CN116337145A - 一种纳米薄膜温压复合传感器及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米薄膜温压复合传感器及其制备方法与应用，涉及传感器技术领域；该复合传感器包括：引压嘴，引压嘴上设有引流通道和温敏元件安装槽口；引流通道用于传输被测量介质；引流通道连接芯体；芯体上设有压敏层，压敏层为NiCrS应变层；NiCrS应变层包括如下重量分数的元素：Ni 45%~55%、Cr 45%~55%和S 0.1%~3.5%；压敏层形成应变电阻；温敏层形成温敏电阻；温敏电阻和温敏元件均电连接有温度信号比较电路；温度信号比较电路电连接有信号调理电路。本发明通过设置两组独立的惠斯通电桥，从而提高了温压复合传感器的使用寿命，减少了故障率。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体是一种纳米薄膜温压复合传感器及其制备方法与应用。
背景技术
钢基溅射薄膜压力传感器是压力传感器领域的先进技术，它同时具有精度高、稳定性好、工作温度范围宽、可以测量超大量程等优点，广泛应用于石化、工程机械、电力等多个领域。在介质压力的测试过程中，同时必须测量介质的温度；而相关技术中通过在压力传感器表面粘贴温度传感器来实现温度测量，而该方法在用于温度测量的过程中，准确性较差且设备故障率较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米薄膜复合传感器，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷的至少一个方面。
本发明第二方面还提供了上述纳米薄膜复合传感器的制备方法。
本发明第三方面还提供了上述纳米复合传感器的应用。
具体如下，本发明第一方面提供了一种纳米薄膜温压复合传感器，其包括：
引压嘴，
所述引压嘴上设有引流通道和温敏元件安装槽口；
所述引流通道用于传输被测量介质；
所述引流通道连接芯体；
所述温敏元件安装槽口用于安装温敏元件；
所述芯体包括钢基，
所述钢基上设有绝缘层；
所述绝缘层表面部分区域设置有压敏层；
所述绝缘层表面另一部分区域设置有温敏层；
所述绝缘层表面另一部分区域设置有焊接层；
所述绝缘层表面剩余部分区域设有保护层；
所述压敏层为NiCrS应变层；
所述NiCrS应变层包括如下重量分数的元素：
Ni 45%~55%、Cr 45%~55%和S 0.1%~3.5%；
所述压敏层形成应变电阻；
所述温敏层形成温敏电阻；
所述应变电阻形成两组惠斯通电桥；
所述温敏层为金属纳米薄膜；
所述温敏电阻和所述温敏元件均电连接有温度信号比较电路；
所述温度信号比较电路电连接有信号调理电路。
根据本发明传感器技术方案中的一种技术方案，至少具备如下有益效果：
本发明的引压嘴上设置引流通道和温敏元件安装槽口，其中引流通道用于将被测试介质导入至芯体测量介质压力和温度；同时温敏元件安装槽口安装有温敏元件，用于温度的测量；从而实现温度和压力的同时测量；
本发明还利用两组惠斯通电桥对压力信号进行测试，若两组惠斯通电桥均处于工作状态，则最终测试结果选用两组平均值，从而提升压力测试的精度；如其中一组惠斯通电桥工作异常，则另一组电桥同样能够完成压力测试，从而降低检测故障率。
本发明利用温敏元件和温敏电阻对温度进行测量；温敏元件和温敏电阻的测试结果通过温度信号比较电路进行处理，能够提升温度测试的精度；若温敏元件或温敏电阻某一组件存在异常，则另一组件同样能够完成温度测试，从而降低故障率。
本发明还将压敏层为NiCrS应变层中添加硫元素，通过对硫元素含量的控制，从而提高了应变层的灵敏度。
根据本发明的一些实施方式，所述金属纳米薄膜的厚度为100nm~500nm。
根据本发明的一些实施方式，所述金属纳米薄膜包括金属铂纳米薄膜。
根据本发明的一些实施方式，所述金属纳米薄膜由Ti层和Pt层组成。
电阻温度传感器采用Ti\Pt材料，具有较高的电阻温度系数，材料稳定且抗腐蚀。Ti作为粘接层可以有效地增强基底之间的结合力。
根据本发明的一些实施方式，所述Ti层的厚度为20nm~30nm。
根据本发明的一些实施方式，所述Pt层的厚度为100nm~200nm。
根据本发明的一些实施方式，所述应变电阻电连接有压力信号比较电路。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrS应变层包括如下重量分数的元素：
Ni 45%~55%、Cr 45%~55%和S 2%~3.5%。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrS应变层由如下重量分数的元素组成：
Ni 48%~50%、Cr 48%~50%和S 2%~3.5%。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrS应变层的厚度为200nm~300nm。
根据本发明的一些实施方式，所述NiCrS应变层连接有焊接层。
根据本发明的一些实施方式，所述焊接层为金焊接层。
根据本发明的一些实施方式，所述芯体表面还设有绝缘层。
根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层的厚度为3μm~5μm。
根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层由二氧化硅层和氧化钽层（Ta2O5）组成。
根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层中二氧化硅层的厚度为1μm~3μm。
根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层中氧化钽层的厚度为1μm~2μm。
根据本发明的一些实施方式，所述压敏层表面部分区域设置有焊接层。
根据本发明的一些实施方式，所述压敏层表面剩余部分区域设置有保护层。
根据本发明的一些实施方式，所述温敏层表面设有焊接层。
根据本发明的一些实施方式，所述焊接层为金焊接层。
根据本发明的一些实施方式，所述保护层为二氧化硅保护层。
根据本发明的一些实施方式，所述二氧化硅保护层的厚度为500nm~800nm。
根据本发明的一些实施方式，所述钢基为316不锈钢基和4130X钢基中的一种。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米薄膜温压复合传感器包括：
外壳，所述外壳上配装有引压嘴和电气接头；
所述引压嘴上设置有引流通道和安装槽口；
所述安装槽口用于安装温敏元件；
所述温敏元件电连接调理电路板；
所述引压嘴上安装有钢基芯体和转接板安装支架；
所述转接板安装支架用于安装转接板。
根据本发明的一些实施方式，所述温敏电阻与所述调理电路板电连接。
根据本发明的一些实施方式，所述应变电阻与所述调理电路板电连接。
根据本发明的一些实施方式，所述焊接层上焊接有金线。
根据本发明的一些实施方式，所述温敏元件为铂电阻。
本发明第二方面提供了上述纳米薄膜温压复合传感器的制备方法，包括以下步骤：
在所述芯体表面沉积所述应变电阻和所述温敏电阻。
根据本发明的一些实施方式，所述纳米薄膜温压复合传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、制作钢基、引压嘴、调理电路板、转接板、转接板安装支架、温敏元件和电气接口；
S2、在所述钢基表面沉积绝缘层和应变电阻层；
再将应变电阻层图案化处理后，沉积温敏层；
再将温敏层图案化处理后，沉积焊接层；
再将焊接层图案化处理后，沉积保护层；
最后将保护层图案化处理。
根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层的沉积方式为离子溅射。
根据本发明的一些实施方式，所述绝缘层的溅射功率为150W~200W。
根据本发明的一些实施方式，所述应变电阻层的溅射功率为150W~200W。
根据本发明的一些实施方式，所述温敏层的溅射功率为150W~200W。
根据本发明的一些实施方式，所述焊接层的溅射功率为150W~200W。
根据本发明的一些实施方式，所述保护层的溅射功率为150W~200W。
本发明第三方面提供了上述纳米薄膜温压复合传感器在温度和压强测试中的应用。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施方式中纳米薄膜温压复合传感器的局部剖视图。
图2为本发明实施方式中钢基芯体上电阻排布图。
图3为本发明实施方式中钢基芯体上膜层结构示意图。
图4为本发明实施方式中纳米薄膜温压复合传感器混合电路结构示意图。
图中：
100、引流通道；101、引压嘴；102、密封圈；103、温敏元件；104、测温管道；105、转接板安装支架；106、钢基芯体；107、转接板；108、调理电路板；109、金丝；110、外壳；111、电气接头。
200、R1；201、R2；202、R3；203、R4；204、R5；205、R6；206、R7；207、R8；208、钢基；209、温敏电阻；210、焊接层。
300、第一电路模块；301、第二电路模块；302、温度信号比较计算电路；303、压力信号比较计算电路；304、信号调理电路。
400、绝缘层；401、压敏层；402、温敏层；403、保护层。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
本实施例为一种纳米薄膜温压复合传感器，如图1所示，包括：
外壳110，外壳110上配装有引压嘴101和电气接头111；
引压嘴101上设置有引流通道100、安装槽口（图中未示出）和测温管道104；
安装槽口用于安装温敏元件103（铂电阻）；安装槽口与引流通道100介质贴近，能让温敏元件103快速响应，并将温敏元件103放置于内部，保证了温敏元件103不受外力影响。
温敏元件103电连接调理电路板108；
引压嘴101上安装有钢基芯体106和转接板安装支架105；
转接板安装支架105用于安装转接板107；
温敏元件103与调理电路板108电连接。
图1中引流通道与被测量介质连接端，能将被测量介质导流至图1中钢基芯体106位置，介质的压力将对钢基芯体106产生形变，从而导致钢基芯体106上应变电阻层产生拉伸、压缩形变，从而输出与所受压力成比例的毫伏信号。由金丝109将钢基芯体106上的电信号转接至调理电路板108，通过调理电路板108上的计算比较、调理输出标准电信号。温度的测量与压力近似，不同的是温度测量不需要基体产生形变，只需将热量传导至温敏电阻209和温敏元件103即可。
本实施例中钢基芯体106的电阻排布图如图2所示，由R1 200、R2 201、R3 202、R4203、R5 204、R6 205、R7 206、R8 207和温敏电阻209组成；
R1 200、R2 201、R3 202、R4 203、R5 204、R6 205、R7 206、R8 207、温敏电阻209和焊接层210设置在钢基芯体106上。
R1 200、R2 201、R3 202、R4 203、R5 204、R6 205、R7 206、R8 207均为应变电阻。
R1 200、R3 202、R5 204和R7 206形成第一惠斯通电桥；
R1 200、R3 202、R5 204和R7 206设置在钢基芯体106的中心位置；在中心位置的受力变形时产生拉伸应变，电阻值变大。
R2 201、R4 203、R6 205和R8 207形成第二惠斯通电桥；
R2 201、R4 203、R6 205和R8 207设置在膜片边缘位置，在受力变形时产生压缩应变，电阻值变小。
本实施例中钢基芯体106上膜层结构示意图见图3，由钢基208（316不锈钢）、绝缘层400（二氧化硅层（1μm）和氧化钽层（1μm），二氧化硅层与钢基208相接触）、压敏层401（NiCrS层，厚度为200nm）、温敏层402（由Ti层（20nm）和Pt层（100nm）组成，Ti层与氧化钽层相接触）、保护层403（二氧化硅层（500nm，此处厚度指压敏层401上的厚度））和焊接层210组成。
绝缘层400设置在钢基208的表面；
绝缘层400表面部分区域设置有压敏层401；
绝缘层400表面另一部分区域设置有温敏层402；
绝缘层400表面另一部分区域设置有焊接层210；
绝缘层400表面剩余部分区域设有保护层403。
压敏层401表面部分区域设置有焊接层210。
压敏层401表面剩余部分区域设置有保护层403。
温敏层402表面设有焊接层210。
压敏层401为NiCrS应变层。
NiCrS应变层由以下质量分数的元素组成：
Ni 50%、Cr 48%和S 2%。
焊接层210为金焊接层。
保护层403为二氧化硅保护层。
本实施例中传感器混合电路结构示意图如图4所示，包括：
第一电路模块300、第二电力模块301、温度信号比较计算电路302、压力信号比较电路303和信号调理电路304。
第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥相互独立，在受力后，两组惠斯通电桥均会输出电信号。二个惠斯通电桥是独立的，它们的输出信号同时输入压力信号比较计算电路303。当二个惠斯通电桥正常工作时，计算它们的输出平均值。由于二个电桥处于二个不同的区域，它们的测量误差会由压力信号比较计算电路平均计算，这样有利于提升的压力测量精度。当二个惠斯通电桥其中一个不能正常工作时，压力信号比较计算电路303只会计算正常电桥输出值，保证产品的正常工作。这样提升了温压复合传感器的使用寿命，减少故障率。
本实施例中温敏电阻209的数目为两个；且温敏电阻209为对称设置。而温敏电阻209和温敏元件103均会独立测试温度，并输出信号；且将输出信号输入温度信号比较电路302，最终通过信号调理电路304中输出信号。
如图4所示，铂电阻RT3与钢杯上的温度敏感电阻RT1、RT2可以进行比较，同时互相做为备份，保证测量精度和可靠性。
应变电阻与调理电路板108电连接。
焊接层210上焊接有金线。
温敏元件103为铂电阻。
本实施例中纳米薄膜温压复合传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、制作钢基、引压嘴、调理电路板、转接板、转接板安装支架、温敏元件和电气接口；
S2、在钢基表面沉积绝缘层和应变电阻层；
再将应变电阻层图案化处理后，沉积温敏层；
再将温敏层图案化处理后，沉积焊接层；
再将焊接层图案化处理后，沉积保护层；
最后将保护层图案化处理；
本步骤中沉积均采用离子溅射（溅射的功率为150W）。
实施例2
本实施例为一种纳米薄膜温压复合传感器，与实施例1的差异在于：本实施例钢基芯体由钢基（316不锈钢）、绝缘层（二氧化硅层（1μm）和氧化钽层（1μm），二氧化硅层与钢基相接触）、压敏层（NiCrS层，厚度为200nm）、温敏层（Pt层）、保护层（二氧化硅层（500nm，此处厚度指压敏层上的厚度））和焊接层组成。
绝缘层设置在钢基的表面；
绝缘层表面部分区域设置有压敏层；
绝缘层表面另一部分区域设置有温敏层；
绝缘层表面另一部分区域设置有焊接层；
绝缘层表面剩余部分区域设有保护层。
压敏层表面部分区域设置有焊接层。
压敏层表面剩余部分区域设置有保护层。
温敏层表面设有焊接层。
压敏层为NiCrS应变层。
NiCrS应变层由以下质量分数的元素组成：
Ni 50%、Cr 48%和S 2%。
焊接层为金焊接层。
保护层为二氧化硅保护层。
实施例3
本实施例为一种纳米薄膜温压复合传感器，与实施例1的差异在于：
本实施例为一种纳米薄膜温压复合传感器，与实施例1的差异在于：本实施例钢基芯体由钢基（316不锈钢）、绝缘层（二氧化硅层（2μm））、压敏层（NiCrS层，厚度为200nm）、温敏层（Pt层）、保护层（二氧化硅层（500nm，此处厚度指压敏层上的厚度））和焊接层组成。
绝缘层设置在钢基的表面；
绝缘层表面部分区域设置有压敏层；
绝缘层表面另一部分区域设置有温敏层；
绝缘层表面另一部分区域设置有焊接层；
绝缘层表面剩余部分区域设有保护层。
压敏层表面部分区域设置有焊接层。
压敏层表面剩余部分区域设置有保护层。
温敏层表面设有焊接层。
压敏层为NiCrS应变层。
NiCrS应变层由以下质量分数的元素组成：
Ni 50%、Cr 48%和S 2%。
焊接层为金焊接层。
保护层为二氧化硅保护层。
对比例1
本对比例为一种纳米薄膜温压复合传感器，与实施例1的差异在于：
本对比例将实施例1中NiCrS应变层替换为NiCr应变层；
NiCr压敏层由以下质量分数的元素组成：
Ni 50%和Cr 50%。
对比例2
本对比例为一种纳米薄膜温压复合传感器，与实施例1的差异在于：
本对比例中NiCrS应变层由以下质量分数的元素组成：
Ni 50%、Cr 46%和S 4%。
本发明实施例1~3和对比例1~2制得的纳米薄膜温压复合传感器的性能测试方法参照：JJG 882-2019压力变送器检定规程进行变送检定。温度测试结果见表1，压力测试结果见表2。
表1本发明实施例1~3和对比例1~2制得的纳米薄膜温压复合传感器的温度测试结果
表2本发明实施例1~3和对比例1~2制得的纳米薄膜温压复合传感器的压力测试结果
综上所述，本发明的引压嘴上设置引流通道和温敏元件安装槽口，其中引流通道用于将被测试介质导入至芯体测量介质压力和温度；同时温敏元件安装槽口安装有温敏元件，用于温度的测量；从而实现温度和压力的同时测量；本发明还利用两组惠斯通电桥对压力信号进行测试，若两组惠斯通电桥均处于工作状态，则最终测试结果选用两组平均值，从而提升压力测试的精度；如其中一组惠斯通电桥工作异常，则另一组电桥同样能够完成压力测试，从而降低检测故障率。本发明利用温敏元件和温敏电阻对温度进行测量；温敏元件和温敏电阻的测试结果通过温度信号比较电路进行处理，能够提升温度测试的精度；若温敏元件或温敏电阻某一组件存在异常，则另一组件同样能够完成温度测试，从而降低故障率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米薄膜温压复合传感器，其特征在于，包括：
引压嘴，
所述引压嘴上设有引流通道和温敏元件安装槽口；
所述引流通道用于传输被测量介质；
所述引流通道连接芯体；
所述温敏元件安装槽口用于安装温敏元件；
所述芯体包括钢基，
所述钢基上设有绝缘层；
所述绝缘层表面部分区域设置有压敏层；
所述绝缘层表面另一部分区域设置有温敏层；
所述绝缘层表面另一部分区域设置有焊接层；
所述绝缘层表面剩余部分区域设有保护层；
所述压敏层为NiCrS应变层；
所述NiCrS应变层包括如下重量分数的元素：
Ni 45%~55%、Cr 45%~55%和S 0.1%~3.5%；
所述压敏层形成应变电阻；
所述温敏层形成温敏电阻；
所述应变电阻形成两组惠斯通电桥；
所述温敏层为金属纳米薄膜；
所述温敏电阻和所述温敏元件均电连接有温度信号比较电路；
所述温度信号比较电路电连接有信号调理电路。
2.根据权利要求1所述的纳米薄膜温压复合传感器，其特征在于，所述金属纳米薄膜的厚度为100nm~500nm。
3.根据权利要求1所述的纳米薄膜温压复合传感器，其特征在于，所述金属纳米薄膜包括金属铂纳米薄膜。
4.根据权利要求1所述的纳米薄膜温压复合传感器，其特征在于，所述金属纳米薄膜由Ti层和Pt层组成。
5.根据权利要求1所述的纳米薄膜温压复合传感器，其特征在于，所述应变电阻电连接有压力信号比较电路。
6.根据权利要求1所述的纳米薄膜温压复合传感器，其特征在于，所述NiCrS应变层的厚度为200nm~300nm。
7.根据权利要求1所述的纳米薄膜温压复合传感器，其特征在于，所述NiCrS应变层连接有焊接层。
8.根据权利要求1所述的纳米薄膜温压复合传感器，其特征在于，所述芯体表面还设有绝缘层。
9.一种制备如权利要求1至8任一项所述的纳米薄膜温压复合传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在所述芯体表面沉积所述应变电阻和所述温敏电阻。
10.一种如权利要求1至8任一项所述的纳米薄膜温压复合传感器在温度和压力测量中的应用。
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