JP2021179419A - センサおよびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】必要とする接続線がより少数の熱電対センサを提供する。【解決手段】金属物体１０１と、金属物体の表面の少なくとも一部上に形成される薄膜積層体１０２であり、電気絶縁膜１０３と、電気絶縁膜上の金属膜であり、金属膜に第１の電気導体１０４が画定され、金属膜が金属物体とは異なる金属合金から構成され、第１の電気導体が電気絶縁膜を用いて金属物体から電気絶縁され、第１の電気導体が、第１の端部１０６において導線を介して第１の端子Ｗ０に接続される接続点１０８と、第２の端部１０７において金属膜に画定されるセンサ構造１１０であり、金属物体まで電気絶縁膜を貫通し、そのため熱電対が形成される、金属膜の接点１０５を備えるセンサ構造と、を備えるセンサ１００。【選択図】図１

Description

本開示は、センサの分野に関し、より詳細には金属基板上の薄膜センサの分野に関する。

温度測定の技術内に、２つの主要な種類の温度センサがある。第１の種類の温度センサは、表形式データまたは数学モデルを用いて材料の抵抗の変化が温度に関連付けられる抵抗型である。第２の種類の温度センサは熱電対であり、ゼーベック効果により２つの異種金属間の接点に生成される小電圧を感知することを伴う。この小電圧は次いで表形式データまたは数式と共に使用されて測定温度を導出する。第１の種類の典型的なセンサがＰＴ−１００センサであり、セラミック基板上に配置される白金線である。第２の種類の一例がＫ型の熱電対であり、温度センサとしてクロメル線とアルメル線との間の溶接接点を使用し、ここに非常に精密な電圧計が接続され、次いで測定電圧が使用されて、表形式データか数学モデルかを用いて感知温度を求める。

両種類のセンサが、信号調節エレクトロニクスへの接続のために少なくとも２つの導線を使用する。これにより、特に幾つかのセンサが使用される場合、多数の導線が配線されて接続されるようになる。

歪みゲージ測定では、歪みゲージへの温度効果を緩和するために、ブリッジ構成が使用されることが多い。実際には、この解決策は、被検体の歪みを感知するように構成される第１の歪みゲージを使用し、第２の歪みゲージが第１の歪みゲージと同じ温度を経験するが歪みはないように、第２の歪みゲージが配置される。このように、第１および第２の歪みゲージがブリッジの第１の枝路に配置されれば、ブリッジは温度補償されるようになる。第２の歪みゲージに歪みがないように第２の歪みゲージを被検体上に配置することが不可能であれば、第１の歪みゲージによって測定される歪みは、センサの熱膨張によって生じる歪みおよび温度変化による抵抗変化によって生じる歪みを減算することによって補償されなければならない。歪みゲージの温度を精密に知ることによって、これらの歪みの寄与が計算および減算され得る。このように、歪みゲージの温度を精密に測定することができることが非常に重要であるが、実際これが非常に困難であり得るのは、歪みゲージが非常に小さいことが多く、そして歪みゲージの感知線の近くに温度センサを配置することが非常に困難であるからである。したがって、歪みセンサに組み込むのが可能である温度センサに大きな関心がある。

したがって、センサを接続するために使用される導線数を削減することが大きな関心である。

少数の接続線で歪みセンサに組み込まれるのが可能である温度センサにも大きな関心がある。少なくとも上で開示された問題を排除または緩和する解決策を提供することが本開示の一態様である。

改善されたセンサを提供することが本開示の更なる態様である。

本開示は、したがって、必要とする接続線がより少数のセンサを提供する。追加的に、本開示は、歪みセンサに組み込まれ得る接続線が少数のセンサも提供する。

本開示は、したがって、センサであって、金属物体と、金属物体の表面の少なくとも一部上に形成される薄膜積層体であり、電気絶縁膜と、電気絶縁膜上の金属膜であり、金属膜に第１の電気導体が画定され、金属膜が金属物体とは異なる金属合金から構成され、第１の電気導体が電気絶縁膜を用いて金属物体から電気絶縁され、第１の電気導体が、第１の端部において導線を介して第１の端子に接続される接続点と、第２の端部において金属膜に画定されるセンサ構造であり、金属物体まで電気絶縁膜を貫通し、そのため熱電対が形成される、金属膜の接点を備えるセンサ構造と、を備える、金属膜と、を備える薄膜積層体と、導線を介して金属物体の接続点に接続される金属物体端子であり、第１の電気導体の接続点および金属物体の接続点が、互いに隣接しかつ互いと等温関係にあるように構成される、金属物体端子と、を備えることを特徴とするセンサに関する。

上にまたは以下に定められるセンサは、金属膜に画定される第２の電気導体であり、第１の端部において接続点を備える第２の電気導体を更に備え得、センサ領域が、第１の端部と第２の端部との間に、歪み感応部を更に備え、センサ領域が、金属物体の加えられた機械的歪みに応じて抵抗を変化させるように構成され、歪み感応部の第１の端部が第１の電気導体に接続され、歪み感応部の第２の端部が第２の電気導体に接続され、かつ接点が、歪み感応部の温度を感知するように構成される。

上にまたは以下に定められるセンサの接点は歪み感応部に形成されてもよい。

本明細書に述べられる金属物体は金属管または金属ストリップでもよい。

本明細書に述べられる金属膜は、例えば金属または金属合金から選択され得るが、ニッケルクロム合金に限定されない。

句「金属膜が金属物体とは異なる金属合金から構成される」により、作用する熱電対センサを統合するために合金の組成が異ならなければならないので、金属物体または金属膜が構成される金属または金属合金が、中に含有される全ての合金元素の同一範囲を有してはならないことが意味される。

本発明によれば、熱電対センサを形成するために１つの金属材料だけが必要とされる。これは、物体自体が金属であり、そのため熱電対を形成するために１つの追加の金属材料だけが必要とされるからである。

本明細書に述べられる電気絶縁膜は金属酸化物または金属窒化物から選択されてもよい。これは、金属物体と同様の熱容量を持つ電気絶縁膜の選択を可能にすることになり、これにより金属物体の表面と電気絶縁膜との間の最小温度差を見込むことになる。

本開示は、金属物体の歪みおよび温度を感知するためのセンサシステムであって、本明細書に開示される実施形態に係るセンサと、第１の電気導体および金属物体の接続点の等温度を検出するために構成される冷接点温度検出器と、第１の端子におよび金属物体端子に接続され、かつ接点の温度を測定するように構成される温度回路であり、接続点の冷接点温度を補償するために冷接点温度検出器に更に接続される温度回路と、歪み感応部の抵抗の変化に基づいて歪みを求めるために第１の端子におよび第２の端子に接続される歪み回路と、温度回路におよび歪み回路に接続される計算回路であり、金属物体上の機械的歪みおよび金属物体の温度誘起歪みによって生じる歪みを求めるように構成される計算回路と、を備えることを特徴とするセンサシステムにも関する。

以下に、本開示に係る実施形態が図面を参照しつつ記載される。

本開示の１つの実施形態に係るセンサの３次元図である。 図１に開示される実施形態に係るセンサの横断面を開示する、図１の線Ａ−Ａ’に沿った横断面図である。 本開示の１つの実施形態に係るセンサの３次元図である。 図３に開示される実施形態に係るセンサの横断面を開示する、図３の線Ａ−Ａ’に沿った横断面図である。 本開示の１つの実施形態に係るシステムの概略ブロック図である。

図１は、金属物体１０１と、金属物体の表面の少なくとも一部上に形成される薄膜積層体１０２であり、電気絶縁膜１０３と、電気絶縁膜上の金属膜であり、金属膜に第１の電気導体１０４が画定され、金属膜が金属物体とは異なる金属合金から構成され、第１の電気導体１０４が電気絶縁膜１０３を用いて金属物体１０１から電気絶縁され、第１の電気導体１０４が、第１の端部１０６において導線を介して第１の端子Ｗ０に接続される接続点１０８と、第２の端部１０７において金属膜に画定されるセンサ構造１１０であり、金属物体まで電気絶縁膜を貫通し、そのため熱電対が形成される、金属膜の接点１０５を備えるセンサ構造と、を備える、金属膜と、を備える薄膜積層体と、導線を介して金属物体の接続点１０９に接続される金属物体端子Ｗ１であり、第１の電気導体の接続点１０８および金属物体の接続点１０９が、互いに隣接しかつ互いと等温関係にあるように構成される、金属物体端子と、を備える、全体的に１００で示される、センサを図示する。接点が管の内部に近いので、接点１０５は、非常に正確な方式で管内部のプロセス温度を測定することができることになり、このように接点は、管壁の厚さによって左右される熱勾配によってのみ影響されることになり、電気絶縁層の熱伝導率によっては影響されない。

第１の電気導体の接続点１０８および金属物体の接続点１０９は、それらの等温関係により同じ温度を有する。これは、接続点の温度が測定されれば、接点１０５の温度を計算するために測定温度から接続点の温度を減算することにより冷接点補償が行われ得ることを意味する。等温関係を達成するために、接続点をできるだけ互いの近くに配置することに加えて、ある程度の絶縁が必要となり得る。

図２は、センサ構造１１０の図１における線Ａ−Ａ’に沿った横断面図を開示する。図２は、薄膜積層体１０２が形成される金属物体１０１を図示する。薄膜積層体は、好ましくは金属酸化物または金属窒化物である電気絶縁膜１０３を備える。電気絶縁膜１０３上には金属膜１０４が形成され、そして接点１０５で金属膜は電気絶縁膜を貫通して金属物体に接触する。金属膜はニッケルクロム合金であり得る。このように、金属物体と金属膜との間に熱電対が形成される。熱電対に対するコネクタは第１の電気導体および金属物体によって形成される。

図１において、金属物体は、薄膜積層体１０２が例えば熱溶射、蒸着またはスパッタリングを用いて直接形成される金属管である。これは、薄膜積層体が接着剤を使用せずに金属物体に付着することになることを意味する。薄膜積層体の付着を促進するために、金属物体の表面は粗化されなければならないかもしれない。この粗化は、例えばサンドブラスタまたは研削を用いて行われてもよい。

図３は、センサ３００の実施形態を開示する。センサは、金属物体３０１と、金属物体の表面の少なくとも一部上に形成される薄膜積層体３０２であり、電気絶縁膜３０３と、電気絶縁膜上の金属膜であり、金属膜に第１の電気導体３０４が画定され、金属膜が金属物体とは異なる金属合金から構成され、第１の電気導体が電気絶縁膜を用いて金属物体から電気絶縁され、第１の電気導体が、第１の端部３０６において導線を介して第１の端子Ｗ０に接続される接続点３０８と、第２の端部３０７において金属膜に画定されるセンサ構造３１０であり、金属物体まで電気絶縁膜を貫通し、そのため熱電対が形成される、金属膜の接点３０５を備えるセンサ構造と、を備える、金属膜と、を備える薄膜積層体と、導線を介して金属物体の接続点３０９に接続される金属物体端子Ｗ１であり、第１の電気導体の接続点３０８および金属物体の接続点３０９が、互いに隣接しかつ互いと等温関係にあるように構成される、金属物体端子と、を備える。

図３に開示されるセンサ３００は、センサが、金属膜に画定される第２の電気導体３１１であり、第１の端部３０６において接続点３１２を備える第２の電気導体も備えるという点で、かつセンサ領域３１０が、第１の端部３１４と第２の端部３１３との間に、歪み感応部を更に備え、センサ領域３１０が、金属物体３０１の加えられた機械的歪みに応じて抵抗を変化させるように構成され、歪み感応部の第１の端部３１４が第１の電気導体３０４に接続され、歪み感応部の第２の端部３１３が第２の電気導体３１１に接続され、かつ接点３０５が、歪み感応部の温度を感知するように構成されるという点で、図１を参照しつつ開示される実施形態と異なる。

図４は、センサ構造３１０の図３における線Ａ−Ａ’に沿った横断面図を開示する。図４の横断面図はセンサ構造３１０を図示し、センサ構造は金属膜に画定される第１の歪み感応導体４０１を備える。第１の歪み感応導体４０１は第１の端部３１４に接続される。センサ構造３１０は、第２の端部３１３に接続される第２の歪み感応導体４０２を更に備える。センサ構造は、第１および第２の歪み感応導体４０１、４０２に接続される第３の歪み感応導体４０３を更に備える。第３の歪み感応導体４０３は、金属膜によっても画定され、かつ金属膜と金属物体との間の接点３０５において電気絶縁膜を貫通する。この接点３０５はレーザエッチングによって形成されてもよい。接点３０５は、このように歪み感応部に形成される。

金属物体は金属管または金属ストリップである。

金属膜はニッケルクロム合金から選択されてもよい。

電気絶縁膜は金属酸化物または金属窒化物から選択されてもよい。

図５は、金属物体の歪みおよび温度を感知するための、全体的に５００で示される、センサシステムを開示する。センサシステムは、本明細書に上で開示された実施形態に係るセンサ３００と、第１の電気導体および金属物体の接続点３０８、３０９の等温度を検出するために構成される冷接点温度検出器５０１とを備える。センサシステムは、第１の端子Ｗ０におよび金属物体端子Ｗ１に接続され、かつ接点の温度を測定するように構成される温度回路５０２を更に備える。温度回路は、接続点３０８、３０９の冷接点温度を補償するために冷接点温度検出器に更に接続される。センサシステムは、歪み感応部の抵抗の変化に基づいて歪みを求めるために第１の端子Ｗ０におよび第２の端子Ｗ２に接続される歪み回路５０３と、温度回路５０２におよび歪み回路５０３に接続される計算回路５０４とを更に備える。計算回路は、金属物体上の機械的歪みおよび金属物体の温度誘起歪みによって生じる歪みを求めるように構成される。

Claims (6)

1. センサ（１００、３００）であって、
   金属物体（１０１、３０１）と、
   前記金属物体の表面の少なくとも一部上に形成される薄膜積層体（１０２、３０２）であり、
   電気絶縁膜（１０３、３０３）と、
   前記電気絶縁膜上の金属膜であり、前記金属膜に第１の電気導体（１０４、３０４）が画定され、前記金属膜が前記金属物体とは異なる金属合金から構成され、前記第１の電気導体が前記電気絶縁膜を用いて前記金属物体から電気絶縁され、前記第１の電気導体が、
   第１の端部（１０６、３０６）において導線を介して第１の端子（Ｗ０）に接続される接続点（１０８、３０８）と、
   第２の端部（１０７、３０７）において前記金属膜に画定されるセンサ構造（１１０、３１０）であり、
   前記金属物体まで前記電気絶縁膜を貫通し、そのため熱電対が形成される、前記金属膜の接点（１０５、３０５）を備えるセンサ構造と、を備える、金属膜と、を備える薄膜積層体と、
   導線を介して前記金属物体の接続点（１０９、３０９）に接続される金属物体端子（Ｗ１）であり、前記第１の電気導体の前記接続点（１０８、３０８）および前記金属物体の前記接続点（１０９、３０９）が、互いに隣接しかつ互いと等温関係にあるように構成される、金属物体端子と、を備えることを特徴とするセンサ。
2. 前記金属膜に画定される第２の電気導体（３１１）であり、前記第１の端部（３０６）において接続点（３１２）を備える第２の電気導体も備えること、および、
   センサ領域（３１０）が、第１の端部（３１４）と第２の端部（３１３）との間に、歪み感応部を更に備え、前記センサ領域（３１０）が、前記金属物体（３０１）の加えられた機械的歪みに応じて抵抗を変化させるように構成され、前記歪み感応部の前記第１の端部（３１４）が前記第１の電気導体（３０４）に接続され、前記歪み感応部の前記第２の端部（３１３）が前記第２の電気導体（３１１）に接続され、かつ
   前記接点（３０５）が、前記歪み感応部の温度を感知するように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のセンサ（１００、３００）。
3. 前記接点（３０５）が前記歪み感応部に形成されることを特徴とする、請求項２に記載のセンサ（１００、３００）。
4. 前記金属物体が金属管または金属ストリップであることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ（１００、３００）。
5. 前記電気絶縁膜が金属酸化物または金属窒化物であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のセンサ（１００、３００）。
6. 金属物体の歪みおよび温度を感知するためのセンサシステム（５００）であって、
   請求項１から６のいずれか一項に記載のセンサ（３００）と、
   前記第１の電気導体および前記金属物体の前記接続点（３０８、３０９）の等温度を検出するために構成される冷接点温度検出器（５０１）と、
   前記第１の端子（Ｗ０）におよび前記金属物体端子（Ｗ１）に接続され、かつ前記接点の温度を測定するように構成される温度回路（５０２）であり、前記接続点（３０８、３０９）の冷接点温度を補償するために前記冷接点温度検出器に更に接続される温度回路と、
   歪み感応部の抵抗の変化に基づいて歪みを求めるために前記第１の端子（Ｗ０）におよび第２の端子（Ｗ２）に接続される歪み回路（５０３）と、
   前記温度回路（５０２）におよび前記歪み回路（５０３）に接続される計算回路（５０４）であり、前記金属物体上の機械的歪みおよび前記金属物体の温度誘起歪みによって生じる歪みを求めるように構成される計算回路と、を備えることを特徴とするセンサシステム。

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