专利名称：复相陶瓷温度传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及传感器及其制备方法。
背景技术：
温度是生产、生活和科学研究过程中经常要测量的物理量，热电偶是一种最常用的温度传感器。热电偶的测温原理基于塞贝克效应，即当将断开的导体材料置于一定的温度场中将会在断口上产生热电动势。常见的热电偶均由金属材料制造。半导体材料和导电陶瓷材料中也存在塞贝克效应，且导电陶瓷材料往往具有很高的塞贝克系数，因而也有很多导电陶瓷材料被制造成热电偶并在实践中得到了应用。在陶瓷热电偶中，由于作为正电极和负电极的导电陶瓷材料之间存在较大的热匹配系数差，因而常见的陶瓷热电偶多为装配结构，它通常包括一个一端封口的套管作为一个电极，套管中同轴安装的长杆作为另一个电极，长杆末端通过弹性元件或结构施加一定的接触压力以补偿由于热膨胀系数差异造成的长度变化。套管结构的陶瓷热电偶尺寸较大，对温度的反应速度较慢，在一体化和小型化过程中存在着不同种类陶瓷材料之间的热膨胀系数的差异，会造成热冲击失效以及热电势输出不稳定的问题。
发明内容
本发明为了解决现有陶瓷热电偶尺寸较大，对温度的反应速度较慢，在一体化和小型化过程中存在着不同种类陶瓷材料之间的热膨胀系数的差异，所造成热冲击失效以及热电势输出不稳定的问题。提出了通过调整复相陶瓷材料中导通相和绝缘相陶瓷粉末的含量和粒径尺寸，实现正电极和负电极之间以及热电极导电体区与绝缘体区之间的热膨胀匹配的复相陶瓷温度传感器及其制备方法，解决问题的具体技术方案如下本发明的复相陶瓷温度传感器由正电极3、负电极4、绝缘体5和混合连接体6组成，正电极3位于传感器7圆心处连成的轴线上，正电极3由绝缘体5包裹，圆柱形混合连接体6固定在传感器7右端的中心处，正电极3的右端面与混合连接体6的左端面连接，正电极3的左端面是正电极连接体2，负电极4被绝缘体5夹在传感器7圆周半径的中部，负电极4的右端部内侧与混合连接体6的外圆相连，在负电极4的左端部向外凸出部分延至传感器7的外圆表面成为负电极连接体1。
上述的复相陶瓷温度传感器的正电极3、负电极4、绝缘体5、混合连接体6采用的Si3N4的颗粒尺寸为1～3μm，SiC的颗粒尺寸为0.2～0.6μm，MoSi2的颗粒尺寸为0.1～0.5μm。
正电极3按重量百分比由25～35％的MoSi2、50～60％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂组成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1∶7～20；负电极4按重量百分比由40～50％的SiC、40～50％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，SiC与Si3N4陶瓷粉末颗粒尺寸的比例为1∶5～15；绝缘体5按重量百分比由25～35％的MoSi2、50～60％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为0.5～1.5∶1；混合连接体6由组成正电极3的复相陶瓷材料和组成负电极4的复相陶瓷材料按重量各50％混合制成。
复相陶瓷温度传感器的制备方法它由如下步骤完成步骤一、确定正电极3、负电极4、绝缘体5、混合连接体6的复相陶瓷材料的配比和粒径尺寸A、正电极3按重量百分比由25～35％的MoSi2、50～60％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸分别为0.1～0.5μm和1～3μm，粒径比为1∶7～20；B、负电极4按重量百分比由40～50％的SiC、40～50％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，SiC与Si3N4陶瓷粉末颗粒尺寸分别为0.2～0.6μm和1～3μm，粒径比为1∶5～15；C、绝缘体5按重量百分比由25～35％的MoSi2、50～60％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸均为1～3μm，粒径比为0.5～1.5∶1；D、混合连接体6由组成正电极3的复相陶瓷材料和组成负电极4的复相陶瓷材料按重量各50％混合制成；步骤二、将经步骤一得到的正电极3、负电极4、绝缘体5、混合连接体6组成的复相陶瓷材料分别与粘结剂按重量比100∶4～10混合均匀后用轧制、冷等静压法压制或用粉浆浇注法浇铸成形后在1600～1750℃高温条件下烧结0.5～1小时后即得到复相陶瓷温度传感器7。
上述方法是依据下述原理并结合图3得出的1、利用导通相A含量为W1复相陶瓷材料的和导通相B含量为W2的复相陶瓷材料，具有相近似的热膨胀系数的性能，通过调整复相陶瓷材料导通相的含量，使之热膨胀系数能够趋于一致。
2、依据导通相陶瓷材料的含量和尺寸对与复相陶瓷材料导电性能之间的关系，确定导通阈值。
采用本发明制备方法制备的复相陶瓷温度传感器具有传感器尺寸小，对温度的反应速度快，导通网络对热应力稳定性好的特点，与适当的外围电路和仪表相配合能实现在狭小空间尺寸中及在有磨损、腐蚀和热冲击条件下的温度测量。
图1是复相陶瓷温度传感器的整体结构示意图，图2是图1的A-A剖视图，图3是复相陶瓷材料热膨胀系数与导通相含量之间的关系图，图4是不同MoSi2及SiC导通相含量的复相陶瓷材料的热膨胀系数图。
具体实施例方式
具体实施方式
一本实施方式(见图1、图2)由正电极3、负电极4、绝缘体5和混合连接体6组成，正电极3位于传感器7圆心处连成的轴线上，正电极3由绝缘体5包裹，圆柱形混合连接体6固定在传感器7右端的中心处，在正电极3的右端面与混合连接体6的左端面连接，正电极3的左端面是正电极连接体2，负电极4被绝缘体5夹在传感器7圆周半径的中部，负电极4的右端部内侧与混合连接体6的外圆相连，在负电极4的左端部向外凸出部分延至传感器7的外圆表面成为负电极连接体1，正电极3、负电极4、绝缘体5、混合连接体6采用下列复相陶瓷材料的配比和粒径尺寸组成正电极3按重量百分比由25～35％的MoSi2、50～60％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1∶7～20；负电极4按重量百分比由40～50％的SiC、40～50％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，SiC与Si3N4陶瓷粉末颗粒尺寸的比例为1∶5～15；绝缘体5按重量百分比由25～35％的MoSi2、50～60％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为0.5～1.5∶1；混合连接体6由组成正电极3的复相陶瓷材料和组成负电极4的复相陶瓷材料按重量各50％混合制成。正电极3、负电极4、绝缘体5、混合连接体6采用的Si3N4的颗粒尺寸为1～3μm，SiC的颗粒尺寸为0.2～0.6μm，MoSi2的颗粒尺寸为0.1～0.5μm。
具体实施方式
二本实施方式采用下列步骤利用导通相A含量为W1复相陶瓷材料和导通相B含量为W2复相陶瓷材料，具有相近似的热膨胀系数的性能(见图3)，进而通过调整复相陶瓷材料中导通相的含量，使之热膨胀系数能够趋于一致，达到正电极材料和负电极材料之间的热匹配。在调整作为正电极和负电极的复相陶瓷材料的热膨胀系数之前，首先需确定复相陶瓷材料导通所需添加的导通相陶瓷粉末的含量；依据导通相陶瓷材料的含量和尺寸对与复相陶瓷材料导电性能之间的关系，确定导通阈值。实验表明，导电相陶瓷材料的含量和尺寸对复相陶瓷材料导电性能的影响如下使用SiC与Si3N4粒径比为1∶5的原材料粉末，所得到的SiC-Si3N4复相材料的导通阈值含量为30wt％；以MoSi2作为导通相，当MoSi2与Si3N4粒径比为1∶1时，导通阈值含量为40wt％；当MoSi2与Si3N4粒径比降至1∶7时，导通阈值含量下降至20wt％以下。本发明的陶瓷材料采用陶瓷粉末Si3N4的颗粒尺寸为1～3μm，SiC的颗粒尺寸为0.2～0.6μm，MoSi2的颗粒尺寸为0.1～0.5μm。
步骤一、确定正电极3、负电极4、绝缘体5、混合连接体6的复相陶瓷材料的配比和粒径尺寸A、正电极3按重量百分比由25～35％的MoSi2、50～60％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸分别为0.1～0.5μm和1～3μm，粒径比为1∶7～20；上述组成和颗粒尺寸制备的复相陶瓷材料为导通状态，室温电阻率为6.7×10-2Ω.m，和绝缘体的复相陶瓷材料的温室电阻率比较，下降了7个数量级；B、负电极4按重量百分比由40～50％的SiC、40～50％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，SiC与Si3N4陶瓷粉末颗粒尺寸分别为0.2～0.6μm和1～3μm，粒径比为1∶5～15；上述组成和颗粒尺寸制备的复相陶瓷材料，和绝缘体的复相陶瓷材料的温室电阻率比较，电阻率下降5个数量级，可以保证获得较低的和稳定的电阻值。实验测量结果表明(见图4)，添加30％的MoSi2和添加45％的SiC的两种复相材料热膨胀系数基本一致，因而选用导电添加相为45％SiC的复相材料作为热电偶的负电极4可以和它周围的绝缘体5及相应的正电极3之间达到基本相同的热膨胀适配，避免热应力对导通网络稳定性的影响；C、绝缘体5按重量百分比由25～35％的MoSi2、50～60％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸均为1～3μm，粒径比为0.5～1.5∶1；由此看出绝缘体和正电极之间的关键区别只是在于导通相陶瓷粉末粒径尺寸与绝缘相陶瓷粉末的粒径尺寸的不同。上述组成和颗粒尺寸制备的复相陶瓷材料，室温电阻率为6.1×105Ω.m；D、混合连接体6由组成正电极3的复相陶瓷材料和组成负电极4的复相陶瓷材料按重量各50％混合制成；高温连接点的混合连接体6是由正电极及负电极复相陶瓷材料混合后制造的导电材料，由于连接点的尺寸较小，温度均匀性较好，高温连接点的成分过渡不会对测量过程带来较大影响；步骤二、将经步骤一得到的正电极3、负电极4、绝缘体5、混合连接体6组成的复相陶瓷材料分别与粘结剂(按重量百分比粘结剂由甲基纤维素1～25％、橡胶50～75％、丁醛树脂1～25％组成的混合物)按重量比100∶4～10混合均匀后采用冷等静压法(也可采用轧制、粉浆浇铸的方法)先压制成正电极芯杆和混合连接体6，再依次叠加中间绝缘体5、负电极4和外绝缘体5，将多次冷等静压制得的同轴结构的坯料在1600～1750℃高温条件下烧结0.5～1小时后即得到复相陶瓷温度传感器7。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
二的不同点在于正电极3按重量百分比由30～35％的MoSi2、50～55％的Si3N4和10～15％的稀土氧化物助烧剂(助燃剂由La2O350wt％，Y2O350wt％构成)制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1∶7～14。负电极4按重量百分比由40～45％的SiC、40～45％的Si3N4和10～15％的稀土氧化物助烧剂制成，SiC与Si3N4陶瓷粉末颗粒尺寸的比例为1∶5～10。绝缘体5按重量百分比由30～35％的MoSi2、50～55％的Si3N4和10～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为0.5～1∶1，MoSi2颗粒尺寸选择1～2μm的陶瓷粉末。其它步骤与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
三的不同点在于正电极3按重量百分比由25～30％的MoSi2、56～60％的Si3N4和10～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1∶15～20；负电极4按重量百分比由35～40％的SiC、46～50％的Si3N4和10～15％的稀土氧化物助烧剂制成，SiC与Si3N4陶瓷粉末颗粒尺寸的比例为1∶10～15；绝缘体5按重量百分比由25～30％的MoSi2、56～60％的Si3N4和10～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1～1.5∶1。其它步骤与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
三和具体实施方式
四的不同点在于正电极3按重量百分比由30％的MoSi2、60％的Si3N4和10％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1∶7；负电极4按重量百分比由45％的SiC、45％的Si3N4和10％的稀土氧化物助烧剂制成，SiC与Si3N4陶瓷粉末颗粒尺寸的比例为1∶5；绝缘体5按重量百分比由30％的MoSi2、60％的Si3N4和10％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1∶1。其它步骤与具体实施方式
二相同。
最终制得的复相陶瓷温度传感器在使用前需进行标定，确定其热电势---温度之间的对应关系。在使用过程中作为绝对温度测量用温度传感器时需进行冷端修正，如测量在某一点温度的相对变化量时可不用进行冷端修正。
本发明仅列举了以SiC作为负电极的导通相，以MoSi2作为正电极的导通相，以Si3N4作为绝缘相制备复相陶瓷温度传感器所需使用的陶瓷粉末的配比及颗粒尺寸和比例。当使用其它种类的导通相和绝缘相陶瓷粉末原料时，所需原料的配比及颗粒尺寸和比例的选择和分析方法与本发明相同。
权利要求
1.复相陶瓷温度传感器，其特征在于它由正电极(3)、负电极(4)、绝缘体(5)和混合连接体(6)组成，正电极(3)位于传感器(7)圆心处连成的轴线上，正电极(3)由绝缘体(5)包裹，圆柱形混合连接体(6)固定在传感器(7)右端的中心处，正电极(3)的右端面与混合连接体(6)的左端面连接，正电极(3)的左端面是正电极连接体(2)，负电极(4)被绝缘体(5)夹在传感器(7)圆周半径的中部，负电极(4)的右端部内侧与混合连接体(6)的外圆相连，在负电极(4)的左端部向外凸出部分延至传感器(7)的外圆表面成为负电极连接体(1)，正电极(3)按重量百分比由25～35％的MoSi2、50～60％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1∶7～20；负电极(4)按重量百分比由40～50％的SiC、40～50％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，SiC与Si3N4陶瓷粉末颗粒尺寸的比例为1∶5～15；绝缘体(5)按重量百分比由25～35％的MoSi2、50～60％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为0.5～1.5∶1；混合连接体(6)由组成正电极(3)的复相陶瓷材料和组成负电极(4)的复相陶瓷材料按重量各50％混合制成。
2.根据权利要求1所述的复相陶瓷温度传感器，其特征在于正电极(3)、负电极(4)、绝缘体(5)、混合连接体(6)采用的Si3N4的颗粒尺寸为1～3μm，SiC的颗粒尺寸为0.2～0.6μm，MoSi2的颗粒尺寸为0.1～0.5μm。
3.根据权利要求2所述的复相陶瓷温度传感器，其特征在于采用的陶瓷粉末Si34的颗粒尺寸为2μm，SiC的颗粒尺寸为0.4μm，MoSi2的颗粒尺寸为0.3μm。
4.复相陶瓷温度传感器的制备方法，其特征在于它由如下步骤完成步骤一、确定正电极(3)、负电极(4)、绝缘体(5)、混合连接体(6)的复相陶瓷材料的配比和粒径尺寸A、正电极(3)按重量百分比由25～35％的MoSi2、50～60％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1∶7～20；B、负电极(4)按重量百分比由40～50％的SiC、40～50％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，SiC与Si3N4陶瓷粉末颗粒尺寸的比例为1∶5～15；C、绝缘体(5)按重量百分比由25～35％的MoSi2、50～60％的Si3N4和5～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为0.5～1.5∶1；D、混合连接体(6)由组成正电极(3)的复相陶瓷材料和组成负电极(4)的复相陶瓷材料按重量各50％混合制成；步骤二、将经步骤一得到的正电极(3)、负电极(4)、绝缘体(5)、混合连接体(6)组成的复相陶瓷材料分别与粘结剂按重量比100∶4～10混合均匀后用轧制、冷等静压法压制或用粉浆浇注法浇铸成形后在1600～1750℃高温条件下烧结0.5～1小时后即得到复相陶瓷温度传感器(7)。
5.根据权利要求4所述的复相陶瓷温度传感器的制备方法，其特征在于陶瓷材料采用Si3N4、SiC和MoSi2陶瓷粉末，陶瓷粉末Si3N4的颗粒尺寸为1～3μm，SiC的颗粒尺寸为0.2～0.6μm，MoSi2的颗粒尺寸为0.1～0.5μm。
6.根据权利要求4所述的复相陶瓷温度传感器的制备方法，其特征在于粘结剂按重量百分比由甲基纤维素1～25％、橡胶50％～75％、丁醛树脂1～25％组成。
7.根据权利要求4所述的复相陶瓷温度传感器的制备方法，其特征在于助燃剂由La2O350wt％，、Y2O350wt％组成。
8.根据权利要求4或5所述的复相陶瓷温度传感器的制备方法，其特征在于正电极(3)按重量百分比由30～35％的MoSi2、50～55％的Si3N4和10～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1∶7～14；负电极(4)按重量百分比由40～45％的SiC、40～45％的Si3N4和10～15％的稀土氧化物助烧剂制成，SiC与Si3N4陶瓷粉末颗粒尺寸的比例为1∶5～10；绝缘体(5)按重量百分比由30～35％的MoSi2、50～55％的Si3N4和10～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为0.5～1∶1。
9.根据权利要求4或5所述的复相陶瓷温度传感器的制备方法，其特征在于正电极(3)按重量百分比由25～30％的MoSi2、56～60％的Si3N4和10～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1∶15～20；负电极(4)按重量百分比由35～40％的SiC、46～50％的Si3N4和10～15％的稀土氧化物助烧剂制成，SiC与Si3N4陶瓷粉末颗粒尺寸的比例为1∶10～15；绝缘体(5)按重量百分比由25～30％的MoSi2、56～60％的Si3N4和10～15％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1～1.5∶1。
10.根据权利要求4或5所述的复相陶瓷温度传感器的制备方法，其特征在于正电极(3)按重量百分比由30％的MoSi2、60％的Si3N4和10％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1∶7；负电极(4)按重量百分比由45％的SiC、45％的Si3N4和10％的稀土氧化物助烧剂制成，SiC与Si3N4陶瓷粉末颗粒尺寸的比例为1∶5；绝缘体(5)按重量百分比由30％的MoSi2、60％的Si3N4和10％的稀土氧化物助烧剂制成，MoSi2与Si3N4粉末颗粒尺寸的比例为1∶1。
全文摘要
复相陶瓷温度传感器及其制备方法，涉及传感器及其制备方法。它解决了现有陶瓷热电偶尺寸较大，对温度的反应速度较慢，在一体化和小型化过程中存在着陶瓷材料之间的热膨胀系数的差异的问题。它的正电极3位于传感器7圆心处，正电极3由绝缘体5包裹，混合连接体6在传感器7右端，正电极3与混合连接体6连接，负电极4被绝缘体5夹在中部，负电极4与混合连接体6相连。方法为一、确定正电极3、负电极4、绝缘体5、混合连接体6的复相陶瓷材料的配比和粒径尺寸；二、经步骤一得到的复相陶瓷材料分别与粘结剂混合均匀用冷等静压法压制成形后，在高温条件下烧结后即得到复相陶瓷温度传感器7。本发明具有尺寸小，对温度反应快，热稳定性好的特点。
文档编号G01K7/02GK1749715SQ20051001040
公开日2006年3月22日 申请日期2005年9月29日 优先权日2005年9月29日
发明者邵文柱, 崔玉胜, 甄良, 冯立超 申请人:哈尔滨工业大学