用于確定可旋轉物體的轉速的傳感器設備以及具有該傳感器設備的渦輪增壓器的制造方法
【專利說明】用于確定可旋轉物體的轉速的傳感器設備以及具有該傳感器設備的渦輪增壓器
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年8月29日提交的瑞士專利申請N0.1471/13的優(yōu)先權，其通過整體引用合并與此。
技術領域
[0003]根據(jù)獨立權利要求的序言部分，本發(fā)明涉及用于確定可旋轉物體的轉速的傳感器設備，以及涉及具有這樣的傳感器設備的渦輪增壓器?？尚D物體可以是例如比如用在汽車中的渦輪增壓器的壓縮機葉輪，但不應被限于此。
[0004]發(fā)明背景
[0005]渦輪增壓器將汽車引擎的廢氣中的廢棄能量轉換成壓縮空氣，壓縮空氣隨后被推送回到汽車引擎中。這導致引擎燃燒更多燃料并因此產生更多動力，同時更少的能量被消耗，由此提高了燃燒過程的總效率。渦輪增壓器通常包括渦輪機葉輪以及壓縮機葉輪，兩者通過軸承系統(tǒng)上所支撐的公共軸連接。渦輪機葉輪被廢氣驅動，進而驅動壓縮機葉輪，壓縮機葉輪抽進并壓縮環(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，渦輪增壓被越來越多地被乘用型、商務型、越野型和運動型車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葉輪的轉速對于優(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而言是重要的。如今的渦輪增壓器需要在越來越高的廢氣溫度和壓縮機進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)動機艙溫度環(huán)境下工作，其中壓縮機葉輪處的溫度在200°C附近或更高?，F(xiàn)代渦輪增壓器壓縮機葉輪通常由堅固、輕質的導電材料(諸如鋁、鈦或鎂)所構造，這類材料能夠承受高壓。這類壓縮機葉輪的轉速可優(yōu)選地通過活躍渦電流原理來測量，其中振蕩系統(tǒng)和感測線圈生成的磁場被用于當壓縮機葉片經(jīng)過傳感器尖端前的磁場時檢測它們，。
[0007]被普遍用于汽車應用場合中的電子電路、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葉輪的感測元件連接來實現(xiàn)，傳感器電子元器件位于與渦輪增壓器隔開一距離的在引擎艙內的較涼爽環(huán)境中的分開的外殼中。
[0008]然而，感測元件和傳感器電子元器件的分開可導致與來自用在汽車內的其它電子設備的干擾有關的更高的易損性、更大的空間要求、更高的不穩(wěn)定性、更低的總效率、降低的信號質量、以及更高的制造成本。另外，封裝、罩殼、以及密封被重復，一次針對感測元件，而另一次針對傳感器電子元器件。即，制造復雜性被提高了。
[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和/或引擎控制單元的車載電子網(wǎng)絡，然而這可能對于信號質量存在很強的負面影響。另外，取決于具體應用，分開放置的傳感器電子元器件可能越來越多地承受震動、沖擊等，這可能損壞傳感器電子元器件和/或導致它們不正常工作。
[0010]如今對于渦輪增壓器速度的測量的應用的挑戰(zhàn)在于推進器/壓縮機葉輪(目標葉輪)通常非常薄(幾十毫米;尤其是對于乘用車)并因此傳遞很低的信號。此外，感測距離/空氣間隙(即感測元件(通常是標準扁平線圈，諸如盤形線圈)和目標(葉片)之間的距離)是變化的，因為線圈是平的而渦輪增壓器外殼的內壁是圓的/馬鞍形的且推進器/壓縮機葉輪葉輪是弧型的。
[0011]目前，采用相對較大的線圈來獲得足夠強的輸出信號。然而，在渦輪增壓器應用中，需要較小的感測元件/線圈來使得小的/薄的傳感器設備尖端能夠避免負面的副作用，諸如可能對渦輪增壓器的運作產生負面影響的熱點和空氣動力學擾亂。
[0012]采用大的扁平線圈，對變化的感測距離/空氣間隙的擾亂影響甚至更強，并且將這類大型線圈形成為馬鞍形在技術上是困難的。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。線圈一般通過電焊連接到傳感器設備，然而，電焊是一個復雜和危險的生產步驟。
[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，其中感測尖端朝向壓縮機葉輪。然而，傳感器尖端通過耐熱元件與渦輪增壓器內部分開。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薄壁以及薄壁和傳感器尖端之間的間隙與渦輪增壓器內部(即壓縮機葉輪腔)分開，即傳感器尖端位于與封閉或“盲的”洞中，與盲洞的底壁分開。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薄壁/隔熱元件與渦輪增壓器的內部分開，然而，這會影響信號質量。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，布置了用于支持至少一個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。導電的環(huán)氧樹脂被用于維持電子組件和引線框之間的連接。通過使用引線框基板，消除了對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物體(具體來說是渦輪增壓器的壓縮機葉輪)的轉速的傳感器設備，該可旋轉物體能夠抵擋高于180°C的溫度，具體來說是在至少200°C的溫度下持續(xù)工作，同時維持足夠的信號質量并且無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備的渦輪增壓器。
[0018]為了實現(xiàn)這一目的以及本發(fā)明的更進一步的目的(這些目的將隨著描述推進而變得更顯而易見)，提供了傳感器設備，所述傳感器設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側。感測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離安裝段的那端。此外，傳感器電子元器件被布置在感測段內部，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給感測元件和/或評估和/或放大感測元件所提供的輸出信號/測量信號。
[0019]SOI技術的使用具有以下優(yōu)點: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 http://en.wikipedia.0rg/wiki/Sil i con_on_insulator)。
[0020]集成SOI電路優(yōu)選地由使用SOI技術的ASIC來提供。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:嵌入式芯片技術或ECT)。
[0022]柔性聚合物基板(也稱:印布)具體來說由液晶聚合物(LCP)或聚酰亞胺形成。術語“柔性基板”應包括半剛性(也稱為半柔性)基板。LCP和聚酰亞胺都具有抵抗高于180°C(具體來說高于200°C)的溫度而不降級的優(yōu)點，并且用于保護嵌入式集成SOI電