CN217845428U - 一种橡塑模具用测温薄膜传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种橡塑模具用测温薄膜传感器，包括模具基体表面向外依次设置的Ti过渡层、Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘层、Cu/CuNi传感功能层、Al₂O₃绝缘保护层、CrN耐磨防护层，这种橡塑模具用测温薄膜传感器，解决了目前传统的传感器无法及时反馈模具与产品结合部位的实时温度，尤其是模具中存在复杂形状的型腔，难以精确监测模具表面温度，同时受高压塑料熔体冲刷，传感器易发生磨损失效，导致测量失真的问题。

Description

一种橡塑模具用测温薄膜传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体涉及一种橡塑模具用测温薄膜传感器。

背景技术

随着医疗器械、汽车等行业的发展，塑料制品的需求日益增多。塑料成型过程中的温度控制是产品品质的关键因素，橡塑模具成型温度保持稳定，则产品成型收缩率波动小，可获得尺寸标准且稳定的产品，也可减小成型内应力。当工作温度发生高温突变时，含高纤维的橡胶或塑料容易与模具发生粘结，不仅大大降低橡塑制品的质量，而且导致模具过早失效。因此，需要开发一种智能模具，能够对橡塑模具不同服役条件下温度实时监测尤为重要。

传感器是一种将被测量的信号以一定规律的电信号来反馈的元件，可以用来测量模具成形加工中的温度或压力等物理量。目前传统的传感器多是分立式的，无法及时反馈模具与产品结合部位的实时温度。尤其是模具中存在复杂形状的型腔，难以精确监测模具表面温度，同时受高压塑料熔体冲刷，传感器易发生磨损失效，导致测量失真的问题。

鉴于上述缺陷，本实用新型创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本实用新型。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决目前传统的传感器无法及时反馈模具与产品结合部位的实时温度，尤其是模具中存在复杂形状的型腔，难以精确监测模具表面温度，同时受高压塑料熔体冲刷，传感器易发生磨损失效，导致测量失真的问题，提供了一种橡塑模具用测温薄膜传感器。

为了实现上述目的，本实用新型公开了一种橡塑模具用测温薄膜传感器，模具基体表面向外依次设置的Ti过渡层、Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘层、Cu/CuNi传感功能层、Al₂O₃绝缘保护层、CrN耐磨防护层。

所述Cu/CuNi传感功能层包括Cu热电极和CuNi热电极，所述Cu热电极和CuNi热电极采用掩膜板构成T型薄膜热电偶。

所述Cu热电极和CuNi热电极分别位于测温结点两侧，所述Cu热电极连接有Cu热电极补偿导线，所述CuNi热电极连接有CuNi热电极补偿导线，所述Cu热电极补偿导线与所述CuNi热电极补偿导线均与设于传感器外部的数据采集仪表连接。

所述Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘层包括Al₂O₃薄膜和SiO₂薄膜，所述Al₂O₃薄膜和SiO₂薄膜交替堆叠设置。

所述Ti过渡层厚度为0.2～0.5μm，Ti过渡层能够减缓模具钢金属与氧化物陶瓷因热膨胀系数不同产生的残余应力，提高结合强度。

所述Cu热电极和CuNi热电极的薄膜厚度均为0.5～2μm，所述Cu热电极和CuNi热电极的线宽相等，均为0.2～5mm。

单层所述Al₂O₃薄膜厚度为0.2～0.5μm，单层所述SiO₂薄膜厚度为0.1～0.4μm，所述Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘层的总厚度为2.0～4.0μm。

所述Al₂O₃绝缘保护层厚度为0.8～2μm。

所述CrN耐磨防护层厚度为2～10μm。

与现有技术比较本实用新型的有益效果在于：本实用新型将薄膜传感器直接嵌入模具测温区域，即在测量位置通过物理气相沉积的方法，首先把高电阻绝缘层沉积到模具基底上，然后沉积传感功能层，在传感层的接线端通过补偿引线连接数据采集仪表，最后在传感层上再制备绝缘层和耐磨保护层，可快速实现对温度的实时检测，解决传统分立式传感器测量的非时效性；通过Ti过渡层，提高了金属基底与绝缘层的结合强度，结合力达到HF1级；多层复合绝缘层通过多层复合结构设计，使涂层更加致密，电阻值高达100MΩ，解决了模具钢基底与传感功能层导通造成的漏电问题，可稳定准确地反馈信号；薄膜热电偶塞贝克系数达到43μV/℃，具有良好的线性度和灵敏度，可快速响应；表面CrN耐磨防护层硬度高达1600HK，不仅保护内部的传感层，而且提高橡塑模具的使用寿命，实现了测温和防护结构功能一体化。

附图说明

图1为橡塑模具用测温薄膜传感器结构示意图；

图2为橡塑模具用测温薄膜传感器热电极结构示意图。

图中数字表示：

1-模具钢基底；2-Ti过渡层；3-Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘层；4-Cu热电极；5-CuNi热电极；6-Al₂O₃绝缘保护层；7-CrN耐磨防护层；8-测温结点，9-Cu热电极补偿导线，10-CuNi热电极补偿导线；11-数据采集仪表。

具体实施方式

以下结合附图，对本实用新型上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

本实施例提供一种橡塑模具用测温薄膜传感器，包括模具钢基底1表面向外依次设置的Ti过渡层2、Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘层3、Cu/CuNi传感功能层、Al₂O₃绝缘保护层6、CrN耐磨防护层7。

所述Cu/CuNi传感功能层包括Cu热电极4和CuNi热电极5，所述Cu热电极4和CuNi热电极5采用掩膜板构成T型薄膜热电偶，CuNi薄膜中元素含量按照质量百分比为Cu：Ni＝6：4。

如图2所示，所述Cu热电极4和CuNi热电极5分别位于测温结点8两侧，所述Cu热电极4连接有Cu热电极补偿导线9，所述CuNi热电极5连接有CuNi热电极补偿导线10，所述Cu热电极补偿导线9与所述CuNi热电极补偿导线10均与设于传感器外部的数据采集仪表11连接。

所述Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘3层包括Al₂O₃薄膜和SiO₂薄膜，所述Al₂O₃薄膜和SiO₂薄膜交替堆叠设置。

所述Ti过渡层2厚度为0.2～0.5μm，Ti过渡层能够减缓模具钢金属与氧化物陶瓷因热膨胀系数不同产生的残余应力，提高结合强度。

所述Cu热电极4和CuNi热电极5的薄膜厚度均为0.5～2μm，所述Cu热电极4和CuNi热电极5的线宽相等，均为0.2～5mm。

单层所述Al₂O₃薄膜厚度为0.2～0.5μm，单层所述SiO₂薄膜厚度为0.1～0.4μm，所述Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘层的总厚度为2.0～4.0μm。

所述Al₂O₃绝缘保护层6厚度为0.8～2μm，电阻值超过10MΩ；所述CrN耐磨防护层7厚度为2～10μm；橡塑模具用测温薄膜传感器表面硬度达到1600HK，其塞贝克系数达到43μV/℃，测温范围为-100～400℃，具有快速响应特性，可实时监测橡塑产品成型加工过程中模具表面温度，能够满足智能橡塑模具的测温要求，保障塑料制品尺寸精度。

当温度薄膜传感器处于工作状态时，由于热电效应，薄膜传感器的冷端和热端(模具工作端)产生的热势差会转变为电势差，然后在Cu热电极和CuNi热电极上分别设置补偿引线，与数据采集仪表连接。通过检测电势差的大小，可得到两结点处实际温差的数值，从而得到模具工作部位的实际温度；故测温薄膜传感器可根据热势差得到所测部位的温度值，从而实现对橡塑模具工作温度的实时监测。

这种橡塑模具用测温薄膜传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1：将模具钢基底1测温部位进行研磨抛光至粗糙度Ra小于0.1μm，依次用丙酮溶液、乙醇、去离子水中进行超声波清洗15min后放入电弧离子镀设备真空腔室转架上。真空室加热温度为450℃，真空腔室本底真空达到2×10^-3Pa以下。为提高所述Ti过渡层2与模具钢基底1的结合强度，采用离子源刻蚀清洗，离子源电流为80A，基体负偏压幅值为-300V，清洗时间为30min。然后关闭离子源，开启纯金属弧Ti靶，弧流为110A，保持气压为3.5Pa，基体偏压为-40～-200V，沉积时间为30min，制备Ti过渡层2。

S2：将沉积有Ti过渡层2的模具放置磁控溅射镀膜机中制备Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘层3，选用高纯Al和Si靶，纯氩气作为溅射气体，高纯氧气为反应气体，交替向Si和Al靶供电，Al靶功率为6kW，Si靶功率为3kW，氩气流量为68sccm，氧气流量为100sccm，溅射气压为0.5Pa，基体偏压为-100V，沉积温度为300℃。交替沉积所述Al₂O₃和SiO₂所用时间分别为30min和10min，共计120min。

S3：在Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘层3表面制备Cu/CuNi传感功能层，首先采用线宽为2mm的Cu热电极掩膜板放置在多层复合绝缘层3上，沉积热电极Cu功能薄膜4；然后替换CuNi热电极掩膜板，沉积热电极CuNi功能薄膜5，构成T型薄膜热电偶，热结点面积为2mm×2mm，并在热电极引线端粘结引线。传感功能层选用纯Cu和CuNi合金靶(60:40wt.％)，沉积气压都固定为0.5Pa，靶电流1.5A，基底偏压-100V，沉积时间为60min。

S4：在传感功能层表面制备Al₂O₃绝缘保护层6，通入氩气流量为68sccm，氧气流量为100sccm，溅射气压为0.5Pa，基体偏压为-100V，开启Al靶，沉积时间为60min。

S5：将带有Al₂O₃绝缘保护层6的模具放置电弧镀膜机中制备CrN耐磨防护层7，通入纯氮气，沉积气压为3.5Pa，Cr靶弧流为100A，基体偏压-200V，沉积温度300℃，N₂流量200sccm，沉积时间为120min，从而得到测温和防护结构功能一体化的薄膜传感器。

对上述制备的薄膜传感器进行热电偶静态标定，通过测量不同温度下的热电势值并进行线性拟合，得到T型薄膜热电偶的塞贝克系数为43μV/℃，热电势值离散程度小，几乎呈线性分布，从而保证了传感器的稳定性和可靠性，测温薄膜传感器可快速响应且实时检测，而传统的分立式传感器无法实现对测量部位的实时检测。不能及时响应且测量不准确。故测温薄膜传感器解决了传统分立式传感器的缺陷，可达到对测量部位温度快速准确的反馈。

综上所述，本实用新型所提供的橡塑模具用薄膜传感器，依次包括Ti过渡层、Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘层、Cu/CuNi传感功能层、Al₂O₃绝缘保护层、CrN耐磨防护层。纯Ti层具有较好的界面结合能力，结合力达到HF1等级，能较好地连接模具钢基底和绝缘层；多层结构氧化膜薄膜形成致密的绝缘层，解决了金属基底与功能传感层导通的问题，可准确的测量信号；Cu/CuNi传感功能层的塞贝克系数接近标准T型热电偶，具有快速响应特性；表面CrN耐磨防护层提高了薄膜传感器和模具的抗磨减摩性能，具有耐久性，从而实现了传感器测温和防护结构功能一体化，提升塑料制品的成型精度和质量。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，对本实用新型而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本实用新型权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种橡塑模具用测温薄膜传感器，其特征在于，包括模具基体表面向外依次设置的Ti过渡层、Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘层、Cu/CuNi传感功能层、Al₂O₃绝缘保护层、CrN耐磨防护层。

2.如权利要求1所述的一种橡塑模具用测温薄膜传感器，其特征在于，所述Cu/CuNi传感功能层包括Cu热电极和CuNi热电极，所述Cu热电极和CuNi热电极采用掩膜板构成T型薄膜热电偶。

3.如权利要求2所述的一种橡塑模具用测温薄膜传感器，其特征在于，所述Cu热电极和CuNi热电极分别位于测温结点两侧，所述Cu热电极连接有Cu热电极补偿导线，所述CuNi热电极连接有CuNi热电极补偿导线，所述Cu热电极补偿导线与所述CuNi热电极补偿导线均与设于传感器外部的数据采集仪表连接。

4.如权利要求1所述的一种橡塑模具用测温薄膜传感器，其特征在于，所述Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘层包括Al₂O₃薄膜和SiO₂薄膜，所述Al₂O₃薄膜和SiO₂薄膜交替堆叠设置。

5.如权利要求1所述的一种橡塑模具用测温薄膜传感器，其特征在于，所述Ti过渡层厚度为0.2～0.5μm。

6.如权利要求2所述的一种橡塑模具用测温薄膜传感器，其特征在于，所述Cu热电极和CuNi热电极的薄膜厚度均为0.5～2μm，所述Cu热电极和CuNi热电极的线宽相等，均为0.2～5mm。

7.如权利要求4所述的一种橡塑模具用测温薄膜传感器，其特征在于，单层所述Al₂O₃薄膜厚度为0.2～0.5μm，单层所述SiO₂薄膜厚度为0.1～0.4μm，所述Al₂O₃/SiO₂多层复合绝缘层的总厚度为2.0～4.0μm。

8.如权利要求1所述的一种橡塑模具用测温薄膜传感器，其特征在于，所述Al₂O₃绝缘保护层厚度为0.8～2μm。

9.如权利要求1所述的一种橡塑模具用测温薄膜传感器，其特征在于，所述CrN耐磨防护层厚度为2～10μm。

Images