感器的剖面图，和
图4A示意地示出用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的传感器的组成部分的剖面图，和
图4B示意地示出根据图4A的组成部分的剖面图的立体图。
彼此对应的部件在全部图中设有相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中示出纳米线50，也称为纳米丝。
这种纳米线50是施加到构件的表面上的金属线。所述构件然后能够与另一构件压紧，所述另一构件同样设有这种纳米线表面或者在没有纳米线50的情况下以正常的或粗化的表面使用。在首先提到的实施方案中，纳米线50锁定到彼此中。
纳米线50是金属的并且根据电化学加工制造。
在下文中使用的术语纳米线50或纳米线在此也称为多个线或纤维的聚集物。
在压紧构件时出现力锁合和/或形锁合，这经由不同力、例如范德华力的组合实现。
除了所述力之外，通过设定另外的参数在原子或分子之间除了相对弱的非共价交互作用建立另外的力的优化。
整体上，通过纳米线50可以建立力锁合和/或形锁合，这为范德华力的多倍，因为纳米线50借助其表面附加地锁定到彼此中且压紧。
这种技术原则上也可从文献US 2011/0039459或US 2016/0143153中得出。
图2示出用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的传感器100的一个可能的实施例的剖面图。
传感器100包括壳体1、第一传感器构件3、另一传感器构件2和构成为传感器承载件4的另一传感器构件4。
第一传感器构件3在此尤其构成用于检测压力，然而也能够检测另一物理量，如料位、流量、密度、质量和/或温度。传感器构件3在此例如由陶瓷或不锈钢形成。
传感器构件3对此具有薄的弯曲敏感的部段3A。在加载压力时，所述部段3A拱曲，其中拱曲的最大值尤其处于其中部。弯曲敏感的部段3A在此尤其朝向背离工作介质的一侧弯曲。
所述背离工作的一侧设有电子评估设备。所述电子评估设备例如包括至少一个应变片34和/或电容式传感器。
第一传感器构件3借助纳米线连接11密封地与传感器承载件4连接，所述纳米线连接包括多个纳米线50。
纳米线50在此在长度例如为10μm至800μm时例如具有0.3μm至4.0μm的厚度。在此保持力例如达到10MPa至30MPa。
纳米线50在一侧或在两侧直接施加到传感器构件3的耦联部段或上面的另一传感器构件2的耦联部段上。替选地，施加也可以条状地作为中间接合层和/或环形带进行。纳米线50的施加也能够在两个接合配对物上进行。
在一侧施加时，在将传感器构件3和另一传感器构件2按压到一起时，在各另一构件的表面上执行烧结加工。为了优化所述烧结加工，将表面事先例如清洁和/或粗化。
尤其盘状地构成的另一传感器构件2在一个可能的设计方案中构成为电路板或者包括这种电路板并且在此承载评估电路51的电子组件10和/或印制导线。组件10在此同样能够经由纳米线连接安装。
在一个可能的设计方案中，第一传感器构件3经由挠性的电路板连接件9A耦联到构成为电路板的另一传感器构件20上，其中纳米线50施加到电路板和/或电路板连接件9A上，并且形成纳米线连接12。构成为电路板的另一传感器构件20能够包括具有插接器的线或挠性电路板(简称FPC)。
在另一可能的设计方案中，另一电路板连接件9C设有微插接器连接元件13，所述微插接器连接元件经由多极纳米线阵列类似于微插接器那样作用，其中各个接触部通过具有纳米线覆盖物的小的阵列或面区域替代。
传感器承载件4以工作输入端5的封闭的开口朝向工作并且借助于轮廓部25和/或借助于螺纹19相对于所述工作密封。工作输入端5在一个可能的设计方案中设有保护膜片24，所述保护膜片尤其构成为所谓的压力介质膜片。可选地，在所述保护膜片后方的空间23由流体、例如油填充。
例如圆形地构成的保护膜片24在边缘侧环绕地设有纳米线50并且在形成纳米线连接14的条件下密封地与传感器承载件4压紧。
保护膜片24例如由不锈钢或特殊材料，如例如锆，大约65％镍、33％铜和2％铁、也称为蒙乃尔的镍铜合金，镍基合金，例如镍钼合金，镍铬钼合金，镍钼铬合金或镍铬铁合金或其他材料形成。
传感器承载件4能够由黄铜或不锈钢或任意其他适合的金属材料或任意其他适合的金属合金形成，以便经由纳米线50与第一传感器件3连接，所述第一传感器构件例如由陶瓷或氧化硅陶瓷形成。纳米线50在此可以由铜、锡、银、镍、金或不锈钢形成。
在内部连接的情况下，构成为电路板的另一传感器构件20也经由纳米线50在构成纳米线连接15的条件下与壳体1连接。由此，当电路板的对应的面对此由印制导线电路构成时，产生电路板的固定以及接地。由此，尤其可以更好地实现电磁兼容性(EMV)的目标并且节约耗费的连接件。
此外，在一个可能的设计方案中提出，尤其金属地构成的壳体1与传感器承载件4也经由纳米线50在构成纳米线连接16的条件下连接。对此，例如由金属薄板构成的卷边的边缘或者传感器承载件4环绕地设有纳米线40。
此外，在一个可能的设计方案中提出，至少一个电子组件10承载冷却体26，其中所述冷却体经由纳米线50在构成纳米线连接17的条件下接合从而能够实现例如计算芯片或ASIC(Application-Specific Integrated Circuit，特定用途集成电路)的热学散热。替选地或附加地，这也能够经由由金属构成的编织的挠性连接件31进行，其也可以构成为薄膜并且借助于纳米线50构成与壳体1的纳米线连接30。
此外可以提出，构成为电路板的传感器构件20B直接经由借助于纳米线50构成的纳米线连接18机械地和电地连接从而在传感器100中固定地取向。
具有由纳米线50形成的纳米线连接35的角连接件对此例如可以由连续材料并且当其与绝缘材料组合或交替地穿过时也多极地实现，其中角连接件然后部段地设有纳米线50。
从传感器100的壳体1中可以引出插接器6。插接器6的接触部7在此可以在内部也与插接器或基板8连接，其经由电缆9B与评估电路51连接。电缆9B可以单芯地或多芯地构成。
在图3中示出用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的构成为管式传感器的传感器100的一个可能的实施例的剖面图。
传感器100对此具有两个相对置的工作开口5A、5B，所述工作开口与构成为管部段的传感器承载件4连接。
法兰状的几何形状25构成用于压力密封地接合到工作上，例如借助于两个半圆形的卡箍。将压力密封的接合在此尤其理解成如下接合，所述接合例如具有小于1*10-3mbar*l/s的泄漏率。
传感器100具有薄的第一弯曲敏感的部段3A，所述第一弯曲敏感的部段电容式地由构成为环绕的侧表面2的另一传感器构件2探测压力下的弯曲。另一传感器构件2或在传感器100中位于内部的保护薄膜部段44在此经由借助于纳米线50形成的纳米线连接48、49固定。
构成为挠性的薄膜导体的电路板连接件9A建立与构成为评估印刷电路板的电子组件10的连接，所述电子组件同样经由借助于纳米线50形成的纳米线连接15与传感器承载件4连接。
传感器承载件4部段地由管形的壳体1包围，其中壳体1和传感器承载件4经由借助于纳米线50形成的纳米线连接16密封地并且刚性地彼此连接。在壳体1和传感器承载件4之间包围的空间可以是抽真空的。
图4A和4B从不同角度示出用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的传感器100的一个可能的实施例的组成部分的剖面图。
传感器100包括构成为帽形传感器、即尤其盆状地构成的传感器构件3，所述传感器构件例如由陶瓷或不锈钢制成并且所述传感器构件设有应变片34，用于检测在经由工作输入端5从下部输送的工作压力下产生的弯曲和/或拱曲。
传感器构件3尤其包括第一薄的弯曲敏感的部段3A，所述弯曲敏感的部段电阻式地经由构成为应变片34的电阻监控。
此外，传感器构件3包括加强部段3C，所述加强部段在边缘区域中圆形地在弯曲敏感的部段3A下方延伸。
此外，在弯曲敏感的部段3A上模制的耦联部段3B环绕地围绕弯曲敏感的部段3A延伸，所述耦联部段具有接触面33，所述接触面与应变片34连接。
接触面33例如区段式地围绕弯曲敏感的部段3A设置并且构成用于与构成为电路板的另一传感器构件20接触。为了所述目的，另一传感器构件20包括配合的接触面36。
选择性地，在传感器构件3上或者在构成为电路板的另一传感器构件20或在二者上在接触面33、36上存在纳米线50，用于构成纳米线连接38、39。
在一个可能的设计方案中，构成为电路板的另一传感器构件20的镀通孔40与接触面36连接，以便将电子组件10电接合在构成为电路板的另一传感器构件20的另一侧上。以所述方式和方法可以改进通常经由可能有错误的接合加工进行的对传感器的耗费的接触。此外，可以节约铝或金接合线并且传感器构件3和电子装置的连接可以特别紧凑地在最狭小的空间上实现。
如从图4B中得出的，传感器构件3的接触面33例如构成为半圆区段并且设有纳米线50，所述纳米线与构成为电路板的另一传感器构件20的纳米线50压紧成纳米线连接39。在此，构成为电路板的另一传感器构件20相对于传感器构件3定位并且接着执行压紧。
附加地，构成为电路板的另一传感器构件20在至少一个位置通过留空部变薄，使得得出挠性的电路板部段21。在所述电路板部段21上设置有纳米线50，所述纳米线在与传感器承载件4连接时建立与传感器承载件4的构成为接地连接的纳米线连接。留空部在此允许尤其补偿小的高度差。
构成为挠性的薄膜导体的电路板连接件9A提供与继续引导的印刷电路板或用于输出测量信号的插接接口的连接。
所述构成为薄膜导体的电路板连接件9A的电耦联例如经由压缩连接件37实现，所述压缩连接件例如在两侧包括纳米线50，用于在不同的焊盘上构成纳米线连接47，所述纳米线连接在两侧经由镀通孔彼此连接。
借助于压缩连接件37，构成为薄膜导体的电路板连接件9A或其接触面32与构成为电路板的另一传感器构件20、插接器构件、传感器构件3和其接触面33、壳体部段或传感器承载件4的子面持久地电连接，而不需要焊接加工或耗费的插接连接。
根据接触面32的大小，通过增大联接面也可以使信号接触面匹配于较高的电流。
接触面32例如在设计方案中可能是圆形的、方形的或矩形的，纳米线50可以在一侧或在两侧施加。这样建立的连接尤其证实为是持久的并且也相对于振动和小的应变是不敏感的，如其例如通过温度波动、即在构件之间的相对运行会出现的那样。
未示出、然而同样可能的是构成为挠性的薄膜导体的电路板连接件9A与传感器3的传感器表面的直接连接，即替代构成为电路板的另一传感器构件20。
本发明不限于在上文中详述的实施例。本发明可以在随后的权利要求的范围中修改。同样地，从属权利要求中的各个方面可以彼此组合。
附图标记列表：
1 壳体
2 传感器构件
3 传感器构件
3A 部段
3B 耦联部段
3C 加强部段
4 传感器构件，传感器承载件
5 工作输入端
5A 工作开口
5B 工作开口
6 插接器
7 接触部
8 基板
9A 电路板连接件，传感器构件
9B 电缆
9C 电路板连接件，传感器构件
10 电子组件，传感器构件
11 纳米线连接
12 纳米线连接
13 微插接器连接元件
14 纳米线连接
15 纳米线连接
16 纳米线连接
17 纳米线连接
18 纳米线连接
19 螺纹
20 传感器构件
20B 传感器构件
21 电路板部段
23 空间
24 保护薄片
25 轮廓部
26 冷却体
30 纳米线连接
31 挠性连接件，传感器构件
32 接触面
33 接触面
34 应变片
35 纳米线连接
36 接触面
37 压缩连接件
38 纳米线连接
39 纳米线连接
40 镀通孔
44 保护薄膜部段
46 纳米线连接
47 纳米线连接
48 纳米线连接
49 纳米线连接
50 纳米线
51 评估电路
100 传感器
Claims (11)
1.一种用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的传感器(100)，具有：
第一传感器构件(3)和至少一个另外的传感器构件(2，4，9A，9C，20，20B)，其中
-两个传感器构件(2，3，4，9A，9C，20，20B)相对于彼此压紧，
-至少一个传感器构件(2，3，4，9A，9C，20，20B)的至少一侧至少在压紧的区域中设有纳米线(50)，
-所述传感器构件(2，3，4，9A，9C，20，20B)根据所述纳米线(50)相对于彼此经由力锁合和/或形锁合固定，并且
-借助于所述纳米线(50)在压紧的区域中构成在传感器构件(2，3，4，9A，9C，20，20B)之间的密封的和/或导热的和/或导电的连接。
2.根据权利要求1所述的传感器(100)，其中
所述纳米线(50)在一侧或在两侧直接施加到所述至少一个传感器构件(2，3，4，9A，9C，20，20B)上或者条状地作为中间接合层施加。
3.根据权利要求1或2所述的传感器(100)，其中
-传感器构件(3)是厚度尤其为0.03mm和0.05mm的朝向工作的膜片，
-另外的传感器构件(4)是传感器承载件(4)，
-所述膜片借助于环绕的耦联部段(3B)密封地固定在所述传感器承载件(4)处并且封闭至所述传感器构件(3)的通道，和
-环绕的所述耦联部段(3B)具有条宽为2mm至8mm的圆形形状并且设有纳米线(50)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的传感器(100)，其中
-传感器构件(9A，9C，20，20B)是电路板或者电路板连接件(9A，9C)或者电子组件(10)，
-传感器构件(9A，9C，20，20B)借助于纳米线(50)固定至配对构件，和
-所述配对构件将所述传感器构件(9A，9C，20，20B)与其他配对构件热地或电地连接。
5.根据权利要求4所述的传感器(100)，其中
-所述配对构件是冷却体(26)或壳体部段，其以与传感器构件(9A，9C，20，20B)相比增大的表面建立至传感器内部或至传感器周围环境的散热，和/或
-传感器构件(9A，9C，20，20B)的构件面和/或构件边缘面设有纳米线(50)用于至传感器内部或传感器周围环境的散热，其中所述构件面和/或构件边缘面小于40mm2，尤其小于20mm2。
6.根据上述权利要求中任一项所述的传感器(100)，其中所述传感器构件(2，3，4，9A，9C，20，20B)构成为
-接触销，
-电路板，
-传感器芯片，
-传感器，或
-挠性连接件(31)，其构成为刚性-挠性电路板，即具有薄膜状的、导电的多极电连接的电路板的区段。
7.一种用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的传感器(100)，具有
用于检测压力和/或料位和/或流量和/或密度和/或质量和/或温度的第一传感器构件(3)，和至少一个另外的传感器构件(20，20B)，其中
-所述第一传感器构件(3)包括应变敏感的部段(3A)、在耦联部段(3B)上的接触面(33)和应变测量电阻(34)和/或用于电容式检测所述应变敏感的部段(3A)的拱曲的面，
-所述另外的传感器构件(20，20B)具有接触面(31)，所述接触面与印制导线和组件(10)连接，所述组件构成用于评估所述应变敏感的部段(3A)的拱曲，
-所述第一传感器构件(3)的各个接触面(33)或接触面(33)的一部分与所述另外的传感器构件(20，20B)的接触面(31)的子面重合，
-至少一个接触面(31，33)至少部段地设有纳米线(50)，和
-所述纳米线(50)建立所述传感器构件(3，20，20B)相对于彼此间的电连接和/或固定作用。
8.根据权利要求7所述的传感器(100)，其中
所述纳米线(50)在一侧或在两侧直接施加到所述传感器构件(3，20，20B)中的至少一个传感器构件上或者条状地作为中间接合层施加。
9.根据权利要求7或8所述的传感器(100)，其中
所述第一传感器构件(3)借助于纳米线(50)与传感器承载件(4)连接。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的传感器(100)，其中
所述另外的传感器构件(20B)具有如下部段，所述部段超出所述第一传感器构件(3)的环周并且经由借助于纳米线(50)形成的纳米线连接(46)与所述传感器承载件(4)电地和机械地连接。
11.根据上述权利要求中任一项所述的传感器(100)，其中
所述纳米线(28)在一侧或在两侧施加并且由铜、锡、银、镍、金或不锈钢形成。
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