JP6539335B2 - センサ及びセンサを製造するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサ一般と、機能層上あるいは機能層内部に配置された、特に埋設されたセンサとに関するものである。また、本発明は、このようなセンサを製造するための方法に関するものでもある。

センサは、周囲の特定の特性を測定するのに適している。このとき、センサは、周囲を変更するアクチュエータとは異なりパッシブなものである。

特に、高温及び大きな熱流が生じるプロセスにおいては、プロセスパラメータのコントロール及び監視が非常に重要である。危機的なプロセスパラメータがリアルタイムで（現場で（ｉｎ ｓｉｔｕ））記載されることができれば、生じる障害及び問題が迅速に認識され、適当な解決手段を処理サイクルにおいて直接介入させることがあり得る。

現在、現場での、動作中のタービンブレードの監視の目的のために、いわゆる「インテリジェントコーティング」が作製されるとともに用いられ、これら「インテリジェントコーティング」は、有利には現場で、すなわちリアルタイムで負荷状態を検出することができ、したがって、動作条件の適合を可能とするものである。

インテリジェントコーティングにおいては、有利には、センサは、しばしば機能層の内部に直接配置（埋設）されている。このとき、機能層の微細構造上の特性がセンサの直近でできる限りわずかに変更され、通常はもろい機能増におけるわずかのみの熱機械的な応力を生じさせるようにセンサの構造寸法ができる限り小さく維持されていれば、機能層の寿命にとって有利である。

これまで、埋設された高温センサの製造は、熱的な溶射方法、イオン爆射による噴霧又はアーク蒸着によってなされる。このとき、センサ構造のち密さは、通常、まずは手間がかかり基層上へ設けられる必要があるマスキングによって、又は材料噴射内に適当に入れられるコリメータ遮光装置によって生じる。両手法により、塗布硬化が大きく制限される。

危険な比率より大きい場合に機能層又は部材の損傷につながる基層／部材への必然的に制限された入熱が、これまで用いられた方法に共通する。

本発明の課題は、中断部のない、ほぼ密な高温で使用するための、包囲する機能層の熱機械的な特性を本質的に損なうことなく機能層上又は有利には部材（基層）上に配置された機能層内に埋設されても存在することができ、加えて有利には現場で、すなわちリアルタイムに直接読み取られ得るセンサ構造を提供することにある。

また、本発明の課題は、これまでに公知のこの目的のためのセンサの製造方法よりもはるかに単純で、したがって安価なこのようなセンサ構造を製造するための方法を提供することにある。

本発明は、独立請求項によるセンサを製造するための方法及び従属請求項によるセンサによって解決される。方法及びセンサの有利な形態は、それぞれ引用される請求項に記載されている。

本発明は、一般に、高温において用いられるセンサ構造（センサ）並びにこのセンサ構造（センサ）を製造するための手法及び方法に関するものである。高温において用いられるとは、５００℃より大きな温度、特に約１５００℃までの温度を意味する。機能層の典型的な規模は、２００μｍ〜３ｍｍの範囲にある。このとき、提供されるセンサ構造は、機能層よりもはるかに小さく、特に典型的には５０〜５００μｍの範囲の構造寸法を有している。

特に、本発明は、１つ又は複数の適当なセンサが機能層上に直接設けられるか、又は機能層内部に埋設される新たな製造方法に関するものであり、製造は、レーザ肉盛溶接に類似した方法を用いて、マスキングを用いることなく行われる。機能層とは、特に熱的に大きな負荷を受けるしばしば複雑な形状の部材を意味する。

本発明の範囲では、センサあるいはセンサ構造は、線に基づき形成される構造と理解されるべきであり、このセンサは、例えば温度、圧力、加速度又は電圧のような所定の物理的な特性又は化学的な特性をその直接的な周囲において質的に、又は量的にも検出することが可能である。センサは、測定されたこの量を電気信号、例えば電圧へ変換し、この電気信号は、ケーブルを介してセンサによって容易に測定されることができる。このために、センサは、導電的に形成されることができるか、又はセラミックセンサ自体として電圧を生成することが可能である（圧電効果）。

直接的な周囲において絶対温度及び／若しくは相対温度又は温度差を検出することが可能な温度センサとして、温度によって内部抵抗が変化し、典型的には、金属、金属酸化物又は半導体を含む例えば金属のＮＴＣサーミスタ又はＰＴＣサーミスタが適している。さらに、熱電対をセンサと呼ぶことができ、これらセンサにおいては、２つの材料、典型的には２つの金属が、異なる熱応力に関連し、温度に相関する電圧を生じさせる。

層内部での圧力、応力又は力を検出するためのセンサは、典型的には、例えばセラミック材料（例えばＢａＴｉＯ_３のようなペロブスカイト）のような圧電素子を含んでおり、これら圧電素子は、周囲内部における長さ変化又はせん断力を電気信号に変換することができる。さらに、効果的な抵抗が弾性的な変形の下で変化し、典型的な金属、金属酸化物若しくは半導体を含むＮＴＣサーミスタ又はＰＴＣサーミスタは、圧力及び応力を検出するために用いられる。

本発明の範囲では、例えば温度、圧力又は応力のような測定すべき量がリアルタイムで検出することが可能なセンサが現場（「ｉｎ−ｓｉｔｕ」）センサと呼ばれる。

部材上で高温での使用のために用いられる機能層とは、本発明の範囲では、主に、保護層及びこの場合わずかな熱伝導率を有する特にセラミックの遮熱層、絶縁層、酸素を含むか若しくは腐食性の雰囲気における抵抗性を改善するための酸化保護層（あるいは腐食保護層）又は繊維複合材料のための環境安定的な（熱）保護層を意味している。（熱）保護層は、ＴＢＣ（遮熱コーティング）又はＥＢＣ（環境バリアコーティング）という名称においても知られている。このような機能層は、例えば、通常はＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）バッテリの接合に用いられる絶縁層を含んでいる。本発明の範囲では、機能層とは、場合によってはまずは上述の機能を有する機能層が配置され得る、部材上の適宜の中間層とも理解されるべきである。

この機能層に適した材料として、とりわけＭｇＡｌ_２Ｏ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_３、ムライト、ＺｒＯ_２、ＣａＯ／ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３−８ＹＳＺ、ＣｅＯ_２、ＹＳＺ、ＬａＺｒＯ_７、ＧｄＺｒＯ_７及びＹ−Ｓｉ−Ｏが証明されている。

また、本発明は、典型的には１つ又は複数の非常に小さなセンサ、特にいわゆる現場センサが高温機能層内又は高温機能層上に製造される製造方法を記述するものである。この方法においては、レーザ肉盛溶接に類似した方法が応用される。このとき、センサは、対応して適切なセンサ材料の形態で機能層の表面へ設けられ、設置ステップは、レーザを用いてなされる。このとき、機能層自体は、通常、既にあらかじめ部材（基層）、例えばタービンブレードの表面に配置されている。分離されるセンサ構造の典型的な構造／線直径は、通常は機能層の層厚の半分より小さな５０〜５００μｍとなっている。

レーザを用いたセンサ材料（コーティング）の設置によって、有利には、基層及び特にその上に設けられる機能層の表面性状が変更されないか、又は少なくとも最小限にのみ影響を受けることが望ましい。このために、機能への出力の入力を決定する方法のパラメータは、対応して適合される必要がある。

このことは、本発明によれば、基層へのフォーカスされたプロセスレーザの直接的な照射がプロセスにおいてレーザの動作範囲へ供給される粉体の十分大きな粒子流量によって弱められることによって保証される。同時に、基層の高さにおいて粉体と比較して小さなレーザについての焦点直径の選択により、レーザの出力中心近傍において粉体粒子の溶融が可能となる。

レーザを用いて溶融されたセンサ材料は、機能層の表面において個々の線の形態で分離され、有利には、そこで例えば導電性の導電トラックの形態のセンサとして形成されることが可能である。つづいて、追加的な電気的な接触により、センサは、それ自体用いられることが可能である。典型的には、このことは、熱的又は機械的によりわずかに負荷される範囲において行われる。ここでは、他の方法によってもより大きな接触点を形成することが可能である。

温度センサの場合には、例えば、まず、第１の導体として機能する第１の金属製の粉体を含む幅の狭いコーティング（導電トラック）を機能層へ設けることができる。つづいて、別の金属製の粉体を含む幅の狭い第２のコーティングは、両コーティング（導体）が接触点を介して導電的に結合されているように機能層上へ設けられる。共通の接触点を有する異なる材料から成る２つの導体から成る構造は、既に温度センサとして機能することが可能である。

機能層の表面上に構成されたセンサの電気的な接触は、最も単純な場合には、導電性のケーブルを介してなされる。このために、温度センサの場合には、いわゆる補償ワイヤ（平衡ワイヤ）を用いることができ、これら補償ワイヤ（平衡ワイヤ）は、それぞれ接触する導体に依存して、許容される温度範囲において同一の電気的な特性を有している。センサの動作中には、通常、このセンサは、導電性のケーブルあるいは補償ワイヤを介して外部の測定装置及び記録装置に接続されている。

しかし、通常、必然的に、第１の機能層上での１つ又は複数のセンサの製造につづいて、機能層上へ、及び少なくともその上で分離されるセンサの一部上へ別の材料が平面的に設けられるようになっている。このとき、有利には、センサの電気的な接触あるいは導電トラック及び補償ワイヤの接触がなされる範囲を省略することができる。

このようにして、本発明により製造されたセンサは、有利には全体的に又は部分的に別の層内へ埋設されることが可能である。

同様に、この別の層は、当該機能層があらかじめ第１の機能層と呼ばれたように、類似の材料から成る機能層であり得る。この別の層の平面的な設置のための設置手法として、例えば雰囲気におけるプラズマ溶射が適している。

本発明の有利な形態は、同種又は異なる種類の複数のセンサも本発明により第１の機能層上で設けられるようになっている。したがって、例えば温度センサも、また応力センサも、本発明により機能層上に製造されることが可能である。

この点では、別の機能層の後続の設置により、センサを第１の機能層上で同時に埋設することが可能である。

本発明の別の有利な形態は、同種又は異なる種類の複数のセンサが第１の機能層上に設けられ、別の機能層に埋設されるだけではなく、選択的な第２の機能層上にも同様に同種又は異なる種類の別の複数のセンサを本発明により設けることが可能であるようになっている。

このようにして、有利には、センサは、部材に関して異なる平面において製造されることが可能である。このとき、センサは、部材に関して、直接重なり合って、またずらされて配置されることが可能である。

したがって、部材上に配置された機能層システム内での異なる平面におけるセンサの配置によって、有利には、部材に対する距離に依存して機能層の内部において特性について、例えば部材に対して垂直な温度経過についての言明を行うことが可能である。

基層の表面上での温度センサの形成のために、通常、少なくとも２つの異なるセンサ材料が必要である。例えば、センサ材料として、Ａｌｕｍｅｌ（アルメル）（登録商標）又はＣｈｒｏｍｅｌ（クロメル）（登録商標）が両導電トラックに対して用いられることができるか、又は白金及び白金−ロジウム合金若しくはＮｉＣｒ及びＮｉも用いられることが可能である。用いられるセンサ材料は、通常、期待される温度に合わせて当業者によって選択されることができる。

圧電的な圧力センサ、応力センサ又は力センサの形成については、本質的に、圧電セラミック（例えばジルコン酸チタン酸鉛セラミック（ＰＺＴ））を用いることができ、これら圧電セラミックは、通常、多結晶性の材料として、焼結プロセスによって加工され、比較的低い溶融温度あるいは焼結温度を有している。例えば石英、トルマリン及びリン酸ガリウムのような材料について、これら材料は圧電定数を有しており、これら圧電定数は、通常、２つのオーダーだけより大きい。そのほか、応力センサ又はひずみセンサとして、金属的な合金（例えば質量％においてＮｉ−２０Ｃｒ、Ｃｕ−４５Ｎｉ、Ｐｄ−１３Ｃｒ又はＣｕ−１２Ｍｎ−２Ｎｉ）を用いることができ、これらの内部抵抗は、圧縮又は引張によって本質的に変化する。

センサ材料は１〜２００μｍの粒径を有する粉体としてレーザ光線へ供給されることができ、この粉体は、有利には、設置後、中断部のない軌道、例えば導電的な接続部の形態で存在する。

規則的に被覆マスキング又はスリットコリメータを用いる必要がある、例えば熱的な溶射方法、イオン爆射による噴霧又はアーク蒸着のような、類似のセンサについてのこれまでの設置方法とは異なり、本発明による方法は、粉体から成る小さなセンサを機能層上に設けるために、時間の節約のみに基づいて、及び手間のかかる被覆マスキングを用いる必要がないことにより、あるいはかなり大きな作業効率が得られることにより、非常により快適な設置手法である。

本発明による方法により、非常に耐久性のある、場合によってはリアルタイムで動作するセンサを層の近傍又は層内において提供することが可能であり、このセンサ自体は、このセンサによって監視されるべき層に対して、不都合な作用は及ぼさないか、又は少なくとも非常にわずかな不都合な作用しか及ぼさない。

上記課題の解決は、本発明による方法によって、マスキングを使用することなく、例えば遮熱層又は他の保護層のような機能層上あるいは機能層内にセンサを設けるか、又は埋設することで、すなわちいわゆるインテリジェントコーディングを製造することが可能であることで達成される。このとき、温度によって誘起される変質からの基層の保護は、レーザ光線の強くフォーカスされたエネルギー入力及びプロセス粉体によるその遮蔽によって保証される。

本発明の有利な形態では、機能層の表面上でのセンサの設置は、レーザを用いてなされるとともに、例えば市販のレーザ肉盛溶接によって行うことが可能である。

本発明による方法においては、適当なセンサ材料が粉体又はワイヤの形態でフォーカスされたレーザ光線へ供給される。つづいて、レーザ光線内で溶融するセンサ材料は、機能層の表面上へ設けられる。どのセンサ材料が用いられるかは、どのような種類のセンサが製造されるべきかに依存する。

本発明による方法では、粉体の供給率あるいは設けられるワイヤに対する相対運動及びレーザのエネルギー密度が、レーザのエネルギー入力が供給される粉体あるいはワイヤの少なくとも一部を溶融するのみ十分であるものの、更に基層への追加の入熱が有利に制限されるように互いに調和されることが重要である。このとき、設置中の基層の表面温度が基層の溶融温度に達さず、しかも有利にはこれをかなり下回ったままであることが保証されるべきである。

しかし、いくつかのケースでは、全体的に高められた基層の温度により、設けられたセンサと基層の間の粘着が改善され得るか、あるいは基層上での溶融されたセンサ材料の緩慢な凝固が補助され得る。

本発明の一形態では、代替的に、例えば適当なセンサ材料から成るワイヤもあらかじめ機能層の表面上に直接配置することができ、このワイヤは、つづいて、レーザ光線を用いて機能層の表面上で溶融される。この方法変型も、本発明による方法において包含されている。

レーザ光線内で溶融された粉体は、機能層上への設置後、そこで表面上で再び冷却され、そして、密なコーティング、例えば中断部のない導電トラックの形態を形成することが可能である。このコーティングは、通常、レーザと機能層の表面の間の相対運動に応じて、点状又は線状である。

機能層上へのセンサ材料の設置が溶融物に基づきなされるため、コーティングは、有利には、孔のない密な組織を示し、この組織においては、例えば従来技術による焼結されたコーティングにおいては生じる、粒界又は相境界が生じない。

方法の特別な形態では、センサ材料の設置を更に不活性ガスの下で行うことが可能である。不活性ガスの下での設置は、酸化プロセスを大幅に回避することが可能であるという利点を有している。したがって、特に、レーザへ供給される小さな粒子を高温における酸化から保護することが可能である。

不活性ガスとして、特にアルゴン又はＮ_２を用いることが可能である。

センサの選択に応じて、粉体あるいはワイヤとして、金属製のものも、またセラミック製のもの又は金属とセラミックの混合物も設けることが可能である。用いられる粉体サイズは、有利には１〜２００μｍ、特に２〜５０μｍである。ワイヤを用いる場合には、好ましい直径は、５０〜１０００μｍ、特に５０〜１５０μｍの範囲である。

センサを製造するための方法の特別な形態では、センサ材料を機能層上に設けた後、及び場合によってはセンサの読み取りのための適当な接触部を設けた後、別の層が機能層上へ、かつ、その上に配置されたセンサ上において少なくとも部分的に設けられる。これにより、センサは、大部分が包囲され、したがって、有利には保護される。特に、温度センサの場合には、材料の外部の影響が生成されるサーモ電圧へ重大な影響を与えることとなり、それゆえ主として回避されるべきである。

この別の層のための材料として、特に、機能層について既に用いられた、Ａｌ_２Ｏ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_３、ムライト、ＺｒＯ_２、ＣａＯ／ＭｇＯ、ＺｒＯ_２、Ｙ_２Ｏ_３−８ＹＳＺ、ＣｅＯ_２、ＹＳＺ、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、ＬａＺｒＯ_７、ＧｄＺｒＯ_７及びＹ−Ｓｉ−Ｏのような同様の材料が適している。しかし、他の材料を、単に保護層として機能する実際の機能層上及び１つ又は複数のセンサ上に設けることも可能である。

この別の層のための設置手法として、とりわけ、雰囲気プラズマ溶射が適している。この第２の機能層を設けるための別の適した方法は、例えばＥＢ−ＰＶＤ法（電子ビーム物理蒸着）のような気体相からの分離又は流延成形のような、後続の焼結ステップを伴う湿式化学プロセスである。

選択的に追加的して設けられるべき層の層厚は、１０μｍ〜１０ｍｍより大きい範囲であり得る。特に、層厚は、１００〜１０００μｍの間の範囲にあり得る。

提示された本発明による方法によって、特に温度センサ、延び測定センサ、流れセンサ、加速度センサ又はこれらに類似するセンサを、容易かつ手間のかかるマスキングなしに、例えば遮熱層、絶縁層又はその他の保護層のような機能層の表面上に製造することが可能である。これにより、このような層の化学的な特性及び物理的な特性がリアルタイムで検出し、評価することが可能である。

上述のセンサのための使用分野として、好ましくは、化学的な特性又は物理的な特性の監視が望まれる、タービンブレード又はその他のロータブレード、他の機械部品を挙げることができる。同様に、例えばハイパワー電子部品、多孔性の薄膜支持部材又は電池基板のような難導電性の部材への本発明によるセンサの使用も考えられる。同様にここに記載された本発明による方法によって製造可能な電極の、変化あるいは変質に対する度合いとしての抵抗測定のための導電性の層における利用も、本発明の有利な応用分野として挙げることが可能である。

本発明により製造されたセンサの導電トラックは、プラズマ溶射のような、マスキングの応用の下でこれまで慣用された設置手法によって得られる手法とは容易に区別され得ることが分かった。

一方では、センサ材料の事前の溶融後に機能層の分離が行われる。したがって、冷却時には、非常に密で、孔のない導電トラックが形成される。本発明の意味における孔がないとは、１体積％より小さな、特に０．５体積％より小さな孔隙率を有する材料と理解される。この点では、断面図は、粒界又は相境界を示さない。これにより、例えば、粒子又は凝集体が共に焼結され、通常は上述のものより大きな孔隙率を示す焼結ステップによって形成される導電回路との区別が可能である。

加えて、例えばプラズマ溶射のようなこれまで公知のセンサの製造方法におけるマスキングの使用により、規則的に、それぞれ製造に起因して非常に急峻な側部を有する導電トラックが生成される。これに対して、本発明により設けられる導電トラックは、同様に平坦に形成された側部を示す包囲部を有する断面を示す。

一般に、本発明により設けられる導電トラックの特徴的な断面は全体的により弓状の経過を示す一方、従来技術により製造された導電トラックは、これに比べて、中央範囲で機能層の表面に対してほぼ平行に延びる平坦にされた断面を示すとともに、更に、明らかにより急峻な側部を備えている。これは、プラズマ溶射が原則的に平坦で平行な材料の設置のための手法である一方、本発明による方法は有利には線又は点の設置に適したものであることに起因するものである。

まとめると、本発明は、センサ、特に現場センサを製造するための明らかに改善された方法を提供するものといえ、これらセンサは、これまで慣用された手間のかかるマスキングを用いる必要なく部分的に非常に粗い機能層上でも分離されることが可能である。方法パラメータの容易な適合により、製造されるべきセンサに関しても、また検出されるべき機能層に関しても、幅広い応用が提供される。有利には、本発明による方法によって、センサの設置中に機能層の表面パラメータが溶融温度を超えず、センサ製造による影響を大幅に低減することをできることが達成される。

有利には、本発明による方法により、現場センサ、すなわち周囲の負荷状態を検出し、したがって動作条件の迅速な適合を可能にすることができるリアルタイムで測定するセンサも製造可能である。

有利には、本発明により、電圧及び機械的な応力が中断なく／不規則でなく伝達されるように均質あるいは内包物のないセンサ構造微細な線構造（センサ導電トラック）の分離が可能となる。

以下に、本発明、その特別な利点及び新たな応用について、具体的な実施例及び図面に基づいて説明するが、これにより特許請求の範囲の限定がなされるものではない。当業者は、本発明の主題から逸脱するか、又はそれ自体で進歩性を有する必要性なく、課題に応じて、個々に示す方法の様々な変更及び代替を容易に選択することができる。

センサを製造するための本発明による方法は、他のタービンブレード、他のタービン部分又はその他の機械部分にも応用可能であり、本発明の利点は、特に、通常高い温度負荷にさらされている蒸気タービンブレード及びガスタービンブレード又は他の羽根車において得られる。

従来技術によるレーザ肉盛溶接のための装置における材料供給の概略を示す図である。 本発明によるプロセスの実行における例示多岐な材料供給とレーザのフォーカスを概略的に示す図である。 本発明により設けられた温度センサを有する機能層と、選択的にその上に設けられた別の層の概略的な断面図である。 本発明により設けられた温度センサを有する機能層と、選択的にその上に設けられた別の層の概略的な平面図である。 本発明により設けられた延びセンサ及びその上に設けられた別の層を有する機能層の概略的な平面図である。 本発明により機能層上に配置されたＫタイプの温度センサを有する機能層の平面図である。 基準センサと本発明によるセンサを比較する、加熱時間に依存する温度センサによって算出された温度のグラフである。 本発明により設けられた温度センサを有する機能層の表面プロフィルを示す図である。 機能層上に選択的に設けられた別の層の表面プロフィルを示す図である。 従来の手法で設けられた導電トラックと本発明により設けられた導電トラックを比較する、機能層上に設けられた導電トラックの概略的な断面を示す図である。 本発明により機能層上に設けられ、埋設された導電トラックの断面図である。

図１にはセンサ材料の設置、すなわちこの設置が本発明においてどのように応用され得るかが概略的に示されている。センサ材料は、レーザ肉盛溶接のための装置の場合に類似して、レーザ光線へ供給される（図１ａ）。

このとき、後にセンサを形成する、設けるべき粉体（センサ材料）（２）は、典型的には側方（横方向）に配置された粉体ノズルを介して、側方（径方向）に配置された複数の粉体ノズル又は同心状（同軸）に配置された粉体ノズルを介して行われることが可能である。

機能層とレーザの間の典型的な間隔として、数ミリメートル、例えば７ｍｍを選択することが可能である。

供給され、レーザ光線（１）内で初めて溶融する粉状の材料（２）は、機能層（４）、例えばセラミックの絶縁層の表面で、コーティング（３）、例えば金属線形導体として固化した後、分離する。機能層（４）は、場合によっては別の中間層（５）（ボンドコート）を介して、金属部材（基層）（６）上、例えばタービンブレード上に配置されている。

このとき、プロセスの本発明による進行は、一方で、基層面上の粉体供給部（２）の焦点断面がフォーカスされたレーザ光線（１）の断面より大きく選択され、その結果、十分大きな粉体供給率において、レーザに対する基層の本質的な遮光がなされ、他方で、進行速度は、レーザスポットの中央範囲で溶融されるプロセス粉体の割合が事情によっては粗い基層への良好な付着を有する連続的な軌道として分離されるように適合される。

粉体による設置に代えて、センサ材料から成る、あらかじめ製造されたワイヤを、直接レーザ光線へ供給することが可能であるか、又はこれに代えて、レーザを用いて対応するコーティング／導電トラックへ溶融される機能層の表面にあらかじめ配置することが可能である（図１では不図示）。

図２ａには、機能層（４）を通る概略的な断面と、その上に設置された本発明によるセンサ（３）とが図示されている。部材及び任意の追加的な中間層は、この図には図示されていない。また、本発明の１つの形態として、別の（第２の）機能層（７）が記載されており、この機能層は、例えば、センサ及び第１の機能層の複数の部分を覆うものの、センサ（９）の接触部の範囲を露出させるものである。

図２ｂには、図２ａに図示された断面について対応する平面図が概略的に示されている。両導電トラック（３ａ，３ｂ）を含む温度センサは、異なる材料から成る２つの薄いセンサコーディング／導電トラックの形態で、本発明により機能層（４）上に設けられる。両導電トラックは、接触箇所（８）において互いに導電的に結合されている。補償導線との外側での接触のために設けられた範囲（９）、すなわちセンサの両導電トラックの端部は、別の機能層（７）によって覆われていない。したがって、これら端部には自由にアクセス可能である。

図３には、本発明により製造された延びセンサの平面図が概略的に示されている。蛇行状に配置された延びに敏感な導電トラック（３ｃ）及び電気的な接続導線（３ｄ，３ｅ）を含む延びセンサは、適当な材料から成る薄いセンサコーティング／導電トラックの形態で本発明により機能層（４）に設けられる。導電トラックは、接触箇所（８）において互いに導電的に結合されている。外側での接触のために設けられている範囲（９）、すなわちセンサの両接続導線の端部は、別の機能層によって覆われていない。したがって、これら端部には自由にアクセス可能である。

本発明の一形態では、センサとしてＫタイプの熱電対が本発明により製造された（これについて図４参照）。このために、異なる材料から成る、この場合にはＡｌｕｍｅｌ（アルメル）（登録商標）とＣｈｒｏｍｅｌ（クロメル）（登録商標）から成る２つの導電トラックが、互いに直角に金属基層の機能層（１１）上に、レーザ肉盛溶接に類似した方法によって設けられる。両導電トラックは、接続点（接触箇所）（１９）を介して互いに電気的に接続されている。導体には、Ａｌｕｍｅｌ（アルメル）（登録商標）について２．６〜２０μｍ（ｄ_５０＝７．４μｍ）の粒径を有し、Ｃｈｒｏｍｅｌ（クロメル）（登録商標）について３．５〜３５μｍ（ｄ_５０＝１２．１μｍ）の粒径を有する適当な粉体が用いられた。

機能層（１１）へのセンサの設置はレーザを用いてなされ、上述の粉体は、それぞれ同軸の供給部によってレーザ光線へ供給された。レーザとして、Ｎｄ：ＹａＧレーザ（ネオジムでドープされたイットリウム・アルミニウム・ガーネット・レーザ）が低出力範囲で用いられた。

温度センサの機能性のチェックのため、及びゼーベック係数の算出のために、本発明により製造された熱電対の熱的なデータ及び電気的なデータが室温と５００℃の間の温度において測定された。このために、ＮｉＡｌ−補償導線（１４）を有するＡｌｕｍｅｌ（アルメル）（登録商標）（１２）から成る負性導体及びＮｉＣｒ−補償導線（１５）を有するＣｈｒｏｍｅｌ（クロメル）（登録商標）（１３）から成る正性導体は、接触点に対する固有の間隔において、補償導線（補償ワイヤ）をそれぞれ正性導体及び負性導体へ押圧し（接触箇所１６，１７）、それぞれ小さなガラスプレート及び金属クランプによって固定された。補償ワイヤの他の端部は、測定値変換器／測定値変成器を備えた測定装置及び記録装置（温度測定装置）（１８）に接続された。接触点（１９）が測定温度を有する測定箇所を形成する一方、測定装置（１８）は基準温度、典型的には室温との比較箇所を統合している。

さらに、市販のＫタイプ−熱電対は、本発明により製造された熱電対の接触箇所（１９）に隣接して配置され、同様に測定装置及び記録装置（１８）に接続された。

少なくとも機能層と、この上に配置された２つの、測定装置（１８）に接続された熱電対とを含む試料は、炉において、アルゴン保護雰囲気の下で５Ｋ／分の加熱率で加熱された。試験中には、両熱電対によって生じる電圧が連続して測定装置により検出されるとともに評価された。

図５には、試験中に測定装置によって検出された温度値が試験時間にわたって記載されている。閉じた記号によってマークされた線は、本発明により製造された熱電対の結果を示しており、開放された記号でマークされた線は、基準熱電対の結果を示している。特に本発明により製造された熱電対のための、測定値列の一時的な中断は、この試験では金属のクランプによってのみ適合された補償導線である変動する接触抵抗に対して引き起こされている。

算出された電圧の評価によって、本発明により製造されたセンサが、試験された温度範囲において、生じる電圧の温度へのほぼ線形な依存を有することを確認することができた。検出された熱起電力（電圧）に基づき、線形な適合を用いて、熱電的な感度に対する度合いとして４１．２μＶ／Ｋのゼーベック係数を０．９９９９の回帰係数において算出することができた。これに対して、市販の熱電対は、４１．１μＶ／Ｋの定格ゼーベック係数を有している。この比較は、本発明により製造される熱電対により生じる電圧が非常に信頼して等級付けされ得ることを示すものである。この試験は、本発明によるセンサが既に今温度センサとして傑出して用いられ得ることを印象的に裏付けるものである。

この一連の試験の後、この場合にはセラミックの機能層に対応する別の層が雰囲気的なプラズマ溶射によって設けられた。これにより、第１の機能層（４）に配置されたセンサ（３）を完全に埋設されることができた。

この場合、センサは、両機能層内に埋設されて存在している。このとき、本発明により製造されたセンサの自由な導線端部は、対応する補償導線を介して、試験中に生じる電気信号を検出可能な測定装置及び記録装置に接続された。

設けられた第２の機能層の層厚は、約２００μｍであった。両機能層は、プラズマ溶射によって製造されたとともに、約４０μｍの表面粗さを有していた。埋設されたセンサの高さプロフィルの算出のための試験及び能率的な光学的な測定方法（白色干渉法）は、約９０μｍのセンサ高さ（設けられた導電トラックの高さ）及び同様に約２００μｍの第２の機能層の層厚において、導電トラックの箇所において、もう１つのみの、約４０μｍの第２の機能層の突出部を認識し得ることが明らかに示された。このことは、比較的薄い第２の機能層内でのセンサの良好な埋設を裏付けるものである（これについて図６も参照）。

本発明による方法によって機能層に設けられるか、あるいは分離されるセンサを、プラズマ溶射のようなこれまで通常であった設置手法によってマスキングを応用しつつ得られるものから区別することが当業者にとって容易に可能であることが分かった。導電トラックの例における異なる断面の比較が図７に概略的に示されている。

本発明により設けられた導電トラック（３）の特徴的な断面が全体的に弓状の経過を示す一方、マスキング及び従来のプラズマ溶射によって設けられた導電トラックは、これとの比較において、中央範囲で機能層の表面に対してほぼ平行に延びる平坦にされた断面（３_ＳｄＴ）を示すとともに、明確により急勾配な側面を備えている。このことは、プラズマ溶射が原則的に材料の平坦で平行な設置のための手法である一方、本発明による方法は有利には線又は点の設置に適していることに起因するものである。機能層の表面性状及び濡れ性に応じて、本発明による方法ではアンダーカット部も形成することが可能である。

図８には、本発明により機能層上に設けられ、埋設された導電トラックの断面図が示されている。

まとめると、本発明は、センサの製造のための、特に元の位置の（ｉｎ−ｓｉｔｕ）センサの製造のための明らかに改善された方法を提供するものといえ、これらセンサは、これまでは通常であった手間のかかるマスキングを用いる必要なく、部分的に非常に粗い機能層上でも分離されることが可能である。方法パラメータの容易な適合によって、製造されるべきセンサに関しても、また検出されるべき機能層に関しても、幅広い応用が得られる。

Claims (14)

1. 機能層の表面上にセンサを製造するための方法であって、プロセス粉体としてのセンサ材料が、少なくとも部分的にレーザ光線により溶融され、つづいて、前記機能層の前記表面上に設けられる、前記方法において、
   入射が基層へ向けられている、フォーカスされたレーザが用いられること、
   前記センサ材料が同軸の供給部を介して前記レーザ光線へ供給されること、
   前記センサ材料を設ける間に、前記機能層の表面温度が該機能層の溶融温度よりも低温であるように前記機能層の表面温度が調整されること、
   前記機能層の表面温度の調整が、前記レーザ光線をプロセス粉体によって遮蔽することで入熱を制限することによって達成されること、及び
   前記プロセス粉体の、レーザスポットの範囲で溶融された部分が、前記機能層の前記表面上で分離されること
   を特徴とする方法。
2. 前記センサ材料の供給部のフォーカス断面が、基層面上で、フォーカスされた前記レーザ光線の断面よりも大きく選択されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記機能層として、セラミックの遮熱層、絶縁層、酸化保護層、若しくは腐食保護層、又は環境安定的な保護層若しくは熱保護層が用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記センサ材料が不活性ガス雰囲気下で設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記不活性ガスとしてアルゴンが用いられることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. センサ材料として、１〜２００μｍ、特に２〜５０μｍの平均粒径を有する粉体が用いられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 設けられるセンサの構造断面が、前記機能層の寸法に比べて小さいことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記センサ材料として、白金、鉄、銅−ニッケル合金、白金−ロジウム合金、ニッケル−クロム合金、タングステン−レニウム合金、ＣｒＮｉ−鋼、ニッケル、Ｎｉ２０Ｃｒ、Ｃｕ−４５Ｎｉ、Ｐｄ−１３Ｃｒ、Ｃｕ−１２Ｍｎ−２Ｎｉ、バリウム−チタン酸塩−セラミック又は鉛−ジルコン酸塩−チタン酸塩−セラミック（ＰＺＴ）、石英、トルマリン、リン酸ガリウム又はニオブ酸リチウムが用いられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
9. 温度センサ、圧力センサ、電圧センサ又は加速度センサが製造されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記機能層の表面上に設けられた前記センサが、別の層を設けることで、少なくとも部分的に埋設されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記別の層として、別の機能層が設けられることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 機能層の表面上に配置されており、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法によって製造されたことを特徴とするセンサ。
13. 製造されたセンサが、温度センサ、圧力センサ、電圧センサ又は加速度センサであることを特徴とする請求項１２に記載のセンサ。
14. 設けられたセンサ材料が、中断することなく、かつ、孔なしに形成されていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のセンサ。

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