CN211740245U

CN211740245U - 传感器、布置结构及智能功率计

Info

Publication number: CN211740245U
Application number: CN201921857733.1U
Authority: CN
Inventors: A·郭; A·珀尔马纳; H·斯特拉尔霍弗
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Electronics AG; TDK Corp
Priority date: 2019-08-26
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2029-10-31
Also published as: EP4022271A1; WO2021037689A1; CN112432658B; CN112432658A; JP7326592B2; DE202019104670U1; DE102019129521A1; US20220326088A1; CN211740245U8; JP2022546066A

Abstract

本实用新型涉及一种传感器（1），其包括传感器元件（2）和电导线（3），由此传感器元件（2）连接到电导线（3）。此外，提供壳体（4），由此壳体（4）具有开口，并且传感器元件（2）布置在壳体（4）中，使得电导线（3）从开口突出。壳体（4）填充有环氧树脂（5），并且环氧树脂（5）将传感器元件（2）和电导线（3）固定在壳体（4）中。本实用新型还涉及一种采用传感器的布置结构和一种智能功率计。

Description

传感器、布置结构及智能功率计

技术领域

本实用新型涉及一种传感器。此外，本实用新型涉及一种采用传感器的布置结构和一种智能功率计。

背景技术

如今，传感器已用于几乎所有类型的新应用和小工具中。仅考虑智能传感器，全球销售量已从2010年的60亿个传感器增加到2019年的预计260亿个。

现代智能手机本身通常至少内置地具有距离传感器（proximity sensor）、亮度传感器、倾斜传感器、旋转传感器、加速度计、GPS传感器、磁传感器和温度计。

对于传感器，期望找到一种设计，其一方面保护传感器并且另一方面提供可靠、可重复的传感器测量。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种结实的、受保护的并且允许可靠测量的传感器。

这个目的通过根据技术方案1的传感器来解决。在其它技术方案中可以找到另外的有利的设计和潜在的布置结构。

提供了一种传感器，该传感器包括传感器元件和电导线，由此传感器元件连接到电导线。此外，提供了壳体，由此壳体具有开口，并且传感器元件布置在壳体中，使得电导线从开口突出。壳体填充有环氧树脂并且环氧树脂将传感器元件和电导线固定在壳体中。

用于传感器的常见填充材料（例如氧化铝或氧化硅）需要使用溶剂（例如甲苯、二甲苯或IPA）进行处理。因此，固化后会产生空隙、囊泡和气泡，这是不可避免的。这些夹杂物导致所使用的传感器元件的周围不均匀。因此，取决于填充材料中不均匀的数量和空间分布，用传感器进行的测量强烈波动。因此，在这些传感器中，响应时间和测量值会发生变化，并且不允许进行可靠的测量。通过使用环氧树脂作为传感器壳体中的填充和固定材料，可以避免空隙、囊泡和其它不均匀。环氧树脂不使用溶剂，并且因此避免了空隙和气泡。均匀的环氧树脂导致从环境到传感器元件的均匀热传递，从而导致快速的热响应和较少的传感器响应时间变化。因此，改善了根据本实用新型的传感器的测量的可靠性。

传感器元件可以是NTC传感器元件。由于NTC传感器用于测量周围的温度，因此要求能够进行与方向无关的测量。特别是在由于温度升高而触发的安全系统中，必须允许进行可靠且与方向无关的测量。替代地，传感器元件可以是PTC传感器元件或利用铂电阻的温度依赖性的传感器元件。

优选地，壳体可以具有两个部分，第一部分包括开口，并且第二部分与开口的侧面相对，由此第二部分可以具有比第一部分更小的直径，并且传感器元件可以布置在壳体的第二部分中。与第一部分相比，布置在第二部分中的传感器元件具有较少的围绕其的材料。这允许实现传感器的较高的测量精度以及较短的响应时间。同时，壳体的具有较大直径的第一部分提供了用于更好地操纵传感器的装置，并稳定了连接到传感器元件的导线。具有两个部分的壳体的形状的另一个优点是：传感器和其面向的方向可以很容易地由机器（如拾取和放置机器）识别，并且因此可以容易地进行处理。

此外，壳体的外部形状可能不是径向对称的。此外，壳体可以具有纵向轴线，并且壳体相对于绕其纵向轴线旋转180度以外的旋转角度可能不是径向对称的。因此，可以相对于旋转不对称确定并固定传感器元件在壳体中面向的方向以及壳体在设备中的方向。传感器元件的信号输出通常不仅取决于到所测量事件的距离，而且还取决于传感器元件面向该事件的角度。例如，与垂直于热源定向的NTC传感器相比，直接面向热源的NTC传感器元件将暴露于更多的热能。通过确定传感器元件在壳体中的方向以及通过其外部形状确定壳体在设备中的方向，可以确保传感器元件起作用并测量出可靠且可重复的值。此外，具有非径向对称外部形状的壳体符合防差错（poka yoke）的要求。在组装其中使用传感器的设备时，可以通过使用至壳体的合适的连接来避免错误。

此外，壳体的轮廓可以具有至少两个彼此相对的平坦节段。由于平坦节段提供了用于稳定抓握的装置，因此可以在平坦节段处牢固地拾取传感器。因此，传感器也可以通过拾取和放置机器容易地安置和安装在设备中。

壳体可以在壳体的内表面上具有两个沟槽，该两个沟槽从开口沿着纵向轴线延伸到壳体中。在沟槽内可以布置连接到传感器元件的电导线。以这种方式，传感器元件在壳体内部的定向相对于壳体固定。

而且，电导线可以扭结在电导线的位于壳体内部的部分中。通过扭结导线，可以确保两条导线不会彼此接触并且不会短路。此外，扭结导线可能会产生侧向力，以支持电导线在壳体内部上的潜在沟槽中的闩锁。同样地，通过扭结产生的电导线的弹簧张力有助于在其中传感器元件被放置到壳体中的封装过程中处理传感器元件，以及在如果传感器安置或安装到应用中时也可以处理整个传感器。

壳体的壁厚可以小于2mm。一方面，壳体的壁厚应足够厚以保护壳体内部的传感器元件。另一方面，壳体不应将环境与传感器元件隔离开，以免损害传感器的灵敏度。已经证明，小于2mm的壁厚是有利的。小于1mm且大于0.5mm的壁厚是特别有利的。

壳体能够由金属制成。如果壳体由金属制成，则即使在壁厚较小的情况下，壳体也表现出良好的稳定性。此外，它还可以抵抗有害的外部环境影响。如果使用NTC传感器元件或另一温度测量传感器元件，则金属壳体材料特别适合，因为其具有较高的热导率。这允许温度传感器变得更加灵敏。

相反，用金属氧化物制成壳体可能是有益的。金属氧化物还具有高稳定性和相对高的热导率的有利特性。此外，它们还是良好的电绝缘体，因此具有这种壳体的传感器也适用于高压应用。然而，如果壳体由电导体组成，则几kV的电压可能会导致短路，特别是在突出的导线与壳体之间。由于金属氧化物用作壳体材料，因此传感器可以在高达10 kV的电压下操作。

填充在壳体中的环氧树脂可以是双组分环氧树脂。双组分环氧树脂由环氧树脂和多官能固化剂或硬化剂组成，例如酸、酸酐、酚、醇、胺和硫醇。环氧树脂与硬化剂比例的变化会影响硬度、弹性、耐湿性、耐酸性和其它性能。通过使用双组分环氧树脂，可以针对所应用的传感器元件和传感器所针对的设备定制传感器。

此外，封装传感器元件的材料可以是与壳体的内部接触并将传感器元件与壳体固定的相同的材料。通过在壳体内部使用相同的材料，可以省略边界表面（如果使用两种不同的材料会产生并且会产生阻碍作用）。

该传感器可以适合于通过拾取和放置机器进行安置。以这种方式，由于自动化，可以减少将传感器安装在设备中的处理时间。由于根据本实用新型的传感器比普通传感器更可靠地测量，因此可以生产大量改进的应用和小工具。

包括根据前述技术方案中的任一项所述的传感器和印刷电路板（PCB）的布置结构能够是有益的，由此所述传感器可以布置在所述PCB上并且可以电连接到所述PCB。PCB配备有大量发热部件，例如电阻器、线圈或芯片（例如处理器）。由于温度升高后，可以关闭使用PCB的设备，因此能够监测该部件的特性（例如温度）改善了安全性。根据本实用新型的传感器特别适合，因为其测量得更加可靠。

同样，包括根据本实用新型的传感器的智能功率计或包括根据本实用新型的传感器的布置结构也可以是合适的。在智能功率计中，尤其是用于建筑物的智能功率计，由于来自电网的电力分配给不同的家庭，会出现高电流和高电压。因此，任何损坏（例如断线或腐蚀）都可能导致灾难性故障（例如火灾）。因此，能够使用可以可靠地测量干扰（例如热量产生）的传感器来警告或关闭电源。

所描述的传感器的一个优点是其组装可以通过一种安全的方法来完成。

所述方法包括以下步骤：

a）通过例如焊接将传感器元件连接到电导线，

b）将传感器元件浸入环氧树脂中，

c）将环氧树脂固化在传感器元件上，

d）将传感器布置在具有开口的壳体中，以使电导线从开口突出，

e）用环氧树脂填充壳体，

f）将环氧树脂固化在壳体中。

该过程使组装过程中的损失率最小化。通过将传感器元件浸入环氧树脂中并随后在步骤b）和c）中将其固化，可以改善传感器元件与导线之间的连接强度。固化例如可以在80℃下进行3小时来完成。因此，当在步骤d）中将传感器元件布置在壳体中时，传感器元件与导线之间的连接具有低得多的断裂风险。此外，由于使用相同的材料（环氧树脂）来封装传感器元件与电导线并填充壳体，因此改善了传感器的灵敏度。通过使用相同的材料，省略了边界表面（如果使用两种不同的材料会产生并且会产生阻碍作用）。因此，传感器元件更灵敏并且对例如产生的温度差具有较短的响应时间。

附图说明

在下文中，基于实施例并参考附图来描述本实用新型及其制造方法。相同的部分或具有等效作用的部分由相同的附图标记表示。

附图仅用于说明本实用新型，并且因此仅是示意性的，并且未按比例绘制。一些部分的尺寸可能会夸大或变形。所以不能从图中得到绝对或相对尺寸。相同或作用相同的部分设有相同的附图标记。

图1示出了根据本实用新型的传感器的第一实施例的简化横截面。

图2示出了根据本实用新型的第二实施例的传感器的简化横截面。

图3示出了根据本实用新型的传感器的壳体的第一实施例的横截面。

图4示出了根据图2中所示的第二实施例的传感器的壳体的横截面。

图5示出了根据本实用新型的传感器的第一实施例的壳体的平面视图。

图6示出了根据图2中所示的第二实施例的传感器的壳体的平面视图。

图7示出了根据本实用新型的传感器的第一实施例的壳体的透视图。

图8示出了根据图2中所示的第二实施例的传感器的壳体的透视图。

附图标记列表

1 传感器

2 传感器元件

3 电导线

4 壳体

5 环氧树脂

5a 环氧树脂封装件

5b 环氧树脂填充物

6 第一部分

7 第二部分

8 平坦节段

9 沟槽

10 扭结部。

具体实施方式

在图1中，示出了根据本实用新型的第一实施例的传感器1的简化横截面。传感器1包括传感器元件2和电导线3。该传感器元件2连接至被例如焊接的电导线3。在具有开口的壳体4内部，传感器元件2被布置成使得电导线3从壳体4的开口突出。因此，传感器1可以容易地安装并连接在设备中。壳体4填充有环氧树脂5，并且环氧树脂5将传感器元件2和电导线3固定在壳体4中。

特别地，首先将连接到电导线3的传感器元件2浸入环氧树脂中并使其固化，其形成环氧树脂封装件5a。然后，将封装的传感器元件2布置在壳体4中，并且壳体4填充有环氧树脂填充物5b。环氧树脂封装件5a和环氧树脂填充物5b一起在壳体4内部形成环氧树脂5。以此方式，封装传感器元件2的材料是接触壳体4的内部并将传感器元件2固定在壳体4内部的相同材料。通过在壳体内部使用相同的材料，省略了边界表面（如果使用两种不同的材料会产生并且会产生阻碍作用）。

通常，诸如金属氧化物的材料被用于传感器。特别是对于温度传感器而言，因为它们提供了相对较高的热导率。这些材料需要溶剂（例如甲苯、二甲苯或IPA）进行处理。因此，在固化期间会产生空隙、囊泡和气泡，这是不可避免的。这些夹杂物导致传感器元件2的周围不均匀。取决于填充材料中不均匀的数量和空间分布，在传感器元件2周围具有不均匀的传感器1所进行的测量会强烈地波动。因此，在普通传感器中，响应时间和测量值会发生变化，并且不允许进行高度可靠的测量。在使用环氧树脂5作为传感器1的壳体4中的填充和固定材料的传感器1中，避免了空隙、囊泡和其它不均匀。因此，改善了根据本实用新型的传感器1的测量的可靠性和可重复性。在其它方面，环氧树脂5、并且从而传感器1也对湿度不太敏感，并且在潮湿的环境中可以更可靠地工作。

图1中的传感器元件2是NTC传感器元件2。NTC传感器元件2测量环境温度。因此，NTC传感器期望与方向无关的测量。特别是，由温度升高触发的安全系统需要可靠且与方向无关的测量，以在紧急情况下提供可重复的行为。

填充壳体4的环氧树脂5是双组分环氧树脂5。环氧树脂5由环氧树脂组分和硬化剂组成。作为硬化剂，可以使用酸、酸酐、酚、醇、胺和硫醇。通过改变环氧树脂组分与硬化剂的比，可以修改环氧树脂5的硬度、弹性、耐湿性、耐酸性和其它性能。因此，通过优化双组分环氧树脂5的比，根据本实用新型的传感器1可以针对所应用的传感器元件2和传感器1所针对的应用进行定制。

在图2中，示出了根据本实用新型的传感器1的第二实施例的简化横截面。材料、尺寸和功能类似于图1中所示的第一实施例。

与第一实施例不同的是，第二实施例中的壳体4的内直径对于第一和第二部分是相同的。这允许在壳体4的内表面上布置两个沟槽9，该两个沟槽9从开口沿着纵向轴线延伸直到壳体4的底部。替代地，沟槽可以仅在壳体的一部分中（例如形成开口的第一部分中）。另外，电导线3在壳体4内部的部分中各自具有两个扭结部10。从而，电导线3形成迫使彼此分开的类似于弹簧的元件。因此，两条电导线3散开并且不可能发生短路。以相同的方式，由电导线3的扭结部10引起的侧向力将电导线3压入壳体4内部上的沟槽9中。以这种方式，传感器元件2的定向与壳体4相比是固定的。另外，施加在电导线3上的侧向力在封装或安置过程中很方便，因为其有助于操纵传感器1或传感器元件2。

在图3中，展示了根据本实用新型的第一实施例的传感器1的壳体4的横截面。壳体4具有两个部分，包括开口的第一部分6在上侧上，并且第二部分7与开口的侧面相对，从而第二部分7具有比第一部分6更小的直径。传感器元件2布置在壳体4的具有较小直径的第二部分7中。与第二部分7相比，由于传感器元件2具有较少的围绕其的材料，因此为传感器1提供了更高的测量精度和更快的响应时间。壳体4的具有较大直径的第一部分6使连接到传感器元件2的电导线3稳定。另外，壳体4的第二部分7的壁厚小于第一壳体4的壁厚，以改善从环境到传感器元件2的热导率并改善传感器1的响应时间。

如图3中所示，壳体4的壁厚为0.7mm。壳体4的壁厚应足够结实，以承受在安装或安置传感器1期间施加到传感器1的压力，从而保护传感器元件2。除此之外，需要壳体4将环境热连接到传感器元件2以提供高的灵敏度。小于2mm的壁厚被示出是有利的，特别是对于温度传感器。小于1mm且大于0.5mm的壁厚（如图3中的0.7mm）是特别有利的。

图4示出了也在图2中示出的根据第二实施例的传感器1的壳体4的横截面。与图3中所示的第一实施例的横截面相比，壳体4在壳体4的第一和第二部分中展示出相同的内直径。布置在壳体4的内表面上的两个沟槽9从开口到底部在壳体4的整个长度上延伸。替代地，例如，沟槽10可以仅在壳体4的一部分中（例如形成开口的第一部分中）。

在图5中，示出了根据本实用新型的第一实施例的传感器1的壳体4的平面视图。其示出了壳体4的在中间形成圆形开口的第一部分6。第一部分6的外部形状和轮廓不是径向对称的。壳体4的轮廓具有彼此相对的两个平坦节段8。以这种方式，传感器1可以在平坦节段8处牢固地拾取，因为平坦节段8提供了用于稳定抓握的装置。因此，传感器1还可以通过拾取和放置机器容易地安置和安装在设备中。

通过采用非径向对称的壳体4，传感器元件2在壳体4中面向的方向以及壳体4在设备中的方向被确定并固定。因此，传感器1的位置和方向在设备中完全相同。传感器元件2通常非常依赖于它们面向其应该测量的事件的角度。作为示例，通过其大的表面面向热源的平面温度传感器元件2将比垂直于热源定向的NTC传感器吸收更多的热能。通过根据其外部形状和轮廓来确定传感器元件2在壳体4中的方向和壳体4在设备中的方向，可以确保传感器元件2以及由此传感器1本身起作用并测量可靠且可重复的值。

在图6中，展示了同样在图2和图4中示出的根据第二实施例的传感器1的壳体4的平面视图。与图5中所示的第一实施例相比，主要区别在于布置在壳体4的内表面中的两个沟槽9。沟槽9相对于平坦节段8位于中央，平坦节段8是壳体4的外轮廓的一部分。由于电导线3理应闩锁到沟槽9中，并且沟槽相对于平坦节段8固定的，所以传感器元件2在壳体4中的定向相对于平坦节段8是预先确定的。以这种方式确保了传感器1在给定的环境中测量的可重复性，在该环境中具体说明了壳体的定向和位置。

图7示出了图3和图5中所示的传感器1的壳体4的透视图。如针对图3和图5所描述的，壳体4具有两个部分，其不是径向对称的，并且在第一部分6上具有两个平坦节段8。其由氧化铝（金属氧化物）制成，具有96％的氧化铝和4％的氧。金属氧化物提供高稳定性和相对较高的热导率。此外，金属氧化物是电绝缘体。因此，具有由金属氧化物制成的壳体4的传感器1对于高压应用是方便的。由于施加到电气设备上的高电压很容易引起短路，特别是在突出的电导线3和壳体4之间，因此由电绝缘体制成的壳体4能够是有益的。采用如图7中所示的由金属氧化物制成的壳体4的传感器1可以在高达10 kV的电压下操作。在图8中所示的第二实施例中，示出了与图7中类似的壳体。两个实施例的不同之处在于：布置在壳体4的内表面中的两个沟槽9。电导线3可以闩锁到该沟槽9中，并且从而固定传感器元件2在壳体4中的方向。

在另一个实施例中，根据应用，壳体4可以由金属制成。金属是结实的，并提供很高的热导率。此外，它还可以抵抗有害的外部环境的影响。尤其是在热传感器中，金属壳体材料可能是合适的，因为这种传感器1更敏感。

Claims

1.一种传感器（1），其特征在于，包括：

-传感器元件（2）；

-电导线（3）；

其中，所述传感器元件（2）连接到所述电导线（3）；

-壳体（4）；

其中，所述壳体（4）具有开口，并且所述传感器元件（2）布置在壳体（4）中，使得所述电导线（3）从所述开口突出；

-环氧树脂（5）；

其中，所述壳体（4）填充有所述环氧树脂（5），并且所述环氧树脂（5）将所述传感器元件（2）和所述电导线（3）固定在所述壳体（4）中。

2.根据权利要求1所述的传感器（1），

其特征在于，所述传感器元件（2）是NTC传感器元件（2）。

3.根据权利要求1-2中的任一项所述的传感器（1），

其特征在于，所述壳体（4）具有两个部分：包括所述开口的第一部分（6）和与所述开口的侧面相对的第二部分（7），以及

其中，所述第二部分（7）具有比所述第一部分（6）更小的直径，并且所述传感器元件（2）布置在所述壳体（4）的所述第二部分（7）中。

4.根据权利要求1-2中的任一项所述的传感器（1），

其特征在于，所述壳体（4）的外部形状不是径向对称的。

5.根据权利要求1-2中的任一项所述的传感器（1），

其特征在于，所述壳体（4）的轮廓具有至少两个彼此相对的平坦节段（8）。

6.根据权利要求1-2中的任一项所述的传感器（1），

其特征在于，所述壳体（4）在壳体（4）的内表面上具有两个沟槽（9），所述两个沟槽（9）从所述开口沿着纵向轴线延伸到所述壳体（4）中。

7.根据权利要求1-2中的任一项所述的传感器（1），

其特征在于，所述电导线（3）在位于所述壳体（4）内部的部分中具有扭结部（10）。

8.根据权利要求1-2中的任一项所述的传感器（1），

其特征在于，所述壳体（4）的壁厚小于2mm。

9.根据权利要求1-2中的任一项所述的传感器（1），

其特征在于，所述壳体（4）由金属制成。

10.根据权利要求1-2中的任一项所述的传感器（1），

其特征在于，所述壳体（4）由金属氧化物制成。

11.根据权利要求1-2中的任一项所述的传感器（1），

其特征在于，所述环氧树脂（5）是双组分环氧树脂（5）。

12.根据权利要求1-2中的任一项所述的传感器（1），

其特征在于，封装所述传感器元件（2）的材料是与所述壳体（4）的内部接触并将所述传感器元件（2）与所述壳体（4）固定的材料相同的材料。

13.根据权利要求1-2中的任一项所述的传感器（1），

其特征在于，所述传感器（1）适于通过拾取和放置机器来进行安置。

14.一种布置结构，其特征在于，包括：

-根据前述权利要求中的任一项所述的传感器（1）；

-印刷电路板（PCB）；

其中，所述传感器被布置在所述PCB上并且电连接到所述PCB。

15.一种智能功率计，其特征在于，包括根据权利要求1至13中的任一项所述的传感器（1）或根据权利要求14所述的布置结构。