CN102713595B - 传感器组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器组件。所述组件包括具有径向凸缘(8)的适当结构的传感器主体(2)（优选大体为陶瓷）。外壳(20)是两段式一体化结构并且包括环形沟道或凹槽，当所述传感器组件处于其组装形式时，所述传感器主体(2)的径向凸缘(8)容纳在所述环形沟道或凹槽中。所述环形沟道由一对相面对的肩部(28、36)限定，所述相面对的肩部(28、36)各自具有环形表面(30、38)以及大体上呈柱形的表面(32、40)。所述环形表面(30、38)与所述凸缘(8)滑动接触并且将压缩负载施用于所述凸缘以在所述外壳(20)与所述传感器主体(2)之间形成密封。即使在高操作温度中使用所述传感器组件，所述密封也会保持。

Description

传感器组件

说明

技术领域

本发明涉及传感器组件，尤其涉及包含陶瓷主体并且能够在高温操作环境中使用的传感器组件。

术语“传感器组件”意在涵盖如下面（非详尽的）列表所阐述的各种各样的不同传感器类型和产品：压力传感器、应变式传感器、温度传感器、电容式传感器、位移测量传感器、叶尖定时传感器、叶尖间隙测量传感器、电感式传感器、光传感器、微波传感器以及红外线传感器。

合适产品的更进一步的范围包括电磁透明窗，该电磁透明窗用于例如保护基于电磁的系统免受在燃气涡轮环境中经历的高温和高压。这些窗能够由诸如蓝宝石、石英、金刚石以及更多传统的陶瓷材料的材料制成。术语“透明”意在指任何不在任何显著程度上阻碍电磁辐射路径的材料。通常选择这样的材料用于例如包含光学、微波或红外线技术的特殊测量系统。

背景技术

已知的传感器组件通常包括使用传统钎接技术钎接在一起的复合陶瓷/金属部件。这种已知的传感器组件可包括金属外壳，在该外壳的内径中钎接金属化氧化铝衬套。然后，在该衬套的内径中钎接传感器主体。

传感器主体能够例如由一层或多层金属、导电陶瓷、非导电陶瓷，或者由陶瓷/金属复合物制成，该非导电陶瓷通过将一层导电材料（例如金属）沉积在它的表面上而导电。导电层能够限定电极或其它感应元件或屏蔽层。非导电层能够限定位于导电层之间的绝缘衬垫。形成传感器主体的层能够被加工为预制件，然后被粘合到相邻层或使用任何合适的沉积技术沉积到相邻层上。如果传感器主体的外层基本上由陶瓷材料制成，那么其外表面能够被金属化以使传感器主体能够不需要中间衬套而使用传统钎接技术直接钎接到外壳中。

传感器组件的金属外壳部分可由低膨胀合金制成，该低膨胀合金被特定地设计成具有与衬套和/或传感器主体的热膨胀系数大体上相似的热膨胀系数。如果传感器组件在操作中暴露于高温，则外壳、衬套和传感器主体都以相似的比率膨胀以使单个部件之间的热应力减至最低。

使用低膨胀合金的一个问题是它们在接近500℃的温度中易于氧化。这为传感器组件的操作温度设定了上限。找到一种既适合在较高温度中使用，又具有与衬套和/或传感器主体的热膨胀系数大体上相似的热膨胀系数的金属可能很难。已知的解决方案是使用所谓的“活性钎接”技术，该技术无需金属化涂层而使某些陶瓷材料钎接到金属，并且该技术还在两种不同材料之间提供一定程度的柔量以适应不同的热膨胀率。然而，在实践中，活性钎接合金的操作温度限于大约800℃，该温度对于某些操作来说仍不够高。用于提供一定程度的柔量所需的具柔量的涂层在低于500℃的温度中也易于氧化，而且当操作温度下降到低于这个阈值时，在钎接界面提供密封以使氧化作用减至最低通常是很必要的。

已知进一步的问题存在于这样的情况中：由于热膨胀的结果，在传感器组件的部件部分之间发生大的相对移动。大的相对移动仅能通过增加具柔量的涂层的厚度来适应，而且这会对传感器组件的设计设定实际限制。

发明内容

本发明提供一种传感器组件，包括：具有径向凸缘的传感器主体；具有环形沟道的外壳，所述传感器主体的径向凸缘容纳在所述环形沟道中，所述环形沟道由一对相面对的肩部（facing shoulders）限定，所述相面对的肩部各自具有环形表面和大体上呈柱形的表面；其中，所述肩部的环形表面与所述凸缘的环形表面滑动接触并且将压缩负载施用于所述凸缘。

传感器主体并未物理固定在外壳上（例如通过钎接），但是由于由肩部的环形表面施用于凸缘的压缩负载的结果，传感器主体被牢牢地控制在外壳中。传感器组件的特定结构意味着不同的热膨胀并没有显著的问题，因此传感器组件固有地适合于高温操作。如将在下文更详细地描述，能够以一种使用传统焊接技术的经济有效的方式制造该传感器组件。

优选地，传感器主体大体上由陶瓷材料形成并能够包括例如一个或多个导电层以及一个或多个非导电层。传感器主体的精确形状和结构并不是本发明的关键特征而且将取决于传感器组件的类型。然而，传感器主体必需包括径向凸缘。

优选地，外壳是由高温金属形成的两段式外壳（two-part housing）。更具体地，相面对的肩部之一优选地形成在第一外壳部中，而相面对的肩部中的另一个优选地形成在第二外壳部中。第一和第二外壳部被固定在一起，以肩部对齐并且限定环形沟道的方式形成两段式外壳，传感器主体的径向法兰容纳在该环形沟道中。因此凸缘通常被所施用的压缩负载控制在两个外壳部之间。

优选地，第一外壳部由钎接材料钎接到第二外壳部。能够使用任何合适的钎接材料。

优选地，在外壳与凸缘的环形表面之间、在压缩负载下的滑动接触在外壳与传感器主体之间提供密封。即使当传感器组件暴露在高操作温度时，也会保持密封。

本发明提供一种制造传感器组件的方法，包括步骤：提供具有径向凸缘的传感器主体；将传感器主体设置在两段式外壳中，所述两段式外壳具有环形沟道，所述传感器主体的径向凸缘容纳在所述环形沟道中，所述环形沟道由一对相面对的肩部限定，所述肩部各自具有环形表面和大体上呈柱形的表面，一个肩部形成在第一外壳部中并且另一个肩部形成在第二外壳部中；使所述肩部的环形表面与所述凸缘的环形表面相接触；以及将所述第一和第二外壳部钎接在一起以形成一体化的两段式外壳，步骤为（i）将所述传感器组件提高至特定的钎接温度，期间所述第一和第二外壳部经历热膨胀，（ii）将处于熔化状态的钎接材料应用于所述第一和第二外壳部，以及（iii）降低所述传感器组件的温度以便所述钎接材料凝固将所述第一和第二外壳部固定在一起以形成所述一体化的两段式外壳，并且在此期间所述第一和第二外壳部经历热收缩以将压缩负载施用于所述凸缘。

在优选的方法中，第一和第二外壳部被组装在一起以大体上围绕传感器主体，各自的钎接表面接触或者接近。在钎接工序期间，随着将传感器组件提高至特定的钎接温度，优选地装载第一和第二外壳部以保持相面对的肩部的环形表面与凸缘的环形表面之间直接接触。更具体地，肩部的环形表面优选地通过施用负载与凸缘的环形表面接触，所述负载使第一和第二外壳部在轴向方向彼此朝向对方。在特定的钎接温度中，钎接材料处于熔化状态，并且第一和第二外壳部与凸缘之间的接触优选地保持在负载下。在第一和第二外壳部的钎接表面之间应用钎接材料。通常在传感器组件处于环境温度时（即在“冷”应用工序中）应用钎接材料，以便当传感器组件的温度达到该特定的钎接温度时，钎接材料过渡到熔化状态，但是一旦传感器组件的温度达到钎接温度（即在“热”应用工序中），还能应用钎接材料。随着传感器组件的温度随后降低，钎接材料凝固以牢牢地将第一和第二外壳部固定在一起以形成包围传感器主体的一体化的两段式外壳，该传感器主体通常基本上由陶瓷材料制成。第一和第二外壳部经历热收缩并且有效地收缩到传感器主体的凸缘上以在轴向方向将显著的压缩负载施用于所述凸缘。换句话说，当温度降低时，外壳比传感器主体收缩得更多。压缩负载的应用导致外壳与传感器主体之间产生密封。提供密封非常重要，因为密封防止湿气渗入传感器组件并降低传感器组件的操作性能。

容易理解的是，由第一和第二外壳部的收缩产生的压缩负载不同于在钎接工序中施用的外部负载，并且贯穿传感器组件的操作期都保持该压缩负载。已知陶瓷材料很好地应对压缩负载，并且评估显示出在钎接工序期间对传感器主体的损害的风险非常低。在实践中，由于外壳与传感器主体之间在轴向方向的热膨胀不同，当传感器组件处于高操作温度时施用的压缩负载将略小于在环境温度时的压缩负载。然而，压缩负载将始终处于足够水平以保持密封。

当在高操作温度中使用传感器组件时，外壳经历热膨胀并且在径向方向从传感器主体向外膨胀。换句话说，随着温度的升高，外壳膨胀多于传感器主体的膨胀。膨胀导致外壳的环形表面相对于凸缘的环形表面在径向方向滑动，并且这种滑动接触可以通过为传感器主体（或其接触表面）和/或外壳选择合适的材料而增强。在轴向方向相对于传感器主体的外壳的任何移动都非常小（通常是几微米的量级）并且为外壳的材料性能所适应。

考虑到钎接材料和外壳材料等的机械性能，传感器组件的最大操作温度有效地受限于钎接温度。可以预见的是，对于超过1200℃的典型的钎接温度，那么传感器组件能够在接近1000℃的温度下在钎接表面正常工作。容易理解的是，从钎接表面被去掉的传感器组件的其它部分的温度可能显著较高。例如，在用于测量燃气涡轮发动机叶尖与周围铸件之间的间隙的电容传感器情形中，传感器组件的正面可能暴露于大约1500℃的温度，同时钎接表面所在的传感器组件的后面经历较低温度。

附图说明

图1是示出根据本发明的传感器组件的分解剖面图；

图2是示出在环境温度下，完整的传感器组件的剖面图；

图3A和图3B是示出钎接工序的剖面图，传感器组件的外壳的两个部分通过所述钎接工序被固定在一起以包围内部的传感器主体；以及

图4是示出在高操作温度下，图2的完整的传感器组件的剖面图。

图1和图2示出一种传感器组件，所述传感器组件具有由陶瓷材料制成的传感器主体2以及一体化的两段式金属外壳20。

传感器主体2包括由导电陶瓷形成的电极4和由非导电陶瓷形成的起绝缘层作用的外层6。能够使用任何合适的制造技术将外层6沉积或者粘合到内部电极4上，使得传感器主体2成为一体化结构。能够选择用于形成电极4和外层6的不同的陶瓷材料以具有大体相似的热膨胀系数。容易理解的是取决于传感器的类型，传感器主体2可具有任何方便的或者合适的结构，具有例如一层或多层金属、导电陶瓷、非导电陶瓷或者导电的陶瓷/金属复合物，其中通过将一层导电材料（例如金属）沉积在非导电陶瓷的表面而使其导电。

传感器主体2包括凸缘8，该凸缘8从外层6的外柱形表面10沿径向向外突出。凸缘8包括第一环形表面12、第二环形表面14以及柱形表面16。

外壳20由第一外壳部22和第二外壳部24组成。

第一外壳部22包括中央柱形孔26和环形肩部28，所述环形肩部28的直径大于所述中央孔的直径并且所述环形肩部28由环形表面30和柱形表面32限定。

第二外壳部24包括中央柱形孔34和环形肩部36，所述环形肩部36的直径大于所述中央孔的直径并且所述环形肩部36由环形表面38和柱形表面40限定。外孔42具有比柱形表面40的直径更大的直径并且外孔42被第二外壳部的轴向延伸凸缘44限定。

位于各个外壳部中的中央孔26、34的尺寸被制作为适于容纳传感器主体2，当传感器组件处于环境温度时，所述中央孔26、34与外表面10具有紧公差配合。然而，在传感器主体凸缘的外表面与外壳的内表面之间的径向配合通常被认为是非关键性的。

第一外壳部22包括柱形钎接表面46。如图2中所示，当第一外壳部22组装到第二外壳部24时，那么钎接表面46面对凸缘44的相应的钎接表面48。更具体地，当第一外壳部22与第二外壳部24组装到一起时，第一外壳部22的钎接表面46以紧公差配合径向地置于第二外壳部分24的凸缘44中。环形肩部28、36也被对准以限定环形沟道或凹槽，当传感器组件处于环境温度时，传感器主体2的凸缘8以紧公差配合容纳在所述环形沟道或凹槽中。尽管未示出，但可以对第一和第二外壳部22、24的上表面进行倒角以邻近各自的钎接表面，以便它们组装到一起时限定一窄环形沟道，钎接材料能够沉积在所述窄环形沟道中。

现在将参考图3A和3B解释传感器组件的组装步骤。

在合适的框架或支撑部S中支撑第二外壳部24。如图3A中所示，将传感器主体2插入到第二外壳部24的中央柱形孔34中，然后将第一外壳部22定位至第二外壳部24，使传感器主体2的上部位于中央柱形孔26中并且各自的钎接表面46、48轴向对准。

然后将第一和第二外壳部22、24通过钎接工序固定在一起。将钎接材料BM（任选地以糊剂的形式）施用于在第一和第二外壳部22、24的各自的钎接表面46、48之间界面处的传感器组件的上表面。钎接材料可以处于上述窄环形沟道（未示出）中。将传感器组件提高至特定的钎接温度，所述特定的钎接温度由待使用的钎接材料决定。在钎接工序中，将轴向负载施用于第一外壳部22（如箭头指示）以保持相面对的肩部的环形表面30、38与凸缘8的环形表面12、14之间的直接接触。

如图3B所示，随着传感器组件的温度被提高至钎接温度，第一和第二外壳部22、24在径向方向从传感器主体2向外膨胀。第一和第二外壳部22、24在轴向方向的膨胀受限并且由轴向负载保持相面对的肩部的环形表面30、38与凸缘8的环形表面12、14之间的直接接触。轴向空隙50确保在第一和第二外壳部22、24之间没有直接接触，该直接接触本来会限制或约束能够被施用于凸缘8的轴向负载的量。换句话说，作用在凸缘8的环形表面12、14上轴向压缩力仅仅由在钎接工序期间施用的轴向负载以及随后的压缩负载所决定。

一旦传感器组件的温度达到钎接温度，钎接材料便处于熔化状态并且通过毛细管作用向下吸入到在第一和第二外壳部22、24的钎接表面46、48之间的界面中。

随着传感器组件的温度随后降低，钎接材料凝固以将第一和第二外壳部22、24固定在一起以形成包围传感器主体2的一体化的两段式外壳20。更具体地，通过在相面对的钎接表面46、48之间的接合处或界面上的钎接材料，第一和第二外壳部22、24被牢牢地固定在一起。第一和第二外壳部22、24在任何其他表面并未固定在一起，并且并未以任何方式固定到传感器主体2。外壳20与传感器主体2之间没有固定意味着传感器组件不经历任何由于不同热膨胀而造成的应力，该不同的热膨胀在其它情况下可能会导致陶瓷和/或金属部件的解体或断裂。

第一和第二外壳部22、24经历热收缩并且有效地收缩到传感器主体2的凸缘8上以在轴向方向将有效的压缩负载施用于所述凸缘。在钎接工序期间压缩负载的应用导致在外壳20与传感器主体2之间产生密封。更具体地，在相面对的肩部的环形表面30、38与凸缘8的环形表面12、14之间形成密封。为提供光滑的表面抛光，可以机器加工、涂覆或者用其它方法处理一个或多个环形表面以便在尽可能大的面积上建立紧密的物理接触。

如图4中所示，当在高操作温度中使用传感器组件时，第一和第二外壳部22、24经历热膨胀并且在径向方向从传感器主体2向外膨胀。所述膨胀造成外壳的环形表面30、38相对于凸缘8的环形表面12、14在径向方向滑动。然而，在高操作温度中，传感器主体2的凸缘8始终处在压缩负载下，并且在传感器组件的操作期的所有时间里保持密封。

为将凸缘8与第一和第二外壳部22、24之间不同的热膨胀减至最小，优选地保持凸缘8在轴向方向的厚度最小。容易理解的是如果不同的热膨胀太大，那么这可能会导致密封受损。然而，凸缘8还必须足够厚以应对在钎接工序期间施用的外部负载以及由此产生的压缩负载。凸缘8还优选地突出传感器主体2的外表面一定量，这将允许第一和第二外壳部22、24从传感器主体向外径向膨胀，同时在各个环形表面之间保留足够接触以保持密封。

Claims (11)

1.一种传感器组件，包括：

传感器主体，具有径向凸缘；以及

外壳，具有环形沟道，所述传感器主体的径向凸缘容纳在所述环形沟道中，所述环形沟道由一对相面对的肩部限定，所述相面对的肩部各自具有环形表面和大体上呈柱形的表面；

其中，所述肩部的环形表面与所述凸缘的环形表面滑动接触并且向所述凸缘施用压缩负载。

2.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器主体基本上由陶瓷材料形成。

3.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器主体包括一个或多个导电层以及一个或多个非导电层。

4.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述外壳为两段式外壳。

5.根据权利要求4所述的传感器组件，其中所述相面对的肩部之一形成在第一外壳部中，所述相面对的肩部中的另一个形成在第二外壳部中。

6.根据权利要求5所述的传感器组件，其中所述第一外壳部固定到所述第二外壳部。

7.根据权利要求5所述的传感器组件，其中所述第一外壳部由钎接材料钎接到所述第二外壳部。

8.根据权利要求1所述的传感器组件，其中所述传感器主体并不固定到所述外壳。

9.根据权利要求1所述的传感器组件，其中在所述外壳与处于压缩负载下的所述凸缘的环形表面之间的滑动接触在所述外壳与所述传感器主体之间提供密封。

10.一种制造传感器组件的方法，包括步骤：

提供具有径向凸缘的传感器主体；

将所述传感器主体置于两段式外壳中，所述两段式外壳具有环形沟道，在所述环形沟道中容纳所述传感器主体的径向凸缘，所述环形沟道由一对相面对的肩部限定，所述相面对的肩部各自具有环形表面以及大体上呈柱形的表面，一个所述肩部形成在第一外壳部中，另一个所述肩部形成在第二外壳部中；

使所述肩部的环形表面与所述凸缘的环形表面接触；以及

将所述第一和第二外壳部钎接在一起以形成一体化的两段式外壳，步骤为（i）将所述传感器组件提高至特定的钎接温度，期间所述第一和第二外壳部经历热膨胀，（ii）将处于熔化状态的钎接材料应用于所述第一和第二外壳部，以及（iii）降低所述传感器组件的温度以便所述钎接材料凝固而将所述第一和第二外壳部固定在一起以形成一体化的两段式外壳，并且在此期间所述第一和第二外壳部经历热收缩向所述凸缘施用压缩负载。

11.根据权利要求10所述的制造传感器组件的方法，其中通过施用负载将所述肩部的环形表面与所述凸缘的环形表面接触，所述负载使所述第一和第二外壳部彼此相向。