CN103261845B - 传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了传感器主体（1’），其可以用作传感器装置的部件，可选的用作用来测量气体涡轮发动机叶片的顶端与周围壳体之间的间隙的电容性传感器的部件。该传感器主体包括：具有导电电极层（6）的芯层（2）。外绝缘层（4）实质上包围芯层（2），并且沿着传感器主体的前部（8）延伸以定义窗口层（10），窗口层（10）提供了将气体与传感器主体的各构成层之间的任意界面隔绝的气密密封。芯层（2）和外绝缘层（4）由同一非导电的陶瓷材料形成以避免热膨胀差异带来的任何问题。电极层（6）嵌入在传感器主体的前部内并且在芯层（2）与窗口层（10）之间延伸。

Description

传感器装置

技术领域

本发明涉及传感器装置，特别地涉及包含陶瓷传感器主体的可以用于高温操作环境的传感器装置。

背景技术

已知的传感器装置通常包括使用传统钎焊工艺钎焊在一起的复合陶瓷/金属组件。这样的已知传感器装置可以包括金属外壳，其中金属化氧化铝衬套被钎焊进外壳的内径。然后传感器主体被钎焊进衬套的内径。

传感器主体可以例如由一层或多层的金属、导电陶瓷、通过布置在表面上的导电材料（例如，金属）层进行导电的非导电陶瓷、或导电陶瓷/金属混合物制成。导电层可以定义电极或其他感测元件或屏蔽层。非导电层可以定义布置在各导电层之间的绝缘隔离物。形成传感器主体的层可以加工成预成型部件然后结合到相邻层、或者使用任意合适的沉积工艺沉积到相邻层。如果传感器主体的外层实质上由陶瓷材料制成，则其外层表面可以被金属化，以便可以使用传统钎焊工艺将传感器主体直接钎焊进外壳而无需使用中间衬套。

传感器装置的金属外壳部件可以由低膨胀合金制成，低膨胀合金专门设计成具有与衬套和/或传感器主体的热膨胀系数基本相似的热膨胀系数。如果传感器装置在操作期间暴露于高温，则外壳、衬套和传感器主体均以相似比率膨胀以使各个组件之间的热应力最小化。

使用低膨胀合金的一个问题是其在接近500°C温度下易于被氧化。这给传感器装置的操作温度设置了上限。很难找到在高温下适合使用的并且也具有与衬套和/或传感器主体的热膨胀系数基本相似的热膨胀系数的金属。已知的解决方案是使用所谓的“活性（active）钎焊”工艺，其允许某些陶瓷材料钎焊至金属而无需使用金属化的涂层，并且还在两种不同材料之间提供了柔度（a degree of compliance）以适应不同的热膨胀比率。然而在实际应用中，活性钎焊合金的操作温度限制于约800°C，其对于某些操作来说仍然不足够高。提供柔度所需的顺应涂层（compliant coating）在低于500°C的温度下易于被氧化，因此通常需要在钎焊界面处提供气密密封来使氧化作用最小化。

已知的另外的问题存在于由于热膨胀而在传感器装置的组成部件之间发生较大的相对移动的情况。较大的相对移动只可以通过增加顺应涂层的厚度来容纳，并且这对传感器装置的设计施加了实际限制。

在许多工业测量应用中，需要传感器装置可以在高操作温度下使用以测量与静止或经过对象的距离。典型应用是测量气体涡轮发动机叶片顶端与周围壳体之间的间隙。在该情形中传感器装置的操作温度可达1500°C。包括例如熔融金属和熔融玻璃级别的测量的其他应用具有相似的操作温度需要。

美国专利5760593（BICC公开股份有限公司）和US4804905（Ding等人）公开了一种传感器装置，其具有可选的金属涂层或金属层形式的电极，该电极与静止或经过对象电容耦合。该电极连接到标准三轴传输电缆的中心导体并且被金属屏蔽罩和金属外壳包围。屏蔽罩和外壳分别直接连接到三轴传输电缆的中间导体和外侧导体。绝缘层设置在电极与屏蔽罩之间并且也设置在屏蔽罩与外壳之间。绝缘层可以例如是加工的陶瓷隔离物或者沉积的陶瓷层的形式。

这些传统传感器的问题是它们通常利用交替的金属和陶瓷材料的组合。随着传感器装置的操作温度的增加，金属组件相比于陶瓷组件更易于膨胀。这常常导致在陶瓷隔离层或陶瓷层中形成应力性断裂，这降低了它们的电学性能并且甚至可以导致陶瓷组件的破裂或分层。这不仅使传感器装置电学失效，而且陶瓷组件的破裂或分层还会使金属组件振动，从而可能导致整个传感器装置的机械失效。如果使用导电陶瓷，可能发生类似问题，这是因为各个热膨胀系数（CTE）的仅仅很小的差异在传感器装置的预期寿命期间可能变得显著。热膨胀差异也可能引起测量精度的降低。

气体涡轮发动机制造商现在针对将要安装至生产模型的传感器要求至少20000小时的操作寿命。尽管传统传感器已在高操作温度下成功使用了较短时间，但它们无法永远满足所需的操作寿命，这是由金属和陶瓷（或陶瓷和陶瓷）组件的不同热膨胀特性导致的传感器装置的固有缺点造成的。

传统传感器装置也容易受到水分渗透的影响，这可能降低传感器性能。

发明内容

本发明提供了一种传感器主体，包括：芯层；外绝缘层，其实质上包围芯层，并且其沿着传感器主体的前部延伸以定义窗口层，窗口层提供了将气体与传感器主体的各构成层之间的任意界面隔绝的气密密封，芯层和外绝缘层形成为由同一非导电的陶瓷材料构成的分离组件并且被结合在一起以形成完整的多层传感器主体；以及导电电极层，其位于芯层与外绝缘层之间，包括位于芯层与窗口层之间。

可以使用任何适当的非导电的陶瓷材料，优选的是无孔陶瓷材料，例如氮化硅（SiN）。

在使用时传感器主体的前部通常为例如传感器主体暴露于高操作温度的部分。

因此电极层从传感器主体的正面向后移并且实际上被绝缘层包围（即，实质上嵌入在完整的传感器主体中）。电极层可以在传感器主体的后面处暴露出来，以允许其直接地或通过中间导电桥间接地连接到同轴或三轴传输电缆的内导体。

提供完整的窗口层形式的气密密封意味着气体与所有内部界面隔绝。这可以使设计和传感器中使用的材料更加灵活。传感器装置也可以暴露于高操作温度（例如，高达大约1500°C），这是因为传感器主体的各构成层不易被氧化。

窗口层优选为实质上对电磁辐射是透明的。

电极层可以连接到同轴或三轴传输电缆的内芯，该同轴或三轴传输电缆将测量信号输送至外部信号处理电子器件。如果传感器主体作为传感器装置（见下文）的一部分的适配于金属外壳中，则可以将外壳连接到同轴或三轴传输电缆的外导体。

形成外绝缘层的陶瓷组件（或主体）可以是单块式组件，其具有主部件和定义了传感器主体的窗口层的窗口部件。窗口部件可以是组件中的盲孔的闭合端。可替换地，陶瓷组件可以是两块式组件，其具有主部件和分离的圆盘部件，圆盘部件结合至主部件并且定义了传感器主体的窗口层。可以通过使圆盘部件的外边缘表面结合至主部件的相对内表面的方式来将圆盘部件置于主部件中的孔中以闭合孔的一端，或者将圆盘部件结合至主部件的环形前表面。圆盘部件可以由与主部件相同的非导电的陶瓷材料（优选为无孔陶瓷）制成并且可以在被结合至主部件之后对其进行机械加工。

在三轴传感器主体的情况下，导电屏蔽（或防护）层可以置于芯层与外绝缘层之间。屏蔽层可以通过内绝缘层与电极层隔开，内绝缘层由与芯层和外绝缘层均相同的非导电的陶瓷材料制成。屏蔽层可以连接到三轴传输电缆的中间导体。屏蔽层与中间导体之间的连接（也是金属外壳层与外导体之间的连接）可以直接地或通过中间导电桥间接地形成，中间导电桥结合至传感器主体的后部，并且远离传感器主体向着低温区域延伸。

由于主体构成层（例如，芯层和绝缘层）由同一非导电的陶瓷材料形成，所以实际上消除了热膨胀差异带来的问题。

电极层可以由一个或多个层或涂层来形成。电极层可选地由导电陶瓷材料、陶瓷复合材料、金属或金属合金、或者前述材料的任意组合来形成，并且可以包括孤立的钎焊合金层或与上述一个或多个材料结合的钎焊合金层。可选地使用适当的沉积工艺可以将电极层作为涂层涂敷于定义了芯层的陶瓷组件和/或定义了的外绝缘层的陶瓷组件上。

屏蔽层可以由一个或多个层或涂层来形成。屏蔽层可选地由导电陶瓷材料、陶瓷复合材料、金属或金属合金、或者前述材料的任意组合来形成，并且可以包括孤立的钎焊合金层或与上述一个或多个材料结合的钎焊合金层。可选地使用适当的沉积工艺可以将屏蔽层作为涂层涂敷于定义了内绝缘层的陶瓷组件和/或定义的外绝缘层的陶瓷组件上。该涂层可以定义与电极层同轴的实质上为圆柱形的屏蔽层，并且通过内绝缘层与电极层隔开。

在同轴传感器主体的情况下（即，没有屏蔽层），定义了芯层的陶瓷组件可以被预涂有电极层并且被置于定义了外绝缘层的陶瓷组件的孔中。可替换地，在将定义了芯层的陶瓷组件置于定义了外绝缘层的陶瓷组件的孔中之前，定义了外绝缘层的陶瓷组件的孔可以被预涂有电极层。该孔可以通常为盲孔，其中位于陶瓷主体的前部处的闭合端定义了窗口层。更具体地，盲孔的闭合端可以由外绝缘层组件的窗口部件来定义，该窗口部件可选地设置为如上所述的分离的预成型的陶瓷圆盘，陶瓷圆盘结合至该组件的主部件。取决于用作电极层的材料类型，随后使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊之类的适当工艺将定义了芯层的陶瓷组件和定义了外绝缘层的陶瓷组件结合在一起。

在三轴传感器主体的情况下，定义了芯层的陶瓷组件可以被预涂有电极层并且被置于定义了内绝缘层的陶瓷组件的孔中。可替换地，在将定义了芯层的陶瓷组件置于定义了内绝缘层的陶瓷组件的孔中之前，定义了内绝缘层的陶瓷组件的孔可以被预涂有电极层。取决于用作电极层的材料类型，随后使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊之类的适当工艺将定义了芯层的陶瓷组件和定义了内绝缘层的陶瓷组件结合在一起。定义了内绝缘层的陶瓷组件可以被预涂有屏蔽层并且被置于定义了外绝缘层的陶瓷组件的孔中。可替换地，在将结合在一起的定义了芯层和内绝缘层的陶瓷组件置于定义了外绝缘层的陶瓷组件的孔中之前，定义了外绝缘层的陶瓷组件的孔可以被预涂有屏蔽层。该孔可以通常为盲孔，其中位于陶瓷主体的前部处的闭合端定义了窗口层。更具体地，盲孔的闭合端由外绝缘组件的窗口部件来定义，该窗口部件可选地设置为如上所述的分离的预成型的陶瓷圆盘，陶瓷圆盘结合至该组件的主部件。取决于用作电极层和屏蔽层的材料类型，随后使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊之类的适当工艺将定义了内绝缘层的陶瓷组件和定义了外绝缘层的陶瓷组件结合在一起。在可替换的工艺中，使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊之类的适当工艺在单个步骤中将适当地预涂有电极层和屏蔽层的定义了芯层、内绝缘层和外绝缘层的陶瓷组件结合在一起。

如果外绝缘层由两个分离的组件（例如，主部件和圆盘部件）形成，则在预处理中将主部件和圆盘部件结合在一起以形成完整组件，即，在将定义了芯层的陶瓷组件（同轴传感器主体）或者结合的或未结合的定义了芯层和内绝缘层的陶瓷组件（三轴传感器主体）插入至外绝缘组件的孔中之前执行该预处理。可替换地，将主部件和圆盘部件结合在一起以形成完整组件的处理可作为主结合处理的一部分。

用来形成同轴和三轴传感器主体的各种陶瓷组件（或主体）可以例如由未烧结的（或“未火烧的（green）”）、部分或全部烧结的陶瓷材料形成。

本发明还提供了一种同轴传感器主体，包括：芯层；外绝缘层，其实质上包围芯层；以及导电电极层，其位于芯层与外绝缘层之间；其中芯层和外绝缘层由同一非导电的陶瓷材料形成；并且其中电极层至少部分地由钛、钛合金、或氮化钛形成。

本发明还提供了一种三轴传感器主体包括：芯层；外绝缘层，其实质上包围芯层；导电电极层，其位于芯层与外绝缘层之间；以及导电屏蔽（防护）层，其位于芯层与外绝缘层之间，屏蔽层通过内绝缘层与电极层隔开；其中芯层、外绝缘层、以及内绝缘层由同一非导电的陶瓷材料形成；并且其中电极层和屏蔽层中的一个或两者至少部分地由钛、钛合金、或氮化钛形成。

对于同轴和三轴传感器主体，外绝缘层可以沿着传感器主体的前部延伸以定义用来提供气密密封的窗口层，该气密密封将气体与传感器主体的各构成层之间的任意界面隔绝。电极层可以在芯层与窗口层之间延伸。芯层和外绝缘层（以及适当情况下的内绝缘层）可以形成为分离的组件，随后被结合在一起以形成完整的多层传感器主体。传感器主体的其余特征均如本文所概括的。

作为电极层和/或屏蔽层的一部分而使用的钛、钛合金、或氮化钛意外地被发现提供了对成品传感器主体的质量方面的显著改善。

传感器主体（或者更具体地，外绝缘层）可以包括径向凸缘，以允许其适配于外壳中以形成传感器装置。该外壳可以具有用来容纳传感器主体的径向凸缘的环形槽，该环形槽由一对相对肩部定义，每个肩部具有环形表面和实质上为圆柱形的表面。肩部的环形表面优选地与凸缘的环形表面滑动接触并且向凸缘施加压力负载。

传感器主体没有（例如通过钎焊）物理地固定到外壳，但是由于通过肩部的环形表面施加于凸缘的压力负载而被牢固地保持在外壳中。传感器装置的该特定构造意味着不存在热膨胀差异导致的显著问题，因此传感器装置具有适用于高温度操作的固有特性。可以使用如下详细描述的传统钎焊工艺以成本效益合算的方式制造该传感器装置。

外壳优选为由高温金属形成的两部件外壳，通常如欧洲专利申请2330408（未来技术（传感器）有限公司）中描述的那样。更具体地，相对的肩部中的一个优选地形成在第一外壳部件中，相对的肩部中的另一个优选地形成在第二外壳部件中。通过使得肩部对齐并且肩部定义了用来容纳传感器主体的径向凸缘的环形槽的方式将第一外壳部件和第二外壳部件固定在一起以形成两部件式的外壳。因此凸缘通过所施加的压力负载而被正常地保持在两个外壳部件之间。

第一外壳部件优选地通过钎焊材料钎焊到第二外壳部件。可以使用任何适当的钎焊材料。

外壳与凸缘的环形表面之间在压力负载下所具有的滑动接触优选地在外壳与传感器主体之间提供了气密密封。即使当传感器装置暴露于高操作温度时该气密密封也能得以保持。

一种制造传感器装置的方法可以包括步骤：提供具有径向凸缘的传感器主体；将传感器主体置于两部件式外壳内，两部件式外壳具有用于容纳传感器主体的径向凸缘的环形槽，该环形槽由一对相对肩部来定义，每个肩部具有环形表面以及实质上为圆柱形的表面，一个肩部形成在第一外壳部件中，另一个肩部形成在第二外壳部件中；使肩部的环形表面与凸缘的环形表面接触；以及通过以下步骤（i）将传感器装置升温至特定钎焊温度并且在此期间第一外壳部件和第二外壳部件经历热膨胀、（ii）将熔融状态下的钎焊材料涂敷至第一外壳部件和第二外壳部件、以及（iii）降低传感器装置的温度来使得钎焊材料固化以将第一外壳部件和第二外壳部件固定在一起从而形成完整的两部件式外壳并且在此期间第一外壳部件和第二外壳部件经历热收缩以将压力负载施加到凸缘，从而将第一外壳部件和第二外壳部件钎焊在一起以形成完整的两部件式外壳。

在优选的方法中，第一外壳部件和第二外壳部件装配在一起以利用各个钎焊表面接触或靠接的方式实质上包围传感器主体。在钎焊工艺期间，随着传感器装置升温至特定钎焊温度，第一外壳部件和第二外壳部件优选地被施以负载以保持相对肩部的环形表面与凸缘的环形表面之间的直接接触。更具体地，优选地通过施加强制第一外壳部件和第二外壳部件在轴向上朝向彼此的负载来使肩部的环形表面与凸缘的环形表面直接接触。在特定钎焊温度下，钎焊材料处于熔融状态并且在负载下优选保持第一外壳部件与第二外壳部件之间的接触。在第一外壳部件与第二外壳部件的钎焊表面之间涂敷钎焊材料。通常在传感器装置处于环境温度时（即，在“冷”应用处理时）提供钎焊材料，使得当传感器装置的温度达到特定钎焊温度时钎焊材料转变至熔融状态，但是也可以在一旦传感器装置的温度已达到钎焊温度（即，“热”应用处理）时就提供钎焊材料。之后随着传感器装置的温度的降低，钎焊材料固化以将第一外壳部件和第二外壳部件牢牢固定在一起，从而形成包围通常实质上由陶瓷材料制成的传感器主体的完整的两部件式外壳。第一外壳部件和第二外壳部件经历热收缩并且有效地收缩至传感器主体的凸缘上以将足够的压力负载轴向施加到凸缘上。也就是说，随着温度的降低外壳更紧密地接触传感器主体。压力负载的施加结果是在外壳与传感器主体之间创建了气密密封。提供气密密封是重要的，这是因为其防止了水分渗入传感器装置从而降低其操作性能。

容易理解的是，由第一外壳部件和第二外壳部件的收缩产生的压力负载不同于在钎焊工艺期间施加的外部负载，并且该压力负载在传感器装置的操作寿命期间得以保持。已知陶瓷材料容易应付压力负载，并且评估显示，在钎焊工艺期间传感器主体遭受破坏的风险非常小。在实践中，当传感器装置处于高操作温度时施加的压力负载略小于环境温度时施加的压力负载，这是因为在外壳与传感器主体之间存在轴向热膨胀差异。然而，压力负载总是处于足够水平以保持气密密封。

当传感器装置在高操作温度使用时，外壳经历热膨胀并且远离传感器主体在径向上膨胀。也就是说，随着温度的上升外壳比传感器主体膨胀得更多。该膨胀使外壳的环形表面相对于凸缘的环形表面径向滑动，并且通过适当选择用于传感器主体（或其接触表面）和/或外壳的材料可以促进该滑动接触。外壳相对于传感器主体在轴向上的任何移动都是非常小的，但如下面详细描述的那样，该移动仍然足够引起测量误差。

传感器主体的窗口层提供一种机制，其允许由传感器装置提供的测量信号关于温度进行自补偿。如果传感器装置要暴露于高操作温度，则这是特别重要的。

在具有通过陶瓷绝缘体隔离的金属电极、可选择的金属屏蔽、以及金属外壳的传统传感器装置中，对电极的正面与经过的或固定的目标之间的电容进行测量。在通常在空气中、室温下执行的传感器校准期间，测得的电容通过相关信号处理电子器件被转换成作为测得的电极与目标之间的间隙的函数而测量和存储的电压。通常，测得的电容越大，测得间隙越小。操作期间，空气的介电常数不会显著受温度变化的影响，因此室温下的校准可以用来准确地确定电极与目标之间的间隙，并且如果传感器装置被安装在气体涡轮发动机中，则该室温下的校准例如可以用来确定气体涡轮发动机叶片的顶端与周围壳体之间的间隙。

在传统传感器装置中，金属电极的正面、适当的金属屏蔽、以及金属外壳以与发动机壳体或夹具实质上相同的比率膨胀，因此该膨胀不会显著影响取得的间隙测量的精度。然而，在本发明的传感器主体的情况下，主体构成层由陶瓷材料制成，可选择地被保持在上述两部件式金属外壳中。陶瓷材料的热膨胀系数（CTE）约为3×10^-6/°C到4×10^-6/°C之间，金属外壳的CTE在室温下约为10×10^-6/°C、在1000°C的温度下约为16×10^-6/°C。这意味着随着操作温度的上升外壳比传感器主体膨胀得更多，这使传感器主体的正面逐渐远离外壳的正面而向后移，也远离发动机壳体或夹具而向后移。从而热膨胀差异引起了测得电容相对于温度的变化，这一般导致测量精度的显著降低。更具体地，对于任何恒定间隙值，传感器主体相对于外壳和发动机壳体的热膨胀差异使测得电容随着温度的上升减小，反之亦然。

传感器主体的窗口层置于电极层的正面与固定的或经过的目标之间，并且在室温下具有约7.8的介电常数、在1200°C具有约8.8的介电常数，这表示在规定的温度范围上增加约12%。如上所述，空气间隙的介电常数不会受到温度变化的显著影响。然而，测得电容是空气间隙电介质和窗口层电介质的组合，并且因此取决于传感器装置的操作温度。更具体地，对于任何恒定的间隙值，随着温度的上升由于窗口层的介电常数的增大测得电容也增大，反之亦然。因此，容易理解的是，对于本发明的传感器装置，操作温度的上升导致以相反方式影响测得电容的两个分离的过程。在第一过程中，对于任何恒定的间隙值，由于金属外壳与发动机壳体或夹具之间的相对热膨胀，测得电容会减小。在第二过程中，对于任何恒定的间隙值，由于陶瓷窗口层的介电常数的增大，测得电容增大。由于相对热膨胀是传感器主体的正面与金属外壳中的滑动密封位置之间的距离的函数（即，距离越大相对热膨胀越大，反之亦然），则通过控制作为该距离的函数的窗口层厚度，可以实质上补偿（在一些情况下完全补偿）相对热膨胀误差和电介质误差，结果在宽操作温度范围上提高了测量精度。在实践中，窗口层的宽度约为0.5mm到1.5mm之间，这对于大部分尺寸的传感器主体都足够提供改善的测量精度。

考虑到钎焊材料和外壳材料等的机械特性，传感器装置的最大操作温度有效地由外壳的钎焊温度限制。期望的是，对于大于1200°C的典型钎焊温度，传感器装置可以在钎焊表面温度接近1000°C时正常工作。容易理解的是，传感器装置的远离钎焊表面的其他部分的温度可以显著更大。例如，在电容性传感器被用来测量气体涡轮发动机叶片的顶端与周围壳体之间的间隙的情况下，传感器装置的正面可能暴露于约1500°C的温度，而钎焊表面所处的传感器装置的后部经历较低的温度。

附图说明

图1是示出根据本发明的第一传感器主体的剖面示意图；

图2是示出根据本发明的第二传感器主体的剖面示意图；

图3是示出如何形成图1的第一传感器主体的剖面示意图；

图4是示出如何形成图2的第二传感器主体的剖面示意图；

图5是示出根据本发明的第三传感器主体的剖面示意图；

图6是示出根据本发明的第四传感器主体的剖面示意图；

图7是示出如何形成图5的第三传感器主体的剖面示意图；

图8是示出如何形成图6的第四传感器主体的剖面示意图；

图9是示出其中将图1的传感器主体安装到两部件外壳中的传感器装置的分解的剖面示意图；

图10是示出在环境温度下的完整的传感器装置的剖面示意图；

图11是示出在高操作温度下的图10的完整的传感器装置的剖面示意图；

图12示出了当在高操作温度下使用传感器装置时测量精度如何得到保持。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的同轴传感器主体1。该传感器主体包括由诸如氮化硅（SiN）之类的同一非导电陶瓷材料制成的芯层2和外绝缘层4。电极层6的材料为诸如钛（Ti）或钼（Mo）之类的金属、钛的合金、或者诸如氮化钛（TiN）或二硅化钼（MoSi₂）之类的导电陶瓷，电极层6被涂敷为涂层并且覆盖芯层2的圆柱形外表面2a以及前、后平面表面2b、2a。

外绝缘层4沿着传感器主体的前部8延伸，在使用时该前部8暴露于高操作温度。例如，如果传感器主体形成用于测量气体涡轮发动机叶片顶端与周围壳体之间的间隙的电容性传感器的部件，则传感器主体的前部8可能面向叶片顶端并且暴露于高达约1500°C的温度。沿着前部8的外绝缘层4定义了对电磁辐射实质上透明的窗口层10。电极层6在窗口层10与芯层2的平面前表面2b之间延伸，使得该电极层实质上嵌入在传感器主体的前部8内并且不暴露。电极层6在传感器主体的后部12处暴露以允许其连接至同轴（或三轴）传输电缆的内导体（并未示出）。

图2示出了根据本发明的三轴传感器主体1’。三轴传感器主体1’类似于图1所示的同轴传感器主体1，并且给相同部分赋予相同参考标号。显著的差异仅在于三轴传感器主体1’包括圆柱形屏蔽（或防护）层14，其材料为诸如钛或钼之类的金属、钛的合金、或者诸如氮化钛或二硅化钼之类的导电陶瓷，该圆柱形屏蔽层14连接至三轴传输电缆的中间导体（并未示出）。屏蔽层14通过内绝缘层16与电极层6隔开，并且被外绝缘层4包围。屏蔽层14被涂敷为涂层并且覆盖内绝缘层16的圆柱形外表面16a。

在两种情况下，作为外绝缘层4的组成部分的窗口层10在传感器主体的前部提供气密密封，这意味着气体与所有内部界面隔绝。

每个传感器主体1、1’包括凸缘18，其从外绝缘层4的圆柱形外表面20径向向外突出。凸缘18包括第一环形表面18a、第二环形表面18b、以及圆柱形表面18c。

如图3所示，同轴传感器主体1的芯层2和外绝缘层4形成为分离的组件。电极层6作为涂层沉积在定义了芯层2的预成型陶瓷主体的圆柱形外表面2a、前和后平面表面2b、2c上。被预涂的芯主体插入至定义了外绝缘层4的预成型陶瓷主体中的盲孔22内，使得芯主体的被涂覆的前表面2b与孔的定义了窗口层10的闭端对接。然后使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊之类的适当工艺将被预涂的芯主体与外绝缘主体结合在一起。尽管并未示出，在定义了芯层2的陶瓷主体插入盲孔22之前，也可以替换地或附加地将电极层作为涂层沉积在盲孔22的圆柱形内表面上。

在图4所示的三轴传感器主体1’的情况下，芯层2、内绝缘层16、以及外绝缘层4形成为分离的组件。电极层6作为涂层沉积在定义了芯层2的预成型陶瓷主体的圆柱形外表面2a、前、后平面表面2b、2c上。被预涂的芯主体插入至定义了内绝缘层16的预成型陶瓷主体中的开孔24内。然后使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊之类的适当工艺将被预涂的芯主体与内绝缘主体结合在一起。尽管并未示出，在定义了芯层2的陶瓷主体插入开孔24之前，也可以替换地或附加地将电极层作为涂层沉积在开孔24的圆柱形内表面上。将屏蔽层14作为涂层沉积在内绝缘主体的圆柱形外表面16a上。将被预涂的内绝缘主体和结合的芯主体插入至定义了外绝缘层4的预成型陶瓷主体的盲孔22中，使得芯主体的被涂覆的前表面2b与孔的定义了窗口层10的闭端对接。然后使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊之类的适当工艺将被预涂的内绝缘主体和外绝缘主体结合在一起。尽管并未示出，也可以替换地或附加地将屏蔽层作为涂层沉积在盲孔22的圆柱形内表面上。在可替换的工艺中，各种陶瓷主体被适当地涂覆然后使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊之类的适当工艺以单个步骤被结合在一起。

图5示出了根据本发明的可替换的同轴传感器主体1’’。同轴传感器主体1’’类似于图1所示的同轴传感器主体1，并且给相同的部分赋予了相同的参考标号。显著的差异仅在于定义了外绝缘层4的陶瓷主体由主部件4a和陶瓷圆盘部件26两个部分构成，主部件4a包括开孔22a，陶瓷圆盘部件26结合至主部件4a以定义窗口层10。图6示出了根据本发明的又一个同轴传感器主体1’’’，其也包括陶瓷圆盘部件28。可替换的三轴传感器（未示出）也可以使用陶瓷圆盘部件。

图7和图8示出了陶瓷圆盘部件26、28如何用来闭合开孔22a。在图7中，圆盘26置于开孔22a的前端内，使得圆盘26的外边缘与孔的内表面接触。在图8中，圆盘28定位成用来闭合开孔22a的前端，其中圆盘28的平面后表面与陶瓷主体的主部件4a的环形表面接触。使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊之类的适当工艺将每个圆盘部件26、28结合至主部件4a，以产生其中可容纳定义了芯层2的被预涂的陶瓷主体的整体陶瓷主体。在可替换的工艺中，使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊之类的适当工艺以单个步骤将定义了芯层2的被预涂的陶瓷主体与外绝缘陶瓷主体的主部件4a和圆盘部件26、28结合在一起。可替换的三轴传感器（未示出）可以按相同方式形成。

每个完成的传感器主体具有完整的多层结构。

参照图9和图10，金属外壳30由第一外壳部件32和第二外壳部件34组成。外壳30可以通过连接到同轴或三轴传输电缆的外导体（并未示出）来接地。

第一外壳部件32包括圆柱形中心孔36和环形肩38，环形肩38的直径大于中心孔的直径，环形肩38由环形表面40和圆柱形表面42来定义。

第二外壳部件34包括圆柱形中心孔44和环形肩46，环形肩46的直径大于中心孔的直径，环形肩46由环形表面48和圆柱形表面50来定义。外孔52的直径大于圆柱形表面50的直径，外孔52由第二外壳部件34的轴向延伸的凸缘54来定义。

每个外壳部件中的中心孔36、44的尺寸设计为当传感器装置处在环境温度下时传感器主体1（或上述任何其他传感器主体）以紧密容隙配合容纳于外表面20。然而，传感器主体凸缘的外表面与外壳内表面之间的径向配合通常被认为不是关键。

第一外壳部件32包括圆柱形钎焊表面56。当第一外壳部件如图9所示装配到第二外壳部件44时，钎焊表面56面对凸缘54的相应圆柱形钎焊表面58。更具体地，当装配在一起时，第一外壳部件32的钎焊表面56以紧密容隙配合径向位于第二外壳部件44的凸缘54内。环形肩38、46也对准以定义环形槽或环形凹陷，当传感器装置处在环境温度下时在该环形槽或环形凹陷中以紧密容隙配合来容纳传感器主体的凸缘18。尽管并未示出，第一外壳部件32和第二外壳部件34的上表面可以与各自的钎焊表面斜接相邻，使得当将它们装配在一起时它们定义一个窄的环形槽，可以在该环形槽中沉积钎焊材料。

传感器装置可以被进行如下装配：

第二外壳部件34被支撑在合适的框架或支架中。传感器主体1插入至第二外壳部件34的圆柱形中心孔44中，然后将第一外壳部件32置于第二外壳部件34上以使传感器主体的上部位于圆柱形中心孔36中且各自的钎焊表面56、58轴向对准。

然后第一外壳部件32和第二外壳部件34通过钎焊工艺固定在一起。将钎焊材料（可选为糊剂形式）施加到传感器装置的位于第一和第二外壳部件32、34各自的钎焊表面56与58之间的界面处的上表面。钎焊材料可以坐落到上述窄的环形槽（未示出）中。传感器装置升温至由要使用的钎焊材料确定的特定钎焊温度。在钎焊工艺期间，将轴向负载施加于第一外壳部件32以保持相对肩部的环形表面40、48与凸缘18的环形表面18a、18b之间的直接接触。

随着传感器装置的温度升高至钎焊温度，第一外壳部件32和第二外壳部件34以径向和轴向远离传感器主体向外膨胀。相对肩部的环形表面40、48与凸缘18的环形表面18a、18b之间的直接接触通过轴向负载而得以保持。轴向间隙60确保了第一外壳部件32与第二外壳部件34之间不存在直接接触，其另外限定或约束了可被施加于凸缘18的轴向负载的量。换句话说，作用于凸缘18的环形表面18a、18b的轴向压力只通过在钎焊工艺期间施加的轴向负载以及随后的压力负载来确定。

一旦传感器装置的温度达到钎焊温度，则钎焊材料处于熔融状态并且通过毛细作用被向下引入至第一和第二外壳部件32、34的钎焊表面56与58之间的界面。

随着传感器装置的温度随后减小，钎焊材料固化以将第一外壳部件32和第二外壳部件34固定在一起，从而形成包围传感器主体的完整的两部件外壳30。更具体地，通过在相对钎焊表面56、58之间的结合点或界面处的钎焊材料将第一外壳部件32和第二外壳部件34固定在一起。第一外壳部件32和第二外壳部件34在其他界面处并不固定在一起并且不以任何方式与传感器主体固定。外壳30与传感器主体之间不进行固定意味着传感器装置不会经历由不同热膨胀引起的任何应力，该应力在其他环境下可能导致陶瓷和/或金属组件的破裂和故障。

第一外壳部件32和第二外壳部件34经历热收缩并且有效地收缩至传感器主体的凸缘18上，从而在轴向方向将显著的压力负载施加到凸缘上。钎焊工艺期间的压力负载的施加导致外壳30与传感器主体之间的气密密封的产生。更具体地，在相对肩部的环形表面40、48与凸缘18的环形表面18a、18b之间形成了气密密封。可以对一个或多个环形表面进行机械加工、涂覆、或其他处理，以提供光滑表面抛光，使得在尽可能大的区域上建立紧物理接触。

当传感器装置在高操作温度下使用时，如图11所示第一外壳部件32和第二外壳部件34经历热膨胀并且以径向和轴向远离传感器主体向外膨胀。径向方向上的膨胀引起外壳的环形表面40、48相对于凸缘18的环形表面18a、18b在径向方向滑动。然而，传感器主体的凸缘18在高操作温度保持在压力负载之下，并且在传感器装置的操作寿命期间气密密封一直保持。因为随着操作温度的上升外壳30在轴向方向上比传感器主体膨胀的更多，所以传感器主体的正面逐渐从外壳的正面向后移，也从发动机壳体或夹持夹具向后移。传感器主体的后部以相同方式逐渐后移。对于任何恒定的间隙值，随着温度的上升传感器主体1相对于外壳30的热膨胀差引起测得的电容减小，反之亦然。

凸缘18的轴向厚度优选保持为最小，以便使凸缘与第一和第二外壳部件32、34之间的热膨胀差最小。容易理解的是，如果热膨胀差过大则会导致气密密封受损。然而，凸缘18也要足够厚以应付在钎焊工艺期间施加的外部负载以及所产生的压力负载。凸缘18也优选地从传感器主体的外表面突出一定量，该突出量在保持各个环形表面之间的充分接触以保持气密密封的同时将允许第一和第二外壳部件32、34从传感器主体向外径向膨胀。

图12示出了传感器主体的窗口层10如何提供一种机制，以允许由传感器装置提供的测量信号随着操作温度的上升进行自补偿。该曲线图假设窗口层厚度为0.5mm、标距长度（即，传感器主体的正面与正面滑动密封面之间的距离）为8.5mm。在每个曲线图中，测得电容的误差（y轴）被表示为发动机壳体与叶片顶端之间的测得间隙（x轴）的百分比，其中传感器主体的正面与发动机壳体齐平。每个曲线图包括不同操作温度的结果，即：（i）传感器主体的正面（或顶端）处于800°C，装置传感器主体温度为600°C；（ii）传感器主体的正面处于1000°C，装置传感器主体温度为800°C；以及（iii）传感器主体的正面处于1200°C，装置传感器主体温度为1000°C。曲线图（1）示出了产生于热膨胀差的误差。曲线图（2）示出了产生于陶瓷窗口层的介电常数的变化的误差。曲线图（3）示出了上述两个分离过程导致的总的误差。

容易理解的是，对于小于0.5mm的间隙值，误差增加是显著的。然而，在实践中，传感器主体的正面（或顶端）通常从发动机壳体后移大约0.5mm，以避免由于叶片顶端与壳体摩擦导致的破坏，由此使得测量误差处于非常接近的波带内。针对该特别的传感器构造，测得电容的误差在1.0至5.0mm间隙范围内大体上恒定在-5%左右，因此在实践中可将+5%偏移应用于该同一范围内的所有测量以补偿测量误差。

Claims (40)

1.一种传感器主体，包括：

芯层；

外绝缘层，其实质上包围芯层，并且其在传感器主体的前部定义窗口层，窗口层提供了将气体与传感器主体的各构成层之间的任意界面隔绝的气密密封，芯层和外绝缘层形成为由同一非导电的陶瓷材料构成的分离的预成型的组件并且被结合在一起以形成完整的多层传感器主体；以及

导电电极层，其位于芯层与外绝缘层之间，包括位于芯层与窗口层之间。

2.根据权利要求1所述的传感器主体，其中形成外绝缘层的组件是单块式组件，其具有主部件和定义了传感器主体的窗口层的窗口部件。

3.根据权利要求1所述的传感器主体，其中形成外绝缘层的组件是两块式组件，其具有主部件和分离的圆盘部件，圆盘部件结合至主部件并且定义了传感器主体的窗口层。

4.根据权利要求1所述的传感器主体，其中陶瓷材料是无孔的。

5.根据权利要求1所述的传感器主体，其中窗口层对于电磁辐射是实质上透明的。

6.根据权利要求1所述的传感器主体，其中在形成芯层的陶瓷组件与形成外绝缘层的陶瓷组件结合在一起以形成传感器主体之前，将导电电极层作为涂层涂敷于形成芯层的陶瓷组件和/或形成外绝缘层的陶瓷组件上。

7.根据权利要求1所述的传感器主体，其中导电电极层包括一个或多个层或者包括一个或多个涂层。

8.根据权利要求1所述的传感器主体，其中导电电极层由导电陶瓷材料、陶瓷复合材料、金属或金属合金、或者前述材料的任意组合形成。

9.根据权利要求8所述的传感器主体，其中导电电极层由钛或钛合金形成。

10.根据权利要求8所述的传感器主体，其中导电电极层由氮化钛形成。

11.根据权利要求8所述的传感器主体，其中导电电极层包括孤立的钎焊合金层或与导电陶瓷材料、陶瓷复合材料、金属或金属合金结合的钎焊合金层。

12.根据权利要求1所述的传感器主体，还包括导电屏蔽层，该导电屏蔽层被置于芯层与外绝缘层之间。

13.根据权利要求12所述的传感器主体，其中导电屏蔽层通过内绝缘层与导电电极层隔开，芯层、外绝缘层、以及内绝缘层形成为由同一非导电的陶瓷材料形成的分离组件，并且被结合在一起以形成传感器主体。

14.根据权利要求13所述的传感器主体，其中在形成内绝缘层的陶瓷组件和形成外绝缘层的陶瓷组件结合在一起以形成传感器主体之前，将导电屏蔽层作为涂层涂敷于形成内绝缘层的陶瓷组件和/或形成外绝缘层的陶瓷组件上。

15.根据权利要求12所述的传感器主体，其中导电屏蔽层包括一个或多个层或者包括一个或多个涂层。

16.根据权利要求12所述的传感器主体，其中导电屏蔽层由导电陶瓷材料、陶瓷复合材料、金属或金属合金、或者前述材料的任意组合形成。

17.根据权利要求16所述的传感器主体，其中导电屏蔽层由钛或钛合金形成。

18.根据权利要求16所述的传感器主体，其中导电屏蔽层由氮化钛形成。

19.根据权利要求16所述的传感器主体，其中导电屏蔽层包括孤立的钎焊合金层或与导电陶瓷材料、陶瓷复合材料、金属或金属合金结合的钎焊合金层。

20.根据权利要求1所述的传感器主体，还包括径向凸缘。

21.一种同轴传感器主体，包括：

芯层；

外绝缘层，其实质上包围芯层；以及

导电电极层，其位于芯层与外绝缘层之间；

其中芯层和外绝缘层由同一非导电的陶瓷材料形成；并且

其中导电电极层至少部分地由钛、钛合金、或氮化钛形成。

22.根据权利要求21所述的同轴传感器主体，其中外绝缘层在传感器主体的前部定义窗口层，窗口层提供了将气体与传感器主体的各构成层之间的任意界面隔绝的气密密封。

23.根据权利要求22所述的同轴传感器主体，其中导电电极层在芯层与窗口层之间延伸。

24.根据权利要求21所述的同轴传感器主体，其中芯层和外绝缘层形成为分离的组件并且被结合在一起以形成完整的多层传感器主体。

25.一种三轴传感器主体，包括：

芯层；

外绝缘层，其实质上包围芯层；

导电电极层，其位于芯层与外绝缘层之间；以及

导电屏蔽层，其位于芯层与外绝缘层之间，导电屏蔽层通过内绝缘层与导电电极层隔开；其中

芯层、外绝缘层、以及内绝缘层由同一非导电的陶瓷材料形成；并且

其中导电电极层和导电屏蔽层中的一个或两者至少部分地由钛、钛合金、或氮化钛形成。

26.根据权利要求25所述的三轴传感器主体，其中外绝缘层在传感器主体的前部定义窗口层，窗口层提供了将气体与传感器主体的各构成层之间的任意界面隔绝的气密密封。

27.根据权利要求26所述的三轴传感器主体，其中导电电极层在芯层与窗口层之间延伸。

28.根据权利要求25所述的三轴传感器主体，其中芯层、外绝缘层和内绝缘层形成为分离的组件并且被结合在一起以形成完整的多层传感器主体。

29.一种传感器装置，包括：

(a)传感器主体，其具有：

芯层；

外绝缘层，其实质上包围芯层，并且其在传感器主体的前部定义窗口层，窗口层提供了将气体与传感器主体的各构成层之间的任意界面隔绝的气密密封，芯层和外绝缘层形成为由同一非导电的陶瓷材料构成的分离的预成型的组件并且被结合在一起以形成完整的多层传感器主体；

导电电极层，其位于芯层与外绝缘层之间，包括位于芯层与窗口层之间；和

径向凸缘；以及

(b)外壳，其具有容纳传感器主体的径向凸缘的环形槽，环形槽由一对相对的肩部来定义，每个肩部具有环形表面和实质为圆柱形的表面；

其中肩部的环形表面与径向凸缘的环形表面滑动接触并且向径向凸缘施加压力负载。

30.根据权利要求29所述的传感器装置，其中外壳为两部件外壳，并且相对的肩部中的一个肩部形成在第一外壳部件中，相对的肩部中的另一个肩部形成在第二外壳部件中。

31.根据权利要求30所述的传感器装置，其中第一外壳部件固定到第二外壳部件。

32.根据权利要求30所述的传感器装置，其中传感器主体不固定到外壳。

33.根据权利要求30所述的传感器装置，其中外壳与径向凸缘的环形表面之间在压力负载下所具有的滑动接触在外壳与传感器主体之间提供了气密密封。

34.一种制造同轴传感器主体的方法，包括步骤：

提供芯组件；

提供具有孔的外绝缘组件，芯组件和外绝缘组件由同一非导电的陶瓷材料形成；

将导电电极层作为涂层涂敷于芯组件和/或外绝缘组件的孔上；

将芯组件置于外绝缘组件的孔中；以及

将芯组件与外绝缘组件结合在一起以形成完整的多层传感器主体，传感器主体包括：芯层；外绝缘层，其实质上包围芯层，并且其在传感器主体的前部定义窗口层，窗口层提供了将气体与传感器主体的各构成层之间的任意界面隔绝的气密密封；以及导电电极层，其位于芯层与外绝缘层之间，包括位于芯层与窗口层之间。

35.根据权利要求34所述的方法，其中外绝缘组件是单块式组件，其具有主部件和定义了传感器主体的窗口层的窗口部件，窗口部件由其中放置有芯组件的盲孔的闭合端形成。

36.根据权利要求34所述的方法，其中外绝缘组件是两块式组件，其具有主部件和分离的圆盘部件，圆盘部件结合至主部件以闭合其中放置有芯组件的开孔的一端，并且圆盘部件定义了传感器主体的窗口层。

37.一种制造三轴传感器主体的方法，包括步骤：

提供芯组件；

提供具有孔的内绝缘组件；

提供具有孔的外绝缘组件，芯组件、内绝缘组件、以及外绝缘组件由同一非导电的陶瓷材料形成；

将导电电极层作为涂层涂敷于芯组件和/或内绝缘组件的孔上；

将芯组件置于内绝缘组件的孔中；

将导电屏蔽层作为涂层涂敷于内绝缘组件和/或外绝缘组件的孔；

将芯组件和内绝缘组件置于外绝缘组件的孔中；以及

将芯组件、内绝缘组件、以及外绝缘组件结合在一起以形成完整的多层传感器主体，传感器主体包括：芯层；外绝缘层，其实质上包围芯层，并且其在传感器主体的前部定义窗口层，窗口层提供了将气体与传感器主体的各构成层之间的任意界面隔绝的气密密封；导电电极层，其位于芯层与外绝缘层之间，包括位于芯层与窗口层之间；以及导电屏蔽层，其被置于芯层与外绝缘层之间并且通过内绝缘层与导电电极层隔开。

38.根据权利要求37所述的方法，其中外绝缘组件是单块式组件，其具有主部件和定义了传感器主体的窗口层的窗口部件，窗口部件由其中放置有芯组件和内绝缘组件的盲孔的闭合端形成。

39.根据权利要求37所述的方法，其中外绝缘组件是两块式组件，其具有主部件和分离的圆盘部件，圆盘部件结合至主部件以闭合其中放置有芯组件和内绝缘组件的开孔的一端，并且圆盘部件定义了传感器主体的窗口层。

40.根据权利要求37所述的方法，其中在芯组件和内绝缘组件被置于外绝缘组件中所设置的孔中之前，将芯组件和内绝缘组件结合在一起。