PL209790B1 - Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu i termiczny czujnik przepływu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu i termiczny czujnik przepływu, przeznaczony do wykrywania przepływów gazów i cieczy, w szczególności gazów i cieczy żrących.

Znany z publikacji M. Gongora- Rubio, L. M. Sola- Laguna, P. J. Moffett, J. J. SantiagoAviles, „The ultimation of Iow temperature co- fired ceramic (LTCC-ML) technology for meso- scale EMS, a simple thermistor base flow sensor, Sensors and Actuators A, 73, 1999, 215-221, jest wykonany z dwóch termistorów i jednego rezystora spełniającego rolę grzejnika, nadrukowanych na mostku wiszącym w środku kanału przepływowego. W razie pojawienia się przepływu zmienia się rozkład temperatur na termistorach i na zasadzie różnicy temperatur między tymi elementami bada się wartość przepływu.

Z opisu patentowego USA nr US7005019 znany jest sposób wytwarzania przepływomierzy posiadających przewód rurowy przepływu wykonany z substancji fluoropolimerowej. Przepływomierz składa się z podstawy, wzbudnika, czujników przesunięcia i przewodu rurowego przepływu wykonanego z substancji fluoropolimerowej. Podstawa przepływomierza tworzy pierwszy bok i drugi bok, które zawierają otwory pod przewody rurowe i otwory dla kleju. Przewód rurowy przepływu przechodzi poprzez otwory dla przewodu rurowego w pierwszym boku i poprzez otwór dla przewodu rurowego w drugim boku. Otwór przewodu rurowego w pierwszym boku ma średnicę nieco większą od przewodu rurowego przepływu dla utworzenia szczeliny pomiędzy otworem dla przewodu rurowego w drugim boku i przewodem rurowym przepływu. Otwór dla kleju w pierwszym boku tworzy dostęp do szczeliny, co umożliwia doprowadzenie kleju do przewodu rurowego przepływu i wewnętrznej powierzchni otworu dla przewodu rurowego w drugim boku. Otwór dla kleju w drugim boku peł ni tę samą funkcję .

Znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego nr 377090, sposób i urządzenie do wyznaczania natężenia przepływu płynu. Urządzenie zawiera termistor umieszczony we wnętrzu objętości, przez którą przepływa dany płyn. Termistor oscyluje pomiędzy trybem pracy z mocą zerową a trybem podgrzewania. W trybie mocy zerowej termistor wykorzystywany jest do okreś lenia temperatury płynu. W trybie podgrzewania termistor wykorzystywany jest do wyznaczenia ilości ciepła pobieranego przez płyn. Temperatura płynu, ilość pobieranego przez płyn ciepła oraz termiczne właściwości płynu są następnie wykorzystywane do wyznaczenia natężenia przepływu płynu.

Z polskiego opisu patentowego nr 160390 znany jest miniaturowy czujnik przepł ywu, który w krzemowym podł o ż u ma otwór przegrodzony membraną o budowie wielowarstwowej, przy czym co najmniej jedna z warstw membrany jest z azotku tytanu. Na powierzchni membrany znajduje się piezorezystor wyposażony w zewnętrzne doprowadzenia elektryczne, natomiast w membranie znajduje się co najmniej jedno okno przepływowe. Membrana jest wykonana z azotku krzemu.

Istota sposobu, według wynalazku, polega na tym, że na folię korzystnie niskotemperaturową współwypalaną ceramikę, stanowiącą warstwę dolną mostka metodą sitodruku, nanosi się termistor ze ścieżkami przewodzącymi. Po czym z folii wycina się kształty i zgrywa się warstwy czujnika, przy czym wycina się co najmniej jedną warstwę spodu czujnika, co najmniej jedną warstwę kanału pod mostkiem, co najmniej jedną warstwę dolną mostka z termistorem i ścieżkami przewodzącymi, co najmniej jedną warstwę górną mostka, z doprowadzeniami elektrycznymi, co najmniej jedną warstwę kanału nad mostkiem z doprowadzeniami elektrycznymi oraz co najmniej jedną warstwę przykrycia czujnika, z doprowadzeniami elektrycznymi i otworami, po czym warstwy laminuje się, a następnie wypala się podczas wieloetapowej obróbki termicznej.

Korzystnie, warstwy laminuje się w temperaturze od 70°C do 85°C przy ciśnieniu od 5MPa do 10MPa.

Korzystnym jest również to, że wieloetapową obróbkę termiczną prowadzi się w czasie do 220 minut i przy wzroście temperatury od temperatury otoczenia do temperatury 450°C do 530°C, w której wygrzewa się czujnik przez 40 do 160 minut, po czym czujnik podgrzewa się w czasie 40 do 55 minut do temperatury od 840°C do 890°C, a następnie wyłącza się podgrzewanie i wypalony czujnik powoli chłodzi się do temperatury otoczenia.

W otworach mogą by umieszczone się rurki doprowadzające i odprowadzają ce, korzystnie rurki skleja się z otworami, klejem epoksydowym.

Istota termicznego czujnika, według wynalazku, polega na tym, że ma termistor grubowarstwowy ze ścieżkami przewodzącymi naniesiony na warstwę dolną mostka, osadzony w obudowie

PL 209 790 B1 warstwowej, która od dołu ma co najmniej jedną warstwę spodu czujnika, co najmniej jedną warstwę kanału pod mostkiem, co najmniej jedną warstwę dolną mostka wyposażoną w jeden termistor ze ścieżkami przewodzącymi, co najmniej jedną warstwę górną mostka z doprowadzeniami elektrycznymi, co najmniej jedną warstwę kanału nad mostkiem z doprowadzeniami elektrycznymi, przy czym warstwy te są zlaminowane i wypalone.

Korzystnie, przykrycie wykonane z co najmniej jednej warstwy przykrycia czujnika z doprowadzeniami elektrycznymi i otworami, albo przykrycie wykonane z przezroczystego tworzywa sztucznego, albo ze szkła.

Korzystnie, w otworach umieszczone są rurki doprowadzające i odprowadzające wykonane ze szkła albo ze stali nierdzewnej albo z tworzywa sztucznego, które korzystnie są sklejone z otworami klejem epoksydowym.

Zaletą czujnika jest wykonanie go z ceramiki niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki, która jest odporna na wysokie temperatury oraz na żrące gazy i ciecze, umożliwia to pomiary przepływu żrących gazów. Dodatkową zaletą nowego czujnika jest to, że element termistorowy nadrukowany na mostku metodą sitodruku, jest odizolowany elektrycznie od cieczy/gazu przepływających przez kanał gazów/cieczowy, umożliwia to pomiar przepływu gazów oraz cieczy o niskiej rezystywności i nie ma ryzyka porażenia prądem elektrycznym. Ponadto szerokością i wysokością kanałów cieczowych/gazowych można regulować maksymalne zakresy pomiarowe czujnika, przy czym im mniejsze pole przekroju kanału gazowego/cieczowego tym mniejszy zakres pomiarowy.

Przedmiot wynalazku w przykładzie realizacji jest objaśniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny czujnika przepływu gazu/cieczy w widoku z boku, fig. 2 - przekrój wzdłużny czujnika przepływu gazu/cieczy wykonanego w widoku z góry, fig. 3 - widok przykrycia z otworami gazowymi/cieczowymi i doprowadzeniami elektrycznymi.

P r z y k ł a d 1

Sposób wytwarzania czujnika przepływu z folii wykonanej z niskotemperaturowej współwypalanej ceramiki, na warstwie folii stanowiącej dolną warstwę mostka drukuje się metodą sitodruku metalizację i termistor, następnie wycinana się kształty czterech warstw spodu czujnika SP, czterech warstw przykrycia czujnika PC z pionowymi otworami OG na wprowadzenie gazu jednej warstwy kanału pod mostkiem PM, jednej warstwy mostka MD z nadrukowanymi metalizacjami i termistorem, jednej warstwy mostka MG bez nadrukowanych metalizacji i termistorów, ale z doprowadzeniami elektrycznymi DE, jednej warstwy kanału nad mostkiem KN z wyciętymi otworami na doprowadzenia elektryczne DE. Po czym warstwę dolną mostka MD i warstwę górną mostka MG laminuje się w temperaturze 70°C przy ciśnieniu 20 MPa, kolejno laminuje się wszystkie warstwy ze sobą w temperaturze 70°C przy ciśnieniu 50 MPa, następnie czujnik wypala się w piecu komorowym podczas wieloetapowej obróbki termicznej. Wieloetapową obróbkę termiczną prowadzi się w czasie do 220 minut i przy wzroście temperatury od temperatury otoczenia do temperatury 450°C, w której wygrzewa się czujnik przez 160 minut, po czym czujnik podgrzewa się w czasie 40 minut do temperatury 840°C, a następnie wyłącza się podgrzewanie i chłodzi się powoli wypalony czujnik do temperatury otoczenia.

P r z y k ł a d 2

Sposób wytwarzania czujnika przepływu cieczy przebiega jak w przykładzie pierwszym z tą różnicą, że warstwy laminuje się w temperaturze 85°C przy ciśnieniu od 5 MPa, a wieloetapową obróbkę termiczną prowadzi się w czasie do 220 minut i przy wzroście temperatury od temperatury otoczenia do temperatury 530°C, w której wygrzewa się czujnik przez 40 do 160 minut, po czym czujnik podgrzewa się w czasie 55 minut do temperatury 890°C, a następnie wyłącza się podgrzewanie i chłodzi się powoli wypalony czujnik do temperatury otoczenia. Ponadto w otworach gazowych/cieczowych OG, umieszcza się rurki RG doprowadzające i odprowadzające gaz, które skleja się z kanałami gazowymi OG klejem epoksydowym.

P r z y k ł a d 3

Termiczny czujnik przepływu ma termistor grubowarstwowy ze ścieżkami przewodzącymi naniesiony na warstwę dolną mostka MD, osadzony w obudowie warstwowej. Obudowa od dołu, ma cztery warstwy spodu czujnika SC, dwie warstwy kanału pod mostkiem KP, jedną warstwę dolną mostka MD, jedną warstwę górną mostka MG z doprowadzeniami elektrycznymi DE, dwie warstwy kanału nad mostkiem KN z doprowadzeniami elektrycznymi DE, przy czym warstwy te są

PL 209 790 B1 zlaminowane i wypalone. Przykrycie ma otwory OG i wykonane jest z przezroczystego tworzywa sztucznego.

P r z y k ł a d 4

Termiczny czujnik przepływu wykonany jak w przykładzie trzecim z tą różnicą, że ma przykrycie wykonane z czterech warstw przykrycia czujnika SP z doprowadzeniami elektrycznymi DE i otworami OG, przy czym przykrycie jest zlaminowane i wypalone razem z czujnikiem. W otworach OG umieszczone są szklane rurki doprowadzające i odprowadzające.

P r z y k ł a d 5

Termiczny czujnik przepływu wykonany jak w przykładzie trzecim z tą różnicą, że przykrycie i rurki doprowadzające i odprowadzające wykonane są ze stali nierdzewnej doprowadzające i odprowadzające, przy czym rurki są sklejone z otworami klejem epoksydowym.

P r z y k ł a d 6

Termiczny czujnik przepływu wykonany jak w przykładzie trzecim z tą różnicą, że przykrycie i rurki doprowadzające są z tworzywa sztucznego.

Termoelektryczny czujnik przepływu działa w oparciu o efekt termoelektryczny, polegający na grzaniu się elementu rezystywnego, w tym przypadku termistora w wyniku przepływu przez ten element prądu elektrycznego. Podgrzewany element jest umiejscowiony między górną i dolną warstwą mostka, będąc w ten sposób odizolowany elektrycznie od otoczenia. W momencie pojawienia się przepływu gazu/cieczy, przepływający strumień medium chłodzi element rezystywny. Wskazanie czujnika jest skalowane w zależności od temperatury termistora, która zależy od przepływu.

Claims (16)

1. Sposób wytwarzania termicznego czujnika przepływu, znamienny tym, że na folię stanowiącą warstwę dolną mostka (MD) metodą sitodruku nanosi się termistor ze ścieżkami przewodzącymi, po czym z folii wycina się kształty i zgrywa się warstwy czujnika, przy czym wycina się co najmniej jedną warstwę spodu czujnika (SC), co najmniej jedną warstwę kanału pod mostkiem (KP), co najmniej jedną warstwę dolną mostka (MD) z termistorem i ścieżkami przewodzącymi, co najmniej jedną warstwę górną mostka (MG), z doprowadzeniami elektrycznymi (DE) oraz co najmniej jedną warstwę kanału nad mostkiem (KN) z doprowadzeniami elektrycznymi (DE), po czym warstwy laminuje się, a następnie wypala się podczas wieloetapowej obróbki termicznej.

2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że z folii wycina się kształty i zgrywa się z pozostałymi warstwami co najmniej jedną warstwę przykrycia czujnika (SP) z doprowadzeniami elektrycznymi (DE) i otworami (OG).

3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwy laminuje się w temperaturze od 70°C do 85°C przy ciśnieniu od 5MPa do 10MPa.

4. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że wieloetapową obróbkę termiczną prowadzi się w czasie do 220 minut i przy wzroście temperatury od temperatury otoczenia do temperatury 450°C do 530°C, w której wygrzewa się czujnik przez 40 do 160 minut, po czym czujnik podgrzewa się w czasie 40 do 55 minut do temperatury od 840°C do 890°C, a następnie wyłącza się podgrzewanie i wypalony czujnik powoli chłodzi się do temperatury otoczenia.

5. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że w otworach (OG) umieszcza się rurki (RG) doprowadzające i odprowadzające.

6. Sposób, według zastrz. 3, znamienny tym, że rurki (RG) skleja się z otworami (OG), klejem epoksydowym.

7. Sposób, według zastrz. 4, znamienny tym, że folią jest niskotemperaturowa współwypalana ceramika.

8. Termiczny czujnik przepływu wyposażony w termistor umieszczony na mostku w obudowie, znamienny tym, że ma termistor grubowarstwowy ze ścieżkami przewodzącymi naniesiony na warstwę dolną mostka (MD), osadzony w obudowie warstwowej, która od dołu ma co najmniej jedną warstwę spodu czujnika (SC), co najmniej jedną warstwę kanału pod mostkiem (KP), co najmniej jedną warstwę dolną mostka (MD) wyposażoną w jeden termistor ze ścieżkami przewodzącymi, co najmniej jedną warstwę górną mostka (MG) z doprowadzeniami elektrycznymi (DE), co najmniej jedną warstwę

PL 209 790 B1 kanału nad mostkiem (KN) z doprowadzeniami elektrycznymi (DE), przy czym warstwy te są zlaminowane i wypalone.

9. Termiczny czujnik, według zastrz. 8, znamienny tym, że ma przykrycie wykonane z co najmniej jednej warstwy przykrycia czujnika (SP) z doprowadzeniami elektrycznymi (DE) i otworami (OG).

10. Termiczny czujnik, według zastrz. 9, znamienny tym, że przykrycie wykonane z przezroczystego tworzywa sztucznego.

11. Termiczny czujnik, według zastrz. 9, znamienny tym, że przykrycie wykonane ze szkła.

12. Termiczny czujnik, według zastrz. 9, znamienny tym, że w otworach (OG) umieszczone są rurki doprowadzające i odprowadzające.

13. Termiczny czujnik, według zastrz. 12, znamienny tym, że rurki doprowadzające i odprowadzające są sklejone z otworami klejem epoksydowym.

14. Termiczny czujnik, według zastrz. 12, znamienny tym, że rurki doprowadzające i odprowadzające są szklane.

15. Termiczny czujnik, według zastrz. 12, znamienny tym, że rurki doprowadzające i odprowadzające są ze stali nierdzewnej.

16. Termiczny czujnik, według zastrz. 12, znamienny tym, że rurki doprowadzające i odprowadzające są z tworzywa sztucznego.

Wykaz oznaczeń na rysunku

SC - warstwa spodu czujnika,

KP - warstwa kanału pod mostkiem,

MD - warstwa dolna mostka z nadrukowanymi metalizacjami i termistorem, MG - warstwa górna mostka z doprowadzeniami elektrycznymi DE,

KN - warstwa kanału nad mostkiem,

PC - warstwa pokrycia czujnika,

OG - otwory gazowe/cieczowe,

DE - doprowadzenia elektryczne.