用于確定可旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速的傳感器設(shè)備以及具有該傳感器設(shè)備的渦輪增壓器的制造方法
【專利說(shuō)明】用于確定可旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速的傳感器設(shè)備以及具有該傳感器設(shè)備的渦輪增壓器
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年8月29日提交的瑞士專利申請(qǐng)N0.1471/13的優(yōu)先權(quán)，其通過(guò)整體引用合并與此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的序言部分，本發(fā)明涉及用于確定可旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速的傳感器設(shè)備，以及涉及具有這樣的傳感器設(shè)備的渦輪增壓器?？尚D(zhuǎn)物體可以是例如比如用在汽車(chē)中的渦輪增壓器的壓縮機(jī)葉輪，但不應(yīng)被限于此。
[0004]發(fā)明背景
[0005]渦輪增壓器將汽車(chē)引擎的廢氣中的廢棄能量轉(zhuǎn)換成壓縮空氣，壓縮空氣隨后被推送回到汽車(chē)引擎中。這導(dǎo)致引擎燃燒更多燃料并因此產(chǎn)生更多動(dòng)力，同時(shí)更少的能量被消耗，由此提高了燃燒過(guò)程的總效率。渦輪增壓器通常包括渦輪機(jī)葉輪以及壓縮機(jī)葉輪，兩者通過(guò)軸承系統(tǒng)上所支撐的公共軸連接。渦輪機(jī)葉輪被廢氣驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)葉輪，壓縮機(jī)葉輪抽進(jìn)并壓縮環(huán)境空氣，環(huán)境空氣隨后被饋送到引擎的氣缸中。通過(guò)渦輪增壓，較小引擎的性能水平被提升到不采用渦輪增壓的較大引擎的性能水平，且具有較少的燃料消耗和排放。因此，渦輪增壓被越來(lái)越多地被乘用型、商務(wù)型、越野型和運(yùn)動(dòng)型車(chē)輛中的柴油和汽油引擎所采用。
[0006]確定渦輪增壓器的壓縮機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速對(duì)于優(yōu)化其效率以及確定渦輪增壓器和引擎停留在它們各自的安全工作范圍內(nèi)而言是重要的。如今的渦輪增壓器需要在越來(lái)越高的廢氣溫度和壓縮機(jī)進(jìn)氣口溫度的情況下可靠地并且持續(xù)地工作。與其柴油版相比，現(xiàn)代的汽油渦輪增壓器不得不在高得多的發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度環(huán)境下工作，其中壓縮機(jī)葉輪處的溫度在200°C附近或更高?，F(xiàn)代渦輪增壓器壓縮機(jī)葉輪通常由堅(jiān)固、輕質(zhì)的導(dǎo)電材料(諸如鋁、鈦或鎂)所構(gòu)造，這類材料能夠承受高壓。這類壓縮機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)速可優(yōu)選地通過(guò)活躍渦電流原理來(lái)測(cè)量，其中振蕩系統(tǒng)和感測(cè)線圈生成的磁場(chǎng)被用于當(dāng)壓縮機(jī)葉片經(jīng)過(guò)傳感器尖端前的磁場(chǎng)時(shí)檢測(cè)它們，。
[0007]被普遍用于汽車(chē)應(yīng)用場(chǎng)合中的電子電路、組件和互聯(lián)通常不能夠承受持續(xù)地暴露于高于150°C的溫度。因此，渦輪增壓器速度傳感器常常通過(guò)經(jīng)由連接到傳感器電子元器件的線纜將傳感器頭/傳感器尖端與位置靠近壓縮機(jī)葉輪的感測(cè)元件連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳感器電子元器件位于與渦輪增壓器隔開(kāi)一距離的在引擎艙內(nèi)的較涼爽環(huán)境中的分開(kāi)的外殼中。
[0008]然而，感測(cè)元件和傳感器電子元器件的分開(kāi)可導(dǎo)致與來(lái)自用在汽車(chē)內(nèi)的其它電子設(shè)備的干擾有關(guān)的更高的易損性、更大的空間要求、更高的不穩(wěn)定性、更低的總效率、降低的信號(hào)質(zhì)量、以及更高的制造成本。另外，封裝、罩殼、以及密封被重復(fù)，一次針對(duì)感測(cè)元件，而另一次針對(duì)傳感器電子元器件。即，制造復(fù)雜性被提高了。
[0009]傳感器電子元器件常常被放置在外殼區(qū)段的相同部分中，該部分被用于將速度傳感器連接到汽車(chē)和/或引擎控制單元的車(chē)載電子網(wǎng)絡(luò)，然而這可能對(duì)于信號(hào)質(zhì)量存在很強(qiáng)的負(fù)面影響。另外，取決于具體應(yīng)用，分開(kāi)放置的傳感器電子元器件可能越來(lái)越多地承受震動(dòng)、沖擊等，這可能損壞傳感器電子元器件和/或?qū)е滤鼈儾徽９ぷ鳌?br>[0010]如今對(duì)于渦輪增壓器速度的測(cè)量的應(yīng)用的挑戰(zhàn)在于推進(jìn)器/壓縮機(jī)葉輪(目標(biāo)葉輪)通常非常薄(幾十毫米;尤其是對(duì)于乘用車(chē))并因此傳遞很低的信號(hào)。此外，感測(cè)距離/空氣間隙(即感測(cè)元件(通常是標(biāo)準(zhǔn)扁平線圈，諸如盤(pán)形線圈)和目標(biāo)(葉片)之間的距離)是變化的，因?yàn)榫€圈是平的而渦輪增壓器外殼的內(nèi)壁是圓的/馬鞍形的且推進(jìn)器/壓縮機(jī)葉輪葉輪是弧型的。
[0011]目前，采用相對(duì)較大的線圈來(lái)獲得足夠強(qiáng)的輸出信號(hào)。然而，在渦輪增壓器應(yīng)用中，需要較小的感測(cè)元件/線圈來(lái)使得小的/薄的傳感器設(shè)備尖端能夠避免負(fù)面的副作用，諸如可能對(duì)渦輪增壓器的運(yùn)作產(chǎn)生負(fù)面影響的熱點(diǎn)和空氣動(dòng)力學(xué)擾亂。
[0012]采用大的扁平線圈，對(duì)變化的感測(cè)距離/空氣間隙的擾亂影響甚至更強(qiáng)，并且將這類大型線圈形成為馬鞍形在技術(shù)上是困難的。此外，采用這種大型線圈的傳感器尖端太大，以致于難以被插入新一代的小型渦輪增壓器。線圈一般通過(guò)電焊連接到傳感器設(shè)備，然而，電焊是一個(gè)復(fù)雜和危險(xiǎn)的生產(chǎn)步驟。
[0013]在DE 10 2009 027 853 Al中，速度傳感器被布置在渦輪增壓器外殼的壁中的凹坑中，其中感測(cè)尖端朝向壓縮機(jī)葉輪。然而，傳感器尖端通過(guò)耐熱元件與渦輪增壓器內(nèi)部分開(kāi)。此外，傳感器電子元器件位于渦輪增壓器之外。
[0014]類似地，WO 2013/102510 Al公開(kāi)了一種布置在渦輪增壓器的壁中的速度傳感器，其中傳感器尖端通過(guò)薄壁以及薄壁和傳感器尖端之間的間隙與渦輪增壓器內(nèi)部(即壓縮機(jī)葉輪腔)分開(kāi)，即傳感器尖端位于與封閉或“盲的”洞中，與盲洞的底壁分開(kāi)。諸如專用集成電路(ASIC)之類的電子元器件被放置在傳感器外殼的凸緣中，傳感器外殼被安裝到渦輪增壓器外殼的外壁上。因此，在這兩種情況下，速度傳感器都需要通過(guò)薄壁/隔熱元件與渦輪增壓器的內(nèi)部分開(kāi)，然而，這會(huì)影響信號(hào)質(zhì)量。此外，傳感器電子元器件被布置在渦輪增壓器外殼之外。
[0015]US 7,378,721 B2公開(kāi)了一種用于渦輪增壓器的速度傳感器，該速度傳感器具有圓柱形外殼以供納入到渦輪增壓器壁中。在圓柱形外殼內(nèi)，布置了用于支持至少一個(gè)電子組件的引線框基板。該電子組件用絲焊連接到引線框基板，其中引線框由熱固塑料封裹。導(dǎo)電的環(huán)氧樹(shù)脂被用于維持電子組件和引線框之間的連接。通過(guò)使用引線框基板，消除了對(duì)于印刷電路板或陶瓷基板的需要。電子組件可包括專用集成電路(ASIC)。速度傳感器可抵擋渦輪增壓器的壓縮機(jī)旁的大約190°C的溫度。
[0016]發(fā)明描述
[0017]本發(fā)明的目的在于提供一種用于確定可旋轉(zhuǎn)物體(具體來(lái)說(shuō)是渦輪增壓器的壓縮機(jī)葉輪)的轉(zhuǎn)速的傳感器設(shè)備，該可旋轉(zhuǎn)物體能夠抵擋高于180°C的溫度，具體來(lái)說(shuō)是在至少200°C的溫度下持續(xù)工作，同時(shí)維持足夠的信號(hào)質(zhì)量并且無(wú)需將傳感器電子元器件放置在渦輪增壓器之外的較涼爽的環(huán)境中。本發(fā)明的又一目的在于提供一種具有這樣的傳感器設(shè)備的渦輪增壓器。
[0018]為了實(shí)現(xiàn)這一目的以及本發(fā)明的更進(jìn)一步的目的(這些目的將隨著描述推進(jìn)而變得更顯而易見(jiàn))，提供了傳感器設(shè)備，所述傳感器設(shè)備包括具有傳感器段、安裝段和連接器段的傳感器外殼。傳感器段和連接器段被布置在安裝段的相對(duì)側(cè)。感測(cè)元件被布置在傳感器段的傳感器尖端，其中“傳感器尖端”表示傳感器段的最遠(yuǎn)離安裝段的那端。此外，傳感器電子元器件被布置在感測(cè)段內(nèi)部，傳感器電子元器件包括絕緣硅片(SOI)電路。集成的絕緣襯底上硅片的電路被嵌入在柔性或半柔性聚合物基板之間。傳感器電子元器件可用于提供輸入信號(hào)給感測(cè)元件和/或評(píng)估和/或放大感測(cè)元件所提供的輸出信號(hào)/測(cè)量信號(hào)。
[0019]SOI技術(shù)的使用具有以下優(yōu)點(diǎn):在高溫下也同樣減輕寄生效果，由此得到更高溫度的工作范圍和并改善性能(參見(jiàn) http://en.wikipedia.0rg/wiki/Sil i con_on_insulator)。
[0020]集成SOI電路優(yōu)選地由使用SOI技術(shù)的ASIC來(lái)提供。優(yōu)選地，集成SOI電路是一種混合模式的集成SOI電路，即具有模擬和數(shù)字部件的集成電路。集成SOI電路優(yōu)選地包括集成振蕩器、解調(diào)器、配置單元和/或一些外圍模塊，諸如電源和溫度傳感器(如果需要的話)。
[0021]如所提到的，集成SOI電路被以三明治狀的形式嵌入在柔性或半柔性聚合物基板之間(這一嵌入也稱為:嵌入式芯片技術(shù)或ECT)。
[0022]柔性聚合物基板(也稱:印布)具體來(lái)說(shuō)由液晶聚合物(LCP)或聚酰亞胺形成。術(shù)語(yǔ)“柔性基板”應(yīng)包括半剛性(也稱為半柔性)基板。LCP和聚酰亞胺都具有抵抗高于180°C(具體來(lái)說(shuō)高于200°C)的溫度而不降級(jí)的優(yōu)點(diǎn)，并且用于保護(hù)嵌入式集成SOI電