CN113739689B - 传感器和系统 - Google Patents
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Abstract
本文公开传感器和系统。传感器包括：金属物体；薄膜堆叠，其在金属物体的至少一部分的表面上形成，其中该薄膜堆叠包括：电绝缘膜；位于电绝缘膜上的金属膜，其中在金属膜中限定第一电导体，其中该金属膜由与金属物体不同的金属合金构成，其中该第一电导体与金属物体通过电绝缘膜电绝缘，其中该第一电导体包括：在第一端中的连接点，其经由电线连接到第一端子；和在第二端中的传感器结构，其被限定在金属膜中，该传感器结构包括：金属膜的结点，其穿透电绝缘膜到达金属物体，由此形成热电偶；金属物体端子，其经由电线连接到金属物体的连接点，其中第一电导体的连接点和金属物体的连接点被构造成彼此相邻并且处于彼此等温关系。
Description
技术领域
本公开涉及传感器领域，并且更具体地是涉及金属基板上的薄膜传感器领域。
背景技术
在温度测量领域中，存在两种主要类型的温度传感器。第一类型的温度传感器是电阻类型的，在该电阻类型中，材料的电阻改变通过表格数据或数学模型与温度相关。第二类型的温度传感器是热电偶，其涉及到感测由于赛贝克效应(Seebeck effect)而在两种不同金属之间的结点中产生的小电压。然后，将该小电压与表格数据或数学方程式一起使用，以得出测得的温度。典型的第一类型传感器是PT-100传感器，它是布置在陶瓷基板上的铂线。第二类型的示例是K型热电偶，它使用镍铬合金(chromel)线和铝镍合金(alumel)线之间的焊接结点作为连接有非常精密的电压表的温度传感器，然后使用测得的电压，以使用表格数据或数学模型来确定感测到的温度。
两种类型的传感器都至少使用两条线以连接到信号调节电子设备。这导致大量的线的布线和连接，尤其是在使用几个传感器的情况下。
在应变仪测量中，通常使用桥构造来减轻温度对应变仪的影响。实践中，该解决方案使用被配置用以感测测试物体中的应变的第一应变仪，第二应变仪被布置成使得第二应变仪经历与第一应变仪相同的温度，但是不经历应变。因而，如果第一应变仪和第二应变仪被布置在所述桥的第一支路中，则所述桥被温度补偿。如果不可能将第二应变仪布置在测试物体上以使第二应变仪无应变，则必须通过减去由传感器的热膨胀引起的应变和由温度改变导致的电阻改变引起的应变来补偿如由第一应变仪测得的应变。通过对应变仪温度的精确了解，可以计算出并减去这些应变贡献。因而，能够精确地测量应变仪的温度非常重要，但是这在实践中可能非常困难，因为应变仪通常非常小，并且非常难以将温度传感器布置在应变仪的感测线附近。因此，对于可以集成在应变传感器中的温度传感器非常感兴趣。
因此，对于减少用于连接传感器的电线的数量非常感兴趣。
对于可以集成在应变传感器中并且连接电线的数量减少的温度传感器非常感兴趣。本公开的一方面在于提供一种解决方案，该解决方案至少消除或减轻上文公开的问题。
本公开的进一步方面在于提供一种改进的传感器。
发明内容
因此，本公开提供了一种需要较少数量的连接电线的传感器。另外，本公开还提供了一种具有可以与应变传感器集成一体的、具有减少数量的连接电线的传感器。
因此，本公开涉及一种传感器，其特征在于，该传感器包括：金属物体；薄膜堆叠，其在金属物体的至少一部分的表面上形成，其中薄膜堆叠包括：电绝缘膜；位于电绝缘膜上的金属膜，其中，第一电导体被限定在金属膜中，其中，金属膜由与金属物体不同的金属合金构成，其中，第一电导体通过电绝缘膜与金属物体电绝缘，其中，第一电导体包括：在第一端中经由电线连接到第一端子的连接点；和在第二端中被限定在金属膜中的传感器结构，所述传感器结构包括：穿透电绝缘膜到达金属物体的金属膜的结点，由此形成热电偶；金属物体端子，其经由电线连接到金属物体的连接点，其中，第一电导体的连接点和金属物体的连接点被构造成彼此相邻并且处于彼此等温关系。
如上文或下文中限定的传感器可以进一步包括：在金属膜中限定的第二电导体，其中，第二电导体在第一端中包括连接点；并且，传感器区域进一步包括在第一端和第二端之间的应变敏感部分，并且该传感器区域被配置用以根据金属物体的被施加的机械应变来改变电阻，其中，应变敏感部分的第一端连接到第一电导体，应变敏感部分的第二端连接到第二电导体；并且结点被配置用以感测应变敏感部分的温度。
如上文或下文中限定的传感器的结点可以在应变敏感部分中形成。
如本文中讨论的金属物体可以是金属管或金属带。
如本文中讨论的金属膜可以选自金属或金属合金，例如但不限于镍铬合金。
短语“金属膜由与金属物体不同的金属合金构成”是指构成金属物体或金属膜的金属或金属合金必须不具有相同范围的其中所含的所有合金元素，因为合金的成分必须不同，以便合成有用的热电偶传感器。
根据本发明，仅需要一种金属材料来形成热电偶传感器。这是因为物体本身就是金属的，由此仅需要一种附加的金属材料以便形成热电偶。
如本文中讨论的电绝缘膜可以选自金属氧化物或金属氮化物。这将允许选择具有与金属物体相似的热容量的电绝缘膜，这将允许金属物体的表面与电绝缘膜之间的最小温差。
本公开还涉及一种用于感测金属物体的应变和温度的传感器系统，其特征在于，该传感器系统包括：根据本文公开的实施例的传感器；冷结点温度检测器，其被配置用以检测第一电导体和金属物体的连接点的等温温度；温度电路，其被连接到第一端子并被连接到金属物体端子，并被配置用以测量结点的温度，其中，温度电路进一步被连接到冷结点温度检测器，以补偿连接点的冷结点温度；应变电路，其被连接到第一端子并被连接到第二端子，以基于应变敏感部分的电阻改变来确定应变；以及计算电路，其被连接至温度电路并被连接到应变电路，其中，计算电路被配置用以确定由金属物体上的机械应变引起的应变以及金属物体的温度感应的应变。
附图说明
下面参考附图描述根据本公开的实施例，在附图中：
图1是根据本公开的一个实施例的传感器的三维视图；
图2是沿图1的线A-A’截取的横截面图，其公开了根据在图1中公开的实施例的传感器的横截面，
图3是根据本公开的一个实施例的传感器的三维视图；
图4是沿图3的线A-A’截取的横截面图，其公开了根据在图3中公开的实施例的传感器的横截面，以及
图5是根据本公开的一个实施例的系统的示意性方框图。
具体实施方式
图1示出了总的以100表示的传感器，该传感器包括：金属物体101；薄膜堆叠102，其在金属物体的至少一部分的表面上形成，其中，薄膜堆叠包括：电绝缘膜103；位于电绝缘膜上的金属膜，其中，在金属膜中限定第一电导体104，其中，金属膜由与金属物体不同的金属合金构成，其中，第一电导体104与金属物体101通过电绝缘膜103电绝缘，其中，第一电导体104包括：在第一端106中的连接点108，其经由电线连接到第一端子W0；和在第二端107中的传感器结构110，其被限定在金属膜中，所述传感器结构包括：金属膜的结点105，其穿透电绝缘膜到达金属物体，由此形成热电偶；金属物体端子W1，其经由电线连接到金属物体的连接点109，其中，第一电导体的连接点108和金属物体的连接点109被构造成彼此相邻并且处于彼此等温关系。当结点靠近管的内部时，结点105将能够以非常精确的方式测量管内的过程温度，因而，结点将仅受由管壁的厚度所决定的热梯度的影响，并且将不受电绝缘层的导热性的影响。
第一电导体的连接点108和金属物体的连接点109由于它们的等温关系而具有相同的温度。这意味着，如果测量这些连接点的温度，则可以通过从测得的温度减去这些连接点的温度来执行冷结点补偿，以便计算出结点105的温度。为了实现等温关系，除了将连接点布置得尽可能彼此接近之外，可能还有必要进行一些绝缘。
图2公开了沿传感器结构110的在图1中的线A-A’的横截面图。图2示出了上面形成有薄膜堆叠102的金属物体101。薄膜堆叠包括电绝缘膜103，其优选地是金属氧化物或金属氮化物。在电绝缘膜103上形成有金属膜104，并且在结点105处，金属膜穿透电绝缘膜并接触金属物体。金属膜可以是镍铬合金。因而，在金属物体和金属膜之间形成热电偶。热电偶的连接器由第一电连接器和金属物体形成。
在图1中，金属物体是金属管，通过例如热喷涂、蒸发或溅射直接在该金属管上形成薄膜堆叠102。这意味着薄膜堆叠将在不使用粘合剂的情况下粘附至金属物体。金属物体的表面可能必须被粗糙化，以便促进薄膜堆叠的粘附。该粗糙化可以通过例如喷砂机或研磨来进行。
图3公开了传感器300的实施例。该传感器包括：金属物体301；薄膜堆叠302，其在金属物体的至少一部分的表面上形成，其中，薄膜堆叠包括：电绝缘膜303；位于电绝缘膜上的金属膜，其中，在金属膜中限定第一电导体304，其中，金属膜由与金属物体不同的金属合金构成，其中，第一电导体与金属物体通过电绝缘膜电绝缘，其中，第一电导体包括：在第一端306中的连接点308，其经由电线连接到第一端子W0；和在第二端307中的传感器结构310，其被限定在金属膜中，所述传感器结构包括：金属膜的结点305，其穿透电绝缘膜到达金属物体，由此形成热电偶；金属物体端子W1，其经由电线连接到金属物体的连接点309，其中，第一电导体的连接点308和金属物体的连接点309被构造成彼此相邻并且处于彼此等温关系。
图3中公开的传感器300与参考图1公开的实施例不同在于，传感器300还包括：第二电导体311，其被限定金属膜中，其中，第二电导体包括在第一端306中的连接点312；并且，传感器区域310进一步包括在第一端314和第二端313之间的应变敏感部分，并且该传感器区域310被配置用以根据金属物体301的被施加的机械应变来改变电阻，其中，应变敏感部分的第一端314连接到第一电导体304，应变敏感部分的第二端313连接到第二电导体311；并且结点305被配置用以感测应变敏感部分的温度。
图4公开了沿传感器结构310的在图3中的线A-A’的横截面图。图4的横截面图示出了传感器结构310，该传感器结构310包括被限定在金属膜中的第一应变敏感导体401。第一应变敏感导体401被连接至第一端314。传感器结构310进一步包括被连接至第二端313的第二应变敏感导体402。传感器结构进一步包括被连接至第一应变敏感导体401和第二应变敏感导体402的第三应变敏感导体403。第三应变敏感导体403也被金属膜限定，并且在金属膜和金属物体之间的结点305中穿透电绝缘膜。该结点305可以通过激光蚀刻形成。结点305因而在应变敏感部分中形成。
金属物体是金属管或金属带。
金属膜可以选自镍铬合金。
电绝缘膜可以选自金属氧化物或金属氮化物。
图5公开了总的以500表示的用于感测金属物体的应变和温度的传感器系统。传感器系统包括：根据上文公开的实施例的传感器300；冷结点温度检测器501，其被配置用于检测第一电导体和金属物体的连接点308、309的等温温度。传感器系统进一步包括温度电路502，其被连接到第一端子W0并被连接到金属物体端子W1，并被配置用以测量结点的温度。温度电路进一步连接到冷结点温度检测器，以补偿连接点308、309的冷结点温度。传感器系统进一步包括：应变电路503，其被连接到第一端子W0并被连接到第二端子W2，以基于应变敏感部分的电阻改变来确定应变；以及计算电路503，其被连接到温度电路502并被连接到应变电路503。计算电路被配置用以确定由金属物体上的机械应变引起的应变以及金属物体的温度感应的应变。
Claims (5)
1.一种传感器(300)，所述传感器包括：
金属物体(301)；
薄膜堆叠(302)，所述薄膜堆叠在所述金属物体的至少一部分的表面上形成，其中，所述薄膜堆叠包括：
电绝缘膜(303)；
位于所述电绝缘膜上的金属膜，其中，在所述金属膜中限定第一电导体(304)，其中，所述金属膜由与所述金属物体(301)不同的金属合金构成，其中，所述第一电导体(304)与所述金属物体(301)通过所述电绝缘膜(303)电绝缘，
其中，所述第一电导体(304)包括：
在第一端(306)中的连接点(308)，所述连接点经由电线连接到第一端子(W0)；和
在第二端(307)中的传感器结构(310)，所述传感器结构被限定在所述金属膜中，所述传感器结构(310)包括：
·所述金属膜的结点(305)，所述结点穿透所述电绝缘膜(303)到达所述金属物体(301)，由此形成热电偶；
金属物体端子(W1)，所述金属物体端子经由电线连接到所述金属物体(301)的连接点(309)，其中，所述第一电导体(304)的所述连接点(308)和所述金属物体(301)的所述连接点(309)被构造成彼此相邻并且处于彼此等温关系，
并且，所述传感器(300)还包括：
第二电导体(311)，所述第二电导体被限定在所述金属膜中，其中，所述第二电导体(311)在所述第一端(306)中包括连接点(312)；并且，
所述传感器结构(310)进一步包括处在第一端(314)和第二端(313)之间的应变敏感部分，并且所述传感器结构(310)被配置用以根据所述金属物体(301)的被施加的机械应变来改变电阻，其中，所述应变敏感部分的所述第一端(314)连接到所述第一电导体(304)，并且所述应变敏感部分的所述第二端(313)连接到所述第二电导体(311)；并且
所述结点(305)被配置用以感测所述应变敏感部分的温度。
2.根据权利要求1所述的传感器(300)，其特征在于，所述结点(305)在所述应变敏感部分中形成。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的传感器(300)，其特征在于，所述金属物体(301)是金属管或金属带。
4.根据权利要求1-2中的任一项所述的传感器(300)，其特征在于，所述电绝缘膜(303)是金属氧化物或金属氮化物。
5.一种用于感测金属物体(301)的应变和温度的传感器系统(500)，其特征在于，所述传感器系统包括：
根据权利要求1至4中的任一项所述的传感器(300)；
冷结点温度检测器(501)，所述冷结点温度检测器被配置用于检测所述第一电导体和所述金属物体的所述连接点(308、309)的等温温度；
温度电路(502)，所述温度电路被连接到所述第一端子(W0)并且被连接到所述金属物体端子(W1)，并被配置用以测量所述结点的温度，其中，所述温度电路进一步被连接到所述冷结点温度检测器(501)，以补偿所述连接点(308、309)的冷结点温度；
应变电路(503)，所述应变电路被连接到所述第一端子(W0)并且被连接到第二端子(W2)，所述第二端子经由电线连接到所述第二电导体的所述连接点(312)，以基于所述应变敏感部分的电阻改变来确定应变；以及
计算电路(503)，所述计算电路被连接至所述温度电路(502)并且被连接到所述应变电路(503)，其中，所述计算电路被配置用以确定由所述金属物体(301)上的机械应变引起的应变和所述金属物体(301)的温度感应的应变。
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