CN115335204A

CN115335204A - 具有由液体硅酮橡胶制成的注射模制壳体的传感器

Info

Publication number: CN115335204A
Application number: CN202180028595.XA
Authority: CN
Inventors: O·弗洛雷斯
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2022-11-11
Also published as: JP2023522668A; DE102020110438A1; EP4135961A1; US20230121789A1; WO2021209619A1

Abstract

本发明涉及一种传感器（1），其包括传感器元件（2）、用于电连接的连接元件以及被施加到传感器元件上的壳体（8）。这里，壳体（8）包括具有固化的液体硅酮橡胶（LSR）作为主要成分的壳体材料。

Description

具有由液体硅酮橡胶制成的注射模制壳体的传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，其包括传感器元件、用于电连接的连接元件以及用于传感器元件的壳体。

背景技术

现有技术传感器使用由金属、陶瓷或热塑性塑料材料构成的壳体，其与由硬化材料（例如热塑性塑料、陶瓷或环氧树脂）构成的内部填充物相组合。

需要附加的内部填充物以使壳体的形状适应传感器元件的形状，并允许传感器元件和壳体之间的紧密的机械和热接触。陶瓷和金属壳体由于其相对大的壁厚和所需的附加填充材料而难以小型化。

此外，硬的罐装壳体通常提供良好的机械保护，但是限制了传感器元件和待测量介质之间的机械和热接触。

专利DE 69323126 T2公开了另一种使用收缩管作为传感器元件的壳体的技术。该元件具有硅酮弹性体涂层，并且被可热收缩的外部薄管覆盖。

然而，这种壳体具有若干个缺点，因为收缩管的尺寸和形状难以控制并且收缩管和连接的电导线之间的粘附力低。

另一现有技术文献公开了柔性传感器的使用，其中，传感器元件例如被施加在聚酰亚胺箔上。另一方面，这种传感器难以受到保护以免受机械冲击。

发明内容

鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是公开一种用于传感器元件的改进的壳体，其能够被容易地施加。

该目的通过如权利要求1中所述的传感器来实现。

该传感器包括传感器元件、用于电连接的连接元件以及被施加到传感器元件上的壳体。这里，壳体包括具有固化的液体硅酮橡胶（LSR）作为主要成分的壳体材料。

在一个实施例中，传感器元件具有圆柱形状。传感器元件可以具有≤2.4 mm的直径。

传感器可以是用于温度测量的传感器。传感器元件可以具有任何几何形状。连接元件机械地且电气地连接到传感器元件。

壳体紧密地覆盖整个传感器元件。它由弹性壳体材料构成。除了主要成分液态硅酮橡胶（LSR）之外，壳体材料还可以包括若干种填充材料或添加剂。

LSR作为壳体材料具有有利的性能。由于其高流动性和低粘性，在将壳体材料施加在传感器元件的外侧上期间，其可以容易地形成。这使得能够实现壳体的小型化和自由设计变化。此外，可以使壁厚最小化。小的壁厚缩短了传感器的响应时间。

由于低注射压力以及在该过程期间没有收缩行为，LSR在传感器元件上的施加比现有技术传感器中使用的热塑性塑料材料的施加更顺利。因此，LSR甚至能施加到易受影响的机械结构。

LSR壳体的通常为5-25%的低压缩变形以及在断裂前的高于100%的高伸长率允许柔软和顺利的施加。因此，LSR壳体的外表面易于适应待测量的表面并且可以实现良好的热接触。

由于LSR的高耐热性，该传感器适合于在苛刻的操作条件下的应用，并且被设计成用于在-40℃至250℃的扩展测量范围内的温度测量。

可以使用氧化物陶瓷作为填充材料。氧化物陶瓷可以含有硅或铝的氧化物，如二氧化硅、蒙脱石或Al₂O₃。此外，填充材料可以包括氮化物，例如AlN和BN。除此之外，也可以使用诸如SiC的碳化物。借助于填充材料，可以改善或改变壳体的性质。可以通过填充材料改变的性质的示例是壳体材料的拉伸强度、硬度、介电强度、热导率和热膨胀。

由于LSR是主要成分，填充材料在壳体材料中的比例低于50 wt%。填充材料的颗粒直径优选地在10 nm和20 μm之间。

在一个实施例中，传感器元件包括温度敏感构件。

温度敏感构件可以包括用于检测温度的热敏电阻材料。

由于热敏电阻材料的电导率取决于温度，所以这种材料可以用于温度传感器。热敏电阻材料可以具有负的温度系数（NTC）。在另一个实施例中，热敏电阻材料可以具有正的温度系数（PTC）。

在一个实施例中，传感器元件包括连接到温度敏感构件的引线。引线使得传感器元件能够形成电连接。

在一个实施例中，一对引线连接到温度敏感构件。

在一个实施例中，连接元件包括电导线。

在一个实施例中，导线是单根导线。在另一个实施例中，导线是多绞合导线。在优选实施例中，两根电导线连接到传感器元件。

在一个实施例中，电导线用绝缘材料（即硅酮）绝缘。导线可以是单根导线或多绞合导线。

在优选实施例中，两根电导线连接到传感器元件的引线。电导线和传感器元件的引线之间的连接可以通过压接电导线或通过焊接来实现。

传感器元件可以包括具有不同横截面的两个部分。一个横截面大于另一个。在一个实施例中，电导线固定到具有较大横截面的那个部分的侧面。

壳体可以被紧密地施加到连接元件的一部分上。被覆盖的部分可以定位成邻近传感器元件。在另一个实施例中，连接元件的不邻近传感器元件的一部分被覆盖。

有必要用紧密的、不可渗透的壳体来保护包括传感器元件和连接元件的传感器免受待测量介质的化学影响。需要不可渗透的壳体的示例是用于测量诸如自动变速器流体（ATF）的化学物质或防冻化学物质的温度的传感器。

在导线的另一端部，可以设置电插头以将传感器元件连接到电路。

在另一个实施例中，连接元件包括引线框。

壳体可以被施加到引线框的至少一部分上。被覆盖的部分可以邻近传感器元件。

在一个实施例中，壳体材料在100℃具有0.2-0.3 W/（m K）的热导率。

取决于应用，可以通过添加填充材料来调整热导率。壳体的高热导率可以通过具有高热导率的填充材料来实现，例如Al₂O₃和h-BN。这确保了传感器的短的响应时间。

在一个实施例中，壳体材料具有2xl0^-4-4xl0^-4 K^-1的热膨胀系数。

低的热膨胀系数确保传感器在宽温度范围内的顺利运行。可以通过填充材料使热膨胀系数适应应用的需求。

在一个实施例中，壳体材料具有10-90的肖氏A硬度。

可以通过填充材料使硬度适应应用的需求。因此，壳体提供了抵抗环境机械冲击的良好保护。

在一个实施例中，壳体材料具有20 kV/mm或更高的介电强度。

因此，壳体提供了抵抗环境电冲击的保护，并且作为电绝缘壳体覆盖传感器元件。

在一个实施例中，保护传感器元件的壳体具有大于或等于0.2 mm的壁厚。在优选实施例中，壳体具有在0.3 mm和0.2 mm之间的壁厚。在更优选的实施例中，壳体具有在0.21mm和0.20 mm之间的壁厚。

由于其有利的性质，如高流动性和低粘性，LSR能紧密地施加到传感器元件的外表面上，以形成紧密地包围传感器元件的具有低壁厚的壳体。壳体的紧密施加和低壁厚缩短了传感器的响应时间。

在一个实施例中，连接元件被壳体覆盖。

在该实施例中，壳体被施加到传感器元件和连接元件二者上。在壳体中在传感器元件和连接元件之间没有间隙。如果传感器用于测量化学侵蚀性介质的温度，则至少需要这种紧密的、不可渗透的密封。壳体应当至少是对于液体和化学侵蚀性蒸气和气体不可渗透的。

在一个实施例中，通过注射模制来施加壳体。

当通过注射模制施加时，在一个步骤中，壳体可以被施加到传感器元件上。在注射期间，壳体材料的内表面顺利地适应传感器元件的形状。壳体的外形通过模具形成。

在一个实施例中，通过液体注射模制来施加壳体。

在用于LSR的液体注射模制过程中，提供了两种含有不同链长的聚合物的粘性液体离析物组分A和B。

组分B可以包括第一离析聚合物和交联剂。在此，交联剂刺激所提供的离析物之间的交联反应。通过交联，离析聚合物形成三维网格。

组分A可以包括第二离析聚合物和催化剂。催化剂可以包括贵金属。例如，催化剂是铂催化剂。

第一和第二离析聚合物可以包括相同类型的分子或不同类型的分子。离析聚合物包括聚硅氧烷。

在一个实施例中，组分A和B可以包括相同类型的具有有机取代基的聚硅氧烷。有机取代基可以包括甲基、乙烯基、苯基或类似有机取代基中的一种或多种。

在此，需要交联剂来刺激所提供的离析聚合物之间的交联反应，以便将生橡胶转化成固化的硅酮橡胶。通过交联，聚合物形成三维网格。

催化剂加速交联反应。贵金属催化剂，特别是铂催化剂在加速交联反应方面显示了高性能。

在注射之前，两种组分被混合成反应混合物并且被冷却以延迟交联反应。

为了使混合的组分固化，通过在注射期间或之后加热来触发交联反应。替代地，通过暴露于UV辐射来开始交联反应。选择哪种替代方案取决于所使用的离析物材料的性质。在固化之后，壳体材料是不可熔的。

所述的液体注射模制过程是优选的，因为使用了液体离析物。为了注射液体离析物，需要相对低的注射压力。因此，在其外表面具有更易受影响结构的更易受影响的传感器元件可以通过这种方法被覆盖，而没有在注射模制期间损坏传感器的风险。

在优选实施例中，选择具有低粘度的离析物组分。粘度越低，注射所需的压力越低。

反应混合物的粘度在50000和500000 [mPa s]之间，这取决于所使用的LSR的类型。反应混合物可以具有触变性质。因此，在注射模制过程期间，粘度可降低。

附图说明

下面，参考附图详细描述本发明的其他示例性实施例。然而，本发明并不限于这些实施例。在附图中，类似的元件、相同类型的元件和相同作用的元件可以被提供相同的参考标记。

图1示出了具有长方体壳体和连接元件的传感器的第一实施例；

图2示出了第一实施例的截面图，其中，传感器元件的引线被焊接到连接元件的导线；

图3以另一透视图示出了第一实施例；

图4示出了具有两部分的圆柱形壳体和连接元件的传感器的第二实施例；

图5示出了第二实施例的截面图，其中，传感器元件的引线与连接元件的导线压接。

具体实施方式

图1至3中的传感器1包括传感器元件2，传感器元件2包括温度敏感构件21和一对引线22。用于电连接的该一对引线22布置在温度敏感构件21和连接元件之间。

整个传感器元件2被单个部件的、紧密的且不可渗透的壳体8覆盖，从而完全封装传感器元件2。在本实施例中，壳体8具有长方体形状。壳体8的形状和结构可以根据传感器的应用而改变。

温度敏感构件21布置在壳体8内的传感器元件2的第一端部处，第一端部被标示为传感器头部3。

温度敏感构件21由热敏电阻材料构成。在第一实施例中，热敏电阻材料具有负的热系数。在另一个实施例中，热敏电阻材料可以具有正的热系数。

引线22由导电材料构成，例如镍、铜、银、类似的导电金属或它们的合金之一。引线22在与传感器头部3相对的一侧固定到温度敏感构件21。引线22远离传感器头部3指向。

第一实施例的传感器元件具有圆柱形状和≤2.4 mm的直径。

第一实施例的传感器1用于温度测量。可能的应用是例如化学流体或固体表面的温度测量。传感器1被设计成用于在-40℃到250℃的扩展测量范围内的温度测量。

因此，传感器壳体8的第一端部上的传感器头部3与待测量的表面接触。

介质4的热量通过传感器头部3处的薄壳体8被快速地传导到温度敏感构件。

在传感器壳体8的第二端部5处，两根绝缘导线6固定到传感器元件2的引线，作为电连接元件。导线6通过焊料62固定到引线。导线6的与引线22接触的部分不是绝缘的。其余导线的绝缘物由硅酮材料构成。

在本实施例中，第二端部5是壳体8的与传感器头部3距离最大的一侧。

在图中仅示出了绝缘导线6的一部分。绝缘导线6的其它部分在该图中未示出。插头可以固定在该图中未示出的绝缘导线6的端部处，以将绝缘导线6与电路连接。

在所示的实施例中，绝缘导线6的邻近传感器元件2、焊料连接部62和传感器元件2的部分7被壳体8覆盖。

壳体8包括作为主要成分的液体硅酮橡胶（LSR）。通过注射模制将壳体施加到传感器上。模制壳体8仅由一层构成，其内表面顺利且紧密地适应传感器元件2的形状。因此，壳体8与传感器元件2紧密配合。壳体的外表面由模具形成。

壳体材料可以包括另外的成分。LSR为主要成分，LSR在壳体材料中的比例为至少50 wt%。另外，壳体材料包括添加剂和填充材料。可能的填充材料是氧化物陶瓷，其含有硅和/或铝的氧化物。此外，诸如AlN和BN的氮化物或诸如SiC的碳化物可用作填充材料。

这种填充材料可以影响壳体材料的若干性质，如其拉伸强度、硬度、介电强度、热伸长率和热导率。

此外，可以添加着色剂以对透明的LSR材料着色。

然而，壳体材料由一个单一的均质层构成，其中，所添加的试剂均匀分散在LSR相中。

第一实施例的壳体材料通过液体注射模制而施加到传感器1上。由于液体离析物的低粘度，可以实现在传感器头部3处的≥0.2 mm的低壳体壁厚。低壳体壁厚缩短了传感器的响应时间。

此外，壳体材料具有强的疏水性质，并且因此为电气部件提供了良好的防水和防潮保护。

在所选择的壳体材料断裂之前的可能伸长率大于100%。伸长率被定义为部件相对于其原始长度的可能的弹性变形。由于其紧密性和弹性，壳体提供了强的机械保护，尤其是在减震方面。

此外，LSR表现了高的化学抗性。因此，在侵蚀性化学介质中的温度测量期间，它适合于保护传感器。

未固化LSR的粘度取决于各自的应用，范围在50000和500000 [mPa s]之间。在模制过程期间，由于LSR材料的剪切稀化行为，粘度降低。

未固化的LSR是包括组分A和组分B的液体组分的混合物。组分A包括具有有机取代基的聚硅氧烷和铂催化剂。组分B也包括具有有机取代基的聚硅氧烷和交联剂。

组份A和B可以包括具有相同有机基团的相同类型的聚硅氧烷，或者具有不同有机基团的不同类型的聚硅氧烷。有机取代基可以是甲基、乙烯基、苯基或类似的取代基。

通过暴露于UV辐射或加热，触发聚硅氧烷的交联反应。交联反应将液体混合物转化为固体壳体材料。

固化的LSR具有下列性质：不具有添加剂的LSR在100℃的热导率通常在0.2和0.5W/（m K）之间。热膨胀系数约为2xl0^-4-4xl0^-4 K。压缩形变通常为5-25%。肖氏A硬度通常为10-90。根据DIN IEC 243-2的介电强度为20 kV/mm或更高。

图3从不同的角度示出了传感器1的第一实施例。上面已经描述的元件不再描述。

在第一实施例中，绝缘导线6各自由单根导线构成。在另一个实施例中，导线6是绞合导线。

在另一个实施例中，传感器元件可以被多于两根绝缘导线接触。

在又一个实施例中，传感器包括被同一个或若干个壳体覆盖的两个或更多个传感器元件。

图4和5示出了传感器1的第二实施例。基本上，第二实施例类似于传感器1的第一实施例。

与第一实施例不同，这里，传感器壳体8被成形为两部分的圆柱体。圆柱体的在第二端部侧5处的部分9具有比在第一端部侧3处的部分10更大的直径。

因此，在第二端部侧5处的部分9可以容纳导线6和引线22之间的压接连接部62。导线6的与引线接触的一部分不是绝缘的。引线布置在温度敏感构件21的第二端部侧5处，并且远离传感器的头部3指向。

传感器元件2、压接连接部62和导线6的一部分7被壳体8覆盖。

待测量的流体介质4至少与包括传感器头部3的传感器壳体8的较薄部分10接触。壳体8的较薄部分10处的薄壁厚允许温度测量的短的响应时间。在另一个实施例中，整个壳体8和绝缘导线6与待测量介质4接触。

在第四实施例中，图中未示出，用于电连接的连接元件是引线框而不是导线。

参考标记列表

1 传感器

2 传感器元件

21 温度敏感构件

22 引线

3 传感器元件2的第一端部

4 待测量介质

5 传感器元件2的第二端部

6 导线

62 引线和导线的连接部

7 绝缘电导线6的被覆盖的部分

8 壳体

9 传感器壳体8的大部分

10 传感器壳体8的小部分

Claims

1.传感器（1），所述传感器（1）包括传感器元件（2）、用于电连接的连接元件以及被施加到所述传感器元件上的壳体（8），其中，所述壳体（8）包括具有固化的液体硅酮橡胶（LSR）作为主要成分的壳体材料。

2.如权利要求1所述的传感器（1），其中，所述传感器元件（2）包括温度敏感构件。

3.如权利要求2所述的传感器（1），其中，所述温度敏感构件包括热敏电阻材料。

4.如权利要求1或3中的一项所述的传感器（1），其中，所述连接元件包括电导线（6）。

5.如权利要求1或3中的一项所述的传感器（1），其中，所述连接元件包括引线框。

6. 如权利要求1至5中的一项所述的传感器（1），其中，所述壳体材料在100℃具有0.2-0.3 W/（m K）的热导率。

7. 如权利要求1至6中的一项所述的传感器（1），其中，所述壳体材料具有2xl0^-4-4xl0^-4K的热膨胀系数。

8.如权利要求1至7中的一项所述的传感器（1），其中，所述壳体材料具有10-90的肖氏A硬度。

9. 如权利要求1至8中的一项所述的传感器（1），其中，所述壳体材料具有20 kV/mm或更高的介电强度。

10.如权利要求1至9中的一项所述的传感器（1），其中，所述壳体（8）被施加到所述连接元件的一部分上。

11.如权利要求1至10中的一项所述的传感器（1），其中，所述壳体（8）通过注射模制来施加。

12.如权利要求11所述的传感器（1），其中，所述壳体（8）通过液体注射模制来施加。