传感器、传感器系统和用于制造传感器的方法
【专利摘要】本发明涉及一种传感器，所述传感器具有用于将热能转换为电能的热电发电机（10）、用于接触热源和冷源的接触面（14、16）和热导体路径（18、20），所述热电发电机（10）具有热力作用的上侧和底侧（10a、10b），所述热导体路径（18、20）将所述接触面（14、16）与热电发电机（10）的上侧和底侧（10a、10b）相连，以在所述热电发电机（10）的上侧与底侧（10a、10b）之间产生热梯度，其中第一和/或第二热导体路径（18、20）被构造为：在将所述接触面（14、16）中的至少一个相对于热电发电机（10）的上侧和底侧（10a、10b）中的至少一个不同取向的情况下使传感器中的热梯度转向。此外，本发明还涉及一种相对应的用于制造传感器的方法和一种传感器系统。
【专利说明】
传感器、传感器系统和用于制造传感器的方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种传感器、一种传感器系统和一种用于制造传感器的方法。
【背景技术】
[0002]物联网被称作信息技术领域中的最重要的未来的开发之一。物联网被理解为:不仅人有到互联网的入口并且通过该互联网来联网，而且设备也通过互联网彼此联网。物联网的领域涉及例如用于温度测量的制造和家庭自动化(Hausautomat isierung)。传感器已经是可支配的，然而具有很高的制造成本。此外，开发同时从环境获得所必需的电能的传感器的努力过去了。通过光电池以及通过从温度差获得能量的热电发电机使这成为可能。
[0003]热电发电机的所获得的能量直接与随附的温度梯度有关联。为了将温度梯度引向热电发电机，必须借助于建造和连接技术来制造在热电发电机的外壳之内的热路径。在理想情况下，该热路径应该会具有低的热阻，以便使得在外壳之内的损耗最小化。
[0004]AT O 190 151 BI公开了一种具有热电发电机的电压发生器，所述热电发电机在通过废热热源被保持在高温度上的区域与在较低的温度上的、由多个被布置在冷却空气流中的肋条(Rippe)形成的区域之间延伸，以产生温度梯度，其中所述肋条稍带长形地被构造并且被布置成具有基本上平行的轴线的组，其中每个肋条都具有与废热热源有直接的热接触的第一纵向棱。因此，在第一棱的附近形成了肋条的高温区域。此外，还相对于第一棱以距废热热源隔一定距离地设置第二纵向棱，其中所述肋条的第二棱是未被包封的自由的棱并且所述肋条的组被布置在空气流之内，使得冷却空气可以自由地沿着肋条流动，以致所述肋条被冷却并且在肋条的第二边缘区的附近形成肋条的低温区域;而且所述发电机包括多个被安置在每个肋条上的热电偶，其中每个热电偶都具有与肋条的高温区域的连接和与肋条的低温区域的连接。
【发明内容】
[0005]本发明提出了一种传感器，所述传感器具有:用于将热能转换为电能的热电发电机，所述热电发电机具有对置的上侧和底侧;横向地彼此错移的用于接触热源和冷源的接触面;和热导体路径，所述热导体路径将接触面与热电发电机的上侧和底侧相连，以将热梯度提供给热电发电机的上侧和底侧，其中第一和/或第二热导体路径这样被构造:使附在横向地彼此错移的接触面上的热梯度转向(umlenken)到热电发电机的对置的上侧和底侧。
[0006]此外，本发明还提出了一种用于制造传感器的方法，所述方法具有如下步骤:构造被布置在衬底上的具有对置的上侧和底侧的用于将热能转换为电能的热电发电机;构造横向地彼此错移的用于接触热源和冷源的接触面;构造热导体路径，所述热导体路径将接触面与热电发电机的上侧和底侧相连，以将热梯度提供给热电发电机的上侧和底侧，其中第一和/或第二热导体路径使附在横向地彼此错移的接触面上的热梯度转向到热电发电机的对置的上侧和底侧。此外，本发明还提出了一种传感器系统，所述传感器系统具有按照本发明的传感器、用于切换由热电发电机所产生的电压的功率电路、用于控制热电发电机的微控制器、用于存储由热电发电机所产生的能量的蓄能器、用于无线传输传感器数据的无线电模块和天线。
[0007]本发明的优点
本发明的优点是:设置一种热电发电机，所述热电发电机借助于标准包装工艺的材料是可打包的并且外部的温度梯度经过热传导路径有效地被引到热电发电机的表面。通过在传感器之内的借助于热导体路径的相对应的布局的热梯度的可转向性，所述传感器可以被构造为使得用于接触热源和冷源的接触面可以被布置在传感器的任意侧上。针对温度梯度没有通过热电发电机的外壳或装置的所设置的方向下降的情况，可以根据温度梯度来布置用于接触热源和冷源的接触面并且紧接着通过热传导路径的适当的布局将温度梯度引到热电发电机的表面。
[0008]有利的实施形式和扩展方案由从属权利要求以及由参考附图的描述得到。
[0009]优选地设置:接触面通过衬底相互被分开，并且该衬底具有比接触面更低的导热性。通过由衬底将接触面分开可以制造如下温度梯度:所述温度梯度因此可输送给热电发电机的热力作用的(thermisch aktive)上侧和热力作用的底侧。
[0010]此外，还优选地设置:该传感器具有相对于热电发电机的上侧和底侧相邻地和远离地被布置的壁面以及与所述热电发电机的相应的侧面相邻地被布置的侧面，其中所述接触面中的至少一个被布置在传感器的与热电发电机的要接触的上侧或者底侧相邻地被布置的壁面上或者被布置在传感器的侧面上。由此，可以使该传感器与周围或安装位置的温度梯度适配。
[0011]按照另一优选的构建方案设置:所述热导体路径通过外壳的浇注材料(Vergussmasse)或者被布置在浇注材料的表面上或者被布置在衬底的表面上，或者至少部分地被通入到衬底中，并且由金属材料(优选地铜)来构造。由此，可以实现传感器的紧凑的构造形式。将铜用于热导体路径使得好的导热性成为可能。
[0012]此外，还优选地设置:该外壳由浇注材料、盖或者印制电路板构造，和/或到热电发电机的上侧的导体路径构造了外壳的至少一部分。因为该浇注材料具有比热导体路径更低的导热性，所以可以将热梯度有效地引向热电发电机的上侧和底侧。针对其中到热电发电机的上侧的导体路径构造了外壳的至少一部分的情况，可以放弃外壳的至少一部分。
[0013]按照另一优选的实施例设置:用于接触热电发电机的上侧的热导体路径通过金属托架(Metal Ibuegel)被构造，所述金属托架将热电发电机压到衬底上，其中金属托架在热电发电机的上侧的固定通过导热的粘合剂来构造。这是用于接触热电发电机的上侧或者底侧的热导体路径的简单的并且成本有利的构建方案。此外，诸如通过设置浇注材料或者其它的外壳来分开地固定热电发电机是不必要的。
[0014]根据另一优选的构建方案设置:在衬底或者接触面中构造通孔，以用流体穿流外壳侧，其中流体流制造了在衬底中或者在衬底下面的区与热电发电机的一侧和/或导体路径(18、20)之间的热连接。用于穿流外壳侧的通孔例如可以与暖气的进口和出口相连。因此可以产生高的温度梯度并且将高的温度梯度输送给热电发电机的上侧和底侧。因此，热电发电机具有被改进的效率。
[0015]按照另一优选的构建方案设置:空腔被构造在外壳中，其中所述空腔借助于被构造在衬底或者接触面中的通孔与传感器的外部相连，并且其中所述空腔和所述通孔被构造用于利用流体穿流外壳侧。因此，同样可以借助于用流体来穿流将空腔用于提高温度梯度并且由此同样提高热电发电机的效率。
[0016]所描述的构建方案和扩展方案可以任意地相互被组合。
[0017]本发明的其它的可能的构建方案、扩展方案和实施方案也包括本发明的之前或者在下文关于实施例所描述的特征的未明确提到的组合。
【附图说明】
[0018]附上的附图应该介绍本发明的实施形式的另一种理解。所述附图阐明了实施形式并且与描述相关联地用于解释本发明的原理和概念。
[0019]其它的实施形式和很多所提到的优点鉴于附图而得到。附图的所示出的要素不是必需彼此按正确比例地被示出。
[0020]图1示出了按照本发明的第一实施形式的传感器的剖面图；
图2示出了按照本发明的第二实施形式的传感器的剖面图；
图3示出了按照本发明的第三实施形式的传感器的剖面图；
图4示出了按照本发明的第四实施形式的传感器的剖面图；
图5示出了按照本发明的第五实施形式的传感器的剖面图；
图6示出了按照本发明的第六实施形式的传感器的剖面图；
图7示出了按照本发明的第七实施形式的传感器的剖面图；
图8示出了按照本发明的第八实施形式的传感器的剖面图；
图9示出了按照本发明的第九实施形式的传感器的剖面图；和图10示出了用于制造按照本发明的第一实施形式的传感器的方法的流程图。
[0021]在所述附图的图中，只要不做相反说明，相同的参考符号就标明相同的或者功能相同的元件、构件、部件。
【具体实施方式】
[0022]图1示出了按照发明的第一实施形式的传感器的剖面图。
[0023 ]该传感器具有用于将热能转换为电能的热电发电机1。该热电发电机1具有热力作用的上侧1a和热力作用的底侧10b。此外，该传感器还具有一对用于接触热源和冷源的接触面14、16。此外，该传感器还具有一对热导体路径18、20，所述热导体路径18、20将接触面14、16与热电发电机的上侧1a和底侧1b相连。尤其是，第一接触面14借助于第一热导体路径18与热电发电机10的底侧1b相连，而第二接触面16借助于第二热导体路径20与热电发电机10的上侧1a相连。
[0024]此外，热电发电机10还被布置在衬底12上。衬底12例如通过由硅构造的印制电路板来设置。可替换地，衬底12也可以由热固性材料、玻璃或者聚酰亚胺来构造。
[0025]衬底12具有比接触面14、16以及热导体路径18、20更低的导热性。因此，通过导体路径18、20可以将热梯度有效地引到热电发电机1的上侧和底侧。
[0026]在本实施形式中，第一接触面14在传感器的下部区中被布置在与衬底12相同的水平平面中。第一热导体路径18在传感器的水平方向上从第一接触面14延伸到热电发电机10的底侧I Ob，其中所述第一热导体路径18与热电发电机1的底侧I Ob的整个表面形成接触。此外，所述第一热导体路径还被通入到衬底12中，使得第一接触面14的上棱和上棱12齐平地被构造。在本实施例中，第二接触面16被布置在传感器的侧壁或侧面上。第二热导体路径20在传感器的水平方向上从第二接触面16的上棱延伸到热电发电机1的上侧I Oa，其中所述第二热导体路径20与热电发电机10的上侧1a的整个表面形成接触。在本实施例中，传感器的外壳8通过完全包围热电发电机的浇注材料被构造。因此，该外壳的特点在于:温度梯度可以均匀地与外壳垂直和水平地被引向热电发电机，以便获得能量。接触面14、16以及热导体路径18、20由具有很好的导热性的铜构造。在本实施例中，第一热导体路径18在内部被实施而第二热导体路径20在外部被实施，以便可靠地确保到热电发电机的热流。
[0027]优选地，用于使得被改进的到热电发电机10的热传递成为可能的(在图1中未示出的)接触部(Kontaktierung)被布置在热电发电机10的底侧1b上。可选地，(在图1中未示出的)接触部同样可以被布置在热电发电机1的上侧上。
[0028]图2示出了按照本发明的第二实施形式的传感器的剖面图。
[0029]在本实施形式中，该传感器被封闭(einhausen)在两个印制电路板之间，而不是浇注材料被封闭在两个印制电路板之间。热电发电机10的底侧1b被布置在第一衬底12a上，而热电发电机10的上侧1a与第二衬底12b相邻地被布置，其中所述第二衬底12b被布置在热电发电机10之上。
[0030]此外，该传感器还具有垫片28，所述垫片28被布置在传感器的在第一衬底12a与第二衬底12b之间的水平平面中。
[0031]尤其是，该垫片28被布置在第一接触面14以及在垫片28的底侧上的第一衬底12a与在垫片28的上侧上的第二衬底12b之间。优选地，垫片28环形地被构造。可替换地，垫片28也可以框形地被构造或具有另一适当的形状。垫片28具有增附的特性。可替换地，垫片28也可以借助于焊接或者粘接来被固定。优选地，垫片28被构造为印制电路板，其中该印制电路板在中间区中具有通孔。可替换地，垫片28也可以由预浸材料来构造。此外，可替换地，垫片28例如还可以通过在第一衬底12a或者第二衬底12b中被构造的凹部来设置。
[0032]此外，接触部30被布置在第二热导体路径20与热电发电机10的上侧1a之间。优选地，(在图2中未示出的)接触部同样被布置在热电发电机10的底侧1b上。优选地，相应的接触部由具有好的导热特性的胶粘剂来构造。可替换地，也可以通过焊接来构造接触部。通过设置接触部可以改进到热电发电机10的热传递。
[0033]此外，制造了电连接的电接触部31被布置在热电发电机10的底侧1b与衬底12a之间。在本实施例中，电接触部3通过接合线(Bonddraht)来构造。
[0034]图3示出了按照本发明的第三实施形式的传感器的剖面图。
[0035]在本实施形式中，第一接触面14和第二接触面16被布置在相同的侧、尤其是传感器的底侧上。接触面14、16相互具有横向的距离并且通过衬底12相互被分开。该衬底具有比接触面14、16更低的导热性。第二接触面16与第二热导体路径20相连，所述第二热导体路径20又与热电发电机10的上侧1a相连。因此，第二接触面16与第二热导体路径20的温度在外部在传感器或传感器的外壳8上被输送给热电发电机1的上侧I Oa。
[0036]优选地，用于使得被改进的到热电发电机1的热传递成为可能的(在图3中未示出的)接触部被布置在热电发电机1的底侧1b上。可选地，(在图3中未示出的)接触部同样可以被布置在热电发电机10的上侧上。
[0037]图4示出了按照本发明的第四实施形式的传感器的剖面图。
[0038]在本实施形式中，第二热导体路径通过金属托架22被构造，所述第二热导体路径是在第二接触面16与热电发电机10的上侧I Oa之间的连接环节。该金属托架被构造为使得该金属托架将热电发电机10压到衬底12上。金属托架22在压电发电机10的上侧1a上的固定通过有传导能力的粘合剂来构造。因此，金属托架22同样具有外壳8的功能。因此，不设置附加的盖或用于围住或固定热电发电机10的浇注材料。例如，也可以将具有适当的热特征的接合线用作热电发电机10的上侧1a的可替换的接触部。在金属托架22与热电发电机10的上侧I Oa之间的以及在热电发电机1的底侧1b与第一热导体路径18之间的在图4中未示出的中间区域利用导热良好的接触材料(诸如焊锡、有导热能力的胶粘剂等等)来被实现。
[0039]优选地，用于使得被改进的到热电发电机10的热传递成为可能的(在图4中未示出的)接触部被布置在热电发电机1的底侧I Ob上。
[0040]图5示出了按照本发明的第五实施形式的传感器的剖面图。
[0041]除了在图4中所示出的实施形式之外，按照图5的实施形式的传感器还具有以被施加在相应的接触面14、16上的并且围住热电发电机10的盖为形式的附加的外壳8。在该实施形式中，暂时的牺牲层(例如可热分解的聚合物)作为占位装置(Platzhalter)在成型法之前被施加并且在成型法之后通过另外的工艺被分解。所述另外的工艺例如可以是热的、湿化学的或者干化学的。通过分解而形成空腔(例如空气)，所述空腔是导热不良的并且因此只微小地影响了经过热电发电机10的热路径。总系统相对于外部影响通过外壳8的造型材料被保护。
[0042 ]优选地，用于使得被改进的到热电发电机1的热传递成为可能的(在图5中未示出的)接触部被布置在热电发电机1的底侧I Ob上。
[0043]图6示出了按照本发明的第六实施形式的传感器的剖面图。
[0044]按照本实施形式，该传感器具有第一通孔24以及第二通孔26，其中所述第一通孔24被构造在第一接触面14中，而第二通孔26被构造在第二接触面16中。通孔24、26有利于用流体穿流外壳侧，其中流体流制造了在接触面14、16中或者在接触面14、16下面的区与热电发电机10的一侧之间的热连接。此外，通孔24、26还将在外壳8中被构造的空腔与传感器的外部相连。
[0045]优选地，用于使得被改进的到热电发电机10的热传递成为可能的(在图6中未示出的)接触部被布置在热电发电机1的底侧I Ob上。
[0046]图7示出了按照本发明的第七实施形式的传感器的剖面图。
[0047]按照本实施形式，除了在图6中示出的实施形式之外，传感器的外壳8还被构造为使得所述外壳8在这些侧被流体完全穿流。例如可以连接暖气的进口和出口。因此，温度梯度可以有效地被引向热电发电机10的上侧1a和底侧10b。因此，该传感器可以被耦合到已经存在的流体系统上。
[0048]优选地，用于使得被改进的到热电发电机1的热传递成为可能的(在图7中未示出的)接触部被布置在热电发电机1的底侧I Ob上。
[0049]图8示出了按照本发明的第八实施形式的传感器的剖面图。
[0050]按照本实施形式，通孔24、26被构造在接触面14、16中，其中所述接触面14、16被嵌入到衬底12中。因此，流体接触在衬底之内被实现。以盖为形式的外壳8被设置在热电发电机10的上侧上。可替换地，接触部或者浇注材料同样可以被设置在热电发电机10的上侧上。[0051 ]优选地，用于使得被改进的到热电发电机1的热传递成为可能的(在图8中未示出的)接触部被布置在热电发电机1的底侧I Ob上。
[0052]图9示出了按照本发明的第九实施形式的传感器的剖面图。
[0053]按照本实施形式，接触面14、16分别被压入到衬底12中。通孔24、26如在关于图8所描述的实施形式中那样被构造在接触面14、16中。
[0054]优选地，用于使得被改进的到热电发电机10的热传递成为可能的(在图9中未示出的)接触部被布置在热电发电机1的底侧I Ob上。
[0055]图10示出了用于制造按照本发明的第一实施形式的传感器的方法的流程图。
[0056]在用于制造传感器的方法的第一步SI中，进行被布置在衬底12上的具有热力作用的上侧1a和底侧1b的用于将热能转换为电能的热电发电机10的构造。在第二步S2中，进行用于接触热源和冷源的接触面14、16的构造。在第三步S3中，进行热导体路径18、20的构造，所述热导体路径18、20将接触面14、16与热电发电机10的上侧1a和底侧1b相连，以在热电发电机10的上侧1a与底侧1b之间产生热梯度，其中所述热导体路径18、20使在外壳8之内的热梯度转向。在第四步S4中，进行用于容纳热电发电机1的外壳8的构造。
[0057]尽管本发明已经在前面依据优选的实施例被描述，但是本发明不限于此，而是以多种多样的方式和方法是可修改的。尤其是，本发明可以以各式各样的方式被改变或者被修改，而不偏尚本发明的核心。
[0058]所述热导体路径18、20例如可以由金属的印制导线、金属的层间电路接通、线接合或者金属的夹持器(Kla_er)构成。
【主权项】
1.传感器，其具有:用于将热能转换为电能的热电发电机(10)，所述热电发电机(10)具有对置的上侧和底侧(10a、1b);横向地彼此错移的用于接触热源和冷源的接触面(14、16)；和热导体路径(18、20 )，所述热导体路径(18、20 )将接触面(14、16 )与所述热电发电机(1 )的上侧和底侧(I Oa、I Ob )相连，以将热梯度提供给所述热电发电机(1 )的上侧和底侧(10a、10b)，其中第一和/或第二热导体路径(18、20)这样被构造:使附在横向地彼此错移的接触面(14、16)上的热梯度转向到所述热电发电机(10)的对置的上侧和底侧(10a、10b)。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述接触面(14、16)通过衬底(12)相互被分开，并且所述衬底(12)具有比接触面(14、16)更低的导热性。3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述传感器具有相对于所述热电发电机(10)的上侧和底侧(10a、1b)相邻地和远离地被布置的壁面以及与所述热电发电机(1 )的相应的侧面相邻地被布置的侧面，其中所述接触面(14、16 )中的至少一个被布置在传感器的与所述热电发电机(1 )的要接触的上侧或者底侧(I Oa、I Ob )远离地被布置的壁面上或者被布置在所述传感器的侧面上。4.根据上述权利要求之一所述的传感器，其特征在于，所述热导体路径(18、20)通过外壳(8)的浇注材料或者被布置在所述浇注材料(12)的表面上或者被布置在衬底的表面上或者至少部分地被通入到衬底(12)中并且由金属的材料、优选地铜来构造。5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述外壳(8)由浇注材料、盖和/或衬底(12)构造，和/或到所述热电发电机(10)的上侧(1a)的导体路径(18、20)构造了所述外壳(8)的至少一部分。6.根据上述权利要求之一所述的传感器，其特征在于，用于接触所述热电发电机(10)的上侧(1a)的热导体路径通过金属托架(22)被构造，所述金属托架(22)将所述热电发电机(10)压到衬底(12)上，其中所述金属托架(22)在所述热电发电机(10)的上侧(1a)上的固定通过有导热能力的粘合剂来构造。7.根据上述权利要求之一所述的传感器，其特征在于，在所述衬底(12)或者所述接触面(14、16 )中构造通孔(24、26 )，以用流体穿流外壳侧，其中流体流制造了在所述衬底(12 )中或者在所述衬底(12)下面的区与热电发电机(10)的一侧和/或导体路径(18、20)之间的热连接。8.根据权利要求7所述的传感器，其特征在于，空腔被构造在所述外壳(8)中，其中所述空腔借助于在衬底(12)或者接触面(14、16)中被构造的通孔(24、26)与所述传感器的外部相连，并且其中所述空腔和所述通孔(24、26)被构造用于用流体穿流外壳侧。9.用于制造传感器的方法，所述方法具有如下步骤: 构造(SI)被布置在衬底(12)上的具有对置的上侧和底侧(10a、10b)的用于将热能转换为电能的热电发电机(10); 构造(S2)彼此横向地错移的用于接触热源和冷源的接触面(14、16); 构造(S3)热导体路径(18、20)，所述热导体路径(18、20)将接触面(14、16)与所述热电发电机(1 )的上侧和底侧(I Oa、I Ob )相连，以将热梯度提供给所述热电发电机(1 )的上侧和底侧(I Oa、I Ob )，其中第一和/或第二热导体路径(18、20 )使附在横向地彼此错移的接触面(14、16)上的热梯度转向到所述热电发电机(10)的对置的上侧和底侧(10a、10b)。10.传感器系统，其具有:根据权利要求1至8之一所述的传感器；用于切换由热电发电机(10)所产生的电压的功率电路；用于控制所述热电发电机(1 )的微控制器；用于存储由所述热电发电机(10)所产生的能量的蓄能器；用于无线传输传感器数据的无线电模块;和天线。
【文档编号】H01L35/30GK105874622SQ201480072653
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2014年11月20日
【发明人】T.措勒, T.皮尔克, J.肯特纳, R.埃伦普福特, F.安特
【申请人】罗伯特·博世有限公司