CN117957451A - 用于监测电介质流体特别是用于电池热调节的流体的电介质强度的传感器设备 - Google Patents

用于监测电介质流体特别是用于电池热调节的流体的电介质强度的传感器设备 Download PDF

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Abstract

一种用于监测电介质流体的电介质强度的传感器设备，具有支撑敏感部分(SG1)的传感器主体，该敏感部分被设计用于与电介质流体接触。敏感部分(SG1)包括具有以预定义微米或亚微米距离布置的相应表面部分的至少一对电极(E1，E2)，以在它们之间限定至少一个检测间隙，电介质流体的一部分适于渗入所述检测间隙之间。传感器设备具有电路布置，该电路布置包括：‑用于从已知的电源电压开始在至少一对电极(E1，E2)的两个电极之间生成电场的装置，以及‑用于测量电压的装置(V)，该电压表示跟随着电场生成之后通过存在于至少一个检测间隙(G)中的电介质流体(5)在至少一对电极(E1，E2)的两个电极之间的放电的可能性发生。

Description

用于监测电介质流体特别是用于电池热调节的流体的电介质 强度的传感器设备
技术领域
本发明总体上涉及用于监测流体的一个或多个电量的传感器设备，以及配备有所示类型的传感器的电气设备。本发明在开发过程中特别注意监测电介质流体的电介质强度，该电介质流体优选地是存在于电气设备的外壳中的流体，诸如用于电池热调节的流体。然而，所描述的传感器设备也适用于其他领域，或者与除电池之外的电气设备结合使用。
背景技术
近来，出现了以越来越有效的方式对电池进行温度调节的需求，例如为车辆配备的电池。在某些情况下采用的技术解决方案是通过将电池单元浸入电介质流体中来直接冷却电池单元，以最大化热交换效率。这种解决方案的缺点是，如果与电池单元接触所用的流体不能保证足够的绝缘，则可能在电池组内部建立电流，从而显著降低效率，甚至导致潜在的非常危险的结果。
为了控制电池单元直接浸入其中的冷却液的电绝缘特性，已经提出了基于电参数测量(诸如电介质常数、阻抗、电导率的测量)的解决方案。然而，这些测量值仅与由电介质强度(即电场的极限值——超过该极限值，电传导通过所讨论的流体被产生)表示的实际感兴趣的量间接相关。
通常，用于电池热调节的流体应确保最小电介质强度不小于3kV/mm量级的值。根据现有技术，这些电介质强度值的直接测量将需要宏观尺寸的检测元件以及基于生成非常高且昂贵的电压的使用，并且这些电压潜在地表现为电磁噪声源并且对于在相对大的空间区域上可能触发雪崩现象是危险的。另一方面，仅测量流体的电导率并不总是能够准确地区分潜在的危险情况。
由于这些原因，通常遵循的方法因此是继续测量几个不同的电量，诸如上述电介质常数、阻抗和电导率，并将它们相互关联，结果并不总是令人满意。
在除了示例的应用之外的应用中也发现了类似的问题，其中电介质流体与通用电气设备结合使用，例如用于其热调节。
发明内容
本发明基于对以下事实的考虑，即，特别是当诸如电池之类的电气设备的安全受到威胁时，希望具有一种传感器设备，该传感器设备并不仅依赖于间接测量或者间接参数的复杂相关性、并且基于难以穷尽的案例系统。
在这种情况下，本发明的目的本质上是获得一种能够监测由流体特别是电气设备(诸如电池)的热调节流体所保证的电绝缘程度的传感器设备。
本发明的另一个目的是获得一种在低电压下操作、但能够监测流体的高电阻和/或高电绝缘的传感器设备。
本发明的另一个目的是获得一种结构紧凑、能够监测流体的电绝缘的传感器设备。
本发明的一个辅助目的是获得一种传感器设备，即使在需要测量具有非常低电导率的物质的电绝缘程度的情况下，该传感器设备也可以方便地使用。
根据本发明，通过如下所述的传感器设备来实现以上目的中的一个或多个以及稍后将变得更清楚的其他目的。本发明的目的还通过包括这种传感器设备的电气设备来实现。本发明的优选实施例在所附的权利要求中被指示。权利要求形成本文提供的关于本发明的技术教导的组成部分。
根据本发明，提出了一种用于直接监测电介质强度的传感器设备，该传感器设备具有用于检测的小型化敏感部分，或者在任何情况下以包括在微米或亚微米或纳米距离处布置的至少一对检测电极的方式获得，以便即使从低电压开始也生成高电场，其中特别地，电极以固定位置在一个且同一支撑件上。通常，根据本发明的传感器设备的敏感部分包括至少两个电极，优选微电极，其被放置在100纳米和20微米之间的距离处，以便在它们之间限定测量间断或间隙，该间断或间隙适合于在低电压(大约在1和30V之间，优选在3和10V之间)下生成数kV/m的电场。
可以使用直流电压、具有各种频率、脉冲或各种形状的交流电压来进行检测。
在各种优选实施例中，借助于合适的电气或电子电路装置，使用直流电压来对具有已知或预定义电容的电容器充电，然后在测量间隙上放电，即，以便在两个电极之间生成电场。传感器设备最终可以被预先布置有电子驱动电路，该电子驱动电路在每个测量周期反转电极之间的极性，这将在下面详细描述。因此，根据本发明的可能实施例的传感器设备的可能操作方案规定了，使已知电容的电容器达到一定电压，然后从电源断开，并且然后连接到传感器设备的敏感部分：通过监测电容器端部的电压，在将其连接到浸入在流体中的敏感部份的测量间隙之后，可以获得流体本身的电介质强度的值的代表性信息，即其电绝缘程度的代表性信息。高度绝缘的流体将导致几乎无限的时间常数，而电容器的放电由于流体的传导而将变得更快。绝缘流体(诸如超纯水)在低电场下将表现出良好的绝缘性，而在高电场下将变得更具导电性：精确地对于这些类型的电介质流体，根据本发明的传感器设备允许区分仅经由导电率测量无法测量的情况。
根据本发明的其他实施例，传感器设备独立于电容器的使用，并且其操作是电阻型的，或者基于等效电阻的测量。
根据本发明的传感器设备的敏感部分可能包括以不同微米或亚微米或纳米距离布置在同一支撑件上的若干对电极，例如，各个电极彼此相距2、4、8、16微米，并且独立地和顺序地或同时地被供应低电压，例如16V的电压。如果对于所有提供的电极对，时间常数保持在特定阈值以上，则可以得出流体的电介质强度较高，例如，高于8kV/mm的结论；另一方面，如果在最小的测量间隙(在所陈述的示例中为2微米)处检测到放电，该放电明显快于在其他测量间隙处发生的放电，则可以得出流体的电介质强度被包括在例如4和8kV/mm之间的结论，依此类推。
当然，所给出的范例原则上适用，并且根据本发明的传感器设备将务必根据要测量的流体的类型以及与所用电极的形状相关地进行校准。
在各种优选实施例中，敏感部分的电极以薄膜的形式获得。限定了测量间隙的电极之间最短距离处的部分可能具有相对较小的曲率半径，其数量级为微米或更小，例如被包括在10至500纳米之间：这种电极具有显著的“尖端效应”，从而降低获得局部放电或击穿电压所需的电压，这种情况对于降低用于测量的电压的目的是有利的。在流体的情况下，术语“击穿电压”必须以动态的方式理解，因为-考虑到放电中涉及的流体体积非常有限，并且出于局部热运动、对流或可能的宏观流动而受制于持续混合-如果重复多次测量，原则上结果总是相同的，这不同于固体电介质，在固体电介质中不发生所述混合并且电介质随每次放电而改变特性。
薄膜技术的使用允许实现获得微电极所需的精度，或者在任何情况下微米或亚微米或纳米尺寸的测量间隙所需的精度。在各种实施例中，形成或组成电极的金属膜的厚度被包括在50纳米和2微米之间，优选地在100和500纳米之间。优选地，电极由至少两层组成，诸如由钛或铬制成的20-80纳米厚的第一层，具有增粘剂的功能，以及由铂、铜、镍或其他导体制成的第二层，通常为几百纳米厚。然而，根据其他实施例，可以使用由单一金属(优选铬或钛)形成的电极。
电极优选被沉积在同一个电绝缘支撑件上，例如由陶瓷(诸如氧化铝或氧化锆)或塑料材料制成。在其他实施例中，电极可以被沉积在由硅晶片上获得的氧化硅(优选地通过氧化)形成的同一衬底上，该衬底的厚度优选地不小于测量间隙处(或者在几对电极的情况下为较小的测量间隙)的电极之间的距离，但是优选地大于该距离，以避免硅衬底内部的放电。
用于获得电极的优选技术是在高真空中的热蒸发和溅射。也可以使用其他技术，诸如CVD(化学气相沉积)或ALD(原子层沉积)。如果有必要在不使用昂贵的纳米级光刻技术的情况下获得数十或数百纳米量级的非常小的间隙，则可以使用经典光刻技术获得微米间隙，并随后通过各向同性电流生长来减小它们。通常，无论使用何种沉积技术，电极的轮廓都将通过光刻技术获得，诸如光刻胶沉积、UV曝光、显影和随后的一种或多种金属的化学侵蚀、光刻胶的去除。
附图说明
本发明的其他目的、特性和优点将从下面参考所附示意图进行的详细描述中变得清楚，所附示意图仅仅以非限制性示例的方式提供，其中：
-图1和图2是根据可能实施例的配备有传感器设备的电气设备的不同角度的示意性透视图；
-图3和图4分别是图1-2的电气设备的截面透视图和对应的放大细节；
-图5、图6、图7、图8和图9分别是根据本发明可能实施例的传感器设备的透视示意图、俯视示意图、侧视示意图、后视示意图和前视示意图；
-图10和图11分别是根据图6和图7的X-X和XI-XI轴截取的示意图；
-图12是根据可能实施例的传感器设备的示意性分解图；
-图13和图14是根据可能实施例的传感器设备的敏感部分从不同角度的示意性透视图；
-图15和图16分别是根据可能实施例的传感器设备的敏感部分的一对电极的示意图和对应的放大细节；
-图17和图18是根据其他可能实施例的传感器设备的敏感部分从不同角度的示意性透视图；
-图19-20、图21-22、图23-24分别是类似于图15-16的电极对的可能替代实施例的示意图；
-图25是一个简化电路，其旨在举例示出根据可能实施例的传感器设备的电容驱动的可能操作原理；
-图26是示出借助于根据本发明的传感器设备对一些类型的流体进行测量的示例的曲线图；
-图27和28举例示出了基于敏感部分的电容型驱动原理，根据可能实施例的同样多的传感器设备的可能电路；
-图29举例示出了基于敏感部分的电阻型驱动原理，根据可能的致动形式的传感器设备的可能电路；
-图30和图31分别举例示出了单极或双极驱动情况下与图29等效的电路；
-图32和图33举例示出了根据可能实施例的同样多的传感器设备的可能电路，其还集成了分别基于敏感部分的电容型和电阻型驱动原理的温度检测功能；
-图34是根据可能实施例的传感器设备的敏感部分的俯视示意图；
-图35是根据图34的线XXXV-XXXV的示意截面图；
-图36是图34中细节XXXVI的放大视图；
-图37是图35中细节XXXVII的放大视图；以及
-图38举例示出了根据其他可能实施例的传感器设备的可能电路。
具体实施方式
在本说明书中对实施例的引用指示在至少一个实施例中包括关于该实施例描述的特定配置、结构或特性。因此，诸如“在一个实施例中”、“在各种实施例中”等短语可能存在于本说明书的不同地方，但不一定指同一实施例。此外，本说明书中定义的特定构象、结构或特性可以在一个或多个实施例中以任何适当的方式组合，甚至与所描绘的不同。本文使用的数字和空间参考(诸如“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”等)仅为方便起见，并且因此不定义保护范围或实施例的范围。在附图中使用相同的附图标记来指示相似的或技术上等同的元件。
在图1-4中，通用电气设备以示意图的形式表示，该电气设备与电介质流体结合使用，例如用于热调节目的，并配备有根据本发明的可能实施例的传感器设备。在该示例中，所示的设备是一种电池，其具有由电介质流体冷却的电池组：然而，如上所述，本发明的范围不限于该特定技术领域。
该设备或电池整体用1表示，其具有外壳2，外壳2限定其内布置有电气部件的容纳容积3，在此表示为电池组4，电池组4包括串联或并联连接的多个电池或电解单元4a。容积3适于接收用于电池组4的热调节的电介质流体5，特别是冷却剂。在下文中，我们假设流体5是氢氟醚(HFE)，例如属于由美国明尼苏达州圣保罗市的3M公司生产的NOVECTM系列流体，或1，1，1，2，2，3，3-七氟-3-甲氧基丙烷(化学式：C4H3F7O-CAS登记号：375-03-1)。
可能的流体回路和/或用于流体5的冷却系统的其它部件的实际实现与本说明书的目的无关。
外壳2的其中一个壁，特别是其侧壁，配备有开口2a，符合本发明的传感器设备被安装在开口2a处，整体上用10进行指示，并且为了简洁起见，以后也称为“传感器”。开口2a优选地位于与传感器的至少敏感端浸入流体中的状况相对应的高度处，特别是在电池组4至少部分浸入流体5中的状况下：从这个角度来看，在流体的电绝缘与空气的电绝缘不同的情况下，设备10也可以用作最低水平的传感器，如下面所提到的。
如图4的细节所示，传感器10以不透水的方式安装在上述开口2a处，并以流体5能够与传感器本身的敏感部分接触的方式配置，如下面所解释的。更一般地，传感器具有传感器主体，该传感器主体被配置为安装在电气设备或电池上，使得其敏感部分接触或浸入受监测的流体中。当然，图中所示的传感器10的安装位置必须被理解为仅仅是一个示例，因为相同的传感器可能被安装在另一个位置，只要流体5能够到达其敏感部分(例如沿着容积3中的流体5的用于供应和/或再循环的回路)。
根据可能实施例的传感器10在图5-12中以不同的视图示出。
首先参考图5-7，传感器10具有第一主体部分11，例如由电绝缘塑料材料形成。在各种实施例中，主体部分11纵向延伸，并具有盒状部分12，该盒状部分12设置有盖12a，并且优选地具有第一管状部分13，其获得电连接器主体。在各种实施例中，主体11限定了径向突出的中间凸缘14，该中间凸缘14设有用于接收合适的固定元件(例如螺钉)的孔14a(图8)。可替选地，传感器10可以配备有另一种类型的固定和/或定位装置，诸如用于快速耦合的装置，其可能地与设置在电气设备或电池1的外壳2上的相应耦合和/或定位装置互补。
传感器10优选地包括第二主体部分15，该第二主体部分15也例如由电绝缘塑料材料形成。主体部分15限定了基本上是杯状的中空部分16，并且(优选地)限定了相应的径向突出的端部凸缘17，该端部凸缘17还设置有用于固定装置的孔17a(图9)。当凸缘14和17都存在时，两者能够具有大致相同的轮廓和对应的孔14a和17a的相同布置，使得在组装状态下，孔14a处于与孔17a的位置基本一致的位置：因此，在组装状态中，两个凸缘14和17a能够彼此抵靠，以形成传感器10的主体。凸缘14和17能够例如通过焊接或胶合连接在一起，或者可以通过使用相同的固定元件(诸如用于将传感器10固定到位的上述螺钉)来实现相互紧固。
在各种实施例中，传感器10可以包括用于唯一地限定主体部分11和15之间的组装位置的元件，诸如例如部分11上的定位元件和部分15上的对应定位配对元件。在所示示例中，这些元件和配对元件位于两个凸缘14和17的面对侧(特别参见图12中用17b指示的元件，该元件从凸缘17轴向突出，对应于凸缘14a上的相应座或凹槽，不可见)。
在各种优选实施例中，主体部分15的中空部分16的外周壁(优选为大致圆柱形的壁)在外部设置有座(图12中用16a表示)，用于安装密封元件18，例如OR型垫圈。例如，这样的垫圈18在当传感器10的至少一部分或其主体部分15的至少一部分插入开口中时提供，以便实现径向密封：参考图4，其中主体部分15插入电气设备或电池1的外壳2的开口2a中。
在各种优选实施例中，主体部分15的中空部分16的壁，特别是其端壁或底壁16a，设有一个或多个贯通开口，用19表示(例如见图5和图9)，用于待检测流体的通过；在所示的非限制性示例中，在相对于上述中心孔的外围位置中存在四个开口19，包括中心孔和三个槽形开口。在壁16a内侧，其能够设置有凹槽或压痕，仅在图11中用19a表示，开口19的内端位于该凹槽或压痕处。
还参考图8-12，传感器10优选地设置有由20表示的第一连接端子，该第一连接端子延伸穿过壁(仅在图11中由12b表示)，该壁将主体部分11的部分12和13彼此分隔开。第一端子20具有由20a表示的远端部分，该远端部分在第一管状部分13内部延伸，以与之形成电连接器，用于将传感器10连接到外部系统。相反，第一端子20的近端部分20b在由主体部分11的盒状部分12限定的空腔12c(图10和图12)内延伸。
在各种实施例中，主体部分11还具有穿过壁的第二连接端子21，优选地是块状部分22(图10-11)，在所描绘的非限制性示例中，块状部分22从盒状部分12的与管状部分13相对的端部开始轴向延伸。第二端子21具有由21a表示的近端部分，该近端部分在由盒状部分12限定的前述空腔12c内延伸，位于大致与第一端子20的近端部20b相对的位置。第二端子21的远端部分21b轴向突出超过主体部分11的壁或块状部分22。
在各种实施例中，端子20和21的近端部分20b和21a被分别耦合到电路支撑件23的相应连接元件，电路支撑件23容纳在空腔12c内并且在其上实施传感器10的控制电子器件的至少一部分，特别是监测流体的介电强度或对应的击穿电压所需的电子部件的至少一部分。为此，端子的上述端部20b、21a能够相应地成形，例如被弯曲并定尺寸为适于被设置在电路支撑件23上的对应通道。端子20和21能够被驱动到被设置在主体部分11中的相应通道中，或者优选地，主体部分11被直接包覆成型到此类端子上。
如图12的示例所示，在各种实施例中，支撑件23上的电路具有至少两个连接元件23a，用于通过端子21连接到检测元件的敏感部分，如下所述。该电路可以可选地为温度检测器(例如NTC热敏电阻)提供两个附加连接元件，其布置在上述检测元件上(在这种情况下，优选地提供两个附加端子21，用于将温度检测器连接到电路支撑件23)。再次参考图12中的示例，支撑件23上的电路具有用于端子20的三个附加连接元件23b，它们通过管状部分13实现用于传感器10的外部连接的连接器。
特别是从图11和图12中可以注意到，在各种实施例中，主体部分11呈现了第二管状端部部分24，第二管状端部部分24在此从壁或块状部分22轴向延伸(在该示例中，在与第一管状部分13大致相对的位置)，其中(在该管状部分24内)有端子21的端部21b。第二管状部分24优选地具有基本上圆柱形的周壁，或者更一般地与主体部分15的中空部分16的空腔的区部基本互补。优选地，第二管状部分24的周壁具有至少一个开口24a，优选地在相对位置具有两个开口，在传感器10的组装阶段，其能够将端子21的上述部分21b电连接(例如通过焊接)到传感器10的检测元件的相应电连接元件(例如在图12中用36a和36b指示)，整体用30指示。
在各种实施例中，检测元件30或其支撑件(例如在图13-14中用31表示)被布置在第二管状部分24的远端，为此目的，第二管状部24能够设置有定心和/或定位元件(其中两个元件在图10和图11中用24b表示)。上述支撑件31可以被胶合或耦合在管状部分24上。
在各种实施例中，在组装状态下，具有检测元件30的管状部分24，以及可能的块状部分22的至少一部分，被容纳在由主体部分15的中空部分16限定的空腔内(例如见图10-11)。为此目的，优选地，在两个主体部分11和15之间可以设置密封装置，诸如由25表示的环形垫圈；为此目的，第二管状部分24的周壁能够在外部设置对应的定位座，如图12中的24b所表示的。
在各种优选实施例中，能够在检测元件30和主体部分15之间提供另外的密封装置。在该示例中，为此目的，存在环形垫圈，例如在图10-12中用26表示，设计为被密封设置在检测元件30的上述支撑件31(图13-14)和开口19所位于其中的中空部分16的壁16a之间。为此，壁16a的内侧能够为垫圈26限定对应的定位座(未指示)。能够想象，环形垫圈26与壁16a的相应部分和检测元件30的前述支撑件31一起限定了检测室(未指示)，在该检测室处，开口19和可能的凹槽19a在一侧处打开，并且检测元件30的敏感部分(下面描述)在相对侧处面向该检测室。
检测元件30的一个可能示例如图13和14所示。
元件30包括支撑件31，支撑件31优选地由电绝缘材料制成，例如陶瓷或塑料：在该示例中，假设支撑件31由氧化铝形成。仍然参考所示的非限制性示例，支撑件31优选地具有正方形或多边形的外围轮廓(此处基本上为八边形)，该外围轮廓设置有通孔32。这种形状和孔32的存在不是必需的，该形状可能不同，例如圆形。
在支撑件31的上表面上存在敏感部分，如图13中的SG1所示，该敏感部分包括支撑件上的至少一对电极，如E1和E2所示，特别是微电极。
电极E1和E2优选地为薄膜形式。如前所述，在各种优选实施方案中，获得电极E1、E2的金属膜的厚度被包括在50纳米和2微米之间，优选地从100纳米到500纳米。电极E1、E2能够由至少两层不同的金属材料制成，或者由单层金属材料制成。在下文中，假设电极E1和E2都由支撑件31上的相应的铂和铬层形成，铂形为上层，并且铬形为下层。
电极具有设置在它们之间的最小或预定距离处的相应部分，该距离是微米或亚微米或纳米距离，优选地被包括在100纳米和20微米之间，以便在它们之间限定固定的测量间隙。
在下文中，假设两个电极E1和E2在彼此最接近的各个点处相距约2微米。
在示例性的非限制性情况下，在支撑件31的上表面上提供第一导电轨道，例如金属材料或导电膏的丝网印刷轨道(在图13中用33a和33b表示)，它们与设置在支撑件31的下表面上的类似导电轨道(在附图13中用34a和34b表示)电连接。上轨道33a、33b各自能够从相应的电极E1或E2延伸到衬底31的相应通孔(此处孔用32a和32b表示)，该通孔被导电材料填充或使其表面被导电材料覆盖，轨道33a或33b的材料与之接触。类似地，下轨道34a和34b与填充或覆盖相应的孔32a或32b的表面的材料接触，并从那里分别延伸到由导电材料形成的相应的接触垫35a或35b，并从那里依次与感测元件30(即，敏感部分SG1的电极E1和E2)的连接元件36a或36b分离；元件36a和36b能够例如由(可能是柔性的)电导体表示。
如前所述，温度检测器(诸如NTC热敏电阻)能够被安装在支撑件31上，例如其下表面，如图14中的RT1所例示的。在这种情况下，用于该检测器的至少两个附加的连接元件或导体也将从支撑件31延伸，用于经由合适的端子21连接到控制电子器件的目的。
参考图15-16，在各种优选实施例中，至少一个电极(此处为电极E1)具有的相应外围轮廓的一部分通常是尖角的(pointed)，用E1a指示，设计成以预定距离或最小距离面向另一个电极(此处为电极E2)的外围轮廓的对应部分(用E2b指示)，以便定义测量间隙，在图16的细节中用G指示。在电极E1和E2之间的较短距离处的部分在相应的尖角轮廓部分处可以具有微米量级的相对较小的曲率半径。选择提供至少一个具有尖角部分的电极旨在利用所谓的“尖端效应(tip effect)”，该效应能够使用低电压，特别是小于50V的低电压，以便在两个电极之间的最小距离处的部分下获得局部放电或击穿电压。在图13-16所示的示例中，只有电极E1具有尖角配置，但正如将要看到的那样，这并不构成基本特征。
如前所述，本发明的传感器对象被配置用于执行旨在确定流体中的传导可能损失的检测，该流体在理想绝缘但在特定条件下能够部分失去该特性。换句话说，传感器能够直接推导出电介质流体的介电强度相对于其初始值或标称值或者标称值范围的可能衰减，特别是低于安全阈值的衰减。
传感器所基于的原理是使用电极之间非常小的距离来获得高电场的可能性。对于仅以非限制性示例的方式报道的特定配置，可以创建“尖角”电极来利用所谓的“尖端效应”，这是一种每当有带电导体时就会发生的物理现象：这种现象包括在导体表面具有曲率半径较小的区域中形成更强烈的电场，因为电场与曲率半径成反比。在存在尖端的情况下，曲率半径理想地趋于零，并且因此电场理想地趋于无穷大。
事实上，不可能获得零曲率半径，但在存在具有非常小曲率半径(微米或亚微米)的尖端(即使不是零曲率半径)的情况下，即使具有几伏的电势，也可能获得数十kV/cm的电场。因此，使用具有限定了尖端的轮廓的电极(诸如电极E1)和其面向尖端的轮廓是平坦的第二电极(诸如电极E2)(其轮廓也可以是另一形状，如下所示))，将它们放置在足够小的距离处，由于电晕效应(在两个导体存在高电位梯度的情况下生成的现象，并且由于存在高电场引起的电离，由这些电极所浸入的流体中的电流通道组成)而能够获得电流流。高电场是通过一个或两个电极的尖角形状以及通过两个电极之间的近距离获得的。还应该注意的是，薄膜的非常薄的厚度对局部电场的增加的贡献甚至比平面中的图案更大。具有两个电极的有限面对面积的另一优点是以任何方式将可能的放电限制在有限且位置良好的容积内。
因此，例如，通过将浸入被测流体中的两个电极E1和E2与在适当电压水平下充电的电容并联放置——取决于所监测的流体和/或电极之间的最小距离(即检测间隙的特征尺寸)——可以基于在预定时间间隔之后在容量上测量出的残余电压水平来确定流体的劣化水平。
电压水平越低，电极之间的电流越大，流体失去的绝缘属性就越多。因此，在预定时间之后，可以将电容上的残余电压水平与流体的绝缘属性相关联，从而推断其电介质强度。
图17和图18显示了检测元件30的可能替代实施例，其中，在支撑件31上(此处为圆形，并且由玻璃纤维和环氧树脂(vetronice)或其他适用于印刷电路板或PCB的材料形成，或由氧化铝形成)沉积衬底31a，衬底31a由硅晶片31b上获得的氧化硅形成，并且在衬底31a上限定了多对电极E1-E2，以形成检测元件30中的敏感部分SG1。
由于上述原因，每对的电极E1和E2能够限定具有不同幅度的检测间隙。衬底31a优选地具有不小于在最小测量间隙处电极E1和E2之间的距离的厚度，但优选地大于所述距离。
在该示例中，各种电极E1和E2通过“引线接合”，经由优选基于贵金属的微导线37a和37b，而连接到相应的连接导体36a、36b。然而，在该示例中，电极E2的微导线37b被连接到公共焊盘(如图18中35b所指示)，单个连接导体36b从公共焊盘分离：因此，在该实例中，检测元件30仅包括三个连接导体(不影响上述温度检测器的可能的附加存在，在这种情况下，将提供至少一个附加导体，优选至少两个附加导体)。
在图17-18所示类型的实施例中，硅晶片的使用允许获得高掺杂区域，该高掺杂区域能够被用作栅极电极，以调制该对或每对电极E1-E2的检测间隙之间的局部放电，如果期望获得流体内部传输现象的特别精细的测量，则例如通过赋予传感器对某些污染物更大的选择性。
流体分子的极化实际上可以改变其导电性。从这个角度来看，可以利用的一个现象是，通常在电池中用于绝缘和冷却的一些流体(诸如氢氟醚(HFE)，例如1，1，1，2，2，3，3-七氟-3-甲氧基丙烷)的分子中存在的氟原子具有显著的电负性。
在电极E1-E2之间的放电期间，氟原子倾向于分离自由电子，这是这种类型的流体具有相对高的击穿电压的原因之一。栅极电压的存在能够影响分子的极化，从而创建不同的路径，以取决于栅极电压的值和极性来促进或阻碍放电。因此，通过适当的映射，可以通过测量主电极(例如，配备有“尖端”或“尖端-平面”的电极将成为源极和漏极)之间的电流作为栅极电压的函数关系来获得不同污染物的检测。
使用至少部分在硅中的衬底31a的另一优点在于，可以将敏感部分SG1的驱动电路或所述电路的至少一部分直接集成到衬底中。
如前所述，在任何情况下，都可以使用绝缘支撑件或衬底，直接在其表面上沉积一对或多对电极E1-E2，或者通过其它方式获得合适的栅极电极，并且然后在其上沉积绝缘层(例如，厚度为几微米，例如2-10微米的聚合物层)，随后在其上形成至少一对电极E1-E2，在该对电极E1-E2之间发生放电。将参考图34-38来描述这种类型的示例。
如果传感元件30的敏感部分SG1包括若干对电极E1-E2，则在同一电压下供应的测量间隙可以是单独的，如图17的情况所示，或者两个电极E1和E2能够在其间定义在相同电压下以相同距离并联工作的若干测量间隙，如图23的情况所示，以具有冗余并避免任何故障(如间隙处的气泡或杂质)。
图19-20示出了两个电极E1-E2的可能的替代几何形状，每个电极通过相应的外围轮廓的相应尖端部分E1a和E2b来区分。例如，这样的实施例对于最大化局部电场是有利的。
图21-22示出了两个电极E1-E2的另一种可能的替代几何形状，其中电极E1的外围轮廓具有轴向延伸的突出部分E1a，该突出部分E1a隐含在电极E2的外围轮廓的成形部分E2b的两个延伸且平行的部分之间。例如，这样的实施例能够有利于在微电极的制造期间提高薄膜的化学侵蚀过程的均匀性。
图23-24示出了另一种可能的替代几何形状，其中两个电极E1-E2的外围轮廓的面向部分具有基本上互相交叉的梳状配置，即电极E1的一系列突起E1a在电极E2的一系列凹部E2b中被接收。如前所述，这样的实施例例如能够有利地通过仅两个电极来限定并联工作的多个相等的测量间隙，这出于冗余的原因并且是为了避免由于外部原因(诸如单个间隙处的气泡或杂质)引起的偶然故障。尽管在这种情况下，与“尖端-平面”或“尖端-尖端”的情况相比，在具有相同施加电压和电极之间相同最小距离的情况下，电场的值能减小，但是该实施例在流体具有更高电导率的情况下能够是有利的，例如因为它们被污染和/或劣化，从而确保了电极的更大的鲁棒性，这将较少受到在放电期间施加的场本身的损坏。
传感器10被安装成使其主体部分15(至少在其壁16a处)至少部分暴露于被检测的流体，例如图3-4所例示的。
以这种方式，流体5的一部分能够穿过开口19，并且到达被限定在密封元件26、壁16a的内侧和检测元件30的支撑件31之间的检测室；假定密封元件26围绕至少一对电极E1-E2所处的支撑件31的上表面的区域，则两个所述电极都与流体5接触。
图25示意性地显示了传感器10的可能工作原理，其中Vdc指示低电压源，S1和S2指示两个开关(优选为电子或可控类型)，C指示已知或预定电容的电容器，并且SG1指示具有至少两个先前用E1和E2指示的电极类型的敏感部分。OS表示检测设备或仪器，诸如示波器。如上所述，传感器被安装成使得待检测的流体浸没电极E1-E2，从而也渗入检测间隙G中。
通过闭合开关S1，电容器C在Vdc的电压下进行充电。然后，使开关S1断开，使开关S2闭合，从而使电容器C在敏感部分SG1的电极(流体的一部分位于其之间)之间限定的测量间隙上放电。
图26中的图表显示了一些类型流体的典型放电趋势，如申请人通过根据本发明的传感器设备检测到的，并根据上述原理所指示的进行操作。使用5V的Vdc电压、容量为100nF的电容器C和敏感部分SG1进行测试，其中电极E1和E2为铬，具有图15所示类型的几何形状，并且检测间隙G为2微米。在图中，横坐标表示以秒为单位的时间t，而纵坐标表示以伏特为单位的电压U。
Novec 7100TM例如，通常用于电池的电化学电池的热调节的流体之一：所表示的放电与空气的放电基本一致(图上的两条曲线实际上无法区分)，并且时间常数是与10MOhm的电阻器(所用示波器OS的内阻)上的100nF的电容相关的时间常数。
图25图表中提到的同一流体也通过介电强度计进行了分析，介电强度仪是用于测量材料介电强度的典型仪器。对应的结果如下表1所示：
表1
液体 记录的放电电压 电导率(μS/cm)
Novec 7100 绝缘 0
超纯水 2.4kV/cm 0
去离子水 400V/cm 20
水(尖端) <50V/cm 319
使用介电强度计，可以测量超纯水的放电电压约2.4kV/cm，而使用用于测量电导率的对nS/cm敏感的台式仪器则不可能测量任何电导率：这是由于超纯水在由局部电荷的生成引起的高电场的存在下而变得导电，而不是由于流体中已经存在的自由电荷而变得导电。另一方面，使用根据本发明的传感器10，可以直接验证流体的电绝缘质量：从图26中的曲线图中能够看出，事实上，与超纯水相关的曲线与来自Novec的曲线和来自低纯水(去离子水和自来水)的曲线都很好地区分开来。
根据本发明的传感器能够根据不同的电路变体制成，用于电容型或电阻型操作。
例如，图27示出了传感器10单极驱动的原理图，其中参考上述电容型操作。该图示出了有助于理解操作的唯一重要部件，即：
-利用SG1，示意性地示出了其中在测量间隙G处生成电场的敏感部分，该敏感部分由所述类型的一对电极E1-E2组成，或者由可能彼此并联的若干对电极组成；
-C1指示实现待测量的残余电压的电容的电容器；
-用Vd指示电容器C1两端的电压，其中箭头标识其方向；
-V1指示通用的恒压源；
-V指示能够测量电容器C1上电压Vd水平的任何系统或设备，诸如电压表或模数转换系统，
-用SW1、SW2和SW3指示通用受控开关。
并非所有的开关SW1、SW2和SW3都必须存在，并且它们可以布置在与示例的电路位置稍微不同的电路位置。优选地，电容器C1的电容值、由源V1供应的电压和检测间隙的特征尺寸(电极E1、E2之间的最小距离)根据要监测的流体的类型来选择。
根据一种优先控制方法，在T0时刻，开关SW1断开，使开关SW3断开，并使开关SW2闭合，从而使电容器C1端子处的电压VC为0V。
在稍后的时间T1，使开关SW2断开，并使开关SW1闭合，保持开关SW3断开：通过这种方式，电容器C1上的电压Vd达到等于V1的水平(Vd≈V1)。
在稍后的时间T2，使开关SW1断开，其中开关SW2始终断开，并且使开关SW3闭合。
在稍后的时间T3，即，在预定和已知的时间间隔之后，使用测量设备V测量电容器C1上的电压Vd。所测量的电压水平与流体的绝缘属性直接相关，并且因此作为输出数据从传感器10传输。测量周期能够从时间T0开始周期性地执行。在这种类型的配置中，如果在电容器的端子处测量的残余电压下降到低于确定的阈值，则能够推断出流体的介电强度不再足以允许流体本身的安全使用，并且能够相应地激活适当的警报信号。
注意，开关SW1和SW2形成所谓的半桥结构，该结构能够通过分立晶体管或为该功能定制的集成电路，或通过通用微控制器或集成电路的推挽输出(push-pull output)而轻松获得。开关SW3能够通过继电器、集成模拟开关、FET晶体管或适用于此目的的其他系统来获得。
在替代版本中，可以设计在其中忽略开关SW3的存在的驱动。在这种情况下，电路被简化，对应地降低了成本和尺寸。缺点是更高的电流消耗和电极E1-E2可能的更快的劣化。
开关SW2可以忽略，但在这种情况下(通常)在一个测量周期和另一个测量周期之间不存在电容器C1的完全放电，然而这与所提出的单极性使用中是不相关的。然而，其在传感器10的双极性使用的情况下的有用性将在下面显而易见。
图28示出了总是与上述电容性方法有关的传感器10的双极驱动的原理方案；此外，在这种情况下，该图突出显示了对于理解操作有用的唯一重要部件。
为了提高SG1感测元件的耐久性，可以使用双极驱动，即，使得在电容器C1的端子处的电压Vd可以取正值和负值的驱动。通过这种便利方式，在两个电极E1-E2之间生成的电场取决于存在于电容器C1上的Vd电压而改变极性，从而最小化由于在所述电极上的电塑性效应引起的任何沉积效应。为了获得这种类型的驱动，使用了所谓的“全桥(full bridge)”结构，如图28的原理图所示，在其中用SG1、C1、Vd、V1和V所指示的部件类似于参考图27所述的部件。
用SW1、SW2、SW3、SW4、SW5和SW6表示通用受控开关，在这种情况下，这些开关也不一定全部存在，并且可能地被布置在与所示例的电路位置稍微不同的电路位置中。
根据优先控制方法，在时间T0处，开关SW1、SW3、SW5和SW6是断开的，开关SW2是闭合的，并且开关SW4也是闭合的，使得电容器C1的端子处的Vd电压电平为0V。
注意，保持电容器在0V的条件可以被省略，即，在时间T0处的电路状态是可选的。
在稍后的时间T1处，使开关SW2断开并且使开关SW1闭合，保持其他开关的状态，从而使电容器C1上的电压Vd达到等于V1的电平(Vd≈V1)。
在稍后的时间T2处，使开关SW1断开并且使开关SW5和SW6闭合，保持其它开关的状态。注意，闭合开关SW5和SW6的条件可以被省略，即，开关SW5和SW6可以不存在，或者敏感部分SG1的电极E1-E2可以总是被并联连接到电容器C1。
在稍后的T3时间处，即，在预定和已知的时间间隔之后，可能地跟随着断开开关SW5和SW6(如果有的话)之后，使用设备V测量电容器C1上的电压。如图28所述的情况，所测量的电压电平与流体的绝缘属性直接相关，然后作为来自传感器10的输出数据被传送。
在稍后的时间T4处，使开关SW2闭合，保持其它开关的状态，并且特别是开关SW4的闭合状态，从而使在电容器C1的端子处的电压Vd的电平达到0V。
在稍后的时间T5处，使开关SW4断开并且使开关SW3闭合开关，保持其他开关的状态，从而使在电容器C1上的Vd电压达到等于-V1的电平(Vd≈-V1)。
在稍后的时间T6处，使开关SW3断开并且使开关SW5和SW6闭合，保持其它开关的状态。如上所述，开关SW5和SW6的闭合可以被省略，或者它们可以不存在，或者电极E1-E2可以总是被并联连接到电容器C1。
在稍后的时间T7处，即，在预定和已知的时间间隔之后，可能地跟随着断开开关SW5和SW6(如果有的话)之后，电容器C1上的电压被测量。同样，所测量的电压电平与流体的绝缘属性直接相关，然后作为来自传感器10的输出数据被传送。
然后测量周期可以从时间T0开始再次被执行。
开关SW1-SW2和SW3-SW4形成上述“H桥(H bridge)”结构(全桥)，在这种情况下，其还可以通过分立晶体管或专用于该功能的集成电路、或通过通用微控制器或集成电路的推挽输出而容易地获得。此外，在这种情况下，开关SW5和SW6可以通过继电器、集成式模拟开关、FET晶体管或适于该目的的其他系统而获得。
因此可以看出，根据图28的原理方案，可以执行双极型电容器C1上的Vd电压驱动，即，在其中在电容器C1的端子处的电压可以被反转，或者在相同端子上既是正的又是负的。
在参考图25、图27和图28所述的类型的实施例中，被测量的代表性电压作为电容器的放电时间的函数而变化。电容器可以放电有以下两个原因：测量电路中的非零电阻(这在实际电路中是不可避免的)，以及在电路中流动的作为结果的电流，或在检测间隙的两个电极之间流动的电流。在某些阈值以上，存在放电，这意味着由于电荷载流子的增加而在两个电极之间的电流不仅与前面所解释的电晕或“尖端(tip)”效应有关，还与流体中新的电荷载流子(电子和正离子)的离解有关。电容器的放电是多还是少、是渐进的还是突然的取决于检测间隙中的电容和电流的相对值。出于示出的目的，为了在1秒内使5V的电压充电的100nF电容器完全放电，需要0.5微安的平均电流：通过这里所考虑的类型的检测间隙，其对应于可以被估计为大约500A/cm 2的电流密度，这对于必须被视为绝缘的流体来说肯定是不小的电流密度。
参考图25、图27和图28所述的驱动原理可以被定义为“电容性”，因为它们利用电容器的放电为检测间隙G提供所定义的电荷量。然而，根据本发明的其他实施例，可以使用全电阻型的系统，既用于单极驱动，也用于双极驱动。在图29中示出了在这个意义上的示例，其中仅突出显示了对理解操作有用的基本部件。此外，在图29中，用SG1、V1和V所指示的部件类似于参考图27和图28所述的部件。在图29中：
-用SWXL和SWXH-其中X的范围从1(1)到4(4)-表示通用控制开关，在这种情况下，其也不一定全部存在，并且可以被布置在与所示例的电路位置稍微不同的电路位置；
-用RRX-其中X的范围从1(1)到4(4)-表示参考电阻器，通过该参考电阻器获得电阻分压器，通过各种SWXH和SWXL开关将它们交替地连接到敏感部分SG1；
-VSG表示了敏感部分SG1的两个电极E1-E2之间的电压，箭头指示方向；
系统或设备V在这里被配置为测量用N所指示的节点处的电压电平。
操作原理是分压器的操作原理。检测间隙被放置与另一个电阻R串联(该电阻的值可以使用更多的电阻和适当的电路构造如下所述地变化)。当电压被应用于与某个电阻R串联的检测间隙时，整个电压V1存在在间隙的端部，因为在没有电流的情况下，节点N的电势为零(地面)。如果该电压V1足以生成通过检测间隙的电流，则N的电势将变化到值V(t)＝Ri(t)，其将稳定在某个值V处。该构造允许定义间隙的等效电阻，如下面详细描述的。
注意，在示例性描述中，参考被制作成了使用4(4)个参考电阻器RR的系统，但是该电路还可以被扩展到更大数量的电阻器，或者减少到更小数量的电阻器。
此外，在这种情况下，优选地，电阻器RR的电阻值和它们的数量、由源V1提供的电压以及检测间隙的特征尺寸(电极E1、E2之间的最小距离)根据受制于监测的流体的类型来选择。
参考图29中的示意图，在单极驱动的情况下，可以存在两种情况：
1)从SW1L到SW4L、SW5H的开关不存在，而SW5L开关可以由短路代替，或者总是闭合的；在稳定时间之后，从SW1H到SW4H的开关一次一个地交替闭合并且测量节点N处的电压；
2)从SW1H到SW4H和SW5L的开关不存在，而开关SW5H可以由短路代替，或者总是闭合的；在稳定时间之后，从SW1L到SW4L的开关一次一个地交替闭合并且测量节点N处的电压。
仍然参考图29的方案，在双极驱动的情况下，类似地，可以存在两种非常类似于之前的情况：
1)开关SW1L到SW4L和SW5H开关是断开的，而开关SW5L总是闭合的；在稳定时间之后，开关SW1H到SW4H一次一个地交替闭合并且测量节点N处的电压；
2)开关SW1H到SW4H和SW5L是断开的，而开关SW5H总是闭合的；在稳定时间之后，开关SW1L到SW4L一次一个地交替闭合并且测量节点N处的电压。
在单极驱动和双极驱动的情况下，可以容易地推断出图30和图31所示的等效电路被获得。
在单极驱动的情况下，针对每个测量周期，取决于在其中所选择的构造，将仅存在两种情况中的一种。相反，在双极驱动的情况下，取决于开关的状态被确定的两个电路构造在一个测量周期和下一个测量周期之间交替。
使用这种所谓的“比例(proportional)”方法，在总是保持测量系统的相同参考的情况下可以执行测量。
为了方便起见，但这不是一个有约束力的选择，可以考虑使用0V作为参考。通过这种方式，在情况1)中，电压VSG将在敏感部分SG1的端子处被直接测量(图30)，而在情况2)中，电压VRX将在电阻器RRX的端子处被测量。
注意，在情况2)中，如果保持与情况1)中相同的规定，则在敏感部分SG1端子处的电压VSG变为负：这可以由SG1的电气符号在图30和图31中被竖直反转的事实来证明。从物理角度来看，类似于先前所述的电容性方法，所获得的是在敏感部分SG1的端子处的电场的反转。
在情况1)中，在敏感部分SG1的两个电极E1-E2的端子处的等效电阻RSG由以下公式给出：
在情况2)中，敏感部分SG1的两个电极E1-E2的端子的等效电阻由以下公式给出：
参考图29中的示例，应该注意的是，电极E2处于固定电位V。因此，测量节点N处相对于地面或相对于V的电压是绝对相等的，小于由电压V表示的已知常数：因此信息内容是相同的。
出于在由应用提供的整个温度范围上传感器10的正确操作的目的，温度测量还可以通过位于敏感部分SG1附近的适当的温度检测器来使用；如上所述，这样的温度检测器可以包括NTC型热敏电阻。
通过检测温度，可以通过1级或更高的适当的补偿多项式，对在图27-图28的电容器C1的端子处所测量的电压电平应用校正，或对由在图29-图31中涉及的比例方法所测量的等效电阻应用校正。例如，出于确定补偿多项式的系数的目的，可以在参考流体中的不同且已知的温度下进行电压电平或电阻的两次或多次测量。
图32示出了基于具有双极驱动和用于补偿目的的温度检测的电容性方法用于获得传感器10的可能实施的简化图。
省略无源和保护部件，其在任何情况下对于电路的正确操作来说是必需的，并且考虑到元件SG1、C1和Vd元件类似于先前所描述的元件，我们具有以下基本元件：
-用RT1表示温度检测器，其被放置在电极E1-E2附近，用于执行温度补偿；
-用SW1、SW2、SW3和SW4开关指定特别是与图28相关的上述类型，例如其可以经由通用微控制器的GPIO类型(通用输入/输出)的两个输出来获得，其可以随意构造；
-用VSNS表示恒定电压的通用源，通过该通用源对电容器C1充电，即传感器10的驱动电压；
-用OA0和OA1表示两个操作放大器，其被用作电压跟踪器，以便将测量电容器C1与采集系统的输入解耦，确保非常高的输入阻抗(指的是通过采集系统的从电极E1-E2(不包括)到转换器ADC的电路部分)；这些操作放大器还可能用于替代电路实施中的反相或非反相放大器构造；
-用ADC表示通用的模拟数字转换器；
-用ADC MUX表示通用多路复用器，其被设置在要被获取的量的输入和转换器ADC之间；
-用D&AC(驱动&采集控制)表示代表驱动系统、ADC MUX多路复用器和ADC转换器的控制算法的块；
-用C&C(计算&通信)表示代表温度补偿算法，所测量的值的计算和通信协议的块。
优选地，开关SW1、SW2、SW3和SW4开关的控制算法类似于与传感器10的双极驱动相关的参考图28所述的控制算法。先前用V所表示的部分、测量系统或设备，在这里由操作放大器OA0和OA1、多路复用器ADC MUX和转换器ADC组成。
在操作中，在电容器C1上的电压电平的两个连续测量周期(多路复用器的输入0和1)之间，通过检测器RT1温度检测被执行(多路复用器的输入2)，基于上述多项式执行如上所述的在电容器C1的端子处所测量的电压电平的对应的补偿是必需的。
图33示出了基于上述具有双极驱动和用于补偿目的的温度检测的电阻或比例方法可以用于获得传感器10的可能实施的简化方案。
此外，在这种情况下，无源和保护部件从图示中被省略，其在任何情况下对于电路的正确操作来说是必需的，并且-假设元件SG1类似于先前所描述的元件-则存在以下基本元件：
-用RR1、RR2、RR3和RR4表示上述类型的参考电阻器(特别是参考图29)，通过该参考电阻器获得了在不同测量范围内操作的四个分压器，以便优化传感器10的精度；
-用RT1表示温度检测器，其被放置在测量电极E1-E2附近，用于执行温度补偿；
-用SW1H、SW2H、SW3H、SW4H、SW5H和SW1L、SW2L、SW3L、SW4L、SW5L开关表示上面已经描述的(特别是参考图29)，其可以通过通用微控制器的对应GPIO输出来获得，其可以被随意配置；
-用VSNS表示用于驱动传感器10的通用恒定电压源；
-用OA0表示操作放大器，其被用作电压跟踪器，以便将分压器与测量系统解耦，确保非常高的输入阻抗；此外，在这种情况下，操作放大器OA0可能用于替代电路实施中的反相或非反相放大器构造；
-用ADC表示通用的模数转换器；
-用ADC MUX表示通用多路复用器，其被放置在要被获取的量的输入和转换器ADC之间；
-用D&AC(驱动&采集控制)表示代表用于驱动、多路复用器ADC MUX和转换器ADC的控制算法的块；
-用C&C(计算&通信)表示代表补偿算法、所测量的值的计算和通信协议的块。
开关SW1H、SW2H、SW3H、SW4H、SW5H和SW1L、SW2L、SW3L、SW4L、SW5L的控制算法类似于与传感器10的双极驱动相关的参考图33所述的控制算法。此外，在这种情况下，先前用V所表示的部分在此由操作放大器OA0、多路复用器ADC MUX和转换器ADC构成。
在操作中，此外，在这种情况下，在与图29相关的所述的两个连续测量周期(多路复用器的输入0)之间，通过检测器TR1温度检测被执行(多路复用机的输入1)，基于上述多项式执行如上所述的与所测量的等效电阻对应的补偿是必需的。
除了温度变化之外，为了补偿结构和组装公差，根据本发明的传感器可以受制于校正。在传感器10提供温度检测的情况下，必须在计算温度补偿多项式的系数之前进行可以根据自身已知的技术来执行的传感器的校正。
采集系统(如上所述，其包括在敏感元件SG1(不包括)和转换器ADC之间的电路部件)可以使用要被设置与电容器C1并联的参考示例电阻器(因此具有精确已知的值)在预定且稳定的温度处受制于校正，通过测量电路的时间常数RC来确定输入到采集系统的电容的实际值。然后所测量的电容值被存储在传感器10内部的非易失性存储器中，并用于执行对所测量的值的适当的校正。
在传感器根据电阻法或比例方法操作的情况下，还可以提供采集系统的校正(图29-图31和图33)。
其连接到采集系统的敏感部分SG1还可以被校正。在这种情况下，在电容器C1上的残余电压电平的一个或多个测量是通过被放置在预定和稳定温度处的参考示例流体进行的，并且确定相对于预期标称值的变化。该信息被存储在传感器内部的非易失性存储器中，并且用于执行对所测量的值的适当的校正。
在传感器根据电阻法或比例方法操作的情况下，还可以提供敏感部分SG1的校正(图29-图31和图33)。
如前所述，存在于敏感部分SG1中的一对-或每对-的两个电极E1和E2可以与执行源极和栅极功能的第三电极和执行栅极功能的第三电极可操作地相关联。如上所述，如果敏感部分SG1包括硅晶片，则上述第三电极可以通过适当地掺杂所述晶片的一部分来获得。相反，图34-图37举例说明了在检测元件30的电绝缘衬底31上，承载具有已描述类型的电极E1和E2的敏感部分SG1的这种情况，例如存在在图36中用E3表示的以如上所述的薄膜形式制成的第三电极。如图37中具体可见的，具有对应的连接轨道E3a的电极E3可以在衬底31上被获得，然后用在其上布置电极E1和E2的电介质材料层31c覆盖。
图38举例说明了包括上述第三电极E3的可能电路布置。在所示例的情况下，为了简单起见，所示的电路非常类似于图27的电路，即，其中形成半桥结构的开关SW1和SW2，但这些概念显然还可以转换为所描述的其他电路。与图27相比，在图38中，存在用于驱动栅极电极E3的用SW4和SW5表示的额外开关和相关的电路分支。
参考图38中的示例，可以通过闭合开关SW4使开关SW1和SW5断开来极化栅极E3。在已经预先对电容器C1充电之后闭合开关SW3导致在存在栅极E3的极化的情况下在间隙上施加电压。
本发明的特征及其优点从给定的描述中是明显的。
很明显，在不脱离所附权利要求中所定义的本发明的范围的情况下，本领域的专家可以对作为示例所描述的传感器设备进行多种变型。
先前已经参考了传感器10作为最低水平的传感器的可能的“间接”使用。例如，在通用设备的电气部件必须总是被至少部分地浸入在具有较低电绝缘特性且与空气明显可区分的流体中的应用中，可以设想这种使用，例如，在图1-图4所示的与电池相关的类型的布置中。应该理解，在正常操作中，在传感器10的敏感部分与流体5接触的情况下，传感器自身将提供与流体5的电介质强度的特定值有关的输出信息，其可以在特定限度内变化(取决于绝缘特性的可能衰减)，但是其将总是与空气的电介质刚度的值明显地区分开。
在此基础上，如果传感器10检测了类似于空气的电介质强度值，则可以推断出流体5的水平已经下降到传感器的安装位置以下，以发起任何校正动作，诸如警报信号或自动流体补充系统的启动。

Claims (15)

1.一种用于监测电介质流体的电介质强度的传感器设备，所述传感器设备(10)具有传感器主体(11，15)，所述传感器主体(11，15)支撑被设计用于与所述电介质流体接触的敏感部分(SG1)，
其中，所述敏感部分(SG1)包括至少一对电极(E1，E2)，其具有设置为彼此相距预定义微米或亚微米距离的相应表面部分(E1a，E2b)，以在它们之间限定所述电介质流体(5)的一部分能够穿过的至少一个检测间隙(G)，
并且其中，所述传感器设备(10)具有电路布置，所述电路布置包括：
-装置(V1，SW，C1；V1，SW，R；V1，SW，C1，OA0，OA1，ADC MUX，ADC；V1，SW，R，OA0，ADC MUX，ADC)，用于从已知或预定义的电源电压开始在所述至少一对电极(E1，E2)的两个电极之间生成电场，以及
-装置(V)，用于测量代表性电压(VC；VSG；VRX)，所述代表性电压(VC；VSG；VRX)表示：跟随着所述电场的生成之后，通过存在于所述至少一个检测间隙(G)中的电介质流体(5)在所述至少一对电极(E1，E2)的两个电极之间的放电的可能性发生。
2.根据权利要求1所述的传感器设备，其中，所述至少一对电极(E1，E2)的两个电极的所述表面部分(E1a，E2b)彼此间的距离被包括在100纳米至20微米之间。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的传感器设备，其中，所述电路布置被配置为：从电源电压开始在所述至少一对电极(E1，E2)的两个电极之间生成大于1kV/mm的电场，所述电源电压低于50V，优选地被包括在1和30V之间，非常优选地被包括在3和10V之间。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器设备，其中，所述至少一对电极(E1、E2)的两个电极作为薄膜被获得，其厚度优选地被包括在50纳米和2微米之间，非常优选地被包括在100和500纳米之间。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器设备，其中，所述电路布置至少包括：
-电压源(V1)，用于供应已知或预定义的电压，
-具有已知或预定义的电容的至少一个电容器(C1)，
-可控电路装置(SW)，用于：
-相对于所述电压源(V1)连接和断开所述至少一个电容器(C1)，
-相对于所述至少一对电极(E1，E2)的两个电极连接和断开所述至少一个电容器(C1)，以及
-测量电路装置(V；OA0，OA1，ADC MUX，ADC)，用于在所述电场已经被生成之后、或者在所述电容器(C1)已经相对于所述电压源(V1)断开并且相对于所述至少一对电极(E1，E2)的两个电极连接之后，测量所述至少一个电容器(C1)的端子两端的所述代表性电压(VC)的值。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器设备，其中，所述电路布置包括：
-电压源(V1)，用于提供已知的或预定义的电压，
-电阻分压器，其包括多个参考电阻器(RR)，
-可控电路装置(SW)，用于选择性地将所述参考电阻器(R)连接和断开在所述电压源(V1)和所述至少一对电极(E1、E2)中的至少一个电极之间，
-测量电路装置(V；OA0，ADC MUX，ADC)，用于在所述电场已经被生成之后、或者在每个参考电阻器(R)已经被连接在所述电压源(V1)和所述至少一对电极(E1、E2)中的至少一个电极之间之后，测量所述电阻分压器的端子两端或者所述至少一对电极(E1，E2)的电极之间的代表性电压(VSG，VRX)的值。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的传感器设备，其中，所述电路布置被配置用于获得双极驱动，或者用于在两个连续的检测周期之间使所述至少一对电极(E1，E2)的两个电极的电极性反转。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的传感器设备，其中，所述至少一对电极(E1，E2)包括多对电极(E2，E1)，每对电极限定至少一个所述检测间隙(G)。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的传感器设备，其中：
-所述至少一对电极(E1，E2)中的至少一个电极(E1)具有带有大致尖角部分(E1a)的外围轮廓，所述尖角部分以预定义的距离面向所述至少一对电极中的另一个电极(E2)的外围轮廓的对应部分(E2b)，或者
-所述至少一对电极(E1，E2)中的至少一个电极(E1)具有带有至少一个轴向延伸部分(E1a)的外围轮廓，所述轴向延伸部分设置在所述至少一对电极中的另一个电极(E2)的外围轮廓的成形部分(E2b)的两个延伸且平行部分之间的预定义的距离处，或者
-所述至少一对电极(E1、E2)的两个电极具有带有各自的大致梳状部分的外围轮廓，所述梳状部分在预定义的距离处以相互交叉的配置被设置。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的传感器设备，还包括温度检测器(RT1)，所述电路布置优选地被配置为：作为由所述温度检测(RT1)检测到的温度的函数对所述代表性电压(VC；VSG；VRX)的所测量值应用校正。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的传感器设备，其中，所述敏感部分(SG1)包括可操作地与所述至少一对电极(E1，E2)相关联的至少一个第三电极(E3)，并且其中，所述电路布置被配置为将所述至少一对电极(E1，E2)的两个电极分别用作源极和漏极，并且将所述第三电极(E3)用作栅极，特别是用于检测所述电介质流体(5)中可能性污染物的存在。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的传感器设备，其中，所述敏感部分(SG1)包括以下中的至少一个：
-用于所述至少一对电极(E1、E2)的电绝缘支撑件(31)；
-硅晶片上的氧化硅衬底(31a)，在所述氧化硅衬底上设置有所述至少一对电极(E1，E2)，所述硅晶片的厚度优选不小于所述预定义的距离，非常优选大于所述预定义的距离；
-电绝缘支撑件(31)，其承载可操作地与所述至少一对电极(E1，E2)相关联的第三电极(E3)，所述第三电极(E3)上设置有电介质材料层(31c)，所述电介质材料层(31c)上依次设置有至少一对电极(E1，E2)。
13.根据权利要求1-10中任一项所述的传感器设备，其中，所述传感器主体包括容纳承载所述敏感部分(SG1)的检测元件(30)的至少一个主体部分(15)，所述至少一个主体部分(15)具有一个或多个开口或通道(19，19a)，以使所述电介质(5)能够与所述敏感部分(SG1)的所述至少一对电极(E1，E2)接触。
14.根据权利要求13所述的传感器设备，其中，环形密封装置(26)通过以下方式被设置在所述至少一个主体部分(15)的壁(16a)和所述检测元件(30)之间：使得所述环形密封装置(26)与所述壁(16b)和所述检测元件(30)的相应部分一起界定检测室，所述一个或多个开口或通道(19)在所述检测室内打开，并且由所述检测元件(30)携带的所述敏感部分(SG1)面向所述检测室。
15.一种具有外壳(2)的电气设备(1)，所述外壳(2)限定了围堵容积(3)，电气部件(4)被布置在所述围堵容积(3)内，所述围堵容积适于接收电介质流体(5)，所述电气设备包括根据权利要求1-14中任一项所述的传感器设备，用于监测所述电介质流体(5)的电介质强度。
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