CN108700436B - 多层导电传感器 - Google Patents

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Abstract

传感器装置包括导电的电极桥(26)和多层的、一体的传感器主体(1)。传感器主体(1)包括：芯层(2)；外绝缘层(4)，其实质上包围芯层(2)；以及导电的电极层(6)，其位于芯层(2)与外绝缘层(4)之间。传感器主体(1)还包括导电的电极界面层(14)，电极界面层(14)位于传感器主体(1)的后部(12)处并且与电极层(6)电接触。电极桥(26)在使用期间被保持为与电极界面层(14)挤压式电接触。

Description

多层导电传感器
技术领域
本发明涉及传感器装置，并且具体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、通过沉积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/金属复合物制成。导电层可以限定电极或其它感测元件或屏蔽层。非导电层可以限定位于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形成部分然后结合到相邻层、或者使用任何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，使得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造，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类似的热膨胀系数。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类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℃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、并且也具有与衬套和/或传感器主体的热膨胀系数基本类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℃，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℃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调节，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的对象的距离。典型应用是测量燃气涡轮发动机叶片顶端与周围壳体之间的间隙。在这种情况下传感器装置的操作温度可达1500℃。包括例如熔融金属和熔融玻璃级别的测量的其它应用具有类似的操作温度需要。
美国专利5760593(BICC公开股份有限公司)和美国专利4804905(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的对象电容耦合。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还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金属和陶瓷材料的交替组合。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物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能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。
燃气涡轮发动机制造商现在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，但它们不能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。
国际专利申请WO2012/049443(未来技术(传感器)公司)公开了具有在芯层与绝缘层之间的导电的电极层的传感器主体。电极层可以在传感器主体的后面(rear face)暴露出来，以允许其直接地或通过中间导电金属桥间接地连接到同轴或三轴传输电缆的内导体。金属桥通常被钎焊到传感器主体。但在一些情况下，当陶瓷和金属组件被钎焊在一起时形成的这种钎焊层可能由于CTE的差异而限制操作寿命和温度。这有时可能导致在重复热循环之后钎焊层的失效。
发明内容
本发明提供一种传感器装置，包括：导电的电极桥；以及传感器主体，其包括：芯层；外绝缘层，其实质上(substantially)包围芯层；导电的电极层，其位于芯层与外绝缘层之间；以及导电的电极界面层，其位于传感器主体的后部处并且与电极层电接触；其中，电极桥与电极界面层挤压式电接触(in compression contact)。
在使用时传感器主体的前部通常为例如传感器主体的直接暴露于高操作温度的部分。电极层可以从传感器主体的前面向后延伸并且可以实质上被绝缘层包围(即，实质上嵌入在一体的传感器主体中)。
电极层在传感器主体的后部处与电极界面层电连接。
电极桥在使用中与从传感器装置向外部信号处理电子器件传递测量信号的同轴或三轴传输电缆的内导体电连接。如果传感器主体配合于金属外壳中(见下文)，则可以将外壳连接到同轴或三轴传输电缆的外导体。
在三轴传感器主体的情况下，导电的屏蔽(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。内绝缘层可以由与芯层和外绝缘层均相同的非导电陶瓷材料形成。传感器主体可以包括导电的屏蔽界面层，导电的屏蔽界面层位于传感器主体的后部处并且与屏蔽层电接触。屏蔽层与位于传感器主体的后部处的屏蔽界面层电连接。传感器装置可以包括与屏蔽界面层挤压式电接触的屏蔽桥。屏蔽桥可以电连接到三轴传输电缆的中间导体。电极桥和屏蔽桥彼此电绝缘。在一个布置中，屏蔽桥可以为大致圆筒状且位于内部的电极桥的径向外侧，并且通过环形间隙与电极桥隔开。这确保了在电极桥与电极桥之间不存在可能干扰测量信号的电接触。
每个桥可以由任何适当的导电材料制成，例如，金属，并且具体地说，镍铬基合金，诸如通常在高操作温度下抗氧化并且保持结构完整性的600或625或230等。将理解的是，每个桥不与对应的界面层结合(bond)且不以其它方式物理地固定至对应的界面层，而仅与对应的界面层压力接触。施加在每个桥与对应的界面层之间的挤压力(compression force)通常将足以使得邻接的表面上的表面微凸体或微小突起部经历塑性变形，从而增加所需接触面积以减小组件之间的电接触电阻。
芯层和外绝缘层优选地由相同的非导电陶瓷材料预形成为分离的组件，并且结合在一起以形成一体的、多层的主体陶瓷组件。可以使用任何适当的非导电的陶瓷材料，优选为无孔陶瓷材料，例如氮化硅(SiN)或SiAlON。由于传感器主体的主体构成层(例如，芯层和绝缘层(多个绝缘层))由相同的非导电陶瓷材料形成，所以在实际应用中消除了热膨胀差异带来的问题。
每个界面层可以由一个或多个层或涂层形成。每个界面层可选地由导电陶瓷材料、陶瓷复合材料、金属或金属合金，或者前述材料的任何组合来形成。实例可以包括基于SiC、CrAlTiN或MCrAlY的涂层。在一些布置中，每个界面层可以具有大于约100μm的总厚度。
每个界面层可以作为涂层而施加于传感器主体的后面(或主体陶瓷组件的后面)，可选地使用适当的沉积工艺(例如等离子气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子喷涂等)来进行施加。每个界面层的形状将与在使用中与每个界面层挤压式电接触的对应的桥的形状一致。每个界面层的后面优选为大致平坦，以提供与对应的桥的前面接触的适当的接触区域。电极界面层和屏蔽界面层彼此电绝缘，例如，通过空气间隙或其它绝缘层隔开。在一个布置中，所施加的屏蔽界面层可以为大致圆筒状且位于所施加的大致圆形的电极界面层的径向外侧，并且屏蔽界面层通过环形空气间隙与电极界面层隔开。
如果用于传感器主体的芯层和绝缘层(多个绝缘层)的陶瓷材料为SiN或SiAlON，则SiC基涂层(优选地使用CVD工艺施加)可能尤其有利，这是由于存在共同的基材(即，硅)，并且在涂布处理期间材料容易结合在一起以形成牢固的导电层，牢固的导电层在传感器主体的后面处提供气密密封，使得气体(例如，空气)与所有内部界面隔绝。SiC基涂层和硅基陶瓷材料还具有使两个材料之间的界面处的应力最小化的非常类似的CTE特性。
使用界面层而不是将桥直接钎焊至传感器主体简化了传感器装置的构造，允许传感器装置在更高的温度下操作并且延长了操作寿命。具体地说，与通常用于将桥钎焊至传感器主体的后面的活性钎焊合金相比，所提到的涂层可以在高得多的操作温度下使用。活性钎焊合金的最大操作温度为约800℃，而SiC基涂层例如可以在高达约1600℃的温度下操作，这超过燃气涡轮机应用中的典型温度。
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，或者前述材料的任何组合来形成，并且可以包括孤立的钎焊合金层或与上述一种或多种材料结合的钎焊合金层。电极层可以至少部分地由钛、钛合金、或氮化钛形成。可以可选地使用适当的沉积工艺将电极层作为涂层施加于限定了芯层的陶瓷组件和/或限定了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，或者前述材料的任何组合来形成，并且可以包括孤立的钎焊合金层或与上述一种或多种材料结合的钎焊合金层。屏蔽层可以至少部分地由钛、钛合金、或氮化钛形成。可以可选地使用适当的沉积工艺将屏蔽层作为涂层施加于限定了内绝缘层的陶瓷组件和/或限定了外绝缘层的陶瓷组件上。该涂层可以限定实质上为圆筒状的屏蔽层，圆筒状的屏蔽层与电极层同轴并且通过内绝缘层与电极层隔开。
使用的钛、钛合金、或氮化钛作为电极层和/或屏蔽层的一部分可以提供对成品传感器主体的质量方面的显著改善。
在一个布置中，外绝缘层沿着传感器主体的前部延伸以限定窗口层，窗口层提供将气体(例如，空气)与传感器主体的各构成层之间的任何界面隔绝的气密密封，并且窗口层可以是对于电磁辐射实质上透明的。这可以使传感器中使用的设计和材料更加灵活。传感器装置也可以暴露于高操作温度(例如，高达约1500℃)，这是因为传感器主体的各构成层不易被氧化。电极层可以在芯层与窗口层之间延伸。
形成外绝缘层的陶瓷组件(或主体)可以是单块式组件，其具有主部分和限定了传感器主体的窗口层的窗口部分。窗口部分可以是组件中的盲孔的闭合端。替换性地，陶瓷组件可以是两块式组件，其具有主部分和分离的盘状(disc)部分，盘状部分结合至主部分并且限定了传感器主体的窗口层。盘状部分可以位于主部分中的孔中以闭合孔的一端，使得盘状部分的外边缘表面结合至主部分的向内面向的表面，或盘状部分可以结合至主部分的环形前表面。盘状部分可以由与主部分相同的非导电陶瓷材料(优选为无孔陶瓷材料)制成并且可以在盘状部分被结合至主部分之后使盘状部分受到机械加工。
在另一布置中，电极层在传感器主体的前部处与导电的前层电连接。前层可以由一个或多个层或涂层来形成，并且可以延伸过传感器主体的实质上整个前面。前层限定了较大的电极区域，这可以增加传感器装置的测量范围。
前层可选地由导电陶瓷材料、陶瓷复合材料、金属或金属合金，或者前述材料的任何组合来形成。实例可以包括基于SiC、CrAlTiN或MCrAlY的涂层。在一些布置中，前层可以具有大于约100μm的总厚度。前层可以作为涂层而施加于传感器主体的前面(或主体陶瓷组件的前面)，可选地使用适当的沉积工艺(例如PVD、CVD、等离子喷涂等)来进行施加。如果用于传感器主体的芯层和绝缘层(多个绝缘层)的陶瓷材料为SiN，则SiC基涂层(优选地使用CVD工艺施加)可以尤其有利地用于前层，这是由于存在共同的基材(即，硅)，并且在涂布处理期间材料容易结合在一起以形成牢固的导电层，牢固的导电层在传感器主体的前面处提供气密密封，使得气体(例如，空气)与所有内部界面隔绝。因此，前层提供与窗口层相同的气密密封功能。另外，SiC基涂层和硅基陶瓷材料具有使两个材料之间的界面处的应力最小化的非常类似的CTE特性。
前层和每个界面层可以由相同的涂层材料形成。
设置限定了电极区域的前层可以允许芯层的直径减小，从而显著地减小传感器主体电容并改善灵敏度。前层消除了对传感器主体的前面处的非导电陶瓷材料的窗口层的需求，并保持了气密密封。
可以在由外绝缘层限定的前层或窗口层上设置热障涂层或热障层。热障涂层可以施加为例如具有带导热金属子层的陶瓷基热障层的多层涂层。热障层可以由任何适当的材料形成，例如，氧化钇稳定氧化锆(YSZ)，并且可以使用任何适当的工艺施加。热障层可以可选地沿传感器主体的前部的圆柱状外表面的至少一部分延伸(即，不仅仅在前层或窗口层的前面上)以提供对于传感器主体的前部的附加的热保护。
在同轴传感器主体(即，没有屏蔽层)的情况下，限定了芯层的陶瓷组件可以被预涂电极层并且被置于限定了外绝缘层的陶瓷组件的孔中。替换性地，在将限定了芯层的陶瓷组件置于限定了外绝缘层的陶瓷组件的孔中之前，限定了外绝缘层的陶瓷组件的孔可以被预涂电极层。取决于用作电极层的材料类型，随后例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺将限定了芯层的陶瓷组件和限定了外绝缘层的陶瓷组件结合在一起。
在三轴传感器主体(即，具有屏蔽层)的情况下，限定了芯层的陶瓷组件可以被预涂电极层并且被置于限定了内绝缘层的陶瓷组件的孔中。替换性地，在将限定了芯层的陶瓷组件置于限定了内绝缘层的陶瓷组件的孔中之前，限定了内绝缘层的陶瓷组件的孔可以被预涂电极层。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、或钎焊等适当工艺将限定了芯层的陶瓷组件和限定了内绝缘层的陶瓷组件结合在一起。限定了内绝缘层的陶瓷组件可以被预涂屏蔽层并且被置于限定了外绝缘层的陶瓷组件的孔中。替换性地，在将结合在一起的限定了芯层和内绝缘层的陶瓷组件置于限定了外绝缘层的陶瓷组件的孔中之前，限定了外绝缘层的陶瓷组件的孔可以被预涂屏蔽层。取决于用作电极层和屏蔽层的材料类型，随后例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺将限定了内绝缘层的陶瓷组件和限定了外绝缘层的陶瓷组件结合在一起。在可选的工艺中，例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等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限定了芯层、内绝缘层和外绝缘层的陶瓷组件结合在一起。
本发明还提供不具有电极层但具有导电的芯层或电极的可选的传感器装置。该传感器装置包括：导电的电极桥；以及传感器主体，其包括：导电的芯层(或电极)；外绝缘层，其实质上包围芯层；以及导电的电极界面层，其位于传感器主体的后部处并且与芯层电接触；其中，电极桥与电极界面层挤压式电接触。
芯层可以由任何适当的导电材料制成，例如，金属、陶瓷/金属复合物(例如，SiC)，或者前述材料的任何组合。
导电的芯层可以从传感器主体的前面向后延伸并且可以实质上被绝缘层包围(即，实质上嵌入在一体的传感器主体中)。
芯层在传感器主体的后部处与电极界面层电连接。
电极桥在使用中与从传感器装置向外部信号处理电子器件传递测量信号的同轴或三轴传输电缆的内导体电连接。如果传感器主体配合于金属外壳中(见下文)，则可以将外壳连接到同轴或三轴传输电缆的外导体。
在三轴传感器主体的情况下，导电的屏蔽(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导电的芯层隔开，内绝缘层优选地由与外绝缘层相同的非导电的陶瓷材料制成。传感器主体可以包括导电的屏蔽界面层，导电的屏蔽界面层位于传感器主体的后部处并且与屏蔽层电接触。屏蔽层与位于传感器主体的后部处的屏蔽界面层电连接。传感器装置可以包括与屏蔽界面层挤压式电接触的屏蔽桥。屏蔽桥可以电连接到三轴传输电缆的中间导体。电极桥和屏蔽桥彼此电绝缘。
桥和界面层如上文总体描述的那样。如果用于传感器主体的芯层的陶瓷材料为SiC并且用于传感器主体的绝缘层(多个绝缘层)的陶瓷材料为SiN或SiAlON，则SiC基涂层(优选地使用CVD工艺施加)可能尤其有利，这是由于存在共同的基材(即，硅)，并且在涂布处理期间材料容易结合在一起以形成牢固的导电层，牢固的导电层在传感器主体的后面处提供气密密封，使得气体(例如，空气)与所有内部界面隔绝。SiC基涂层和硅基陶瓷材料还具有使两个材料之间的界面处的应力最小化的非常类似的CTE特性。
芯层和外绝缘层可以预形成为分离的陶瓷构件(即，分别由导电的和非导电的陶瓷材料形成)，并且结合在一起以形成一体的、多层的主体陶瓷组件。可以将任何适当的导电陶瓷材料，优选为无孔陶瓷材料(例如，碳化硅(SiC))用于芯层。类似地，可以将任何适当的非导电陶瓷材料，优选为无孔陶瓷材料(例如氮化硅(SiN)或SiAlON)用于外绝缘层。由于传感器主体的主体构成层(例如，芯层和绝缘层(多个绝缘层))由陶瓷材料形成，所以在实际应用中消除了热膨胀差异带来的问题。
屏蔽层如上文总体描述的那样。
在一个布置中，外绝缘层沿着传感器主体的前部延伸以限定窗口层，窗口层提供将气体(例如，空气)与传感器主体的各构成层之间的任何界面隔绝的气密密封，并且窗口层可以是对于电磁辐射实质上透明的。在另一布置中，导电的芯层与导电的前层电连接。前层被描述为实质上在电极区域上方并限定了电极区域。
热障层可以如上文所述可选地施加于传感器主体的前部(例如，前层或窗口层)。
在同轴传感器主体(即，没有屏蔽层)的情况下，限定了芯层的陶瓷组件可以被置于限定了外绝缘层的陶瓷组件的孔中。取决于用作电极层的材料类型，随后例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺将限定了芯层的陶瓷组件和限定了外绝缘层的陶瓷组件结合在一起。如果芯层由非陶瓷材料(例如，金属)形成，则可以使用适当的工艺使芯层与限定了外绝缘层的陶瓷构件结合。
在三轴传感器主体(即，具有屏蔽层)的情况下，限定了芯层的陶瓷组件可以被置于限定了内绝缘层的陶瓷组件的孔中。取决于用作电极层的材料类型，随后例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺将限定了芯层的陶瓷组件和限定了内绝缘层的陶瓷组件结合在一起。如果芯层由非陶瓷材料(例如，金属)形成，则可以使用适当的工艺使芯层与限定了内绝缘层的陶瓷构件结合。限定了内绝缘层的陶瓷组件可以被预涂屏蔽层并且被置于限定了外绝缘层的陶瓷组件的孔中。替换性地，在将结合在一起的限定了芯层和内绝缘层的陶瓷组件置于限定了外绝缘层的陶瓷组件的孔中之前，限定了外绝缘层的陶瓷组件的孔可以被预涂屏蔽层。取决于用作电极层和屏蔽层的材料类型，随后例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺将限定了内绝缘层的陶瓷组件和限定了外绝缘层的陶瓷组件结合在一起。在可选的工艺中，使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺在单个步骤中将适当地预涂有屏蔽层的限定了芯层、内绝缘层和外绝缘层的陶瓷组件结合在一起。
用来形成上述各种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。
传感器主体(或者更具体地，外绝缘层)可以包括径向凸缘，以允许其配合于形成传感器装置的一部分的外壳中。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限定，每个肩部具有环形表面和实质上为圆柱状的表面。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)物理地固定至外壳，而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分外壳，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分中，相对的肩部中的另一个优选地形成在第二外壳部分中。通过使得肩部对齐并且肩部限定了用来容纳传感器主体的径向凸缘的环形槽的方式，将第一外壳部分和第二外壳部分固定在一起以形成两部分式的外壳。因此通常地，凸缘通过所施加的压力负载而被保持在两个外壳部件之间。
第一外壳部分优选地通过钎焊材料钎焊到第二外壳部分。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所述气密密封也能得以保持。
附图说明
图1是示出根据本发明的第一同轴传感器装置的轴向剖面示意图；
图2是示出根据本发明的第一三轴传感器装置的轴向剖面示意图；
图3是穿过图2中的第一三周传感器的界面层的径向剖面示意图；
图4是图2所示的第一三轴传感器装置的后部的端示图；
图5是示出根据本发明的第二同轴传感器装置的轴向剖面示意图；并且
图6是示出根据本发明的第二三轴传感器装置的轴向剖面示意图。
具体实施方式
将容易理解的是，图1至图6中示出的各种层、涂层的相对尺寸和厚度不表示任何实际传感器装置，而简单地用于示出本发明的各个组成部分的目的。
图1示出了根据本发明的第一同轴传感器装置。同轴传感器主体1包括由相同的非导电陶瓷材料制成的芯层2和外绝缘层4，所述非导电陶瓷材料诸如为氮化硅(SiN)或SiAlON等。电极层6的材料为诸如钛(Ti)或钼(Mo)等金属，钛的合金，或者诸如氮化钛(TiN)或二硅化钼(MoSi2)等导电陶瓷，电极层6被施加为涂层并且覆盖芯层2的圆柱状外表面2a(或外绝缘层4的圆柱状内表面)。电极层6覆盖芯层2的前平表面2b，并且可选地覆盖芯层2的后平表面2c。
外绝缘层4沿着传感器主体1的前部8延伸，在使用时该前部8直接暴露于高操作温度。例如，如果传感器装置形成用于测量燃气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一部分，则传感器主体1的前部8可能面向叶片顶端并且暴露于高达约1500℃的温度。沿着前部8，外绝缘层4限定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的平的前表面2b之间延伸，使得该电极层实质上嵌入在传感器主体1的前部8内并且不暴露。
作为外绝缘层4的组成部分的窗口层10在传感器主体1的前部处提供气密密封，这意味着气体与所有内部界面隔绝。在传感器主体1的后部处的电极界面层14(如下所述)也提供气密密封。
芯层2和外绝缘层4被预形成为分离的陶瓷组件或陶瓷主体。电极层6作为涂层沉积在限定了芯层2的预形成陶瓷主体的圆柱状外表面、前平表面和后平表面上。被预涂的芯主体插入限定了外绝缘层4的预形成陶瓷主体中的盲孔中。然后例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺将被预涂的芯主体与外绝缘主体结合在一起。结合处理产生了一体的、多层的主体陶瓷组件。在将限定了芯层的陶瓷主体插入限定了外绝缘层4的预形成陶瓷主体中的盲孔之前，也可以替换性地或附加地将电极层作为涂层沉积在盲孔的圆柱状内表面上。
电极层6在传感器主体1的后部12处与电极界面层14电连接。电极界面层14由使用化学气相沉积(CVD)工艺施加在主体陶瓷组件的后面的若干层SiC基涂层(或者，CrAlTiN或MCrAlY基涂层)形成。
由镍铬基合金(例如，600)制成的电极桥26被保持为与电极界面层14挤压式电接触。电极桥26不与电极界面层14结合且不以其它方式物理地固定至电极界面层14。电极桥26包括通过施加挤压力(由图1中的线框箭头表示)而与电极界面层14保持邻接的平部分26a以及与同轴(或三轴)传输电缆的内导体(未示出)连接的向后延伸部分26b。
图2至图4示出了根据本发明的第一三轴传感器装置。三轴传感器主体1'类似于图1所示的同轴传感器主体1，并且为相同部分赋予相同附图标记。三轴传感器主体1'包括圆筒状屏蔽(或防护)层16，其材料为诸如钛或钼等金属，钛的合金，或者诸如氮化钛或二硅化钼等导电陶瓷，该圆筒状屏蔽层16连接至三轴传输电缆的中间导体(并未示出)。
屏蔽层16通过内绝缘层18与电极层6隔开，并且被外绝缘层4包围。屏蔽层16被施加为涂层并且覆盖内绝缘层18的圆柱状外表面18a(或外绝缘层4的圆柱状内表面)。
屏蔽层16通过窗口层10与传感器主体1'的前面隔开。
芯层2、内绝缘层18和外绝缘层4被预形成为分离的陶瓷组件或陶瓷主体。电极层6作为涂层沉积在限定了芯层的预形成陶瓷主体的圆柱状外表面、前平表面和后平表面上。被预涂的主体插入限定了内绝缘层的预形成陶瓷主体中的开孔内。然后例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺将被预涂的芯主体与内绝缘主体结合在一起。在限定了芯层的陶瓷主体插入开孔之前，也可以替换性地或附加地将电极层作为涂层沉积在开孔的圆柱状内表面上。将屏蔽层16作为涂层沉积在内绝缘主体的圆柱状外表面上。将被预涂的内绝缘主体和与之结合的芯主体插入限定了外绝缘层的预形成陶瓷主体中的盲孔中。然后例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺将被预涂的内绝缘层和外绝缘主体结合在一起。结合处理产生了一体的、多层的主体陶瓷组件。在限定了内绝缘层的陶瓷主体插入限定了外绝缘层4的预形成陶瓷主体中的盲孔之前，也可以替换性地或附加地将屏蔽层作为涂层沉积在盲孔的圆柱状内表面上。在可选的工艺中，各个陶瓷主体被涂布有电极层和屏蔽层，并且然后例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺在单个步骤中将各个陶瓷主体结合在一起。
屏蔽层16在传感器主体1'的后部12处与屏蔽界面层20电连接。屏蔽界面层20由使用CVD工艺涂布在主体陶瓷组件的后面的若干层SiC基涂层(或者，CrAlTiN或MCrAlY基涂层)形成。如图3中最佳看出的，屏蔽界面层20为环形的并且通过环形间隙22而与内部的圆形电极界面层14在径向上隔开。
由镍铬基合金(例如，600)制成的屏蔽桥28被保持为与屏蔽界面层20挤压式电接触。屏蔽桥28不与屏蔽界面层20结合且不以其它方式物理地固定至屏蔽界面层20。如图4中最佳看出的，屏蔽桥28为圆筒状的并且与内部的包括平部分26a和向后延伸部分26b的电极桥26在径向上隔开。电极桥26和屏蔽桥28通过施加挤压力(由图2中的线框箭头表示)被分别保持为与电极界面层14和屏蔽界面层20邻接。电极桥26的向后延伸部分26b与三轴传输电缆的内导体(未示出)连接，并且屏蔽桥28与三轴传输电缆的中间导体连接。
图5示出了根据本发明的第二同轴传感器装置。同轴传感器主体1”类似于图1所示的同轴传感器主体1，并且为相同部分赋予相同附图标记。传感器主体1”包括前层24而不包括窗口层10。前层24延伸过传感器主体的实质上整个前面并且限定了电极区域。电极层6与前层24电连接。可以看出，同轴传感器主体1”的芯层2具有比图1所示的同轴传感器主体1的相应的芯层更小的直径。电极层6的直径也更小。这可以减小传感器主体电容并改善系统灵敏度。
被预涂的芯主体插入限定了外绝缘层4的预形成陶瓷主体中的开孔内。然后例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺将被预涂的芯主体与外绝缘主体结合在一起。结合处理产生了一体的、多层的主体陶瓷组件。在限定了芯层的陶瓷主体插入限定了外绝缘层4的预形成陶瓷主体中的开孔之前，也可以替换性地或附加地将电极层作为涂层沉积在开孔的圆柱状内表面上。
前层24在传感器主体的前部8处提供气密密封，这意味着气体与所有内部界面隔绝。
前层24由使用CVD工艺施加在主体陶瓷组件的前表面的若干层SiC基涂层(或者，CrAlTiN或MCrAlY基涂层)形成。
图6示出了根据本发明的第二三轴传感器装置。三轴传感器主体1”'类似于图2至图4所示的三轴传感器主体1'以及图3所示的同轴传感器主体1”，并且为相同部分赋予相同附图标记。
传感器主体1”'不包括电极层，这是由于芯层2'由导电陶瓷材料(例如，SiC)制成并且限定了芯电极。在其它布置中，芯层可以由金属或陶瓷/金属复合物制成。芯层2'与前层24电连接，与图5中的传感器主体1”类似，前层24延伸过传感器主体1”'的实质上整个前面。
芯层2'、内绝缘层18和外绝缘层4被预形成为分离的陶瓷组件或陶瓷主体。限定了芯层的导电陶瓷主体插入限定了内绝缘层的预形成陶瓷主体中的开孔内。然后例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺将芯主体与内绝缘主体结合在一起。将屏蔽层16作为涂层沉积在内绝缘主体的圆柱状外表面上。将被预涂的内绝缘主体和与之结合的芯主体插入限定了外绝缘层的预形成陶瓷主体中的开孔中。然后例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺将被预涂的内绝缘层和外绝缘主体结合在一起。结合处理产生了一体的、多层的主体陶瓷组件。在限定了内绝缘层的陶瓷主体插入限定了外绝缘层4的预形成陶瓷主体中的开孔之前，也可以替换性地或附加地将屏蔽层作为涂层沉积在开孔的圆柱状内表面上。在可选的工艺中，各个陶瓷主体涂布有屏蔽层，并且然后例如使用诸如烧结、扩散结合、或钎焊等适当工艺在单个步骤中将各个陶瓷主体结合在一起。
前层24由使用CVD工艺施加在主体陶瓷组件的前表面的若干层SiC基涂层(或者，CrAlTiN或MCrAlY基涂层)形成。
使用任何适当的工艺将包括氧化钇稳定氧化锆(YSZ)层的热障涂层30涂布于前层24。尽管热障涂层30在图6中被示出为仅在前层24的前面延伸，但热障涂层30也可以沿传感器主体1”'的前部8的外圆柱状表面的一部分延伸，以向传感器主体提供对于高操作温度的附加保护。还应理解的是，类似的热障涂层可以设置在图5所示的传感器主体1”的前部上，并且甚至设置在图1至图4所示的包括窗口层10的传感器主体1和传感器主体1'上。

Claims (37)

1.一种传感器装置，包括：
导电的电极桥(26)；以及
传感器主体(1)，其包括：
芯层(2)；
外绝缘层(4)，其实质上包围所述芯层；
导电的电极层(6)，其位于所述芯层(2)与所述外绝缘层(4)之间；以及
导电的电极界面层(14)，其位于所述传感器主体(1)的后部(12)处并且与所述电极层(6)电接触；
其中，所述电极桥(26)与所述电极界面层(14)挤压式电接触。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，所述芯层(2)和所述外绝缘层(4)由相同的非导电陶瓷材料预形成为分离的组件，并且结合在一起以形成一体的、多层的陶瓷主体。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述芯层(2)和所述外绝缘层(4)由SiN或SiAlON形成。
4.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述电极界面层(14)为基于SiC、CrAlTiN和MCrAlY中的一种或多种的单层或多层涂层。
5.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述传感器主体(1')还包括位于所述芯层(2)与所述外绝缘层(4)之间的导电的屏蔽层(16)。
6.根据权利要求5所述的传感器装置，其中，所述屏蔽层(16)通过内绝缘层(18)与所述电极层(6)隔开。
7.根据权利要求6所述的传感器装置，其中，所述内绝缘层(18)由与所述芯层(2)和所述外绝缘层(4)均相同的非导电陶瓷材料形成。
8.根据权利要求7所述的传感器装置，其中，所述内绝缘层(18)由SiN或SiAlON形成。
9.根据权利要求5所述的传感器装置，还包括导电的屏蔽桥(28)，其中，所述传感器主体还包括导电的屏蔽界面层(20)，所述屏蔽界面层(20)位于所述传感器主体(1')的后部(12)处并且与所述屏蔽层(16)电接触，所述屏蔽桥(28)与所述屏蔽界面层(20)挤压式电接触。
10.根据权利要求9所述的传感器装置，所述屏蔽界面层(20)为基于SiC、CrAlTiN和MCrAlY中的一种或多种的单层或多层涂层。
11.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述外绝缘层(4)沿着所述传感器主体的前部延伸以限定提供气密密封的窗口层(10)，所述气密密封将气体与所述传感器主体的各构成层之间的任何界面隔绝。
12.根据权利要求11所述的传感器装置，其中，所述窗口层(10)对于电磁辐射是实质上透明的。
13.根据权利要求11所述的传感器装置，其中，所述电极层(6)在所述芯层(2)与所述窗口层(10)之间延伸。
14.根据权利要求1或2所述的传感器装置，其中，所述传感器主体(1”)还包括导电的前层(24)，所述前层(24)位于所述传感器主体(1”)的前部处并且与所述电极层(6)电接触。
15.根据权利要求14所述的传感器装置，其中，所述前层(24)延伸过所述传感器主体(1”)的实质上整个前面。
16.根据权利要求14所述的传感器装置，其中，所述前层(24)为基于SiC、CrAlTiN和MCrAlY中的一种或多种的单层或多层涂层。
17.根据权利要求14所述的传感器装置，其中，所述前层(24)提供气密密封，所述气密密封将气体与所述传感器主体(1”)的各构成层之间的任何界面隔绝。
18.根据权利要求11所述的传感器装置，还包括形成在所述窗口层(10)上的热障涂层(30)。
19.根据权利要求14所述的传感器装置，还包括形成在所述前层(24)上的热障涂层(30)。
20.一种传感器装置，包括：
导电的电极桥(26)；以及
传感器主体(1”')，其包括：
导电的芯层(2')；
外绝缘层(4)，其实质上包围所述芯层(2')；以及
导电的电极界面层(14)，其位于所述传感器主体(1”')的后部(12)处并且与所述芯层(2')电接触；
其中，所述电极桥(26)与所述电极界面层(14)挤压式电接触。
21.根据权利要求20所述的传感器装置，其中，所述芯层(2')和所述外绝缘层(4)由陶瓷材料预形成为分离的组件，并且结合在一起以形成一体的、多层的陶瓷主体。
22.根据权利要求20或21所述的传感器装置，其中，所述芯层(2')由SiC形成并且所述外绝缘层(4)由SiN或SiAlON形成。
23.根据权利要求20或21所述的传感器装置，其中，所述电极界面层(14)为基于SiC、CrAlTiN和MCrAlY中的一种或多种的单层或多层涂层。
24.根据权利要求20或21所述的传感器装置，其中，所述传感器主体(1”')还包括位于所述芯层(2')与所述外绝缘层(4)之间的导电的屏蔽层(16)。
25.根据权利要求24所述的传感器装置，其中，所述屏蔽层(16)通过内绝缘层(18)与所述芯层(2')隔开。
26.根据权利要求25所述的传感器装置，其中，所述内绝缘层(18)由与所述外绝缘层(4)相同的非导电陶瓷材料形成。
27.根据权利要求26所述的传感器装置，其中，所述内绝缘层(18)由SiN或SiAlON形成。
28.根据权利要求24所述的传感器装置，还包括导电的屏蔽桥(28)，其中，所述传感器主体(1”')还包括导电的屏蔽界面层(20)，所述屏蔽界面层(20)位于所述传感器主体(1”')的后部(12)处并且与所述屏蔽层(16)电接触，所述屏蔽桥(28)与所述屏蔽界面层(20)挤压式电接触。
29.根据权利要求28所述的传感器装置，其中，所述屏蔽界面层(20)为基于SiC、CrAlTiN和MCrAlY中的一种或多种的单层或多层涂层。
30.根据权利要求20或21所述的传感器装置，其中，所述外绝缘层沿着所述传感器主体的前部延伸以限定提供气密密封的窗口层，所述气密密封将气体与所述传感器主体的各构成层之间的任何界面隔绝。
31.根据权利要求30所述的传感器装置，其中，所述窗口层对于电磁辐射是实质上透明的。
32.根据权利要求20或21所述的传感器装置，其中，所述传感器主体还包括导电的前层(24)，所述前层(24)位于所述传感器主体(1”')的前部处并且与所述芯层(2')电接触。
33.根据权利要求32所述的传感器装置，其中，所述前层(24)延伸过所述传感器主体(1”')的实质上整个前面。
34.根据权利要求32所述的传感器装置，其中，所述前层(24)为基于SiC、CrAlTiN和MCrAlY中的一种或多种的单层或多层涂层。
35.根据权利要求32所述的传感器装置，其中，所述前层(24)提供气密密封，所述气密密封将气体与所述传感器主体(1”')的各构成层之间的任何界面隔绝。
36.根据权利要求30所述的传感器装置，还包括形成在所述窗口层上的热障涂层(30)。
37.根据权利要求32所述的传感器装置，还包括形成在所述前层上的热障涂层(30)。
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