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    关 键 词:
    压力传感器 用于 制造 这种 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201610620983.8

    申请日:

    2016.08.01

    公开号:

    CN106404235A

    公开日:

    2017.02.15

    当前法律状态:

    实审

    有效性:

    审中

    法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G01L 1/16申请日:20160801|||公开
    IPC分类号: G01L1/16; G01L9/08 主分类号: G01L1/16
    申请人: 基斯特勒控股公司
    发明人: R·布克; M·吉格
    地址: 瑞士温特图尔
    优先权: 2015.07.31 EP 15179379; 2016.01.15 EP 16151559
    专利代理机构: 隆天知识产权代理有限公司 72003 代理人: 黄艳;谢强
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201610620983.8

    授权公告号:

    |||

    法律状态公告日:

    2018.08.17|||2017.02.15

    法律状态类型:

    实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明涉及一种压力传感器(1),其具有传感器组件(2)和分析单元(5);传感器组件(2)具有接收器(22)和电极组件(23);接收器(22)在压力变化的作用下产生信号;并且电极组件(23)将信号传导至分析单元(5)上;其中,分析单元(5)具有分析单元壳体(50)、电路板(51)和加强元件(52.1,52.2),该加强元件(52.1,52.2)在径向平面(AB)中设置在电路板(51)和分析单元壳体(50)之间,加强元件(52.1,52.2)与电路板(51)机械地连接;加强元件(52.1,52.2)对电路板(51)在径向平面(AB)中所发生的机械共振进行缓冲。

    权利要求书

    1.一种压力传感器(1),其具有传感器组件(2)和分析单元(5);所述传感器组件(2)具
    有接收器(22)和电极组件(23);所述接收器(22)在压力变化的作用下产生信号;并且所述
    电极组件(23)将所述信号传导至所述分析单元(5)上;其特征在于,所述分析单元(5)具有
    分析单元壳体(50)、电路板(51)和加强元件(52.1,52.2);所述加强元件(52.1,52.2)在径
    向平面(AB)中设置在所述电路板(51)和所述分析单元壳体(50)之间;并且所述加强元件
    (52.1,52.2)与所述电路板(51)机械地连接;所述加强元件(52.1,52.2)对所述电路板(51)
    在径向平面(AB)中所发生的机械共振进行缓冲。
    2.根据权利要求1所述的压力传感器(1),其特征在于,所述压力传感器(1)是压电式压
    力传感器(1);所述接收器(22)是压电式接收器(22);所述压电式接收器(22)在压力变化的
    作用下产生压电电荷;并且所述电极组件(23)从所述压电接收器(22)拾取压电电荷,并将
    所拾取的压电电荷作为信号传导至所述分析单元(5)。
    3.根据权利要求1或2所述的压力传感器(1),其特征在于,所述加强元件(52.1,52.2)
    在所述径向平面(AB)中局部围绕所述电路板(51)地设置;并且所述加强元件(52.1,52.2)
    以线形或平面的机械接触包围所述电路板(51)。
    4.根据权利要求1至3中任一项所述的压力传感器(1),其特征在于,所述加强元件
    (52.1,52.2)局部地沿着纵轴线(CC′)包围所述电路板(51)。
    5.根据权利要求1至3中任一项所述的压力传感器(1),其特征在于,所述加强元件
    (52.1,52.2)在所述径向平面(AB)中完全地包围所述电路板(51)。
    6.根据权利要求1至5中任一项所述的压力传感器(1),其特征在于,所述加强元件
    (52.1,52.2)将所述电路板(51)根据其运动自由度相对于所述分析单元壳体(50)固定在所
    述径向平面(AB)中。
    7.根据权利要求1至6中任一项所述的压力传感器(1),其特征在于,所述加强元件
    (52.1,52.2)由至少两个相同的碗形件(52.1,52.2)组成,所述碗形件(52.1,52.2)能够与
    所述电路板(51)机械地连接和/或彼此机械地连接。
    8.根据权利要求7所述的压力传感器(1),其特征在于,所述碗形件(52.1,52.2)能够通
    过至少一个突出的插锁元件(52.3,52.3′)与所述电路板(51)机械地连接;一个碗形件
    (52.1,52.2)的插锁元件(52.3,52.3′)通过另一个碗形件(52.1,52.2)的相应开口被锁定
    在所述电路板(51)中;并且所述电路板(51)在所述径向平面(AB)中设置在所述碗形件
    (52.1,52.2)之间。
    9.根据权利要求7所述的压力传感器(1),其特征在于,所述碗形件(52.1,52.2)能够通
    过至少一个突出的插锁元件(52.3,52.3′)彼此机械地连接;一个碗形件(52.1,52.2)的插
    锁元件(52.3,52.3′)被锁定在另一个碗形件(52.1,52.2)的相应开口中;并且所述电路板
    (51)在所述径向平面(AB)中设置在所述碗形件(52.1,52.2)之间。
    10.根据权利要求1至9中任一项所述的压力传感器(1),所述分析单元(5)具有分析单
    元壳体(50);并且所述分析单元壳体(50)将所述加强元件(52.1,52.2)局部地挤压在所述
    电路板(51)上。
    11.根据权利要求10所述的压力传感器(1),其特征在于,所述加强元件(52.1,52.2)沿
    着纵向方向具有多个区域(52.6,52.6′,52.6″);并且每个区域(52.6,52.6′,52.6″)沿所述
    纵向方向长30mm,优选长60mm,优选长90mm。
    12.根据权利要求10所述的压力传感器(1),其特征在于,所述分析单元壳体(50)能够
    沿所述纵向方向在所述加强元件(52.1,52.2)上从后部区域(52.6″)向前部区域(52.6)移
    动;并且所述加强元件(52.1,52.2)在所述后部区域(52.6″)和所述前部区域(52.6)中具有
    不同的外径。
    13.根据权利要求10所述的压力传感器(1),其特征在于,所述分析单元(50)能够沿着
    所述纵向方向在所述加强元件(52.1,52.2)上从所述后部区域(52.6″)向中部区域(52.6′)
    和从所述中部区域(52.6′)向前部区域(52.6)移动;所述加强元件(52.1,52.2)在所述后部
    区域(52.6″)、所述中部区域(52.6′)和所述前部区域(52.6)中具有不同的外径;所述中部
    区域(52.6′)的外径与所述分析单元壳体(50)的内径相比具有较小的过度量;并且在过度
    量较小的情况下,所述分析单元壳体(50)能够通过手在所述加强元件(52.1,52.2)上移动。
    14.根据权利要求12或13所述的压力传感器(1),其特征在于,所述前部区域(52.6)的
    外径与所述分析单元壳体(50)的内径相比具有较大的过度量,并且在过度量较大的情况
    下,所述分析单元壳体(50)不能通过手在所述加强元件(52.1,52.2)上移动。
    15.根据权利要求1至14中任一项所述的压力传感器(1),其特征在于,所述加强元件
    (52.1,52.2)具有至少一个弯曲部(52.5),所述弯曲部用于补偿在所述电路板(51)、所述加
    强元件(52.1,52.2)和/或所述分析单元(5)的分析单元壳体(50)之间的线性热膨胀系数的
    差。

    说明书

    压力传感器和用于制造这种压力传感器的方法

    技术领域

    本发明涉及一种如独立权利要求前序部分所述的压力传感器。本发明还涉及一种
    用于制造这种压力传感器的方法。

    背景技术

    压力传感器是众所周知并被广泛地使用。利用压电式压力传感器并按照内燃机的
    压力指示,根据曲轴位置或时间来检测存在于压力室中的缸压力。内燃机包括四冲程发动
    机和二冲程发动机,例如奥托发动机、柴油发动机、汪克尔发动机等。在船用柴油发动机中,
    可以借助于压力传感器对缸压力进行长期监测。利用压电式压力传感器可以快速地检测压
    力变化,其通常在150至250bar的范围内,但是在预点火和发动机突爆时也具有500bar和更
    高的压力峰值。压电式压力传感器也可用于对喷气发动机、燃气涡轮机、蒸汽轮机、蒸汽机
    等的压力监测中。

    专利文献CH394637A1公开了一种这样的压电式压力传感器。该压电式压力传感器
    具有膜,该膜通过压力室的孔直接伸入到压力室中。膜的边缘与压电式压力传感器的壳体
    焊接在一起。由膜检测到的压力变化作用在靠近膜设置在壳体中的压电式接收器上。压力
    变化在压电式接收器上产生电极化电荷,该电极化电荷通过电极作为信号被接收。该信号
    与压力变化的大小成比例。电极设置在压电式接收器上。信号通过电导体从电极传输到用
    于信号线缆至分析单元的插拔连接的插座上。该插座被安装在壳体的背向膜的一侧。

    然而本发明并不限于压电式压力传感器。专利文献EP0140992A1示出了一种压阻
    式压力传感器,其中,被施加有压阻的接收器在由膜检测到的压力变化的作用下产生信号。
    电极与压电电阻器的连接点电连接,并且通过滑动套筒形式的引线将信号从接收器的壳体
    导出并通过与电导体的股线相对的接触表面传输到分析单元。

    压力传感器在持续的使用中处于电机振动和200℃以及更高的高温下。这会在电
    极、连接点、插拔连接部和引线的接触表面上导致微摩擦和摩擦侵蚀,这会削弱信号传导部
    的机械稳定性。另外,信号线缆护套在高温下可能会脱气,这些气体在电极、连接点、插拔连
    接部和引线的接触表面上通过摩擦聚合局部地结网,并在那里形成沉积物。并且在高温下
    可能会出现非惰性金属的扩散,并在电极、连接点、插拔连接部和引线的接触表面上局部形
    成氧化层。这些影响可以单独或组合地出现。其结果是改变了信号传导时的电阻。由此使得
    电接触电阻可以从mΩ范围增大多个数量级至MΩ范围,并使传导至分析单元上的信号发生
    失真,这将导致错误的信号分析。通常,在高温下确保信号传导部的电绝缘也是非常重要
    的,因为其会改变压力传感器的部件的漏电电流并使信号传导失真。在高温下,压力传感器
    的部件的不同膨胀系数还可能局部地导致机械应力。最后,压力传感器的部件在高温下会
    过早地老化。这种热诱导机械应力和过早老化对压力传感器的使用寿命有不利的影响。

    发明内容

    本发明的首要目的在于提出一种压力传感器,其能够在信号传导中有效地避免信
    号失真。本发明的另一目的在于提出一种压力传感器,其中,信号传导部和分析单元在持
    续、强烈的电机振动下也能够机械稳定地设置。本发明的又一目的在于提出一种压力传感
    器,其中,压力传感器的组件即使在高温下也基本上没有机械应力,并且不会过早老化。最
    后,该压力传感器可以成本低地制造。

    本发明的至少一个目的通过独立权利要求的特征来实现。

    本发明涉及一种压力传感器,其具有传感器组件和分析单元;传感器组件具有接
    收器和电极组件,接收器在压力变化的作用下产生信号,并由电极组件将信号传导至分析
    单元;在此,分析单元具有分析单元壳体、电路板和加强元件;加强元件在径向平面中设置
    在电路板和分析单元壳体之间,加强元件与电路板机械地连接;并且在此,加强元件对电路
    板在径向平面中所发生的机械共振进行缓冲。

    本发明还涉及一种用于制造这种压力传感器的方法,在该方法中,提供电路板和
    加强元件;加强元件与电路板机械地连接。

    本发明基于这样的认知:电路板沿着压力传感器的纵轴线具有更大的膨胀,并且
    在使用压力传感器时,所出现的电机振动会在垂直于纵轴线的径向平面中产生机械共振。
    本发明在此提出:加强元件在该径向平面中对电路板进行加强。优选加强元件将电路板根
    据其运动自由度相对于分析单元壳体被固定在径向平面中。由此使得电路板能够在径向平
    面中降低电机振动激发的机械共振,这将持续地降低压力传感器的参与信号传导的组件在
    电路板区域中的机械负载。

    附图说明

    下面借助基于压电式压力传感器的附图示例性地对本发明做详细说明。其中:

    图1以截面图示出了具有传感器组件和分析单元的压电式压力传感器的第一种实
    施方式;

    图2以截面图示出了具有传感器组件和分析单元的压电式压力传感器的第二种实
    施方式;

    图3以截面图示出了根据图1或图2的传感器组件的一种优选的实施方式;

    图4以俯视图示出了根据图1的压电式压力传感器的第一种实施方式的一部分,在
    此没有分析单元壳体和电绝缘元件;

    图5示出了根据图1或图4的压电式压力传感器的第一种实施方式的电路板的视
    图;

    图6以俯视图示出了根据图1、图4或图5的压电式压力传感器的第一种实施方式的
    电路板;

    图7以俯视图示出了根据图2的压电式压力传感器的第二种实施方式的一部分,在
    此没有分析单元壳体和电绝缘元件;

    图8以俯视图示出了根据图2或图7的压电式压力传感器的第二种实施方式的电路
    板;

    图9示出了根据图2、图7或图8的压电式压力传感器的第二种实施方式的电路板;

    图10以放大的俯视图示出了根据图4的压电式压力传感器的第一种实施方式的区
    域A;

    图11以放大的俯视图示出了根据图7的压电式压力传感器的第二种实施方式的区
    域B;

    图12示出了在安装有电绝缘元件的情况下,根据图4的压电式压力传感器的第一
    种实施方式的一部分;

    图13示出了在安装有电绝缘元件之后,根据图4的压电式压力传感器的第一种实
    施方式的一部分;

    图14以横截面图示出了根据图12或图13的电绝缘元件;

    图15示出了在传感器组件的电极组件与分析单元的电路板形状配合地连接之前,
    根据图1、图4、图12或图13的压电式压力传感器的第一种实施方式的俯视图;

    图16示出了在传感器组件的电极组件与分析单元的电路板形状配合地连接之后,
    根据图1、图4、图12、图13或图15的压电式压力传感器的第一种实施方式的俯视图;和

    图17以放大的俯视图示出了根据图15的压电式压力传感器的第一种实施方式的
    区域C。

    其中,附图标记列表如下:

    A,B,C 放大的区域

    AA′,BB′,CC′ 轴线

    AB 径向平面

    1 压力传感器

    2 传感器组件

    5 分析单元

    20 传感器壳体组件

    20.1 锥形密封件

    20.2 传感器法兰

    20.3 传感器壳体框架

    21 膜

    22 接收器

    22.1,22.3 支承元件

    22.2 压电式接收器元件

    23 电极组件

    23.1 电荷拾取部

    23.2 电荷传导部

    25 电绝缘体

    26 补偿元件

    50 分析单元壳体

    51 电路板

    51.1 高温区域

    51.2 常温区域

    52.1,52.2 加强元件

    52.3,52.3′ 插锁元件

    52.4 窗口

    52.5 弯曲部

    52.6,52.6′,52.6″ 区域

    53 电连接元件

    53.0 衬套状的适配器

    53.1 环形的适配器

    53.2 补偿元件

    54 信号线缆法兰

    55 信号线缆

    具体实施方式

    图1和图2示出了根据本发明的压电传感器1的两种实施方式的截面。这些截面沿
    着已完成插入并组装好的压电式压力传感器1的纵轴线CC′示出。纵轴线CC′、竖直轴线AA′
    和水平轴线BB′相互垂直。沿纵轴线CC′的方向也被称为纵向方向,垂直于该纵向方向的方
    向也被称为径向方向。竖直轴线AA′和水平轴线BB′展开成径向平面AB。径向方向位于该径
    向平面AB中。压电式压力传感器1及其组件在横截面上关于纵向轴线CC′基本上为圆形。形
    容词“基本上”包括±10%的圆形形状变化。但是在本发明的认知中,压电式压力传感器及
    其组件在横截面上也可以是矩形、多边形等。因此,例如电路板51是矩形的。

    压电式压力传感器1的组件可以机械地相互接触或者机械地彼此连接。在本发明
    中,机械接触是指多个组件只是彼此直接碰触,而机械连接是指多个组件材料配合、力配合
    或形状配合地彼此固定。也就是说,机械接触不是机械连接?;到哟ゲ皇茄沽γ芊獾?br />(druckdicht)。形容词“压力密封的”是指对抗10bar以上压力变化的稳定性。

    压电式压力传感器1具有传感器组件2和分析单元5。分析单元5与传感器组件2直
    接地电连接和机械连接,如图1和图2所示。图3示出了作为半成品的传感器组件2。分析单元
    5也是半成品,其具有如图4至图9和图12至图14中所示的多个组件。图10、图11和图17示出
    了传感器组件2与分析单元5的电连接和机械连接的区域A、B和C的放大俯视图。图15和图16
    示出了传感器组件2与分析单元5建立电连接和机械连接的方法。

    传感器组件2设置在压电式压力传感器1的前部区域中,其具有膜21、传感器壳体
    组件20、压电式接收器22和电极组件23。压电式压力传感器1与压力室的壁机械连接,并且
    膜21通过孔直接伸入到压力室中。这种机械连接通过力配合或形状配合来实现。压电式压
    力传感器1的前部区域在压电式压力传感器1的使用过程中靠近压力室而处于持续、强烈的
    电机振动和高温下。对于压电式压力传感器1及其组成部件而言,形容词“前部”是指朝向膜
    21的区域,而“后部”是指背向膜21的区域。

    传感器组件2具有传感器壳体组件20、锥形密封件20.1和传感器法兰20.2。传感器
    法兰20.2也被称为加强壳体20.2。传感器法兰20.2收纳压电式压力传感器1的压电式接收
    器22和与其相邻的部件。传感器法兰20.2还防止了机械应力的传递,该机械应力是由压电
    式压力传感器1与压力室壁的机械连接导致的,该机械应力经过传感器壳体组件20到达压
    电式接收器22,并且会干扰对压力变化的检测和使信号失真。锥形密封件20.1和传感器法
    兰20.2由柔性的机械材料(例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等)制成,并且机械地相互
    连接。这种机械连接通过材料配合来实现,例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。优选锥形
    密封件20.1和传感器法兰20.2由导电材料制成。在本发明的认知中,本领域技术人员也可
    以实现无传感器法兰的传感器组件,从而使得传感器组件仅包括锥形密封件。

    端侧的膜21由柔性的机械材料制成,例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等。膜21
    的边缘在整个周向上与传感器法兰20.2机械连接。这种机械连接通过材料配合来实现,例
    如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。由膜21检测到的压力变化作为法向力作用在压电式接
    收器22上。

    压电式接收器22关于纵轴线CC′直接设置在膜21的后面。压电式接收器22具有第
    一支承元件22.1、第二支承元件22.3和压电式接收器元件22.2。压电式接收器元件22.2关
    于纵轴线CC′设置在第一支承元件22.1和第二支承元件22.3之间。支承元件22.1、22.3将法
    向力均匀地分布在压电式接收器元件22.2上。支承元件22.1、22.3是圆柱形或中空圆柱形
    的,并由导电的和机械刚性的材料构成,例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金、导电陶瓷、具
    有导电涂层的陶瓷等。膜21与第一支承元件22.1平面地机械接触。并且第一支承元件22.1
    和第二支承元件22.3与压电式接收器元件22.2也是平面地机械接触。这种平面的机械接触
    也可以通过机械连接来实现。该机械连接通过形状配合来实现,例如扩散焊接、热压接、钎
    焊等。在本发明的认知中,本领域技术人员也可以在没有支承元件的情况下实现压电式接
    收器,或者在仅有位于膜和压电式接收器之间的支承元件的情况下实现压电式接收器。

    压电式接收器元件22.2是圆柱形的或中空圆柱形的,并由压电材料制成,例如石
    英(SiO2单晶)、锗酸镓钙(Ca3Ga2Ge4O14或CGG)、硅酸镓镧(La3Ga5SiO14或LGS)、电气石、正磷
    酸镓、压电陶瓷等。压电式接收器元件22.2被如下地定向:其对于待接收的压力变化具有较
    高的灵敏度。优选压电式接收器元件22.2被如下地定向:在受到法向力作用的相同表面上
    也产生电极化电荷。该法向力可以被加载或卸载地作用在该表面上。在通过法向力进行机
    械加载时,产生带有第一符号(例如负的)的电极化电荷;在通过法向力进行机械卸载时,产
    生带有与第一符号相反的第二符号的电极化电荷。在本发明的认知中,本领域技术人员当
    然也可以使用一个以上的压电式接收器元件。

    电极组件23在压电式接收器22的背向膜21的一侧关于纵轴线CC′被直接设置在压
    电式接收器22的后面。电极组件23具有圆柱形的电荷拾取部(Ladungsabgriff)23.1和杆形
    的电荷传导部23.2。电荷拾取部23.1和电荷传导部23.2彼此电连接。电极组件23由导电材
    料制成,例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金等。电荷拾取部23.1和电荷传导部23.2可以是
    一体化的,或者机械地相互连接。优选电极组件23的材料的线性热膨胀系数在10至18ppm/
    ℃的范围内,优选在10至12ppm/℃的范围内。任何形式的机械连接都是可以的,例如材料配
    合、形状配合和力配合。

    电荷拾取部23.1的前表面如下地与第二支承元件22.3的电荷输出后表面平面地
    电接触:使得即使在法向力作用的情况下也不会出现具有局部高电压和泄漏电流的非接触
    区域。电荷拾取部23.1和第二支承元件22.3的平面电接触通过平面的机械接触来实现。在
    本发明的认知中,本领域技术人员也可以通过机械连接来实现平面的机械接触。这种机械
    连接通过材料配合实现,例如扩散焊接、热压接、钎焊等。

    具有第一符号的电极化电荷被电极组件23作为信号接收,并被传导至分析单元5
    上。具有第二符号的电极化电荷被膜21或者接地的传感器法兰20.2的夹套作为回传信号接
    收,并被传导至分析单元5上。该信号或回传信号的电流强度为1pA的数量级,因此非常小,
    故而可以被流经电绝缘材料的泄漏电流失真。尽管在图中未示出,但是在本发明的认知中,
    信号传导部也可以通过?;て帘渭?防护件)来实现,在这里,由导电材料制成的?;て帘?br />件包围信号传导部,该?;て帘渭τ谛藕糯疾康牟慰嫉缥簧?。电泄漏电流在参考电位
    和防护件之间流动。如果电位差等于零,则在防护件和信号传导部之间没有电泄漏电流。保
    护屏蔽件可以包围信号传导部、电路板的电信号导体、电路板的电子器件的电接口等。本领
    域技术人员同样也可以将具有第二符号的电极化电荷作为其它信号使用。由此,本领域技
    术人员可以将具有第二符号的电极化电荷以与接地电位电绝缘的方式传导至分析单元上。
    这可以通过传感器壳体组件与分析单元的电磁屏障件的材料配合的电连接(如卷边
    (Crimpen)等)来实现。

    电极组件23通过电绝缘体25相对于传感器法兰20.2电绝缘。电绝缘体25是中空圆
    柱形的,并由电绝缘的和机械上刚性的材料(例如陶瓷、Al2O3陶瓷、蓝宝石等)组成。电绝缘
    体25在电荷拾取部23.1的背向膜21的一侧关于纵轴线CC′直接设置在电荷拾取部23.1的后
    面。电绝缘体25与电荷拾取部23.1平面地机械接触。电荷传导部23.2延伸至传感器组件2的
    背向压电式接收器22的端部。

    补偿元件26补偿压电式压力传感器1的组成部件的不同的热膨胀系数。补偿元件
    26是中空圆柱形的,并由机械上刚性的材料组成,例如纯金属、镍合金、钴合金、铁合金、陶
    瓷、Al2O3陶瓷、蓝宝石等。补偿元件26在电绝缘体25的背向膜21的一侧关于纵轴线CC′直接
    设置在电绝缘体25的后面。在根据图3的传感器组件2的实施方式中,补偿元件26与电绝缘
    体25平面地机械接触。在本发明的认知中,本领域技术人员也可以替代支承元件地将补偿
    元件设置在电荷拾取部的背向膜的一侧。补偿元件可以替代第一支承元件地设置在膜和压
    电式接收器元件之间,补偿元件也可以替代第二支承元件地设置在压电式接收器元件和电
    荷拾取部之间。

    分析单元5具有分析单元壳体50、电路板51和加强元件52.1、52.2。电路板51和加
    强元件52.1、52.2设置在分析单元5的分析单元壳体50中。加强元件52.1、52.2沿径向方向
    设置在电路板51和分析单元壳体50之间。分析单元5还具有电连接元件53、信号线缆法兰54
    和信号线缆55。加强元件52.1、52.2也被称为电绝缘元件52.1、52.2。分析单元壳体50也被
    称为电路板壳体50。

    电路板51由基底材料制成,例如聚四氟乙烯、聚酰亚胺、Al2O3陶瓷、碳氢化合物-陶
    瓷层等?;撞牧鲜堑缇档牟⒕哂刑囟ǖ娜莼缱?,该容积电阻在室温下大于/等于1015
    Ωcm,优选在室温下大于/等于1016Ωcm。该基底材料被设计用于小于/等于280℃的持续使
    用温度。通过这种非常高的特定通过电阻,刚好能够确保:即使在接近低于280℃的持续使
    用温度下,信号传导也不会被电泄漏电流失真。优选基底材料的线性热膨胀系数在10至
    18ppm/℃范围内,优选在10至12ppm/℃范围内,其基本上等于电荷传导部23.2和/或电连接
    元件53的线性热膨胀系数。

    电路板51包括高温区域51.1和常温区域51.2。高温区域51.1位于电路板51的前部
    至中部区域中。高温区域51.1朝向传感器组件2。常温区域51.2位于电路板51的中部至后部
    区域中。常温区域51.2背向传感器组件2。在电路板51的高温区域51.1中,持续使用温度小
    于/等于280℃。优选高温区域51.1延伸经过电路板51长度的80%,优选经过电路板51长度
    的50%,优选经过电路板51长度的30%,优选经过电路板51长度的20%。

    电路板51具有电信号导体。该电信号导体由导电材料制成,例如纯金属、镍合金、
    钴合金、铁合金等。电信号导体利用底侧平面地位于电路板51的基底材料上。优选电信号导
    体是多层的,第一层由钯镍合金组成,第二层由黄金组成。第一层被直接镀在电路板51的基
    底材料上,第二层被汽化渗镀在第一层上。第一层用作阻挡部,用于阻挡黄金扩散至电路板
    51的基底材料上。第二层用作侵蚀?;げ?,其具有较小的电阻和非常良好的可焊性
    电信号导体的上侧要么是开放的(表面微带(Surface
    Microstrip)),要么被焊料掩膜覆盖(涂覆微带(Coated Microstrip))。优选在电路板51的
    高温区域51.1中不设置电信号导体,以避免通过电信号导体的导电材料从高温区域51.1到
    低温区域51.2的热传导。替代地,在电路板51的高温区域51.1中仅设有用于信号传导的电
    信号导体,从而使得通过电信号导体的导电材料从高温区域51.1到低温区域51.2的热量传
    导能够保持在较低的水平。除了用于信号传导的电信号导体之外,在电路板51的高温区域
    51.1中不再设有其他的电信号导体。

    电路板51装配有电子器件,例如电阻、电容、半导体元件、处理器等。这些电子优选
    器件仅设置在电路板51的常温区域51.2中,从而能够避免电子器件提前老化。在常温区域
    51.2中,持续使用温度小于/等于120℃,从而使得电子器件只需要满足具有持续使用温度
    上边界为+125℃的扩展工业标准,这是具有成本效益的。在本发明的认知中,本领域技术人
    员当然也可以使用具有由镍合金、钴合金、铁合金、Al2O3陶瓷等所制成的基底的厚层电路,
    其持续使用温度高于500℃,但这相对而言是非常昂贵的。

    在电路板51上设有焊料掩膜。焊料掩膜?;さ缱悠骷偷缧藕诺继迕馐芮质?。焊
    料掩膜还能够防止电路板51的基底材料在电路板51装配电子器件时被钎焊材料浸湿,并由
    此避免在装配时形成意外的电连接。优选在电路板51的高温区域51.1中不设置焊料掩膜。
    当然,焊料掩膜在室温下的特定通过电阻基本上小于1014Ωcm,因此在接近并低于280℃的
    高温下不会获得足够的泄漏电流抗性,这会导致在信号传导时发生信号失真。焊料掩膜在
    接近并低于280℃的高温下不是持续的温度稳定的,并且可能会熔化或燃烧,并因此此损害
    分析单元的功能性。

    电连接元件53通过至少一个电信号导体与电子器件电连接。该电连接通过材料配
    合实现,例如钎焊、卷边等。由电极组件23接收的信号通过电荷传导部23.2被传导至分析单
    元5的电连接元件53,并从分析单元5的电连接元件53通过电信号导体被传导至电路板51。
    从电极组件23到分析单元5的信号传导仅通过材料配合来实现。优选从接收器22与电极组
    件23的平面电接触部到分析单元5的信号传导仅通过材料配合来实现。在分析单元5中可以
    将信号电放大并对其进行分析。优选信号和回传信号在分析单元5中均被放大并分析。信号
    和回传信号相对于由膜21检测到的压力变化的大小成比例。被放大的信号和回传信号或者
    已经经过分析的信号和回传信号通过信号线缆55被传导。信号线缆55的前端部与电路板51
    的常温区域51.2电连接和机械连接。该电连接和机械连接通过材料配合来实现,例如钎焊、
    卷边等。在本发明的认知中,本领域技术人员也可以使电荷传导部23.2直接与电路板51的
    电信号导体机械连接和电连接,从而使得信号传导部不再需要电连接元件53。同样地,这种
    电连接和机械连接通过材料配合来实现,例如钎焊、卷边等。

    电连接元件53是中空圆柱形的,并且由导电材料构成,例如纯金属、镍合金、钴合
    金、铁合金等。优选电连接元件53的材料的线性热膨胀系数在10至18ppm/℃范围内,优选在
    10至12ppm/℃范围内。因此,电连接元件53的线性热膨胀系数在大小上是可以与传感器组
    件2和/或电路板51的线性热膨胀系数进行比较的。

    在根据图1、图4至图6、图10、图12、图13和图15至图17的压电式压力传感器的第一
    种实施方式中,电连接元件53具有衬套状的适配器53.0。优选该衬套状的适配器53.0被切
    缝。该衬套状的适配器53.0设置在电路板51的高温区域51.1中。为了实现信号传导,该衬套
    状的适配器53.0材料配合地与电路板51的电信号导体相连接。该材料配合通过焊接、扩散
    焊接、热压缩焊接、钎焊等来实现。此外,该衬套状的适配器53.0与电路板51机械地连接。该
    机械连接既用于适配器53.0在电路板51上的固定,也用于信号传导。优选该机械连接通过
    材料配合来实现,例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。然而,在本发明的认知中,本领域技
    术人员也可以通过力配合或形状配合来实现该机械连接。

    在根据图2、图7至图9和图11的压电式压力传感器1的第二种实施方式中,电连接
    元件53具有环形的适配器53.1和补偿元件53.2。优选该环形的适配器53.1和补偿元件53.2
    是一体化的。电连接元件53沿着纵轴线CC′延伸?;沸蔚氖逝淦?3.1设置在电连接元件53的
    前端部上。补偿元件53.2机械地承载环形的适配器53.1。优选补偿元件53.2具有至少一个
    拱形部,例如Z拱形部、U拱形部、琴拱形部等。这种拱形部能够补偿压电式压力传感器1的信
    号传导组件的线性热膨胀系数的差值。该拱形部还能够补偿传感器组件2和分析单元5的组
    件沿纵轴线CC′的制造公差。在拱形部的区域中,补偿元件53.2可以膨胀或收缩,并由此减
    少热力诱发的机械应力的发生和/或将制造公差降低至非临界值。补偿元件53.2延伸经过
    电路板51的高温区域51.1。在本发明的认知中,本领域技术人员也可以将压电式压力传感
    器的两种实施方式彼此结合。由此,第一种实施方式的衬套状适配器可以结合在第二种实
    施方式的补偿元件的前端部上。

    补偿元件53.2几乎延伸经过电路板51的整个高温区域51.1。为了实现信号传导,
    补偿元件53.2在电路板51的低温区域51.2中与电路板51的电信号导体材料配合地连接。这
    种材料配合通过焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等来实现。此外,补偿元件53.2与电路板51机
    械地连接。为了将补偿元件53.2固定在电路板51上,优选该机械连接通过形状配合和力配
    合来实现,其中,补偿元件53.2的至少一个腿部插入电路板51的高温区域51.1中的至少一
    个相应的孔中。该腿部是可弹性或塑性变形的,并在插入到孔中时被压缩,由此产生机械的
    预紧,该机械预紧形状配合和力配合地保持腿部不动。优选这种弹簧形的腿部是带形弹簧,
    其具有两个弹簧带,弹簧带在其前端部和后端部上彼此连接,并在中间的区域中彼此间隔
    开。在插入孔中时,两个弹簧带在中部区域中弹性地变形。在本发明的认知中,用于将补偿
    元件53.2固定在电路板51的高温区域51.1中的机械连接也可以通过材料配合来实现。该材
    料配合通过焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等来实现。

    电荷传导部23.2与电连接元件53组合在一起。电荷传导部23.2的后端在纵轴线
    CC′上伸入衬套状适配器53.0或环形适配器53.1中。在该区域中,电荷传导部23.2的关于纵
    轴线CC′的外表面和衬套状适配器53.0或环形适配器53.1的关于纵轴线CC′的内表面彼此
    电连接和机械连接。该电连接和机械连接通过材料配合来实现,例如焊接、扩散焊接、热压
    接、钎焊、卷边等。因此,电荷传导部23.2在局部与电连接元件53是材料配合的。这种局部的
    材料配合可以通过点焊接或整个周向上的线焊接来实现。这种材料配合的连接能够防止微
    摩擦、摩擦侵蚀和摩擦聚合的发生或者在使用压电式压力传感器1时在电极、连接点、插拔
    连接部和引线的接触表面上形成氧化层,并且能够有效地避免信号失真。在本发明的认知
    中,本领域技术人员当然也可以使用其他成型的电连接元件53。因此,电连接元件53可以是
    板形或碗形的。电荷传导部23.2不伸入电连接元件53中。为了建立电连接和机械连接,电荷
    传导部23.2被放置在板形或碗形的电连接元件53上面。

    如图14中所示,加强元件52.1、52.2在径向平面AB中被设置在电路板51周围。加强
    元件52.1、52.2是中空圆柱形的,并且由热力学上在温度至少高达120℃、优选为150℃时形
    状稳定的电绝缘材料构成,例如聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、六福丙烯偏二氟
    乙烯共聚物(FKM)等。优选加强元件52.1、52.2的材料的线性热膨胀系数在10至50ppm/℃范
    围内。加强元件52.1、52.2局部地围合电路板51。加强元件52.1、52.2在径向平面AB中被设
    置在电路板51和分析单元壳体50之间。优选加强元件52.1、52.2局部地沿着纵轴线CC′围合
    电路板51。优选加强元件52.1、52.2完全地围合电路板51,在图14中为在径向平面AB中以
    360°进行围合。电路板51可以沿纵向方向局部地穿过加强元件52.1、52.2。为此,加强元件
    52.1、52.2可以具有至少一个留空。电路板51通过该留空也可以是从外部局部可见的并且
    可接近的。

    优选加强元件52.1、52.2是由多部件组成的,并且由至少两个碗形件52.1、52.2组
    成。优选这些碗形件52.1、52.2是相同类型的。优选碗形件52.1、52.2是相同的部件,这降低
    了制造成本。碗形件52.1、52.2可以与电路板51机械地连接和/或机械地彼此连接。该机械
    连接可以通过形状配合和/或材料配合和/或力配合来实现。该机械连接可以被可逆或不可
    逆地松脱。优选两个碗形件52.1、52.2通过至少一个突出的插锁元件52.3、52.3′与电路板
    51机械地连接和/或彼此连接。优选一个碗形件52.1、52.2的插锁元件52.3、52.3′锁定在另
    一碗形件52.1、52.2的相应开口中。优选一个碗形件52.1、52.2的插锁元件52.3、52.3′通过
    另一碗形件52.1、52.2的相应开口锁定在电路板51中。优选碗形件52.1、52.2关于竖直轴线
    AA′不是镜像对称的。在如图14所示的碗形件52.1、52.2的横截面中,碗形件52.1、52.2的两
    个突出的插锁元件52.3、52.3′设置在竖直轴线AA′的左边和右边。沿着纵轴线CC′,这两个
    插锁元件52.3、52.3′不是设置在相同的径向平面AB中,因此右边的插锁元件52.3′也以虚
    线示出。因此,电路板51是设置在两个碗形件52.1、52.2之间。加强元件52.1、52.2在电荷传
    导部23.2和电连接元件53之间的连接区域中具有至少一个窗口52.4。通过窗口52.4,可以
    从外部接近电荷传导部23.2和电连接元件53,并且可以利用接合工具到达。替代地,加强元
    件52.1、52.2是单件式的。这种单件式的加强元件52.1、52.2沿纵向方向关于电路板51被推
    移,或者沿径向方向借助于弯曲支承件关于电路板51翻转(geklappt)。

    加强元件52.1、52.2针对径向平面AB中的和/或沿纵轴线CC′的机械共振机械地加
    固电路板51。在使用压电式压力传感器1的过程中,电路板51可以通过电机振动被激发机械
    振动。电路板51是振动系统。电机振动具有宽带的频率(breites Band mit Frequenzen)。
    共振频率是电机的这样一种频率:在这种频率下,振动系统的振幅大于由电机振动的相邻
    频率所激发的振幅。共振是电路板51以共振频率进行的振动。优选加强元件52.1、52.2将电
    路板51根据其运动自由度相对于分析单元壳体50固定在径向平面AB中。这种固定应当理解
    为电路板51相对于分析单元壳体50的保持和不可移动性。优选设置在碗形件52.1、52.2之
    间的并与碗形件52.1、52.2机械连接的电路板51构成对抗径向平面AB中和/或沿着纵轴线
    CC′的机械共振的刚性体。加强元件52.1、52.2与电路板51线形地或平面地机械接触。在使
    用压电式压力传感器1时所出现的电机振动中,这种被强化的电路板51还可以降低在径向
    平面AB中和/或沿着纵轴线CC′所激发的机械共振,这将持续地降低压电式压力传感器1的
    参与信号传导的组件在电路板51的区域中的机械负载。

    针对沿着纵向方向和/或沿着径向方向的弯曲负载对电路板51所实行的附加加强
    是通过将分析单元壳体50挤压连接在加强元件52.1、52.2上来实现的。在此,分析单元壳体
    50将加强元件52.1、52.2局部地挤压至电路板51上。通过这种挤压连接,电荷传导部23.2和
    电连接元件53也被机械地、固定不变地定位在窗口52.4中。分析单元壳体50可以沿着纵轴
    线CC′在加强元件52.1、52.2上移动。加强元件52.1、52.2沿着纵轴线CC′具有多个区域
    52.6、52.6′、52.6″。在根据图12和图13的实施方式中,加强元件52.1、52.2具有三个区域
    52.6、52.6′、52.6″。优选每个区域52.6、52.6′、52.6″均沿着纵轴线CC′长30mm,优选长
    60mm,优选长90mm。分析单元壳体50可以沿着纵轴线CC′在加强元件52.1、52.2上从后部区
    域52.6″移动到中部区域52.6′和从中部区域52.6′移动到前部区域52.6。优选加强元件
    52.1、52.2在后部区域52.6″、中部区域52.6′和前部区域52.6中具有不同的外径。优选区域
    52.6、52.6′、52.6″分别延伸经过电路板51的长度的33%。因此,加强元件52.1、52.2的外径
    沿着纵向方向局部成阶梯状。加强元件52.1、52.2的后部区域52.6″的外径小于/等于分析
    单元壳体50的内径。分析单元壳体50可以通过手灵活地在加强元件52.1、52.2上移动。加强
    元件52.1、52.2的中部区域52.6′的外径与分析单元壳体50的内径相比具有小的过度量
    在过度量较小的情况下,分析单元壳体50可以通过手在加强元件52.1、
    52.2上移动。加强元件52.1、52.2的前部区域52.6的外径与分析单元壳体50的内径相比具
    有较大的过度量。在较大过度量的情况下,分析单元壳体50无法再通过手在加强元件52.1、
    52.2上移动。该过度量被特定于材料地选择为:挤压连接不超过允许的机械应力。在本发明
    的认知中,本领域技术人员也可以在没有中部区域的情况下仅以前部区域和后部区域来实
    现加强元件。此外,本领域技术人员可以实现具有非阶梯状外径的加强元件,在这种情况
    下,外径基本上从后部区域到前部区域连续地增大。

    加强元件52.1、52.2将电路板51相对于分析单元壳体50电绝缘。

    加强元件52.1、52.2具有至少一个弯曲部52.5,该弯曲部用于补偿存在于电路板
    51、加强元件52.1、52.2和/或分析单元壳体50之间的线性热膨胀系数差。弯曲部52.5被构
    造为沿纵向方向的凹槽。在弯曲部52.5的区域中,加强元件52.1、52.2可以弹性地膨胀或收
    缩,并由此将热力诱导的机械应力降低至非临界值,特别是能够由此避免不利于加强元件
    52.1、52.2功能的塑性变形。在本发明的认知中,在这种实施方式中,本领域技术人员也可
    以将该弯曲部实现为加强元件52.1、52.2的材料中的至少一个留空或者固体关节等。加强
    元件52.1、52.2减弱了电机振动从传感器法兰20.2和分析单元壳体50到电路板51上的传
    播,从而使得电机振动被强度衰减地到达电路板51,这将持续地降低压电式压力传感器1的
    参与信号传导的组件在电路板51的区域中的机械负载。

    传感器法兰20.2的后部区域在整个周向上与分析单元壳体50的前部边缘机械地
    连接。该机械连接被材料配合地实现,例如通过焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。传感器法
    兰20.2的后部区域包括传感器壳体框架20.3。优选传感器法兰20.2和传感器壳体框架20.3
    是一体的。传感器壳体框架20.3由至少一个平行于纵轴线CC′取向的支柱组成。如图10和图
    11中所示,优选传感器壳体框架20.3由两个支柱组成。电路板51的前端部与支柱机械地连
    接。优选该机械连接通过力配合实现,其中,电路板51通过螺丝与支柱的内螺纹螺接。该机
    械连接也是电连接。优选螺丝通过至少一个垫圈与电路板51机械地连接。该垫圈构成支柱、
    螺丝和电路板51的电信号导体之间的电接触。垫圈和螺丝由导电材料制成,例如纯金属、镍
    合金、钴合金、铁合金等。经由两个支柱的电连接是冗余的。由传感器法兰20.2接收的回传
    信号通过传感器壳体框架20.3被传导至电路板51的电信号导体?;卮藕诺拇哟衅鞣ɡ?br />20.2到分析单元5的信号传导仅通过材料配合和力配合的连接来实现。支柱和电路板51之
    间通过螺丝和垫圈的力配合减弱了由电机振动所引起的沿纵轴线CC′的机械共振。

    相应地,信号线缆法兰54的前部区域具有至少一个支柱。优选信号线缆法兰54的
    前部区域具有两个支柱。电路板51的后端部与信号线缆法兰54的支柱机械连接。在此,该机
    械连接也优选通过力配合如下地实现:使电路板51通过螺丝与支柱的内螺纹螺接。

    图12、图13、图15和图16示出了用于制造压电式压力传感器1的方法的步骤。根据
    图3的传感器组件2和分析单元5作为单独的半成品来制造。这样做的优点在于,可以随着分
    析单元5相对于压电式压力传感器1的变型来制成传感器组件2的变型,由此降低了制造成
    本。传感器组件2的变型包括具有不同膜强度的膜21和/或具有不同使用温度范围的压电式
    接收器22。分析单元5的变型包括具有不同使用温度范围的电路板51和/或不同的信号方
    式,例如未电放大的电极化电荷、电放大的电极化电荷、电压等。

    传感器组件2包括设置在传感器壳体组件20中的膜21、压电式接收器22、电极组件
    23和电绝缘体25。分析单元5包括分析单元壳体50、电路板51、加强元件52.1、52.2、电连接
    元件53、信号线缆法兰54和信号线缆55。信号线缆55通过信号线缆法兰54与分析单元5连
    接。在本发明的认知中,本领域技术人员也可以使用电插拔连接件(例如信号线缆插头等)
    来替代信号线缆法兰用于信号线缆与分析单元的连接。

    在第一方法步骤中,将电荷传导部23.2和电连接元件53组合在一起。为此,将电荷
    传导部23.2的后端部沿纵轴线CC′移动至电连接元件53中,以使电荷传导部23.2的后端部
    伸入电连接元件53中,并使电荷传导部23.2的关于纵轴线CC′的外表面和电连接元件53的
    关于纵轴线CC′的内表面局部地机械接触。

    在另一方法步骤中,使电路板51的前端部与传感器壳体框架20.3机械地连接。该
    机械连接通过如下的力配合来实现:电路板51通过螺丝与传感器壳体框架20.3的支柱的内
    螺纹螺接。

    在接下来的方法步骤中,加强元件52.1、52.2与电路板51机械地连接和/或彼此连
    接。该形状配合和/或力配合在图12和图13中示出。优选一个加强元件52.1、52.2的多个插
    锁元件52.3、52.3′被锁定在另一加强元件52.1、52.2的相应开口中,并且针对沿着纵轴线
    CC′和/或沿着水平轴线BB′的弯曲负载实现对电路板51的机械强化。

    在接下来的方法步骤中,如图15中所示,沿着纵轴线CC′相对于传感器法兰20.2移
    动分析单元壳体50。由此使得加强元件52.1、52.2被从分析单元壳体50挤压到电路板51上。
    这种挤压连接附加地针对沿着纵轴线CC′和/或沿着水平轴线BB′的弯曲负载实现对电路板
    51的机械强化。

    随后,在一方法步骤中,电荷传导部23.2的外表面和电连接元件53的内表面彼此
    局部地电连接和机械连接。该电连接和机械连接通过材料配合来实现,例如焊接、扩散焊
    接、热压接、钎焊等。接合工具通过加强元件52.1、52.2的窗口52.4在电荷传导部23.2和电
    连接元件53之间形成材料配合。在图15中未示出该接合工具。接合工具可以由电阻焊接设
    备的电极构成,但是其也可以是卷边工具、激光等。为了利用接合工具通过加强元件52.1、
    52.2的窗口52.4形成材料配合,分析单元壳体50在纵轴线CC′上与传感器法兰20.2间隔开。

    在接下来的方法步骤中,沿着纵轴线CC′相对于传感器法兰20.2整个地移动分析
    单元壳体50,从而如图16中所示出的那样使分析单元壳体50的前部边缘与传感器法兰20.2
    的后部边缘实现机械接触,并且可以从外部接近。分析单元壳体50的这种移动在图16中通
    过箭头示出。由此,当加强元件52.1、52.2被覆盖时,传感器法兰20.2的后部区域与分析单
    元壳体50的前部边缘基本上是齐平的,并且可以从外部接近。

    在接下来的方法步骤中,分析单元壳体50局部地与传感器法兰20.2连接。优选分
    析单元壳体50的前部边缘在整个周向上与传感器法兰20.2的后部边缘彼此机械地连接。该
    机械连接通过材料配合来实现,例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。接合工具在分析单元
    壳体50的前部边缘和传感器法兰20.2的后部边缘之间建立材料配合。接合工具在图16中未
    示出。

    在另一方法步骤中,分析单元壳体50局部地与信号线缆法兰54机械地连接。优选
    分析单元壳体50的后部区域在整个周向上与信号线缆法兰54的前部边缘机械地连接。该机
    械连接通过材料配合来实现,例如焊接、扩散焊接、热压接、钎焊等。接合工具在分析单元壳
    体50的后部区域和信号线缆法兰54的前部边缘之间建立材料配合。接合工具在图16中未示
    出。

    在本发明的认知中,本领域技术人员可以实现这样一种压电式压力传感器:该压
    电式压力传感器的所有直接参与信号传导的组件通过材料配合彼此地连接。本领域技术人
    员还可以实现这样一种压电式压力传感器:该压电式压力传感器的组件之间的所有机械连
    接均是材料配合的连接。

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    本文标题:压力传感器和用于制造这种压力传感器的方法.pdf
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