传感器和传感器元件制造技术

一种传感器，其具有一层或多层非接触式工作的传感器元件和包括电气/电子连接端子以及可能的电子部件的外壳，其中传感器元件包括线圈装置，该线圈装置的每一层的绕组具有已定义的线宽度、线厚度和线间距并且该线圈装置的各个层具有已定义的层厚度和可能的层间距，其特征在于，传感器元件在多层陶瓷的意义下由陶瓷层构成，并且与传统的线圈装置相比减小了线宽度和增加了每横截面面积的匝数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种传感器，其具有一层或多层非接触式工作的传感器元件和包括电气/电子连接端子以及可能的电子部件的外壳，其中传感器元件包括线圈装置，该线圈装置的每一层的绕组具有已定义的线宽度、线厚度和线间距并且该线圈装置的层具有已定义的层厚度和可能的已定义的层间距。此外，本专利技术涉及一种相应的供在根据本专利技术的传感器中使用的传感器元件。
技术介绍
为了进行距离测量和位置监视，往往使用电感式传感器或涡流传感器。这两种传感器类型的重要组成部分是用交流电压来馈电的线圈。在传统的传感器中，线圈通常包括由隔离的铜线制成的众多绕组，这些绕组借助背漆或其他浇铸技术彼此固定连接并且视传 感器类型而与铁芯或不与铁芯一起集成在外壳中。在外壳中或者与外壳分开地设置有包含振荡器和解调器的电子装置。在此，线圈是振荡回路的一部分，该振荡回路是振荡器的组成部分或者由振荡器馈电。在此重要的是振荡回路的高品质因数，以便确保传感器较高的测量灵敏度。高测量灵敏度是在较大测量范围的情况下同时达成小干扰敏感度的先决条件。很久以来，在印刷电路板技术中将线圈实施为扁平线圈的传感器是已知的。相对于缠绕线圈，印刷电路板技术具有以下优点生产成本较低并且线圈是电子印刷电路板的一部分。最近，扁平线圈技术扩展到陶瓷衬底上。在此，线圈以导电的印制导线层的形式安装在陶瓷衬底上。多个衬底彼此相叠地堆叠，其中利用通孔敷镀来产生这些层之间的电连接。这些层在高温下通过烧结工艺彼此连接并且在烧结后形成紧凑的单元。传感器测量范围的增大是通过减小传感器与测量对象之间的基本距离的方式达成的。这可以通过如下方式达成将线圈元件构造为外壳的一部分。基本距离的减小是通过缺少常规传感器中常见的罩子或者全金属实施的方式达成的。借助线圈元件与外壳之间紧密的金属陶瓷连接，附加地得到对传感器内部空间进行可能的密封的优点。除了陶瓷线圈的上述优点之外，还存在技术限制。尤其是在用于小测量范围的小线圈直径的情况下，常规地缠绕的线圈例如具有显著更高的品质因数，即在较小电阻的情况下得到较大的电感。对于振荡电路的品质因数成立的是Q = ^其中Q :线圈品质因数L:电感ω :回路频率ω=2 Ji ff:线圈电流的频率R :线圈电阻然而，仅仅增大电感并不能达成目的，因为当电感过大时电容效应会降低测量灵敏度或者还使传感器的时间常数(并且由此使时间分辨率)变得过大。因此，必须在给定测量频率的情况下选择最优的电感和欧姆电阻，由此能够得到尽可能大的品质因数。在传统的缠绕线圈中，导电的铜线与位于这些铜线之间的绝缘组件(导线绝缘层和空气或浇铸物质)的体积比非常大。在进行优化时，可以影响导线横截面、线圈的长度和直径以及匝数。因此，可以在广阔的区域中几乎独立地匹配电感和欧姆电阻。这将导致与陶瓷线圈相比较高的灵敏度。在那里，导电层与绝缘陶瓷衬底之间的比例是不利的。此外，陶瓷衬底仅在一定的厚度下可用。例如通过厚膜印刷工艺来安装导电层也仅允许印制导线宽度与印制导线厚度之间一定的比例。因此，例如在厚膜印刷时，视所使用的膏体系统，印制导线的宽度必须显著大于厚度。线圈设计时的另一影响量是绕组彼此之间的电容耦合。在陶瓷衬底中的线圈系统 中，电容耦合一般大于缠绕线圈中的电容耦合，因为尽管经印制的印制导线彼此之间的间距较大，但是印制导线之间的有效面积较大并且达ε 8的陶瓷介电常数附加地增大电容。一种相对于丝网印刷方法在线厚度大的情况下达成尽可能小的层间距的已知技术是压印。通过压模在各个绕组的位置处使陶瓷衬底的各个层变形。在压印之后必须装上导电绕组，这可以例如通过诸如杜邦公司的FODEL 技术之类的光化学工艺或者用合适的印刷方法(例如，通过丝网印刷)进行。为了能够工艺上可靠地实现尽可能小的结构大小，必须非常精确地制造相应的压印工具。在不同的层几何形状的情况下，需要单独的压印工具。这两个先决条件使得压印非常耗时和昂贵。在压印时不进行材料蚀刻，更确切地说使各个层变形。与此相联系的材料挤出导致材料中不同的密度分布，这些密度分布可能在后续处理时带来问题。因此，例如在烧结陶瓷时在材料中产生应力。诸如FODEL之类的光化学工艺需要众多彼此之间良好地协调的大量工艺步骤。通常，光化学工艺包括以下工艺步骤利用感光胶的印刷一曝光一显影一冲洗与标准工艺相比附加地需要的工艺步骤以及工具和耗材是高成本和昂贵的。此夕卜，可能在光敏层的边缘处出现粘接。这特别是在小的结构参量的情况下是重要的，因为由此可能在绕组之间产生短路。压印层的印刷特别是在相对较小的线间距和线宽度的情况下是困难的，因为感光胶的定位在压印时必须精确地进行。在定位不准确时，在绕组边缘处产生粘接，这些粘接可能在烧结后导致短路。通过借助压印技术来优化线圈结构，以相对较高的成本和时间耗费仅能达成传感器特性的有条件改善。此外，通过较大数目且通常还较昂贵的工艺步骤，降低了工艺可靠性以及可重现性。用于生产的另一可能性在于，直接在绕组的位置处蚀刻材料。这可以例如借助激光进行。然而，激光处理是相对耗时的。这使得该方法本身是高成本和昂贵的。在激光处理时直接蚀刻材料，从而得不到材料压缩。在此，截面表面是非常粗糙的。高粗糙性在稍后用胶进行填充时产生问题。因此，可能例如不产生空气夹杂物，这些空气夹杂物在较高的烧结温度下因压力膨胀而在材料中造成应力。此外，粗糙性会放大导电层的表面。由于根据测量原理需要较高的频率，因而电流由于集肤效应而经过线圈大部分流到表面上，由此最终使电阻增大。如果由于边界面处的粗糙性而在导电胶与绝缘陶瓷之间出现材料混合，则电阻也同样上升。这些效应会对传感器的电数据起负面作用。很久以来，上述类型的、尤其由多层陶瓷构成的传感器是已知的。仅示例性地，关于此可以参阅 DE 10 2008 016 829 Al 和 DE 103 14 875 Al。
技术实现思路
现在，本专利技术的任务在于，设计和改进开头部分所述类型的传感器和相应的传感器元件，以使得在大测量范围的情况下实现足够高的测量灵敏度。该传感器和传感器元件的特征将在于，在尽可能好的电感情况下实现尽可能高的品质因数。以上任务是通过关于传感器的权利要求I的特征和随后的关于传感器元件的并列权利要求12的特征来解决的。根据本专利技术的传感器和根据本专利技术的传感器元件的特征 在于，传感器元件在多层陶瓷的意义下由陶瓷层构成，并且与传统的线圈装置相比减小了线宽度和增加了每横截面面积的匝数。在此处应当注意，以上关于现有技术的实施方式适用于传统的线圈装置。在那里设置的传感器元件的尺寸在很大程度上是通过用于生产传感器元件的各个已知方法预先规定的。迄今为止，人们尚未考虑在充分利用通过微型化给定的基本条件情况下进行优化，尤其是未考虑与标准线圈相比优化的、可重现的、由几何结构导致的传感器性能。根据本专利技术认识到，由陶瓷层构成的传感器元件特别适于“几何”优化，即通过显著减小线宽度和增加每横截面面积的匝数，其中每横截面面积匝数的增加是由于线宽度的显著减小才成为可能的。以根据本专利技术的方式实现了一层或多层的陶瓷线圈装置，其具有专门为非接触式的距离测量而优化的线圈结构，其中通过优化达成了线圈品质因数的增大、线圈绕组与测量对象的距离的减小以及绕组彼此之间电容耦合的减少。为了增大品质因数而有利的是，减小线宽度并由此增加可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器，其具有一层或多层非接触式工作的传感器元件和包括电气/电子连接端子以及可能的电子部件的外壳，其中所述传感器元件包括线圈装置，所述线圈装置的每一层的绕组具有已定义的线宽度、线厚度和线间距并且所述线圈装置的各个层具有已定义的层厚度和可能的层间距，其特征在于，所述传感器元件在多层陶瓷的意义下由陶瓷层构成，并且与传统的线圈装置相比减小了所述线宽度和增加了每横截面面积的匝数。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：T·德林曼，T·舍普夫，T·维斯培特纳，
申请(专利权)人：微埃普西龙测量技术有限两合公司，
类型：发明
国别省市：