用于确定可旋转物体的转速的传感器设备以及具有该传感器设备的涡轮增压器的制造方法
【专利说明】用于确定可旋转物体的转速的传感器设备以及具有该传感器设备的涡轮增压器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年8月29日提交的瑞士专利申请N0.1471/13的优先权，其通过整体引用合并与此。
技术领域
[0003]根据独立权利要求的序言部分，本发明涉及用于确定可旋转物体的转速的传感器设备，以及涉及具有这样的传感器设备的涡轮增压器。可旋转物体可以是例如比如用在汽车中的涡轮增压器的压缩机叶轮，但不应被限于此。
[0004]发明背景
[0005]涡轮增压器将汽车引擎的废气中的废弃能量转换成压缩空气，压缩空气随后被推送回到汽车引擎中。这导致引擎燃烧更多燃料并因此产生更多动力，同时更少的能量被消耗，由此提高了燃烧过程的总效率。涡轮增压器通常包括涡轮机叶轮以及压缩机叶轮，两者通过轴承系统上所支撑的公共轴连接。涡轮机叶轮被废气驱动，进而驱动压缩机叶轮，压缩机叶轮抽进并压缩环境空气，环境空气随后被馈送到引擎的气缸中。通过涡轮增压，较小引擎的性能水平被提升到不采用涡轮增压的较大引擎的性能水平，且具有较少的燃料消耗和排放。因此，涡轮增压被越来越多地被乘用型、商务型、越野型和运动型车辆中的柴油和汽油引擎所采用。
[0006]确定涡轮增压器的压缩机叶轮的转速对于优化其效率以及确定涡轮增压器和引擎停留在它们各自的安全工作范围内而言是重要的。如今的涡轮增压器需要在越来越高的废气温度和压缩机进气口温度的情况下可靠地并且持续地工作。与其柴油版相比，现代的汽油涡轮增压器不得不在高得多的发动机舱温度环境下工作，其中压缩机叶轮处的温度在200°C附近或更高。现代涡轮增压器压缩机叶轮通常由坚固、轻质的导电材料(诸如铝、钛或镁)所构造，这类材料能够承受高压。这类压缩机叶轮的转速可优选地通过活跃涡电流原理来测量，其中振荡系统和感测线圈生成的磁场被用于当压缩机叶片经过传感器尖端前的磁场时检测它们，。
[0007]被普遍用于汽车应用场合中的电子电路、组件和互联通常不能够承受持续地暴露于高于150°C的温度。因此，涡轮增压器速度传感器常常通过经由连接到传感器电子元器件的线缆将传感器头/传感器尖端与位置靠近压缩机叶轮的感测元件连接来实现，传感器电子元器件位于与涡轮增压器隔开一距离的在引擎舱内的较凉爽环境中的分开的外壳中。
[0008]然而，感测元件和传感器电子元器件的分开可导致与来自用在汽车内的其它电子设备的干扰有关的更高的易损性、更大的空间要求、更高的不稳定性、更低的总效率、降低的信号质量、以及更高的制造成本。另外，封装、罩壳、以及密封被重复，一次针对感测元件，而另一次针对传感器电子元器件。即，制造复杂性被提高了。
[0009]传感器电子元器件常常被放置在外壳区段的相同部分中，该部分被用于将速度传感器连接到汽车和/或引擎控制单元的车载电子网络，然而这可能对于信号质量存在很强的负面影响。另外，取决于具体应用，分开放置的传感器电子元器件可能越来越多地承受震动、冲击等，这可能损坏传感器电子元器件和/或导致它们不正常工作。
[0010]如今对于涡轮增压器速度的测量的应用的挑战在于推进器/压缩机叶轮(目标叶轮)通常非常薄(几十毫米;尤其是对于乘用车)并因此传递很低的信号。此外，感测距离/空气间隙(即感测元件(通常是标准扁平线圈，诸如盘形线圈)和目标(叶片)之间的距离)是变化的，因为线圈是平的而涡轮增压器外壳的内壁是圆的/马鞍形的且推进器/压缩机叶轮叶轮是弧型的。
[0011]目前，采用相对较大的线圈来获得足够强的输出信号。然而，在涡轮增压器应用中，需要较小的感测元件/线圈来使得小的/薄的传感器设备尖端能够避免负面的副作用，诸如可能对涡轮增压器的运作产生负面影响的热点和空气动力学扰乱。
[0012]采用大的扁平线圈，对变化的感测距离/空气间隙的扰乱影响甚至更强，并且将这类大型线圈形成为马鞍形在技术上是困难的。此外，采用这种大型线圈的传感器尖端太大，以致于难以被插入新一代的小型涡轮增压器。线圈一般通过电焊连接到传感器设备，然而，电焊是一个复杂和危险的生产步骤。
[0013]在DE 10 2009 027 853 Al中，速度传感器被布置在涡轮增压器外壳的壁中的凹坑中，其中感测尖端朝向压缩机叶轮。然而，传感器尖端通过耐热元件与涡轮增压器内部分开。此外，传感器电子元器件位于涡轮增压器之外。
[0014]类似地，WO 2013/102510 Al公开了一种布置在涡轮增压器的壁中的速度传感器，其中传感器尖端通过薄壁以及薄壁和传感器尖端之间的间隙与涡轮增压器内部(即压缩机叶轮腔)分开，即传感器尖端位于与封闭或“盲的”洞中，与盲洞的底壁分开。诸如专用集成电路(ASIC)之类的电子元器件被放置在传感器外壳的凸缘中，传感器外壳被安装到涡轮增压器外壳的外壁上。因此，在这两种情况下，速度传感器都需要通过薄壁/隔热元件与涡轮增压器的内部分开，然而，这会影响信号质量。此外，传感器电子元器件被布置在涡轮增压器外壳之外。
[0015]US 7,378,721 B2公开了一种用于涡轮增压器的速度传感器，该速度传感器具有圆柱形外壳以供纳入到涡轮增压器壁中。在圆柱形外壳内，布置了用于支持至少一个电子组件的引线框基板。该电子组件用丝焊连接到引线框基板，其中引线框由热固塑料封裹。导电的环氧树脂被用于维持电子组件和引线框之间的连接。通过使用引线框基板，消除了对于印刷电路板或陶瓷基板的需要。电子组件可包括专用集成电路(ASIC)。速度传感器可抵挡涡轮增压器的压缩机旁的大约190°C的温度。
[0016]发明描述
[0017]本发明的目的在于提供一种用于确定可旋转物体(具体来说是涡轮增压器的压缩机叶轮)的转速的传感器设备，该可旋转物体能够抵挡高于180°C的温度，具体来说是在至少200°C的温度下持续工作，同时维持足够的信号质量并且无需将传感器电子元器件放置在涡轮增压器之外的较凉爽的环境中。本发明的又一目的在于提供一种具有这样的传感器设备的涡轮增压器。
[0018]为了实现这一目的以及本发明的更进一步的目的(这些目的将随着描述推进而变得更显而易见)，提供了传感器设备，所述传感器设备包括具有传感器段、安装段和连接器段的传感器外壳。传感器段和连接器段被布置在安装段的相对侧。感测元件被布置在传感器段的传感器尖端，其中“传感器尖端”表示传感器段的最远离安装段的那端。此外，传感器电子元器件被布置在感测段内部，传感器电子元器件包括绝缘硅片(SOI)电路。集成的绝缘衬底上硅片的电路被嵌入在柔性或半柔性聚合物基板之间。传感器电子元器件可用于提供输入信号给感测元件和/或评估和/或放大感测元件所提供的输出信号/测量信号。
[0019]SOI技术的使用具有以下优点:在高温下也同样减轻寄生效果，由此得到更高温度的工作范围和并改善性能(参见 http://en.wikipedia.0rg/wiki/Sil i con_on_insulator)。
[0020]集成SOI电路优选地由使用SOI技术的ASIC来提供。优选地，集成SOI电路是一种混合模式的集成SOI电路，即具有模拟和数字部件的集成电路。集成SOI电路优选地包括集成振荡器、解调器、配置单元和/或一些外围模块，诸如电源和温度传感器(如果需要的话)。
[0021]如所提到的，集成SOI电路被以三明治状的形式嵌入在柔性或半柔性聚合物基板之间(这一嵌入也称为:嵌入式芯片技术或ECT)。
[0022]柔性聚合物基板(也称:印布)具体来说由液晶聚合物(LCP)或聚酰亚胺形成。术语“柔性基板”应包括半刚性(也称为半柔性)基板。LCP和聚酰亚胺都具有抵抗高于180°C(具体来说高于200°C)的温度而不降级的优点，并且用于保护嵌入式集成SOI电