CN110632338A - 一种共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头及制备方法，涉及一种高温转速传感器用敏感探头。目的是解决电涡流式转速传感器温度范围窄、探头尺寸大、电涡流场一致性差和可靠性低的问题。敏感探头由陶瓷基板、敏感线圈、线圈保护层、信号引出线、焊盘保护层和焊盘构成。制备：氧化铝生瓷带冲孔并印刷成线圈图形，叠放得到平面线圈生坯块或多层线圈生坯块；在氧化铝生瓷带表面涂覆保护层浆料，进行排胶和一次高温烧结，金属信号引出线和焊盘封接，进行二次高温烧结；封接处覆盖玻璃浆料，进行三次高温烧结，形成焊盘保护层。敏感探头具有高温下可靠性高，一致性好，微型化，耐振动性能高，耐温度冲击性能好等优点。本发明适用于制备敏感探头。

Description

一种共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头及制备 方法

技术领域

本发明涉及一种高温转速传感器用敏感探头

背景技术

电涡流转速传感器在发动机叶轮转速分析测量中(特别是对非接触的转动信号)，通过准确测量金属导体与敏感探头端面间静态和动态的相对位移变化时在导体内部产生的漩涡状感应电流，能连续、准确地采集到发动机叶轮转动轨迹的参数。电涡流转速传感器已经广泛应用于发动机叶轮的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹等机械问题的早期诊断。

目前市面上常见的电涡流转速传感器多为金属绕丝结构，其中铜丝和合金丝绕丝结构较为常见。国内外已经开展了一些有关电涡流式转速传感器的研究，目前研究的电涡流式转速传感器多为低温转速传感器或中温转速传感器。例如：美国本特利公司的耐高温电涡流传感器系统，属于金属绕丝结构的电涡流转速传感器，使用的是密闭式密封陶瓷结构，在极端条件下可连续承受+350℃的使用温度。专利CN201897601U公开了一种电涡流缓冲器用转速传感器，属于金属绕丝结构的电涡流转速传感器，传感器结构为腔体结构，设有具有电磁线圈的信号发生器，容纳空间内设有磁铁，便于更换。

上述金属绕丝结构的电涡流转速传感器普遍存在的问题是：

1、使用温度范围窄，现有转速传感器的敏感探头为金属绕丝结构，长期在高温环境下使用后金属绕丝会发生氧化或熔融而导致传感器失效，因此无法应用于高温环境。其中低温转速传感器的使用温度范围为-60℃～100℃，中温转速传感器的使用温度范围为-50℃～240℃。

2、现有的金属绕丝结构的转速传感器的敏感探头中金属丝的直径较大，一般大于0.3mm，金属丝间需要较厚的至少0.2mm的绝缘结构，因此探头尺寸大，不易实现传感器微型化。

3、长期使用的过程中，金属绕丝与陶瓷之间由于热膨胀系数不匹配会持续产生拉伸力，导致金属丝发生变形甚至断裂，致使传感器输出信号漂移甚至无信号问题的出现，因此高温下可靠性差，不利于长期使用。

4、现有转速传感器敏感探头中金属绕丝和氧化铝陶瓷基板是分别独立制作的，在每个敏感探头绕丝过程中，由于二者在功能配对过程中以及加工过程的误差，其一致性要远远低于通过一次共烧而形成的陶瓷基板和敏感线圈，现有的金属绕丝结构的转速传感器的电涡流场感应强度存在5％以上的偏差。

发明内容

本发明的目的是解决电涡流式转速传感器温度范围窄、探头尺寸大、电涡流场一致性差和高温下产品可靠性低的问题，提出一种共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头及制备方法。

本发明共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头为平面线圈探头或多层线圈探头；平面线圈探头或多层线圈探头由陶瓷基板、敏感线圈、线圈保护层、信号引出线、焊盘保护层和焊盘构成；敏感探头为平面线圈探头或多层线圈探头；

所述平面线圈探头中：陶瓷基板的表面设置有敏感线圈，陶瓷基板上敏感线圈的两个端头处分别设置有垂直于陶瓷基板主体表面的通孔，通孔内设置有圆柱形的焊盘，敏感线圈的两个端头分别与焊盘的侧壁固接；焊盘上端探出至陶瓷基板上表面，焊盘的上端与信号引出线一端固接，敏感线圈上包覆有线圈保护层，焊盘的上端与信号引出线连接处覆盖有焊盘保护层；

所述多层线圈探头中：陶瓷基板的表面设置有敏感线圈、且陶瓷基板的内部设置有多个敏感线圈，陶瓷基板的表面与内部的敏感线圈相互平行，陶瓷基板的表面上的敏感线圈的两个端头处分别设置有垂直于陶瓷基板主体表面的通孔，通孔内设置有圆柱形的焊盘，陶瓷基板的内部和陶瓷基板表面的敏感线圈的两个端头分别与焊盘的侧壁固接；焊盘上端探出至陶瓷基板上表面，焊盘的上端与信号引出线一端固接，最外层敏感线圈上包覆有线圈保护层，焊盘的上端与信号引出线连接处覆盖有焊盘保护层。

本发明共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头中，敏感线圈的功能是：当有交流电通过敏感线圈时，敏感线圈内部会产生一个交变磁场，交变磁场会在其附近的发动机叶轮表面产生感应电流，即电涡流，电涡流会使敏感线圈内部感应出反方向的交变磁场以阻抗外部磁场变化，通过测量这种敏感线圈的电阻抗变化速率值，即可得到发动机叶轮的转速值。陶瓷基板由多个氧化铝生瓷带烧结而成，氧化铝材质的陶瓷基板具有良好的高温绝缘性能，能有效防止相邻层的敏感线圈间出现短路现象导致线圈真实匝数减少，避免转速传感器出现输出信号减弱或无信号等现象的发生，并且陶瓷基板还能提高敏感探头制备的传感器使用温度范围。线圈保护层能够防止最外层敏感线圈受到外部摩擦或碰撞而产生划痕、进而导致传感器输出信号异常的发生；也能够避免在高温下最外层敏感线圈发生氧化而导致传感器失效的发生。焊盘保护层是对敏感芯体的焊盘和金属信号引出线进行封接加固，增加其抗拉强度。

上述共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头的制备方法按照以下步骤进行：

步骤一：在氧化铝生瓷带上焊盘的设计位置进行冲孔，得到冲孔氧化铝生瓷带；在冲孔氧化铝生瓷带上表面将低方阻金属浆料印刷成线圈图形，低方阻金属浆料印刷时流入冲孔内形成焊盘，得到具有线圈图形的氧化铝生瓷带；

所述线圈图形的印刷采用丝网印刷进行；

所述线圈图形为平面单匝螺旋线或平面多匝等距螺旋线；螺旋线中线条的厚度为5～25μm，宽度为75～250μm，间距为50～100μm，螺旋线的最大直径为15mm。

所述氧化铝生瓷带的厚度为0.08～0.35mm；

所述低方阻金属浆料的方阻为2～25mΩ/□，低方阻金属浆料由10～25wt％的氧化铝粉、6～30wt％的溶剂、0.5～3wt％的分散剂、1～8wt％的粘接剂和余量的金属粉制备而成；

步骤二：

当制备平面线圈探头时，将步骤一中1个具有线圈图形的氧化铝生瓷带和多个冲孔氧化铝生瓷带叠放，具有线圈图形的氧化铝生瓷带设置在最上层，叠放时不同的氧化铝生瓷带的冲孔相对应，等静压处理后得到平面线圈生坯块；

当制备多层线圈探头时，将步骤一中多个具有线圈图形的氧化铝生瓷带叠放，叠放时不同的氧化铝生瓷带的冲孔相对应，等静压处理后得到多层线圈生坯块；

所述等静压处理的工艺为：温度为65～85℃和压力为2500～4000psi条件下保温保压10～50min；

步骤三：

当制备平面线圈探头时，在步骤二中的平面线圈生坯块的具有线圈图形的氧化铝生瓷带表面涂覆一层保护层浆料至线圈图形全部包覆；当制备多层线圈探头时，在步骤二中的多层线圈生坯块中最外层的具有线圈图形的氧化铝生瓷带表面涂覆一层保护层浆料至线圈图形全部包覆；然后进行排胶和一次高温烧结，得到敏感芯体，保护层浆料转变为线圈保护层；

所述保护层浆料的厚度为10～150μm；

所述保护层浆料由55～75wt％的氧化铝粉体或铝镁尖晶石粉体、1～8wt％的粘结剂、0.5-2wt％的分散剂和余量的溶剂混合而成；

步骤四：取步骤一相同的低方阻金属浆料，并利用该低方阻金属浆料对敏感芯体中金属信号引出线和焊盘进行封接，封接后进行二次高温烧结；

步骤五：采用点胶的方式，在焊盘和金属信号引出线的封接处覆盖玻璃浆料至焊盘的端部被全部覆盖，进行三次高温烧结，形成焊盘保护层。

本发明原理及有益效果为：

1、本发明中，陶瓷基板由多个氧化铝生瓷带烧结而成，氧化铝材质的陶瓷基板具有良好的高温绝缘性能，能有效防止相邻层的敏感线圈间出现短路现象导致线圈真实匝数减少，避免转速传感器输出信号减弱或无信号等现象的发生，并且陶瓷基板还能提高敏感探头制备的传感器使用温度范围。线圈保护层能够防止最外层敏感线圈受到外部摩擦或碰撞而产生划痕、进而导致传感器输出信号异常的发生；也能够避免在高温下最外层敏感线圈发生氧化而导致传感器失效的发生。焊盘保护层是对敏感芯体的焊盘和金属信号引出线进行封接加固，增加其抗拉强度，因此本发明敏感探头具有更高的使用温度范围，高温下可靠性高，利于长期使用。

2、本发明中通过对线圈图形材质的选择、以及丝网印刷过程中线圈图形的宽度、厚度、间距和线圈匝数选择，能够得到适用于不同测量距离和不同使用温度的敏感探头；并且采用丝网印刷工艺保证了线圈图形烧结后形成的敏感线圈的宽度、厚度、间距和线圈匝数的一致性，制作精度提高，从而保证了电涡流场的一致性。本发明中陶瓷基板和敏感线圈的烧结同时进行，也有利于提高敏感探头电涡流场的一致性。

3、本发明线圈图形中线条的横截面最小为5μm×75μm，陶瓷基板厚度仅为0.1mm左右，与金属绕丝结构的转速传感器中直径为0.3mm的金属丝以及至少0.2mm的绝缘结构相比，本发明实现了敏感探头结构的微型化。

4、本发明共烧结构的敏感探头中，经高温烧结后的敏感线圈与陶瓷基板发生了深度融合，其层间结合力由微观的金属原子与氧化铝颗粒提供，在高频振动下不会发生分离，保证了振动环境下的信号输出，因此具有优异的耐振动性能。

5、本发明敏感探头的使用温度为-50℃～+1200℃，测量距离为0～3mm(被测物与敏感探头的距离)，能够实现转速为0～10000rpm下的金属齿轮或叶片的测量。

6、本发明通过共烧结构实现了敏感线圈与陶瓷基板间热膨胀系数相匹配，在其使用温度范围内即使经历温度冲击，由于热膨胀系数的一致性，敏感线圈与陶瓷基板始终保持同时膨胀或同时收缩，避免了线圈变形、脱落甚至断裂现象发生，因此本发明敏感探头具有极好的耐温度冲击性能。

附图说明：

图1为实施例1中制备的敏感探头的结构示意图；

图2为图1的A-A处剖视图；

图3为实施例1中步骤一中得到的具有线圈图形的氧化铝生瓷带的结构示意图；

图4为图3中氧化铝生瓷带表面的线圈图形示意图，图中a为冲孔；

图5为实施例1中转速传感器在不同环境温度下测得的齿轮转速曲线图；

图6为实施例1中该敏感探头在不同环境温度下的阻值曲线图；

图7为实施例2中制备的敏感探头的结构示意图；

图8为图7的A-A处剖视图；

图9为实施例2中步骤一中得到的具有线圈图形的氧化铝生瓷带的结构示意图；

图10为图9中氧化铝生瓷带表面的线圈图形示意图，图中a为冲孔。

具体实施方式：

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。

具体实施方式一：

本实施方式共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头为平面线圈探头或多层线圈探头；平面线圈探头或多层线圈探头由陶瓷基板1、敏感线圈2、线圈保护层3、信号引出线4、焊盘保护层5和焊盘6构成；敏感探头为平面线圈探头或多层线圈探头；

所述平面线圈探头中：陶瓷基板1的表面设置有敏感线圈2，陶瓷基板1上敏感线圈2的两个端头处分别设置有垂直于陶瓷基板1主体表面的通孔，通孔内设置有圆柱形的焊盘6，敏感线圈2的两个端头分别与焊盘6的侧壁固接；焊盘6上端探出至陶瓷基板1上表面，焊盘6的上端与信号引出线4一端固接，敏感线圈2上包覆有线圈保护层3，焊盘6的上端与信号引出线4连接处覆盖有焊盘保护层5；

所述多层线圈探头中：陶瓷基板1的表面设置有敏感线圈2、且陶瓷基板1的内部设置有多个敏感线圈2，陶瓷基板1的表面与内部的敏感线圈2相互平行，陶瓷基板1的表面上的敏感线圈2的两个端头处分别设置有垂直于陶瓷基板1主体表面的通孔，通孔内设置有圆柱形的焊盘6，陶瓷基板1的内部和陶瓷基板1表面的敏感线圈2的两个端头分别与焊盘6的侧壁固接；焊盘6上端探出至陶瓷基板1上表面，焊盘6的上端与信号引出线4一端固接，最外层敏感线圈2上包覆有线圈保护层3，焊盘6的上端与信号引出线4连接处覆盖有焊盘保护层5。

本实施方式共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头中，敏感线圈2的功能是：当有交流电通过敏感线圈2时，敏感线圈2内部会产生一个交变磁场，交变磁场会在其附近的发动机叶轮表面产生感应电流，即电涡流，电涡流会使敏感线圈2内部感应出反方向的交变磁场以阻抗外部磁场变化，通过测量这种敏感线圈2的电阻抗变化速率值，即可得到发动机叶轮的转速值。陶瓷基板1由多个氧化铝生瓷带烧结而成，氧化铝材质的陶瓷基板1具有良好的高温绝缘性能，能有效防止相邻层的敏感线圈2间出现短路现象导致线圈真实匝数减少，避免转速传感器出现输出信号减弱或无信号等现象的发生，并且陶瓷基板1还能提高敏感探头制备的传感器使用温度范围。线圈保护层3能够防止最外层敏感线圈2受到外部摩擦或碰撞而产生划痕、进而导致传感器输出信号异常的发生；也能够避免在高温下最外层敏感线圈2发生氧化而导致传感器失效的发生。焊盘保护层5是对敏感芯体的焊盘6和金属信号引出线4进行封接加固，增加其抗拉强度。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述敏感线圈2为平面单匝螺旋线或平面多匝等距螺旋线。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头的制备方法按照以下步骤进行：

步骤一：在氧化铝生瓷带上焊盘6的设计位置进行冲孔，得到冲孔氧化铝生瓷带；在冲孔氧化铝生瓷带上表面将低方阻金属浆料印刷成线圈图形，低方阻金属浆料印刷时流入冲孔内形成焊盘6，得到具有线圈图形的氧化铝生瓷带；

所述线圈图形的印刷采用丝网印刷进行；

所述线圈图形为平面单匝螺旋线或平面多匝等距螺旋线；螺旋线中线条的厚度为5～25μm，宽度为75～250μm，间距为50～100μm，螺旋线的最大直径为15mm；

所述氧化铝生瓷带的厚度为0.08～0.35mm；

所述低方阻金属浆料的方阻为2～25mΩ/□，低方阻金属浆料由10～25wt％的氧化铝粉、6～30wt％的溶剂、0.5～3wt％的分散剂、1～8wt％的粘接剂和余量的金属粉制备而成；

步骤二：

当制备平面线圈探头时，将步骤一中1个具有线圈图形的氧化铝生瓷带和多个冲孔氧化铝生瓷带叠放，具有线圈图形的氧化铝生瓷带设置在最上层，叠放时不同的氧化铝生瓷带的冲孔相对应，等静压处理后得到平面线圈生坯块；

当制备平面线圈探头时，将步骤一中多个具有线圈图形的氧化铝生瓷带叠放，叠放时不同的氧化铝生瓷带的冲孔相对应，等静压处理后得到多层线圈生坯块；

所述等静压处理的工艺为：温度为65～85℃和压力为2500～4000psi条件下保温保压10～50min；

步骤三：

当制备平面线圈探头时，在步骤二中的平面线圈生坯块的具有线圈图形的氧化铝生瓷带表面涂覆一层保护层浆料至线圈图形全部包覆；当制备多层线圈探头时，在步骤二中的多层线圈生坯块中最外层的具有线圈图形的氧化铝生瓷带表面涂覆一层保护层浆料至线圈图形全部包覆；然后进行排胶和一次高温烧结，得到敏感芯体，保护层浆料转变为线圈保护层3；

所述保护层浆料的厚度为10～150μm；

所述保护层浆料由55～75wt％的氧化铝粉体或铝镁尖晶石粉体、1～8wt％的粘结剂、0.5-2wt％的分散剂和余量的溶剂混合而成；

步骤四：取步骤一相同的低方阻金属浆料，并利用该低方阻金属浆料对敏感芯体中金属信号引出线4和焊盘6进行封接，封接后进行二次高温烧结；

步骤五：采用点胶的方式，在焊盘6和金属信号引出线4的封接处覆盖玻璃浆料至焊盘6的端部被全部覆盖，进行三次高温烧结，形成焊盘保护层5。

1、本实施方式中，陶瓷基板1由多个氧化铝生瓷带烧结而成，氧化铝材质的陶瓷基板1具有良好的高温绝缘性能，能有效防止相邻层的敏感线圈2间出现短路现象导致线圈真实匝数减少，避免转速传感器输出信号减弱或无信号等现象的发生，并且陶瓷基板1还能提高敏感探头制备的传感器使用温度范围。线圈保护层3能够防止最外层敏感线圈2受到外部摩擦或碰撞而产生划痕、进而导致传感器输出信号异常的发生；也能够避免在高温下最外层敏感线圈2发生氧化而导致传感器失效的发生。焊盘保护层5是对敏感芯体的焊盘6和金属信号引出线4进行封接加固，增加其抗拉强度，因此本实施方式敏感探头具有更高的使用温度范围，高温下可靠性高，利于长期使用。

2、本实施方式中通过对线圈图形材质的选择、以及丝网印刷过程中线圈图形的宽度、厚度、间距和线圈匝数选择，能够得到适用于不同测量距离和不同使用温度的敏感探头；并且采用丝网印刷工艺保证了线圈图形烧结后形成的敏感线圈2的宽度、厚度、间距和线圈匝数的一致性，制作精度提高，从而保证了电涡流场的一致性。本实施方式中陶瓷基板1和敏感线圈2的烧结同时进行，也有利于提高敏感探头电涡流场的一致性。

3、本实施方式线圈图形中线条的横截面最小为5μm×75μm，陶瓷基板1厚度仅为0.1mm左右，与金属绕丝结构的转速传感器中直径为0.3mm的金属丝以及至少0.2mm的绝缘结构相比，本实施方式实现了敏感探头结构的微型化。

4、本实施方式共烧结构的敏感探头中，经高温烧结后的敏感线圈2与陶瓷基板1发生了深度融合，其层间结合力由微观的金属原子与氧化铝颗粒提供，在高频振动下不会发生分离，保证了振动环境下的信号输出，因此具有优异的耐振动性能。

5、本实施方式敏感探头的使用温度为-50℃～+1200℃，测量距离为0～3mm(被测物与敏感探头的距离)，能够实现转速为0～10000rpm下的金属齿轮或叶片的测量。

6、本实施方式通过共烧结构实现了敏感线圈2与陶瓷基板1间热膨胀系数相匹配，在其使用温度范围内即使经历温度冲击，由于热膨胀系数的一致性，敏感线圈2与陶瓷基板1始终保持同时膨胀或同时收缩，避免了线圈变形、脱落甚至断裂现象发生，因此本实施方式敏感探头具有极好的耐温度冲击性能。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一所述金属粉为Ag粉、Au粉、Pt粉中的一种或多种的混合物；溶剂为松油醇、二乙二醇单丁醚、苯甲醇中的一种或多种任意比例的混合物；分散剂为蓖麻油；粘接剂为乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛、聚酰胺树脂中的一种或多种任意比例的混合物。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三所述粘结剂为乙基纤维素；分散剂为甘油三酯；溶剂为松油醇。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三所述排胶的具体工艺为：首先以0.5～2℃/min的升温速率升温至130℃，然后0.5～1℃/min的升温速率升温至280℃，最后以0.2～1℃/min的升温速率升温至600℃并保温60～1440min。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三所述一次高温烧的具体工艺为：以1～10℃/min的升温速率升温至950～1500℃并保温1～10h。其他步骤和参数与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四所述二次高温烧结的具体工艺为：以1～10℃/min的升温速率升温至900～1450℃并保温0.5～4h。其他步骤和参数与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤五所述三次高温烧结的具体工艺为：以0.2～5℃/min的升温速率升温至500℃，然后以1～10℃/min的升温速率升温至850～1350℃并保温1～10h。其他步骤和参数与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤五所述玻璃浆料由25～50wt％的玻璃粉、1～4wt％的微米氧化铝粉、2～25wt％的纳米氧化铝粉、1～7wt％的粘结剂和余量的溶剂混合而成；

所述溶剂为松油醇、二乙二醇单丁醚、苯甲醇中的一种或多种任意比例的混合物；粘结剂为乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛、聚酰胺树脂中的一种或多种任意比例的混合物；微米氧化铝粉的粒径为0.8～5μm，纳米氧化铝粉的粒径为100～300nm。其他步骤和参数与具体实施方式一至九之一相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1：

结合图1～6说明本实施例，本实施例共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头为平面线圈探头，平面线圈探头由陶瓷基板1、敏感线圈2、线圈保护层3、信号引出线4、焊盘保护层5和焊盘6构成；

所述平面线圈探头中：陶瓷基板1的表面设置有敏感线圈2，陶瓷基板1上敏感线圈2的两个端头处分别设置有垂直于陶瓷基板1主体表面的通孔，通孔内设置有圆柱形的焊盘6，敏感线圈2的两个端头分别与焊盘6的侧壁固接；焊盘6上端探出至陶瓷基板1上表面，焊盘6的上端与信号引出线4一端固接，敏感线圈2上包覆有线圈保护层3，焊盘6的上端与信号引出线4连接处覆盖有焊盘保护层5；

所述敏感线圈2为平面多匝等距螺旋线；

上述共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头的制备方法按照以下步骤进行：

步骤一：

在氧化铝生瓷带上焊盘6的设计位置进行冲孔，得到冲孔氧化铝生瓷带；在冲孔氧化铝生瓷带上表面将低方阻金属浆料印刷成线圈图形，低方阻金属浆料印刷时流入冲孔内形成焊盘6，得到具有线圈图形的氧化铝生瓷带；

所述线圈图形的印刷采用丝网印刷进行；

所述线圈图形为平面多匝等距螺旋线；螺旋线中线条的厚度为15μm，宽度为150μm，间距为75μm，螺旋线的最大直径为15mm；

所述氧化铝生瓷带的厚度为0.10mm；

所述低方阻金属浆料的方阻为12mΩ/□，低方阻金属浆料由15wt％的氧化铝粉、28wt％的溶剂、5wt％的粘结剂、1.5wt％的分散剂和余量的金属粉制备而成；

所述金属粉为Pt粉；溶剂为松油醇；粘结剂为乙基纤维素；分散剂为蓖麻油；

低方阻金属浆料中固相物为氧化铝粉和Pt粉，固相物的种类和含量的调整能够改变探头的工作温度范围和测量距离；同时通过对线圈图形中线圈匝数的调整、以及丝网印刷过程中线圈图形中线条的宽度、厚度和间距的调整，能够得到用于不同测量距离和不同使用温度的敏感探头；

步骤二：将步骤一中1个具有线圈图形的氧化铝生瓷带和9个冲孔氧化铝生瓷带叠放，具有线圈图形的氧化铝生瓷带设置在最上层，叠放时不同的氧化铝生瓷带的冲孔相对应，等静压处理后得到平面线圈生坯块；

所述等静压处理的工艺为：温度为80℃和压力为3500psi条件下保温保压35min；

等静压处理能够使平面线圈生坯块紧密压实且无层间开裂；平面线圈生坯块中共设置了10个冲孔氧化铝生瓷带，能够提高敏感芯体的厚度，从而提升敏感探头的机械强度，进而使制备的传感器可靠性提高

步骤三：在步骤二中的平面线圈生坯块的具有线圈图形的氧化铝生瓷带表面涂覆一层保护层浆料至线圈图形全部包覆，然后进行排胶和一次高温烧结，得到敏感芯体，保护层浆料转变为线圈保护层3；

所述保护层浆料的厚度为120μm；

所述保护层浆料由65wt％的氧化铝粉体、5wt％的粘结剂、1wt％的分散剂和余量的溶剂混合而成；

所述粘结剂为乙基纤维素；分散剂为甘油三酯；溶剂为松油醇；

所述排胶的具体工艺为：首先以1.5℃/min的升温速率升温至130℃，然后1℃/min的升温速率升温至280℃，最后以0.5℃/min的升温速率升温至600℃并保温600min；

所述一次高温烧的具体工艺为：以3℃/min的升温速率升温至1450℃并保温4h；

一次高温烧结后线圈图形转变为敏感线圈2，焊盘6用于敏感芯体形成后敏感线圈2与信号引出线4的封接，利用保护层浆料对线圈图形覆盖，能够有效对线圈图形进行保护；氧化铝生瓷带烧结后得到的陶瓷基板1起到了敏感线圈2之间的绝缘功能，并且提高了传感器使用温度范围。

步骤四：取步骤一相同的低方阻金属浆料，并利用该低方阻金属浆料对敏感芯体中金属信号引出线4和焊盘6进行封接，封接后进行二次高温烧结；

封接时，先将低方阻金属浆料涂覆在焊盘6中心，通过低方阻金属浆料将金属信号引出线4端部与焊盘6粘连，经二次高温烧结使金属信号引出线4与敏感芯体紧密结合；

所述二次高温烧结的具体工艺为：以5℃/min的升温速率升温至1400℃并保温2h；

步骤五：采用点胶的方式，在焊盘6和金属信号引出线4的封接处覆盖玻璃浆料至焊盘6的端部被全部覆盖，进行三次高温烧结，形成焊盘保护层5；

所述三次高温烧结的具体工艺为：以2℃/min的升温速率升温至500℃，然后以5℃/min的升温速率升温至1300℃并保温2h；

步骤五所述玻璃浆料由45wt％的玻璃粉、2wt％的微米氧化铝粉、20wt％的纳米氧化铝粉、5wt％的粘结剂和余量的溶剂混合而成；

所述溶剂为苯甲醇；粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛；微米氧化铝粉的粒径为0.8～1.2μm，纳米氧化铝粉的粒径为200～280nm。

玻璃浆料能够在封接点上形成焊盘保护层5，对封接点进行加固保护；玻璃浆料中添加的纳米级氧化铝粉体能够提高焊盘保护层的软化温度，进而提高探头的使用温度，玻璃浆料固化后形成的焊盘保护层5的热膨胀系数为7.0×10^-6/℃～8.0×10^-6/℃，焊盘6的热膨胀系数为7.2×10^-6/℃～7.5×10^-6/℃，焊盘保护层5的热膨胀系数与陶瓷基板1和焊盘6的热膨胀系数相匹配，降低了三者之间由于温度变化而产生的层间剪切力和拉伸力，防止敏感探头焊点起皮或脱落，提高了敏感探头高温下的可靠性。

1、本实施例中，陶瓷基板1由10个氧化铝生瓷带烧结而成，氧化铝材质的陶瓷基板1具有良好的高温绝缘性能，能有效防止出现短路现象导致线圈真实匝数减少，避免转速传感器输出信号减弱或无信号等现象的发生，并且陶瓷基板1还能提高敏感探头制备的传感器使用温度范围。线圈保护层3能够防止最外层敏感线圈2受到外部摩擦或碰撞而产生划痕、进而导致传感器输出信号异常的发生；也能够避免在高温下最外层敏感线圈2发生氧化而导致传感器失效的发生。焊盘保护层5是对敏感芯体的焊盘6和金属信号引出线4进行封接加固，增加其抗拉强度，因此本实施例敏感探头具有更高的使用温度范围，高温下可靠性高，利于长期使用。

2、本实施例中采用丝网印刷工艺保证了线圈图形烧结后形成的敏感线圈2的宽度、厚度、间距和线圈匝数的一致性，制作精度提高，从而保证了电涡流场的一致性。本实施例中陶瓷基板1和敏感线圈2的烧结同时进行，也有利于提高敏感探头电涡流场的一致性。

3、本实施例线圈图形中线条的横截面为15μm×150μm，陶瓷基板1厚度仅为0.1mm左右，与金属绕丝结构的转速传感器中直径为0.3mm的金属丝以及至少0.2mm厚的绝缘结构相比，本实施例实现了敏感探头结构的微型化。

4、本实施例共烧结构的敏感探头中，经高温烧结后的敏感线圈2与陶瓷基板1发生了深度融合，其层间结合力由微观的金属原子与氧化铝颗粒提供，在高频振动下不会发生分离，保证了振动环境下的信号输出，因此具有优异的耐振动性能。

5、本实施例敏感探头的使用温度为-50℃～+1200℃，测量距离为0～2mm(被测物与敏感探头的距离)，能够实现转速为0～10000rpm下的金属齿轮或叶片的测量。

6、本实施例通过共烧结构实现了敏感线圈2与陶瓷基板1间热膨胀系数相匹配，在其使用温度范围内即使经历温度冲击，由于热膨胀系数的一致性，敏感线圈2与陶瓷基板1始终保持同时膨胀或同时收缩，避免了线圈变形、脱落甚至断裂现象发生，因此本实施例敏感探头具有极好的耐温度冲击性能。

图1为实施例1中制备的敏感探头的结构示意图；图2为图1的A-A处剖视图；图3为实施例1中步骤一中得到的具有线圈图形的氧化铝生瓷带的结构示意图；图4为图3中氧化铝生瓷带表面的线圈图形示意图，图中a为冲孔；图5为转速传感器在不同环境温度下测得的齿轮转速曲线图；将敏感探头作为敏感元件组装成工作电压为5V的转速传感器。利用该转速传感器测试不同环境温度下的齿轮的转动速度。图5能够看出，在-50℃～+1200℃的环境温度下传感器均具有稳定的信号输出，可以满足高温使用环境对转速传感器敏感探头的需求。图6该敏感探头在不同环境温度下的阻值曲线图；图6能够看出，实施例中敏感探头的阻值随环境温度的变化而呈现出连续且线性变化。这说明敏感线圈的材质符合电阻温度系数特性，其敏感探头结构在整个温度范围内保持稳定，敏感线圈没有出现变形、脱落甚至断裂，敏感探头电学性能稳定。

实施例2：

结合图7～10说明本实施例，本实施例共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头为多层线圈探头由陶瓷基板1、敏感线圈2、线圈保护层3、信号引出线4、焊盘保护层5和焊盘6构成；

所述多层线圈探头中：陶瓷基板1的表面设置有1个敏感线圈2、且陶瓷基板1的内部设置有11个敏感线圈2，陶瓷基板1的表面与内部的敏感线圈2相互平行，陶瓷基板1的表面上的敏感线圈2的两个端头处分别设置有垂直于陶瓷基板1主体表面的通孔，通孔内设置有圆柱形的焊盘6，陶瓷基板1的内部和陶瓷基板1表面的敏感线圈2的两个端头分别与焊盘6的侧壁固接；焊盘6上端探出至陶瓷基板1上表面，焊盘6的上端与信号引出线4一端固接，最外层敏感线圈2上包覆有线圈保护层3，焊盘6的上端与信号引出线4连接处覆盖有焊盘保护层5；

所述敏感线圈2为平面单匝螺旋线；

上述共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头的制备方法按照以下步骤进行：

步骤一：

在氧化铝生瓷带上焊盘6的设计位置进行冲孔，得到冲孔氧化铝生瓷带；在冲孔氧化铝生瓷带上表面将低方阻金属浆料印刷成线圈图形，低方阻金属浆料印刷时流入冲孔内形成焊盘6，得到具有线圈图形的氧化铝生瓷带；

所述线圈图形的印刷采用丝网印刷进行；

所述线圈图形为平面单匝螺旋线，螺旋线中线条的厚度为10μm，宽度为200μm，间距为100μm，螺旋线直径为15mm。

所述氧化铝生瓷带的厚度为0.10mm；

所述低方阻金属浆料的方阻为10mΩ/□，低方阻金属浆料由13wt％的氧化铝粉、28wt％的溶剂、5wt％的粘结剂、1wt％的分散剂和余量的金属粉制备而成；

所述金属粉为Pt粉；溶剂为松油醇；粘结剂为乙基纤维素；分散剂为蓖麻油；

低方阻金属浆料中固相物为氧化铝粉和Pt粉，固相物的种类和含量的调整能够改变探头的工作温度范围和测量距离；同时通过对线圈图形中线圈匝数的调整、以及丝网印刷过程中线圈图形中线条的宽度、厚度和间距的调整，能够得到用于不同测量距离和不同使用温度的敏感探头；

步骤二：

将步骤一中12个具有线圈图形的氧化铝生瓷带叠放，叠放时不同的氧化铝生瓷带的冲孔相对应，等静压处理后得到多层线圈生坯块；

所述等静压处理的工艺为：温度为80℃和压力为3500psi条件下保温保压40min；

等静压处理能够使多层线圈生坯块紧密压实且无层间开裂；多层线圈生坯块中12个具有线圈图形的氧化铝生瓷带叠放，能够增强敏感探头的信号强度；

步骤三：

在步骤二中的多层线圈生坯块中最外层的具有线圈图形的氧化铝生瓷带表面涂覆一层保护层浆料至线圈图形全部包覆；然后进行排胶和一次高温烧结，得到敏感芯体，保护层浆料转变为线圈保护层3；

所述保护层浆料的厚度为100μm；

所述保护层浆料由65wt％的氧化铝粉体、5wt％的粘结剂、1wt％的分散剂和余量的溶剂混合而成；

所述粘结剂为乙基纤维素；分散剂为甘油三酯；溶剂为松油醇；

所述排胶的具体工艺为：首先以1.5℃/min的升温速率升温至130℃，然后1℃/min的升温速率升温至280℃，最后以0.5℃/min的升温速率升温至600℃并保温600min；

所述一次高温烧的具体工艺为：以3℃/min的升温速率升温至1450℃并保温4h；

一次高温烧结后线圈图形转变为敏感线圈2，焊盘6用于敏感芯体形成后敏感线圈2与信号引出线4的封接，并用于敏感芯体中相邻的敏感线圈2的信号连通；利用保护层浆料对线圈图形覆盖，能够有效对线圈图形进行保护；氧化铝生瓷带烧结后得到的陶瓷基板1起到了敏感线圈2之间的绝缘功能，并且提高了传感器使用温度范围。

步骤四：

取步骤一相同的低方阻金属浆料，并利用该低方阻金属浆料对敏感芯体中金属信号引出线4和焊盘6进行封接，封接后进行二次高温烧结；

封接时，先将低方阻金属浆料涂覆在焊盘6中心，通过低方阻金属浆料将金属信号引出线4端部与焊盘6粘连，经二次高温烧结使金属信号引出线4与敏感芯体紧密结合。

所述二次高温烧结的具体工艺为：以5℃/min的升温速率升温至1400℃并保温2h；

步骤五：

采用点胶的方式，在焊盘6和金属信号引出线4的封接处覆盖玻璃浆料至焊盘6的端部被全部覆盖，进行三次高温烧结，形成焊盘保护层5；

所述三次高温烧结的具体工艺为：以2℃/min的升温速率升温至500℃，然后以5℃/min的升温速率升温至1300℃并保温2h；

所述玻璃浆料由45wt％的玻璃粉、2wt％的微米氧化铝粉、20wt％的纳米氧化铝粉、5wt％的粘结剂和余量的溶剂混合而成；

所述溶剂为苯甲醇；粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛；微米氧化铝粉的粒径为0.8～1.2μm，纳米氧化铝粉的粒径为200～280nm。

玻璃浆料能够在封接点上形成焊盘保护层5，对封接点进行加固保护；玻璃浆料中添加的纳米级氧化铝粉体能够提高焊盘保护层的软化温度，进而提高探头的使用温度，玻璃浆料固化后形成的焊盘保护层5的热膨胀系数为7.0×10^-6/℃～8.0×10^-6/℃，焊盘6的热膨胀系数为7.2×10^-6/℃～7.5×10^-6/℃，焊盘保护层5的热膨胀系数与陶瓷基板1和焊盘6的热膨胀系数相匹配，降低了三者之间由于温度变化而产生的层间剪切力和拉伸力，防止敏感探头焊点起皮或脱落，提高了高温下敏感探头的可靠性。

图7为实施例2中制备的敏感探头的结构示意图；图8为图7的A-A处剖视图；图9为实施例2中步骤一中得到的具有线圈图形的氧化铝生瓷带的结构示意图；图10为图9中氧化铝生瓷带表面的线圈图形示意图，图中a为冲孔。

1、本实施例中，陶瓷基板1由12个氧化铝生瓷带烧结而成，氧化铝材质的陶瓷基板1具有良好的高温绝缘性能，能有效防止相邻层的敏感线圈2间出现短路现象导致线圈真实匝数减少，避免转速传感器输出信号减弱或无信号等现象的发生，并且陶瓷基板1还能提高敏感探头制备的传感器使用温度范围。线圈保护层3能够防止最外层敏感线圈2受到外部摩擦或碰撞而产生划痕、进而导致传感器输出信号异常的发生；也能够避免在高温下最外层敏感线圈2发生氧化而导致传感器失效的发生。焊盘保护层5是对敏感芯体的焊盘6和金属信号引出线4进行封接加固，增加其抗拉强度，因此本实施例敏感探头具有更高的使用温度范围，高温下可靠性高，利于长期使用。

2、本实施例采用丝网印刷工艺保证了线圈图形烧结后形成的敏感线圈2的宽度、厚度、间距和线圈匝数的一致性，制作精度提高，从而保证了电涡流场的一致性。本实施例中陶瓷基板1和敏感线圈2的烧结同时进行，也有利于提高敏感探头电涡流场的一致性。

3、本实施例线圈图形中线条的横截面为10μm×200μm，陶瓷基板1厚度仅为0.1mm左右，与金属绕丝结构的转速传感器中直径为0.3mm的金属丝以及至少0.2mm的绝缘结构相比，本实施例实现了敏感探头结构的微型化。

4、本实施例共烧结构的敏感探头中，经高温烧结后的敏感线圈2与陶瓷基板1发生了深度融合，其层间结合力由微观的金属原子与氧化铝颗粒提供，在高频振动下不会发生分离，保证了振动环境下的信号输出，因此具有优异的耐振动性能。

5、本实施例敏感探头的使用温度为-50℃～+1200℃，测量距离为0～2.5mm(被测物与敏感探头的距离)，能够实现转速为0～10000rpm下的金属齿轮或叶片的测量。

6、本实施例通过共烧结构实现了敏感线圈2与陶瓷基板1间热膨胀系数相匹配，在其使用温度范围内即使经历温度冲击，由于热膨胀系数的一致性，敏感线圈2与陶瓷基板1始终保持同时膨胀或同时收缩，避免了线圈变形、脱落甚至断裂现象发生，因此本实施例敏感探头具有极好的耐温度冲击性能。

Claims (10)

1.一种共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头，其特征在于：该敏感探头为平面线圈探头或多层线圈探头；平面线圈探头或多层线圈探头由陶瓷基板(1)、敏感线圈(2)、线圈保护层(3)、信号引出线(4)、焊盘保护层(5)和焊盘(6)构成；敏感探头为平面线圈探头或多层线圈探头；

所述平面线圈探头中：陶瓷基板(1)的表面设置有敏感线圈(2)，陶瓷基板(1)上敏感线圈(2)的两个端头处分别设置有垂直于陶瓷基板(1)主体表面的通孔，通孔内设置有圆柱形的焊盘(6)，敏感线圈(2)的两个端头分别与焊盘(6)的侧壁固接；焊盘(6)上端探出至陶瓷基板(1)上表面，焊盘(6)的上端与信号引出线(4)一端固接，敏感线圈(2)上包覆有线圈保护层(3)，焊盘(6)的上端与信号引出线(4)连接处覆盖有焊盘保护层(5)；

所述多层线圈探头中：陶瓷基板(1)的表面设置有敏感线圈(2)、且陶瓷基板(1)的内部设置有多个敏感线圈(2)，陶瓷基板(1)的表面与内部的敏感线圈(2)相互平行，陶瓷基板(1)的表面上的敏感线圈(2)的两个端头处分别设置有垂直于陶瓷基板(1)主体表面的通孔，通孔内设置有圆柱形的焊盘(6)，陶瓷基板(1)的内部和陶瓷基板(1)表面的敏感线圈(2)的两个端头分别与焊盘(6)的侧壁固接；焊盘(6)上端探出至陶瓷基板(1)上表面，焊盘(6)的上端与信号引出线(4)一端固接，最外层敏感线圈(2)上包覆有线圈保护层(3)，焊盘(6)的上端与信号引出线(4)连接处覆盖有焊盘保护层(5)。

2.根据权利要求1所述的共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头，其特征在于：所述敏感线圈(2)为平面单匝螺旋线或平面多匝等距螺旋线。

3.如权利要求1所述的共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头的制备方法，其特征在于：

步骤一：

在氧化铝生瓷带上焊盘(6)的设计位置进行冲孔，得到冲孔氧化铝生瓷带；在冲孔氧化铝生瓷带上表面将低方阻金属浆料印刷成线圈图形，低方阻金属浆料印刷时流入冲孔内形成焊盘(6)，得到具有线圈图形的氧化铝生瓷带；

所述线圈图形的印刷采用丝网印刷进行；

所述线圈图形为平面单匝螺旋线或平面多匝等距螺旋线；螺旋线中线条的厚度为5～25μm，宽度为75～250μm，间距为50～100μm，螺旋线的最大直径为15mm；

所述氧化铝生瓷带的厚度为0.08～0.35mm；

所述低方阻金属浆料的方阻为2～25mΩ/□，低方阻金属浆料由10～25wt％的氧化铝粉、6～30wt％的溶剂、0.5～3wt％的分散剂、1～8wt％的粘接剂和余量的金属粉制备而成；

步骤二：

当制备平面线圈探头时，将步骤一中1个具有线圈图形的氧化铝生瓷带和多个冲孔氧化铝生瓷带叠放，具有线圈图形的氧化铝生瓷带设置在最上层，叠放时不同的氧化铝生瓷带的冲孔相对应，等静压处理后得到平面线圈生坯块；

当制备多层线圈探头时，将步骤一中多个具有线圈图形的氧化铝生瓷带叠放，叠放时不同的氧化铝生瓷带的冲孔相对应，等静压处理后得到多层线圈生坯块；

所述等静压处理的工艺为：温度为65～85℃和压力为2500～4000psi条件下保温保压10～50min；

步骤三：

当制备平面线圈探头时，在步骤二中的平面线圈生坯块的具有线圈图形的氧化铝生瓷带表面涂覆一层保护层浆料至线圈图形全部包覆；当制备多层线圈探头时，在步骤二中的多层线圈生坯块中最外层的具有线圈图形的氧化铝生瓷带表面涂覆一层保护层浆料至线圈图形全部包覆；然后进行排胶和一次高温烧结，得到敏感芯体，保护层浆料转变为线圈保护层(3)；

所述保护层浆料的厚度为10～150μm；

所述保护层浆料由55～75wt％的氧化铝粉体或铝镁尖晶石粉体、1～8wt％的粘结剂、0.5-2wt％的分散剂和余量的溶剂混合而成；

步骤四：

取步骤一相同的低方阻金属浆料，并利用该低方阻金属浆料对敏感芯体中金属信号引出线(4)和焊盘(6)进行封接，封接后进行二次高温烧结；

步骤五：

采用点胶的方式，在焊盘(6)和金属信号引出线(4)的封接处覆盖玻璃浆料至焊盘(6)的端部被全部覆盖，进行三次高温烧结，形成焊盘保护层(5)。

4.根据权利要求3所述的共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头的制备方法，其特征在于：步骤一所述金属粉为Ag粉、Au粉、Pt粉中的一种或多种的混合物；溶剂为松油醇、二乙二醇单丁醚、苯甲醇中的一种或多种任意比例的混合物；分散剂为蓖麻油；粘接剂为乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛、聚酰胺树脂中的一种或多种任意比例的混合物。

5.根据权利要求3所述的共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头的制备方法，其特征在于：步骤三所述粘结剂为乙基纤维素；分散剂为甘油三酯；溶剂为松油醇。

6.根据权利要求3所述的共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头的制备方法，其特征在于：步骤三所述排胶的具体工艺为：首先以0.5～2℃/min的升温速率升温至130℃，然后0.5～1℃/min的升温速率升温至280℃，最后以0.2～1℃/min的升温速率升温至600℃并保温60～1440min。

7.根据权利要求3所述的共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头的制备方法，其特征在于：步骤三所述一次高温烧的具体工艺为：以1～10℃/min的升温速率升温至950～1500℃并保温1～10h。

8.根据权利要求3所述的共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头的制备方法，其特征在于：步骤四所述二次高温烧结的具体工艺为：以1～10℃/min的升温速率升温至900～1450℃并保温0.5～4h。

9.根据权利要求3所述的共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头的制备方法，其特征在于：步骤五所述三次高温烧结的具体工艺为：以0.2～5℃/min的升温速率升温至500℃，然后以1～10℃/min的升温速率升温至850～1350℃并保温1～10h。

10.根据权利要求3所述的共烧结构的电涡流式高温转速传感器用敏感探头的制备方法，其特征在于：步骤五所述玻璃浆料由25～50wt％的玻璃粉、1～4wt％的微米氧化铝粉、2～25wt％的纳米氧化铝粉、1～7wt％的粘结剂和余量的溶剂混合而成；

所述溶剂为松油醇、二乙二醇单丁醚、苯甲醇中的一种或多种任意比例的混合物；粘结剂为乙基纤维素、聚乙烯醇缩丁醛、聚酰胺树脂中的一种或多种任意比例的混合物；微米氧化铝粉的粒径为0.8～5μm，纳米氧化铝粉的粒径为100～300nm。

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