專利名稱：傳感器和傳感器元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，其具有一層或多層非接觸式工作的傳感器元件和包括電氣/電子連接端子以及可能的電子部件的外殼，其中傳感器元件包括線圈裝置，該線圈裝置的每一層的繞組具有已定義的線寬度、線厚度和線間距并且該線圈裝置的層具有已定義的層厚度和可能的已定義的層間距。此外，本發(fā)明涉及一種相應(yīng)的供在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中使用的傳感器元件。
背景技術(shù)：
為了進行距離測量和位置監(jiān)視，往往使用電感式傳感器或渦流傳感器。這兩種傳感器類型的重要組成部分是用交流電壓來饋電的線圈。在傳統(tǒng)的傳感器中，線圈通常包括由隔離的銅線制成的眾多繞組，這些繞組借助背漆或其他澆鑄技術(shù)彼此固定連接并且視傳 感器類型而與鐵芯或不與鐵芯一起集成在外殼中。在外殼中或者與外殼分開地設(shè)置有包含振蕩器和解調(diào)器的電子裝置。在此，線圈是振蕩回路的一部分，該振蕩回路是振蕩器的組成部分或者由振蕩器饋電。在此重要的是振蕩回路的高品質(zhì)因數(shù)，以便確保傳感器較高的測量靈敏度。高測量靈敏度是在較大測量范圍的情況下同時達成小干擾敏感度的先決條件。很久以來，在印刷電路板技術(shù)中將線圈實施為扁平線圈的傳感器是已知的。相對于纏繞線圈，印刷電路板技術(shù)具有以下優(yōu)點生產(chǎn)成本較低并且線圈是電子印刷電路板的一部分。最近，扁平線圈技術(shù)擴展到陶瓷襯底上。在此，線圈以導(dǎo)電的印制導(dǎo)線層的形式安裝在陶瓷襯底上。多個襯底彼此相疊地堆疊，其中利用通孔敷鍍來產(chǎn)生這些層之間的電連接。這些層在高溫下通過燒結(jié)工藝彼此連接并且在燒結(jié)后形成緊湊的單元。傳感器測量范圍的增大是通過減小傳感器與測量對象之間的基本距離的方式達成的。這可以通過如下方式達成將線圈元件構(gòu)造為外殼的一部分?；揪嚯x的減小是通過缺少常規(guī)傳感器中常見的罩子或者全金屬實施的方式達成的。借助線圈元件與外殼之間緊密的金屬陶瓷連接，附加地得到對傳感器內(nèi)部空間進行可能的密封的優(yōu)點。除了陶瓷線圈的上述優(yōu)點之外，還存在技術(shù)限制。尤其是在用于小測量范圍的小線圈直徑的情況下，常規(guī)地纏繞的線圈例如具有顯著更高的品質(zhì)因數(shù)，即在較小電阻的情況下得到較大的電感。對于振蕩電路的品質(zhì)因數(shù)成立的是Q = ^其中Q :線圈品質(zhì)因數(shù)L:電感ω :回路頻率ω=2 Ji ff:線圈電流的頻率R :線圈電阻然而，僅僅增大電感并不能達成目的，因為當(dāng)電感過大時電容效應(yīng)會降低測量靈敏度或者還使傳感器的時間常數(shù)(并且由此使時間分辨率)變得過大。因此，必須在給定測量頻率的情況下選擇最優(yōu)的電感和歐姆電阻，由此能夠得到盡可能大的品質(zhì)因數(shù)。在傳統(tǒng)的纏繞線圈中，導(dǎo)電的銅線與位于這些銅線之間的絕緣組件(導(dǎo)線絕緣層和空氣或澆鑄物質(zhì))的體積比非常大。在進行優(yōu)化時，可以影響導(dǎo)線橫截面、線圈的長度和直徑以及匝數(shù)。因此，可以在廣闊的區(qū)域中幾乎獨立地匹配電感和歐姆電阻。這將導(dǎo)致與陶瓷線圈相比較高的靈敏度。在那里，導(dǎo)電層與絕緣陶瓷襯底之間的比例是不利的。此外，陶瓷襯底僅在一定的厚度下可用。例如通過厚膜印刷工藝來安裝導(dǎo)電層也僅允許印制導(dǎo)線寬度與印制導(dǎo)線厚度之間一定的比例。因此，例如在厚膜印刷時，視所使用的膏體系統(tǒng)，印制導(dǎo)線的寬度必須顯
著大于厚度。線圈設(shè)計時的另一影響量是繞組彼此之間的電容耦合。在陶瓷襯底中的線圈系統(tǒng) 中，電容耦合一般大于纏繞線圈中的電容耦合，因為盡管經(jīng)印制的印制導(dǎo)線彼此之間的間距較大，但是印制導(dǎo)線之間的有效面積較大并且達ε 8的陶瓷介電常數(shù)附加地增大電容。一種相對于絲網(wǎng)印刷方法在線厚度大的情況下達成盡可能小的層間距的已知技術(shù)是壓印。通過壓模在各個繞組的位置處使陶瓷襯底的各個層變形。在壓印之后必須裝上導(dǎo)電繞組，這可以例如通過諸如杜邦公司的FODEL 技術(shù)之類的光化學(xué)工藝或者用合適的印刷方法(例如，通過絲網(wǎng)印刷)進行。為了能夠工藝上可靠地實現(xiàn)盡可能小的結(jié)構(gòu)大小，必須非常精確地制造相應(yīng)的壓印工具。在不同的層幾何形狀的情況下，需要單獨的壓印工具。這兩個先決條件使得壓印非常耗時和昂貴。在壓印時不進行材料蝕刻，更確切地說使各個層變形。與此相聯(lián)系的材料擠出導(dǎo)致材料中不同的密度分布，這些密度分布可能在后續(xù)處理時帶來問題。因此，例如在燒結(jié)陶瓷時在材料中產(chǎn)生應(yīng)力。諸如FODEL之類的光化學(xué)工藝需要眾多彼此之間良好地協(xié)調(diào)的大量工藝步驟。通常，光化學(xué)工藝包括以下工藝步驟利用感光膠的印刷一曝光一顯影一沖洗與標(biāo)準(zhǔn)工藝相比附加地需要的工藝步驟以及工具和耗材是高成本和昂貴的。此夕卜，可能在光敏層的邊緣處出現(xiàn)粘接。這特別是在小的結(jié)構(gòu)參量的情況下是重要的，因為由此可能在繞組之間產(chǎn)生短路。壓印層的印刷特別是在相對較小的線間距和線寬度的情況下是困難的，因為感光膠的定位在壓印時必須精確地進行。在定位不準(zhǔn)確時，在繞組邊緣處產(chǎn)生粘接，這些粘接可能在燒結(jié)后導(dǎo)致短路。通過借助壓印技術(shù)來優(yōu)化線圈結(jié)構(gòu)，以相對較高的成本和時間耗費僅能達成傳感器特性的有條件改善。此外，通過較大數(shù)目且通常還較昂貴的工藝步驟，降低了工藝可靠性以及可重現(xiàn)性。用于生產(chǎn)的另一可能性在于，直接在繞組的位置處蝕刻材料。這可以例如借助激光進行。然而，激光處理是相對耗時的。這使得該方法本身是高成本和昂貴的。在激光處理時直接蝕刻材料，從而得不到材料壓縮。在此，截面表面是非常粗糙的。高粗糙性在稍后用膠進行填充時產(chǎn)生問題。因此，可能例如不產(chǎn)生空氣夾雜物，這些空氣夾雜物在較高的燒結(jié)溫度下因壓力膨脹而在材料中造成應(yīng)力。此外，粗糙性會放大導(dǎo)電層的表面。由于根據(jù)測量原理需要較高的頻率，因而電流由于集膚效應(yīng)而經(jīng)過線圈大部分流到表面上，由此最終使電阻增大。如果由于邊界面處的粗糙性而在導(dǎo)電膠與絕緣陶瓷之間出現(xiàn)材料混合，則電阻也同樣上升。這些效應(yīng)會對傳感器的電數(shù)據(jù)起負面作用。很久以來，上述類型的、尤其由多層陶瓷構(gòu)成的傳感器是已知的。僅示例性地，關(guān)于此可以參閱 DE 10 2008 016 829 Al 和 DE 103 14 875 Al。

發(fā)明內(nèi)容
現(xiàn)在，本發(fā)明的任務(wù)在于，設(shè)計和改進開頭部分所述類型的傳感器和相應(yīng)的傳感器元件，以使得在大測量范圍的情況下實現(xiàn)足夠高的測量靈敏度。該傳感器和傳感器元件的特征將在于，在盡可能好的電感情況下實現(xiàn)盡可能高的品質(zhì)因數(shù)。以上任務(wù)是通過關(guān)于傳感器的權(quán)利要求I的特征和隨后的關(guān)于傳感器元件的并列權(quán)利要求12的特征來解決的。根據(jù)本發(fā)明的傳感器和根據(jù)本發(fā)明的傳感器元件的特征 在于，傳感器元件在多層陶瓷的意義下由陶瓷層構(gòu)成，并且與傳統(tǒng)的線圈裝置相比減小了線寬度和增加了每橫截面面積的匝數(shù)。在此處應(yīng)當(dāng)注意，以上關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)的實施方式適用于傳統(tǒng)的線圈裝置。在那里設(shè)置的傳感器元件的尺寸在很大程度上是通過用于生產(chǎn)傳感器元件的各個已知方法預(yù)先規(guī)定的。迄今為止，人們尚未考慮在充分利用通過微型化給定的基本條件情況下進行優(yōu)化，尤其是未考慮與標(biāo)準(zhǔn)線圈相比優(yōu)化的、可重現(xiàn)的、由幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的傳感器性能。根據(jù)本發(fā)明認(rèn)識到，由陶瓷層構(gòu)成的傳感器元件特別適于“幾何”優(yōu)化，即通過顯著減小線寬度和增加每橫截面面積的匝數(shù)，其中每橫截面面積匝數(shù)的增加是由于線寬度的顯著減小才成為可能的。以根據(jù)本發(fā)明的方式實現(xiàn)了一層或多層的陶瓷線圈裝置，其具有專門為非接觸式的距離測量而優(yōu)化的線圈結(jié)構(gòu)，其中通過優(yōu)化達成了線圈品質(zhì)因數(shù)的增大、線圈繞組與測量對象的距離的減小以及繞組彼此之間電容耦合的減少。為了增大品質(zhì)因數(shù)而有利的是，減小線寬度并由此增加可能的匝數(shù)，以便增大每層的電感。為了使線圈電阻保持不變，必須增加線厚度。但是，這在許多情形中取決于工藝而不可能。在絲網(wǎng)印刷方法中，例如在線寬度減小的情況下，線厚度甚至?xí)p小，這是因為出于工藝技術(shù)的原因厚度必須顯著小于寬度。然而，為了在線厚度、線寬度和線間距保持不變的情況下達成較高的品質(zhì)因數(shù)，減小層間距是有利的。通過減小的層間距，增加了每單位橫截面面積的匝數(shù)。但是同時，電阻隨著較高的匝數(shù)而增大。然而，通過較高的匝數(shù)僅使品質(zhì)因數(shù)有條件地增大。這通過以下推導(dǎo)來說明如果將關(guān)于電感和電阻的公式
!/~Ioc-^-R=^rnN其中r :平均線圈半徑N :匝數(shù)
I :線圈長度P :比電阻A :繞組橫截面面積線寬度與線厚度的乘積在這里假定為常數(shù)。代入關(guān)于品質(zhì)因數(shù)的公式，Q = ^r
K則得到關(guān)于品質(zhì)因數(shù)的下式
ρ =常數(shù).色
I恒定的橫截面面積對應(yīng)于恒定的平均線圈半徑r和恒定的線圈長度I。在橫截面面積恒定的情況下通過層間距的減小造成的匝數(shù)N的增加因此對應(yīng)于直接成比例地增大品質(zhì)因數(shù)Q。根據(jù)這個關(guān)系得到專門針對微型化的線圈裝置、即具有減小的線圈半徑r的裝置的優(yōu)點。以上列舉的關(guān)于最小線寬度、線厚度和線間距的局限性尤其在線圈半徑減小的情況下起負面作用。如果要在線圈半徑r減小的情況下使品質(zhì)因數(shù)Q保持不變，則必須增加匝數(shù)N。這在層間距相同的情況下導(dǎo)致線圈長度I與匝數(shù)N成比例地增大。這又會導(dǎo)致品質(zhì)因Q與線圈半徑r的減小成比例的減小。同時減小層間距將抵消品質(zhì)因數(shù)Q的減小并且由此實現(xiàn)線圈元件的微型化。關(guān)于此參照圖2a和2b。圖2a示出每單位橫截面面積具有兩層的傳統(tǒng)線圈裝置。圖2b示出每單位橫截面面積具有四層的“經(jīng)壓縮”線圈裝置。實踐表明，微型化的具有小于60 μ m的層厚度的陶瓷線圈元件受益于先前提及的關(guān)系?？梢钥紤]的層厚度例如為50 μ m或25 μ m。通過減小的層厚度，還得到不僅適用于微型化線圈的其他優(yōu)點。經(jīng)優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)線圈元件的特征在于，在線圈半徑r不變的情況下減小了層間距。通過減小的層間距，還使得線圈與測量對象的距離變小，由此提高測量信號的靈敏度。通過減小層間距，線圈不僅更接近測量對象，而且線圈長度I也同樣變小。由此減小了與測量對象的平均線圈距離，這同樣對信號靈敏度起有利作用。通過將線圈元件用作傳感器外殼的一部分，還可以進一步減小與測量對象的距離。從線圈繞組的錯開布置得到用于在層間距減小的情況下改進傳感器元件的另一措施。這種線圈布置在機械穩(wěn)定性方面具有優(yōu)點。通過繞組在周圍載體材料中均勻的材料分布，在負載情形中進行較均勻的力和應(yīng)力分布，這例如在軸向傳力時導(dǎo)致較高的致斷負荷。此外，錯開的繞組布置導(dǎo)致線圈元件表面減小的波動性。這種波動性是由于工藝方面附加地應(yīng)用繞組材料而產(chǎn)生的。附加地引入的材料的高度在多個層上相加并呈現(xiàn)在傳感器元件的表面上。通過在各個層上使繞組的位置交替地錯開，可以在很大程度上減小這種波動性。由于通常需要平整的傳感器表面，因此該措施節(jié)省了諸如打磨之類的附加的表面處理。錯開的繞組布置的另一優(yōu)點在于減小繞組彼此之間的電容耦合。通過錯開兩個層的相鄰繞組，增大了這些繞組之間的有效距離。同樣減小了這些繞組之間的有效面積，由此總體上減少了裝置的電容，這對測量信號穩(wěn)定性起正面作用。


現(xiàn)在，存在以有利的方式設(shè)計和改進本發(fā)明的教導(dǎo)的不同可能性。為此，一方面可參照位于權(quán)利要求I之后的權(quán)利要求，并且另一方面可參照以下根據(jù)附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的說明。結(jié)合根據(jù)附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的說明，還總體上解釋了本發(fā)明教導(dǎo)的優(yōu)選設(shè)計方案和改進方案。在附圖中示出圖I在示意圖中以橫截面示出現(xiàn)有技術(shù)中已知的標(biāo)準(zhǔn)線圈的基本結(jié)構(gòu)，圖2a在示意圖中示出圖I的主題以與根據(jù)圖2b的根據(jù)本發(fā)明的線圈裝置作比·較，圖2b在示意圖中示出根據(jù)本發(fā)明的每單位橫截面面積具有四層的線圈裝置的實施例，圖3在示意圖中以橫截面示出與測量對象相對的根據(jù)本發(fā)明的線圈的實施例，以尤其定義平均線圈距離和與測量對象的距離，圖4在示意圖中以橫截面示出根據(jù)本發(fā)明的具有錯開的線圈繞組的線圈裝置的另一實施例，以及圖5在示意圖中以橫截面示出根據(jù)本發(fā)明的渦流傳感器的實施例，該渦流傳感器具有根據(jù)本發(fā)明的作為線圈外殼的組成部分的線圈裝置。
具體實施例方式圖I在示意圖中以橫截面示出標(biāo)準(zhǔn)線圈I。在圖I所示的實施例中，線圈包括兩層
2連同集成在那里的繞組3。線圈的繞組3由具有預(yù)定的線寬度5和線厚度6的線4定義。線4之間的距離稱為線間距7。這些層2的繞組3之間的距離稱為層間距8a。附圖標(biāo)記Sb表示各個層2的厚度，以下稱為層厚度8b。圖2a再次示出傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)線圈1，其與圖2b中所示的根據(jù)本發(fā)明的線圈裝置顯著不同，即區(qū)別在于，那里替代于兩個層2，每單位橫截面面積9設(shè)有四個層2。根據(jù)圖2b設(shè)置的四個層2與根據(jù)圖2a的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)線圈I中的兩個層2占據(jù)相同的空間。圖3在示意圖中以橫截面示出根據(jù)本發(fā)明的線圈裝置的總共包括八個層2的實施例，即由陶瓷層2構(gòu)成的線圈。在圖3中一方面示出平均線圈距離10并且另一方面示出與測量對象Ilb的距離11。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的由三個層2構(gòu)成的線圈裝置的另一實施例。繞組3彼此錯開，由此得到減小的層間距8。圖5在示意圖中示出以渦流傳感器作為示例的根據(jù)本發(fā)明的傳感器的實施例。傳感器元件包括由陶瓷襯底制成的具有集成的繞組3的十二個層2。此外，線圈裝置12由四個沒有繞組的層13支承，這些層13由厚度例如為50 μ m的陶瓷襯底構(gòu)成。由此使線圈裝置12穩(wěn)定。圖5還明確示出，線圈裝置12在測量側(cè)封閉外殼14。外殼14的緊密密封是通過使線圈裝置12經(jīng)由活性焊接與外殼14相連接的方式達成的。圖5中還表明，線圈裝置12的電觸頭伸入到外殼14中。在那里實現(xiàn)與總歸要提供的連接電纜16觸點接通，該連接電纜16通過常見的密封措施從外殼14引出。傳感器元件具體可由厚度為50 μ m的陶瓷襯底制成的具有12層的多層陶瓷構(gòu)成。為了增加穩(wěn)定性，這些層與厚度為100 μ m的四層常規(guī)陶瓷膜燒結(jié)在一起。印制導(dǎo)線的寬度為120 μ m，繞組之間的間距也同樣為120 μ m。匝數(shù)為140圈。傳感器元件通過活性焊接與傳感器的金屬外殼相連接。在外殼14中，連接導(dǎo)線與傳感器元件背面上的觸頭相連接。由于最上面的陶瓷層僅具有50 μ m的厚度，因而線圈能夠非?？拷鼫y量對象，由此相對于傳統(tǒng)的陶瓷傳感器元件而言增大了有效測量范圍。通過較小的層間距，具有經(jīng)優(yōu)化的品質(zhì)因數(shù)的傳感器具有非常小的結(jié)構(gòu)長度，這有利于微型化。為了避免重復(fù)，關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的傳感器的其他有利的設(shè)計方案可參照說明書的概述部分以及所附的權(quán)利要求書。最后應(yīng)當(dāng)明確指出，根據(jù)本發(fā)明的傳感器的上述實施例僅用于解釋要求保護的教導(dǎo)，但是該教導(dǎo)不限于這些實施例。附圖標(biāo)記列表I 標(biāo)準(zhǔn)線圈·2 層3 繞組4 線5 線寬度6 線厚度7 線間距8a 層間距8b 層厚度9 單位橫截面面積10 平均線圈距離Ila與測量對象的距離Ilb測量對象12 線圈裝置13 沒有繞組的層14 外殼15 電觸頭16 連接電纜
權(quán)利要求
1.一種傳感器，其具有一層或多層非接觸式工作的傳感器元件和包括電氣/電子連接端子以及可能的電子部件的外殼，其中所述傳感器元件包括線圈裝置，所述線圈裝置的每一層的繞組具有已定義的線寬度、線厚度和線間距并且所述線圈裝置的各個層具有已定義的層厚度和可能的層間距， 其特征在于，所述傳感器元件在多層陶瓷的意義下由陶瓷層構(gòu)成，并且與傳統(tǒng)的線圈裝置相比減小了所述線寬度和增加了每橫截面面積的匝數(shù)。
2.如權(quán)利要求I所述的傳感器，其特征在于，相對于傳統(tǒng)的線圈裝置而言增加了每層的匝數(shù)。
3.如權(quán)利要求I或2所述的傳感器，其特征在于，相對于傳統(tǒng)的線圈裝置而言增大了所述線厚度。
4.如權(quán)利要求I到3中任一項所述的傳感器，其特征在于，相對于傳統(tǒng)的多層線圈裝置而言減小了所述層間距。
5.如權(quán)利要求I到4中任一項所述的傳感器，其特征在于，相鄰層的線圈繞組是以彼此錯開的方式布置的。
6.如權(quán)利要求I到5中任一項所述的傳感器，其特征在于，實際的線圈裝置在背對測量側(cè)的側(cè)面上具有不含繞組的穩(wěn)定性基底，所述基底優(yōu)選由具有兩到四層的常規(guī)的經(jīng)燒結(jié)的陶瓷膜構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求I到6中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述線圈裝置以微型化的方式實施，并且具有小于60 μ m,例如50 μ m或25 μ m的層厚度。
8.如權(quán)利要求I到7中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器元件是所述外殼的一部分并且朝著測量側(cè)封閉和密封所述外殼。
9.如權(quán)利要求I到8中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器元件總體上，至少大部分，布置在所述外殼之外。
10.如權(quán)利要求I到9中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器元件構(gòu)成所述外殼的測量側(cè)處的、優(yōu)選平整的封閉件。
11.如權(quán)利要求I到10中任一項所述的傳感器，其特征在于，所述傳感器元件優(yōu)選通過活性焊接與所述外殼固定連接。
12.一種用于傳感器的具有權(quán)利要求I到11中任一項所述的特征的傳感器元件。
全文摘要
一種傳感器，其具有一層或多層非接觸式工作的傳感器元件和包括電氣/電子連接端子以及可能的電子部件的外殼，其中傳感器元件包括線圈裝置，該線圈裝置的每一層的繞組具有已定義的線寬度、線厚度和線間距并且該線圈裝置的各個層具有已定義的層厚度和可能的層間距，其特征在于，傳感器元件在多層陶瓷的意義下由陶瓷層構(gòu)成，并且與傳統(tǒng)的線圈裝置相比減小了線寬度和增加了每橫截面面積的匝數(shù)。
文檔編號G01B7/14GK102914252SQ201210275818
公開日2013年2月6日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者T·德林曼, T·舍普夫, T·維斯培特納 申請人:微-埃普西龍測量技術(shù)有限兩合公司