用于制造用于确定流体介质的至少一个压力的传感器组件的方法

摘要

本发明提出一种用于制造用于确定流体介质的至少一个压力的传感器组件(110)的方法。该方法包括以下步骤：a)提供传感器组件坯件(112)，其中，所述传感器组件坯件(112)包括至少一个压力接管(114)，其中，所述压力接管(114)还具有至少一个压力变形元件(116)，其中，所述压力变形元件(116)由至少一个适合感应的材料制成；b)在所述压力变形元件(116)的表面(130)上施加至少一个玻璃元件(132)；c)借助至少一个高温计(140)感测所述压力变形元件(116)的至少一个温度；d)借助至少一个感应器(146)在所述压力变形元件(116)中感应出电压，使得所述玻璃元件(132)熔化，并且在所述压力变形元件(116)上形成玻璃层(148)；e)将传感器元件(150)施加到玻璃层(148)上，使得在所述传感器元件(150)和所述玻璃层(148)之间形成材料锁合连接。

说明书

背景技术

由现有技术已知许多用于制造用于确定流体介质的至少一个压力的传感器组件的方法。在此，设备尤其可以涉及微机械的压力传感器，这种压力传感器例如由KonradReif(出版社)：机动车中的传感器，2012年第二版，第134-136页已知。

W02009/067449A1公开一种组合式液体压力和蒸气压力传感器组件，其包括本体和用于将本体与燃料泵模块法兰耦合的装配区段，所述燃料泵模块法兰限定燃料箱的内侧和外侧之间的边界面。液体压力传感器安放在本体的槽口中，以便感测燃料箱中的燃料的液体压力。蒸气压力传感器安放在本体的槽口中，以便感测燃料箱中的燃料蒸气的蒸气压力。电连接器与本体连接，以便为液体压力传感器和蒸气压力传感器提供功率。

到目前为止的压力传感器通常这样设计，使得针对确定的压力范围，例如针对0bar至100bar的压力范围实现优化的结果。此外，已知设计为用于测量不同压力范围的压力传感器，其方式是：在传感器壳体中安装有两个压力传感器并且将两个待测量的压力范围分开地导入至这两个压力传感器。

现今的压力传感器的进一步发展要求实现更大的测量范围。为了将传感器芯片和压力传感器的膜连接，可以使用所谓的“密封玻璃工艺”。在此，通常通过接触加热来实现加热。

尽管由现有技术已知的用于制造用于确定流体介质的至少一个压力的传感器组件的方法具有许多优点，但这些方法仍包含改进潜力。因此，由现有技术已知的方法通常具有长加温过程。这可能导致用于大规模使用的相应设备的不经济性。此外，为了实现传感器组件的稳定连接和可复制的特性曲线，通常需要玻璃层的限定的几何形状。

发明内容

因此，提出了一种用于制造用于确定流体介质的至少一个压力的传感器组件的方法以及用于确定流体介质的至少一个压力的传感器组件，该传感器组件可以至少部分地克服已知的方法和设备的缺点。

在本发明的第一方面中，提出一种用于制造用于确定流体介质的至少一个压力的传感器组件的方法。根据本发明的方法可以包括将在下面所说明的方法步骤。这些方法步骤优选能够按预给定的顺序执行。在此，一个或甚至多个方法步骤可以同时或在时间上重叠地执行。此外，一个、多个或所有方法步骤可以一次性地或重复地执行。此外，所述方法还可以包括另外的方法步骤。

该方法包括以下步骤：

a)提供传感器组件坯件，其中，传感器组件坯件包括至少一个压力接管，其中，压力接管还具有至少一个压力变形元件，其中，压力变形元件由至少一个适合感应的材料制成。

b)将至少一个玻璃元件施加到压力变形元件的表面上；

c)借助至少一个高温计感测压力变形元件的至少一个温度；

d)借助至少一个感应器在压力变形元件中感应出电压，使得玻璃元件熔化，并且在压力变形元件上形成玻璃层；

e)将传感器元件施加到玻璃层上，使得在传感器元件和玻璃层之间形成材料锁合连接。

该方法可以进一步包括将压力接管引入到可冷却的接收设备中和借助可冷却的接收设备来冷却压力接管。

“传感器组件”在本发明的范畴内原则上可以理解为能够确定压力并且能够产生例如至少一个相当于该压力的测量信号，例如电测量信号如电压或电流的任意设备。

尤其，传感器组件可以设置为用于确定、尤其用于测量流体介质的处于压力范围内的压力p。例如，该压力范围可以是0≤p≤5000bar的范围，优选是0≤p≤3500bar的范围。尤其，传感器组件可以设置为用于在所提及的压力范围内借助测量结果与实际存在压力的最大允许偏差来确定压力p。在此，最大允许偏差可以例如以实际存在压力的％(百分比)，例如流体介质的额定压力的百分比给出。

尤其，传感器组件可以设置为用于在机动车中使用。例如，传感器组件可以设置为用于在机动车，例如电动车的驱动系和/或变速器和/或热管理系统中使用。然而，原则上，传感器组件的其它构型和应用领域也是可能的。

术语“坯件”原则上是指对于进一步处理所确定的任意对象。因此，坯件可以具有一个或多个部件。这些部件可以在进一步处理期间与另外的部件连接。替代地和/或附加地，坯件的一个或多个部件可以在进一步处理期间被改变，例如改型。原则上也可以考虑其它过程。

“压力接管”在本发明的范畴内原则上可以理解为一个元件，该元件具有至少两个端部，这两个端部通过空腔，例如管相互连接，并且该元件设置为用于借助流体、尤其通过液体和/或气体，优选借助流体介质将压力从压力接管的第一端部引导到压力接管的至少一个第二端部上。尤其，压力接管在此可以设置为用于具有形状稳定性，也就是说，即使在由于流体的压力而受负载的情况下也保持其几何形状。尤其，压力接管可以包括一种材料，该材料具有比由流体介质所施加的或能够施加的压力更高的强度。尤其，压力接管也可以由任意其它形状稳定的材料制成。

压力接管可以具有长形的基本形状。压力接管可以包括至少一个孔，该孔沿着压力接管的纵轴线延伸。术语“孔”原则上是指槽口，尤其是圆形的槽口，或开口，该槽口或开口借助回转工具制成。所述孔尤其可以是柱形孔。原则上，该孔可以构成对于流体介质而言可进入的内部空间。此外，压力接管的外周面可以具有螺纹，用于将压力接管紧固在另一元件上。

此外，该压力接管可以具有至少一个第一端部和至少一个第二端部。术语“第一端部”和“第二端部”应视为纯说明，而不给定任何顺序或优先次序，并且例如不排除可以设置多种类型的或恰好同一类型的第一端部和/或第二端部的可能性。此外，可以设置附加的端部，例如一个或多个第三端部。尤其，第一端部和第二端部可以分别包括压力接管的端侧。尤其，压力变形元件可以安装在压力接管的第二端部上。

原则上，“压力变形元件”可以在本发明的范畴内理解为一种构件，该构件设置为用于在外力、尤其外部压力的作用下改变该构件的形状或构型。因此，可能发生构件的变形。该变形尤其可以是可逆的变形。该变形尤其可以以纵长变化或者说伸长的形式出现。因此，压力变形元件可以设置为用于接收流体介质的压力。因此，压力变形元件可以称为压力接收器。尤其，压力接收器可以具有至少一个、优选多个测量表面。

压力变形元件可以包括至少一个膜或者构造为膜。“膜”在本发明的范畴内原则上可以理解为任意的薄分离层，该分离层构成双向张紧的面。例如，膜可以这样布置，使得该膜由于流体介质的压力而弹性变形，即具有可逆的形状变化。尤其，膜的变形程度可以取决于流体介质的压力。例如，膜的形状变化可以与流体介质的压力相关联。

如上面已经实施的那样，压力变形元件由至少一个适合感应的材料制成。“适合感应的材料”在本发明的范畴内原则上可以理解为在磁通密度变化时产生电场的任意材料。因此，适合感应的材料也可以称为适合电磁感应的材料。适合感应的材料尤其可以包括至少一个可磁化的钢。原则上也可以考虑其它材料。压力变形元件和压力接管尤其可以一体地构造。

术语“接收设备”在本发明的范畴内原则上是指设置为用于接收任意对象的任意设备，其尤其这样接收，使得所述对象至少部分地被该设备包围。因此，接收设备尤其可以具有在接收设备的内部空间中的槽口。此外，接收设备可以具有至少很大程度上平坦的表面，以便对象可以承放在该表面上。

术语“可冷却的接收设备”尤其是指一种接收设备，该接收设备这样构型，使得接收设备的温度、尤其接收设备的内部空间的温度和/或被接收在接收设备中的对象的温度可以降低。因此，接收设备可以包括冷却设备或与冷却设备可操作地连接。尤其，压力接管可以借助可冷却的接收设备冷却到10℃至25℃的温度。

通过可冷却的接收设备实现压力接管中的稳定的温度分布。因此，可以简化调节。此外，可以避免或至少降低到传感器组件坯件的其它区域中的热传导，并且也可以避免或至少减小由此引起的偏差。

可冷却的接收设备可以这样构型，使得压力接管的第一端部承放在可冷却的接收设备的表面上。尤其，可冷却的接收设备可以具有贯通开口，尤其通孔、尤其是压力孔。通孔可以这样构造，使得该通孔从可冷却的接收设备的外部周围环境延伸至可冷却的接收设备的表面。因此，可以借助下面还进一步详细说明的高温计通过通孔对膜进行温度感测。此外，可冷却的接收设备可以这样构型，使得压力接管的长度的至少5％、优选至少10％、特别优选至少20％被可冷却的接收设备包围。术语“冷却”原则上是指使任意对象的温度降低的任意过程。

术语“高温计”原则上是指任意辐射温度计，该辐射温度计设置为用于非触碰的温度感测。该辐射温度计例如是比例高温计或总辐射高温计。尤其，高温计可以具有附加光学器件(Vorsatzoptik)。高温计可以设置为用于通过可冷却的接收设备的孔来感测压力变形元件、尤其膜的温度。因此，高温计可以布置在压力接管的第一端部下方。尤其，孔的深度可以大于孔的直径的三倍。由此可以得到接近于理想的黑体辐射体，使得尤其在没有另外措施的情况下可以直接在压力接管的金属表面上感测膜的温度。由此可以简化传感器元件的施加，尤其能够无阻碍地施加。

玻璃元件尤其可以具有柱形的基本形状。尤其，玻璃元件可以具有0.5mm至3mm的直径。此外，玻璃元件可以具有5μm至100μm的厚度。尤其，玻璃元件可以具有300℃至550℃的融化温度。玻璃元件可以由选自以下组的至少一种材料构成：具有给定的熔化温度的含铅或无铅的玻璃。

如上面所实施的那样，玻璃元件被施加在压力变形元件的表面上。这例如可以通过将玻璃膏挤到压力变形元件的表面上实现。

术语“感应器”原则上是指电流从感应器具流到工件中的任意传导体。例如，感应器可以构造为扁平线圈、线圈、或单个绕组。尤其，感应器可以与高频发生器可操作地连接。此外，高频发生器可以借助PID调节器与高温计可操作地连接。高频发生器可以设置为用于向感应器供给电压。感应器可以具有环形的基本形状。因此，感应器可以具有空腔。在空腔中可以布置有压力接管、尤其压力接管的第二端部。尤其，膜可以布置在压力接管的空腔中。感应器尤其可以围绕着膜布置。感应器可以相对于膜以0.1mm至5mm的间距布置。通过感应器在膜中感应出电压，该电压导致膜由于形成的涡流被加热。由此，可以产生特别小的加热区。除了快速且有效的加热外，还得到非常短的调节路径。

压力变形元件、尤其膜的加热可以包括加热阶段、保持阶段和冷却阶段。加热阶段、保持阶段以及冷却阶段可以在曲线形状和时间方面参数化。以这种方式原则上得到使该方法适配于玻璃元件的单独特性的可能性。通过紧靠着玻璃元件或玻璃层进行温度感测，可以在保持阶段中得到稳定的加温，由此有利于成功地使用传感器元件。

加热阶段尤其可以包括温度的与时间有关的线性升高。尤其，加热阶段可以在0.5s至20s的时间段内进行，优选从1s至10s的时间段。尤其，保持阶段可以在2s至50s的时间段内进行，优选从5s至30s的时间段。在保持阶段期间，温度可以与时间有关地至少基本上恒定。膜可以被加热到200℃至900℃、尤其300℃至600℃的温度。因此，在保持阶段期间，温度可以与时间有关地为200℃至900℃、尤其300℃至600℃。冷却阶段尤其可以包括温度与时间有关的指数下降。

“传感器元件”在本发明的范畴内原则上可以理解为具有至少一个传感器功能的任意元件。传感元件尤其可以一体地构型并且例如可以构型为半导体芯片或陶瓷芯片。因此，传感器元件也可以称为传感器芯片。

“形状锁合连接”在本发明的范畴内原则上可以理解为至少两个元件的任意连接，其中，由于至少两个元件的几何形状，两个元件相对彼此的相对运动在至少一个方向上被阻碍。例如，两个彼此嵌合的元件、尤其具有对应的构型或形状的两个元件可以具有相对彼此的形状锁合连接。

“表面型廓”原则上可以理解为借助至少一个图案和/或借助至少一个结构对表面的任意造型。该图案可以有规律或不规律地构型。因此，在横截面视图中，表面可以具有相应地构型的凸起部和凹陷部。因此，表面型廓也可以称为表面结构化部或表面结构。尤其，可以借助至少一个方法，例如借助基于激光技术的方法来制造表面型廓。

术语“产生至少一个表面型廓”可以包括至少一个方法步骤，在所述方法步骤中，将表面型廓引入到膜的表面中。表面型廓尤其可以被引入到该表面中，其方式是：借助激光方法引入凹陷部和凸起部。因此，表面型廓的产生可以称为表面预处理。

表面型廓可以在膜的至少一个表面上产生。该表面尤其可以是自由表面。“自由表面”原则上应理解为元件的任意表面，该表面邻接于元件的外部环境。因此，自由表面也可以称为边界面。因此，该自由表面可以是经加工的表面。

例如，表面型廓可以是微米型廓和/或纳米型廓。术语“微米型廓”或“纳米型廓”原则上应理解为任意表面型廓，在该表面型廓中，表面的凸起部和/或凹陷部具有在1微米或几微米范围内的尺寸，即在1μm至1000μm的范围内，优选在2μm至20μm的范围内或在几纳米的范围内，尤其在10nm至1000nm的范围内。这些尺寸尤其可以是凸起部和/或凹陷部的高度、宽度和/或深度。

表面型廓可以至少部分地是基本上周期性的表面型廓。术语“周期性的表面型廓”在本发明的范畴内原则上应理解为在自由表面上规律地出现并且周期性地，即重复地以反复的顺序出现的任意自由表面的型廓、尤其结构化部。

尤其，如上面已经所实施的那样，表面型廓可以包括重复地以反复的顺序在自由表面上出现的凸起部和凹陷部的布置。凸起部和凹陷部的布置可以形成一个单元并且在所述自由表面上可以布置有多个这种单元。术语“基本上”在上下文中应理解为在凸起部和凹陷部之间可能间隔开地出现不规则性。例如，第一凸起部和第一凹陷部之间的间距可以具有比对表面型廓的凸起部和凹陷部之间的多个间距，例如至少10个间距、优选至少50个间距求平均的平均尺寸大0.01％至0.5％或小0.01％至0.5％的尺寸。此外，图案的凸起部和/或凹陷部的形状可以具有偏差。例如，凸起部和/或凹陷部的高度和/或宽度可以具有比对多个高度或宽度、尤其至少10个高度或宽度、优选至少50个高度或宽度求平均的平均尺寸大0.01％至0.5％或小0.01％至0.5％的尺寸。

表面型廓尤其可以具有多个元件。这些元件可以构型为在自由表面上的凸起部。所述元件尤其可以是隔开的元件，这些元件与相邻元件具有间距。这些元件可以构型为相对彼此无触碰。替代地，这些元件可以至少部分地触碰。这些元件可以从膜的自由表面延伸，尤其，这些元件可以横向于、优选垂直于膜的自由表面延伸。

尤其，这些元件可以具有选自以下组的至少一个形状：立柱形；柱形；锥形、尤其是截锥形；四面体形、尤其是金字塔形；棱柱形、尤其是长方体形、尤其立方体形。立柱形尤其可以具有选自以下组的基本形状：圆形的基本形状、方形的基本形状、长方形的基本形状、六角形的基本形状。在原则上也可以考虑其它形状。这些元件具有选自以下组的至少一个尺寸：长度、宽度、直径、高度可以为10nm至800nm、优选50nm至700nm。

因此，表面型廓可以具有选自以下组的至少一个结构：立柱结构；锥体结构、尤其截锥形结构；金字塔形结构；立方体结构；条纹结构；层状结构；山形结构；圆形结构；晶格结构；波浪形结构；槽纹形结构。

此外，这些元件可以在表面上以至少一个间距相对彼此布置。例如，该间距可以是10nm至800nm、优选50nm至700nm、特别优选100nm至500nm。替代地，间距可以是1μm至100μm、优选2μm至20μm。术语“间距”在本发明的范畴内原则上应理解为两个或多个元件之间的空间距离。尤其，间距可以是这些元件的两个对称轴之间的距离，其中，对称轴垂直于固体电解质的表面延伸。此外，这些元件可以布置在固体电解质的自由表面上，使得在这些元件之间形成中间空间。术语“中间空间”原则上是至少两个元件之间的任意自由空间或任意自由体积。尤其，自由表面上的元件可以构型为凸起部，并且在这些凸起部之间可以形成中间空间。

在本发明的另一方面中，提出一种用于确定流体介质的至少一个压力的传感器组件，所述传感器组件按照已说明的或下面还将说明的方法来制造。

与已知方法相比，所提出的方法具有许多优点。根据本发明的方法原则上可以用于大批量经济地实施玻璃化的传感器元件。与传统的接触加热方法相比，可以明显更好地考虑如短节拍时间和减少实现成本以及高能效的要求。

尤其，作为对于传统方法的替代方案，提出借助高温计式温度感测的感应式加热方法。根据本发明的方法原则上可以代替所谓的“密封玻璃工艺”中的传统接触加热系统。实现了对金属表面、尤其裸露的金属表面以高温计方式进行温度感测，实现了非常小的区域的加温以及构件中的温度分布的稳定，用于实现可重复性。

可以减小加热时间。由此，省去对多个设备的并行化，由此，又引起对系列生产的适用性。此外，可以缩短调节路径，由此可以实现更精确的温度调节以及加热和冷却曲线的预给定。此外，可以实现更高的效率和更小的加热区，由此原则上引起更小的能量需求。

通过引入表面型廓可以实现玻璃的限定的几何形状，尤其在大批量制造压力传感器时。可以明显更好地考虑如更少的节拍时间以及更低的成本以及调整玻璃的临界高度的可能性的要求。

在熔化工艺中，可以通过原料布置和表面润湿特性来控制所产生的玻璃层的几何形状。润湿特性又直接受表面结构影响，该表面结构可以有利地通过激光工艺或喷砂工艺来制造。玻璃的流动特性原则上取决于结构化部。因此，玻璃从确定的表面收缩，而玻璃更强烈地润湿其它表面。

因此，在膜上熔化的玻璃的限定的几何形状原则上能成本更低地制造，因为不需要附加的节拍时间或对供应商的要求。玻璃层的高度可以通过将玻璃收缩到更小面积或更强烈的融合受影响。原则上，这能够实现用于施加玻璃的更经济的工艺，因为不必直接达到目标高度(例如，一次性挤玻璃膏取代带有中间干燥的多次挤玻璃膏)。此外，能够灵活地调整几何形状并且能够更简单地实施清洁工艺以及挤玻璃膏。

附图说明

由下面优选实施例的说明得出本发明的另外的可选细节和特征，所述优选实施例在附图中示意性地示出。

附图示出了：

图1根据本发明的用于制造传感器组件的方法的示例性实施例的原理简图；

图2根据本发明的用于制造传感器组件的示例性温度变化曲线；和

图3A-3I表面型廓对根据本发明的用于制造传感器组件的方法的影响的示意图。

具体实施方式

图1示出根据本发明的用于制造传感器组件110的方法的示例性实施例的原理简图。在第一步骤中，提供传感器组件坯件112。传感器组件坯件包括压力接管114以及压力变形元件116。压力变形元件116尤其可以构造为膜118。压力接管114可以具有第一端部120以及第二端部122。压力变形元件116可以位于第二端部122上。尤其，压力变形元件116以及压力接管114可以一体地构造。此外，压力接管可以具有至少一个孔124。孔124可以沿着压力接管114的纵轴线126延伸，尤其从第一端部120延伸到压力接管114的内部中。此外，压力接管可以包括螺纹128。螺纹128可以设置为用于将压力接管114紧固到(未示出的)另一元件上。在压力变形元件116的表面130上可以安装有玻璃元件132，例如通过粘接。接下来，压力接管114可以被引入到可冷却的接收设备134中。尤其，压力接管的第一端部120可以承放在可冷却的接收设备134的表面138上。压力接管114可以借助可冷却的接收设备134来冷却。压力变形元件116的温度可以借助高温计140来感测。高温计140可以布置在端侧142下方，尤其在压力接管114的第一端部120下方。可冷却的接收设备134可以具有贯通开口144。因此，压力变形元件116的温度可以由高温计140通过孔124以及通过贯通开口144来感测。借助感应器146能够在压力变形元件116中感应出电压。感应器146能够可操作地与高频发生器连接。该电压可以导致压力变形元件116或玻璃元件132的加热，尤其通过产生的涡流。感应器146可以构造为环形、尤其圆环形并且与压力变形元件116间隔开地布置。玻璃元件132可以熔化并且在压力变形元件116上可以形成玻璃层148。在玻璃层148上可以施加传感器元件150。传感器元件150和玻璃层148之间可以形成材料锁合连接。

图2示出根据本发明的用于制造传感器组件110的方法的示例性温度变化曲线。温度T与时间t有关地示出。根据本发明的方法的特征在于加热阶段I、保持阶段II和冷却阶段III。除额定温度(20℃至800℃)外，加热阶段、保持阶段和冷却阶段原则上都可以在曲线形状和时间方面调节技术上参数化。以这种方式可以使制造方法优化地适配于玻璃元件的单独的要求。通过在玻璃元件附近进行温度感测原则上得到保持阶段中的稳定的加温，该加温对于成功地施加传感器元件是必要的。

图3A至3I示出表面型廓对根据本发明的用于制造传感器组件110的方法的影响的示意图。在所有附图中，压力变形元件116、玻璃元件132或玻璃层148分别在俯视图(左图)中以及在侧视图(右图)中示出。

在表面预处理期间，可以在压力变形元件116的表面130上施加、尤其借助激光施加不同的表面型廓152。与玻璃元件132的几何形状一起，可以借助限定的温度梯度产生玻璃层148的不同几何形状和高度。玻璃层148的确定的几何形状最终影响特性曲线参数和这些特性曲线参数在传感器组件110中的可重复性。此外，现在原则上能够实现玻璃层148的仅通过施加玻璃元件132不能实现的玻璃厚度。

图3A示出压力变形元件116的未经处理的表面130。例如，圆环形结构例如由预先工艺如尤其车削工艺得到。在图3B中示出玻璃元件132的施加。在图3C中示出玻璃元件132的熔化，使得在表面130上形成玻璃层148。玻璃层148具有比玻璃元件132(厚度D)更大的厚度d，因为玻璃基于结构而收缩。

图3D示出表面预处理，在该表面预处理中，表面型廓152被施加到压力变形元件116的表面130上。表面型廓152相当于网格状结构。在图3E中示出玻璃元件132的施加。在图3F中示出玻璃元件132的熔化，使得在表面130上形成玻璃层148。玻璃层148具有比玻璃元件132(厚度D)更小的厚度d，因为玻璃与该表面结构更好地附接。

图3G示出部分表面预处理作为之前示出的变型的组合，在所述变型中，受限的表面型廓158被施加在压力变形元件116的表面130的中心。受限的表面型廓158相当于网格状结构以及来自预先工艺的结构的组合。在图3H中示出玻璃元件132的施加。在图3I中示出玻璃元件132的熔化，使得在表面130上形成玻璃层148。由于未经处理的表面回缩，玻璃层148具有比玻璃元件132(厚度D)更大的厚度d。此外，可以看出，图3L中的玻璃层148在俯视图中可以通过所施加的结构化部被引导并且现在例如具有方形的基本形状，而图3C中的玻璃层148本身倾向于形成圆的基本形状。