专利名称：电感器和包括电感器的涡电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电感器和包括电感器的制品和系统，更具体地，涉及能测量涡电流的电感器。
背景技术：
涡电流是由变化的磁场而生成的、在导体中感应的电流。磁场和导体的相对运动引起称为涡流的电流的循环流动。这些涡流创建了与变化的磁场相对的感应磁场。该感应磁场可用于测量振动，位置感测，金属分割，感应加热，传导材料的非破坏性测试或其它的应用。已知的涡电流传感器包括用于测量涡电流的电感器。通常，这些涡电流传感器包 括绕着例如为铁氧体线圈架的线圈架缠绕的、诸如漆包线的绕线。这些涡电流传感器有几个缺点。例如，绕着线圈架的线的缠绕可能在电感器彼此间不一致。这些不一致性可能需要复杂的过程以利用涡电流传感器中的电感器。同样，在高温环境中，线能从线圈架上散开和/或在线中拉紧可导致线上不期望的拉伸效应。因此，许多涡电流传感器只能在大约-25°C(_13° F)和大约175°C (347° F)之间操作并且一些只能在较窄的范围内操作。本领域期望不受上述缺点损害的电感器和包括电感器的涡电流传感器。
发明内容
在一示例性实施例中，一种电感器，包括在绝缘衬底上布置的图案化金属层。该电感器能感测区域的涡电流，该区域在达到大约500°C (932° F)的温度处。在另一个示例性实施例中，一种电感器包括在绝缘衬底上的图案化金属层以及在该图案化金属层上的传导材料。该电感器能感测区域的涡电流，该区域在达到大约500 0C (932° F)的温度处。在另一个示例性实施例中，一种涡电流传感器包括具有电感器的换能器。该电感器包括在绝缘衬底上布置的图案化金属层。该电感器能感测区域的涡电流，该区域在达到大约500°C (932° F)的温度处。结合以示例方式描述本发明原理的附图，根据以下优选实施例的详细描述，将明白本发明的其它特征和优点。
图I示出了根据本公开一示例性电感器的俯视透视图。图2示出了根据本公开一示例性电感器的仰视透视图。图3示出了根据本公开一示例性电感器的透视图。图4示出了根据本公开一示例性涡电流传感器的截面图。图5示出了根据本公开一示例性涡电流传感器的截面图。只要有可能，相同的引用标记将用于在所有附图中代表相同的部件。
具体实施例方式本发明提供了不受一个或多个上述缺点损害的电感器和包括电感器的涡电流传感器。本公开的实施例容许振动的测量，位置感测，金属分割，传导材料的非破坏性测试，电感器彼此之间的一致性，利用涡电流传感器中电感器的简化过程，高温下操作，以及它们的组合。图I和图2示出了根据本发明的一个方面的电感器100的示例性实施例。如图I所示，电感器100包括布置在绝缘衬底106的第一表面104上的图案化金属层102。图案化金属层102是任何合适的图案。合适的图案包括但不限于螺旋、直线螺旋的路径、以及的能提供电感效应的其它几何布置。在一个实施例中，该图案包括预定数量的匝数。这里所用的术语“匝数”表示沿着中心参照点延伸360°的路径。例如，在螺旋图案中，匝数以基本上螺旋状的方式围绕着中心参照点延伸。在直线螺旋路径中，该匝数以基本上螺旋的直线的方式围绕着中心参照点延伸。例如，在一个实施例中，该图案在一个层上包括9匝。在另一个实施例中，该图案在两层上包括18匝，在每层上有9匝。在另一个实施例中，该图案在 一层上包括16匝。在另一个实施例中，该图案在两层上包括32匝，在每层上有16匝。在另一个实施例中，在一层上包括多于16匝和/或在用于电感器100的所有图案中包括多于32阻。在一个实施例中，如图I和图4所示图案化金属层102包括预定的轨迹宽度103(沿着该图案的路径在半径方向中取得的厚度)，预定的轨迹间隔105(沿着该图案的路径在半径方中取得的部分之间的间隔)和预定的深度107(从绝缘衬底106到施加的图案化金属层102之间的距离)。在一个实施例中，该预定的轨迹宽度103为在大约240微米(大约0. 00944英寸)和大约267微米(大约0. 0105英寸)之间或者为大约254微米(大约0. 010英寸)。在一个实施例中，该预定的轨迹间隔105是在大约216微米(大约0. 00850英寸)和大约190微米(大约0. 00748英寸)之间或者在大约203微米(大约0. 00799英寸)。在一个实施例中具有螺旋形的图案，预定的深度107是在大约19微米(大约0. 000784英寸)和大约35微米(大约0. 00138英寸)之间，在螺旋形图案的内部在大约19微米(大约0. 000784英寸)和大约26微米(大约0. 00102英寸)之间，在螺旋形图案的外部在大约29微米(大约0. 00114英寸)和大约35微米(大约0. 001378英寸)之间，在螺旋形图案的内部为大约22微米(大约0. 000866英寸)，在螺旋形图案的外部为大约31微米(大约0. 00122英寸)。图案化金属层102不限于金属材料而是包括任何合适的电感材料。用于图案化金属层102的合适材料包括但不限于钼，钥，钨，钽，镍，钛，铜，铬，金，铝，银或适于操作温度的其它传导材料。在一个实施例中，图案化金属层102包括钼厚膜的籽晶层(seed layer)(例如大约10微米(大约0. 000393英寸))和99. 9%的钼的镀层(例如大约25微米(大约0. 000984英寸))。该籽晶层通过迁移进入绝缘衬底106而提供了粘合。通过具有贯穿图案化金属层102基本上一致的深度，镀层提供了一致性。在一个实施例中，图案化金属层102包括用于粘合的添加剂和/或杂质，它们可以是也可以不是金属。例如，图案化金属层102可包括陶瓷，例如氧化铝。在一个实施例中，该钼籽晶层提供了粘合和剥离强度。在这一实施例中，通过使用例如以平均大约25. 4微米(大约0.01英寸)电镀的钼，实现了足够低的电阻并因此得到期望性能的电感效应和/或涡电流效应(例如，根据方程Q = wL/R的期望的Q，其中Q代表了振荡器和共振器的欠阻尼的量，w是角频率，L是电感，以及R是电阻)，和/或多个丝网传递以构建较厚的导体从而减小电阻。电镀容许匝至匝之间间隔的控制，因为该装配导致了导体截面为“蘑菇状”，从而减小了预定的轨迹间隔105。在一个实施例中，该电镀包括预定的轨迹间隔105(以及最终的总电感)和预定的装配高度(以及总电阻)。丝网的多次传递包括每层烧制或固化并且每一个附加的层沉积直到预定的平均厚度，例如构建了 25. 4微米(大约0. 001英寸)的厚度或至少25. 4微米(大约0. 001英寸)的厚度。丝网的配准包括使得每一个累进的传递比前一次的传递薄(在径向上)。绝缘衬底106是任何合适的电绝缘材料。用于绝缘衬底106的合适的材料包括但不限于，氧化铝(例如92%的氧化铝)、氮化铝、硼硅酸盐玻璃、石英、硅铝氧氮聚合材料、低温共烧陶瓷、氮化硅、氧化铝、碳化硅、蓝宝石、氧化锆、或其它合适的绝缘材料。在一个实施例中，绝缘衬底106具有预定的几何形状和尺寸，例如具有大约2. 5cm(大约0. 98英寸)到大约2. 6cm(大约I. 0英寸)尺寸的或大约是2. 55cm(大约I. 00英寸)尺寸的基本上正方形的几何形状，或者能够支撑图案化金属层102的任何其它合适的几何形状和尺寸。在一个实施例中，绝缘衬底106具有预定的厚度，例如大约1，550微米(大约0. 06102英寸)到大约1，800微米(大约0. 07087英寸)或大约是1，675微米(大约0. 06594英寸)。在一个实施例中，该绝缘衬底106具有预定的平坦度。例如大约75微米(大约0. 0030英寸)。参照图2，通孔202从图案化金属层102穿过绝缘衬底106延伸到了第二表面204上。通孔202包括任何合适的传导材料。用于通孔202的合适材料包括但不限于钼、钥、钨、钽、镍、钛、铜、铬、金、铝、银或其它的合适的传导材料。在一个实施例中，通孔202和图案化金属层102包括相同的材料。在一个实施例中，通孔202具有预定的直径，例如大约230微米(大约0. 00906英寸)到大约280微米(大约0. 0110英寸)或大约为255微米(大约0.0100 英寸)。图案化金属层102可操作地连接到在第一表面104上的第一传导垫108并且通孔202可操作地连接到第二表面204上的第二传导垫110。第一传导垫108和/或第二传导垫110包括任何合适的镍基合金，钛基合金，钨基合金，金基合金，钥基合金或其它传导金属。通过测量第一传导垫108和第二传导垫110之间的电流，电感100能够感测涡电流中的变化，其然后容许通过涡电流传感器400 (下面将参照附图4进行讨论)在任何合适的高温区域来进行测量，高温区域例如包括但不限于燃气涡轮组件，蒸汽涡轮组件，燃烧区域，高温区域，热制造产品或任何其它区域。电感器100包括预定的容许涡电流的测量的电性能。例如，在一个实施例中，在大约25°C (77° F)，该电感器100包括在2MHz下大于I. 4微亨的电感量，大于1Q，大于I的Rdc，在2MHz下大于100的电阻，15mA的最大Ipk，大于IOM的隔离以及它们的组合。在一个实施例中，电感器100贯穿预定的温度或温度范围而准确地和/或精确地感测涡电流变化，温度或温度范围例如达到大约500°C (大约932° F)、达到大约800°C (大约1472° F)、达到大约9800C (大约1796。F)、达到大约1000°C (大约1832。F)、达到大约1200°C (大约2192。F)、达到大约14000C (大约2552。F)、达到大约1500°C (大约2732。F)，在大约_40°C (大约-40° F)和大约500°C (大约932° F)之间、在大约_40°C (大约-40° F)、和大约980°C (大约1796。F)之间、在大约_40°C (大约-40° F)和大约1000°C (大约1832° F)之间、在大约_40°C (大约-40° F)和大约1500°C (大约2732° F)之间。在一个实施例中，该电感器100准确地和/或精确地感测在预定的湿度下的涡电流变化。图3示出了电感器100的另一个示例性实施例的透视图。该电感器100包括布置在绝缘衬底106的第一表面104上的图案化金属层102。额外地，电感器100包括布置在第二绝缘衬底306上的第二图案化金属层302。第二图案化金属层302布置在第二绝缘衬底306的第二表面204或第一表面104上。在一个实施例中，第二金属层302布置在第二表面204上并且第三图案化金属层(未不出)布置在第二绝缘衬底306的第一表面104上。在一个实施例中，第三图案化金属层(未示出)布置在第三绝缘衬底(未示出)上。在其它的实施例中，两个、三个、四个或更多的绝缘衬底的每一个具有布置在每一个绝缘衬底的一 个或两个表面上的一个或两个金属层，以提供在电感器100内部的任何合适数量的匝数。再一次参照图3，在一个实施例中，第二图案化金属层302可操作地连接到第一图案化金属层102。在一个实施例中，第二图案化金属层302通过大体上从第一绝缘衬底106延伸到第二绝缘衬底306的多个通孔304而连接到第一图案化金属层102。例如，在一个实施例中，多个通孔304包括三个通孔，它们具有用以重叠多个通孔304的每个通孔的第一图案化金属层102和第二图案化金属层302。例如，在一个实施例中，多个通孔304减小或消除了由第一图案化金属层102和第二图案化金属层302的交结而产生的电阻。第二图案化金属层302包括参照第一图案化金属层102的上述任何合适的特征和/或性能。多个通孔304包括参照通孔202的上述任何合适的特征和/或性能。第二绝缘衬底306包括参照第一绝缘衬底106的上述任何合适的特征和/或性能。第一图案化金属层102可操作地连接到在该图案的一端的第一传导垫108和在该图案的另一端的多个通孔304。第二图案化金属层302可操作地连接到在该图案的一端的多个通孔304和在该图案的另一端的第二传导垫110，要么是直接连接要么是通过附加的通孔连接。通过测量第一传导垫108和第二传导垫110之间的电流，电感器100能够感测涡电流中的变化，然后容许通过涡电流传感器400 (参见图4)来进行测量。该电感器100通过直写工艺，丝网印刷工艺，蚀刻工艺，溅射，蒸发，烧结或它们的组合来制造。在一个实施例中，例如如图I所示，该直写工艺用于在绝缘衬底106上形成第一图案化金属层102。在该实施例中，第一传导垫108和第二传导垫110被写在绝缘衬底106上并配置用于外部电连接，例如，通过金合金硬钎焊或白金硬钎焊。在一个实施例中，第一图案化金属层102、第一传导垫108、和第二传导垫110在抬高了的温度处(例如1300°C (大约2372° F))烧制，以稳定该图案。该抬高了的温度的烧制创建了基于进入到绝缘衬底106中的第一图案化金属层102的迁移的高机械剥离强度，例如，在重复循环中阻止剥落或分层。在直写工艺中，第一图案化金属层102和/或第二图案化金属层302的附加传导材料沉积的附加步骤减小了由进入到该绝缘衬底中的第一图案化金属层102和/或第二图案化金属层302的迁移引起的电阻，提供了在电感器100的部分之间的电感一致性，并提供了通过直写工艺制造的电感器100之间的一致性。在一个实施例中，例如在图3中所示，该丝网印刷工艺或蚀刻工艺用于在第一绝缘衬底106上形成第一图案化金属层102和/或在第二绝缘衬底306上形成第二图案化金属层302。在此实施例中，第一图案化金属层102和多个通孔304形成在第一绝缘衬底106上并且第二图案化金属层302和多个通孔304形成在第二绝缘衬底306上。第一图案化金属层102、第二图案化金属层306和多个通孔304接着在抬高了的温度处(例如1300°C (大约2372° F))烧制，以密封多个通孔304，可操作地连接第一绝缘衬底106和第二绝缘衬底306，并稳定该图案。这一抬高的温度的烧制创建了基于进入到第一绝缘衬底106中的第一图案化金属层102和/或进入到第二绝缘衬底306中的第二图案化金属层302的迁移的高机械剥离强度，例如，在重复循环中阻止剥落或分层。在丝网印刷工艺或蚀刻工艺中，第一图案化金属层102和/或第二图案化金属层302的附加传导材料沉积的附加步骤减小了由进入到该第一绝缘衬底106中的第一图案化金属层102和/或进入第二绝缘衬底304中的第二图案化金属层302的迁移引起的电阻，提供了电感器100的部分之间的一致性，并提供了通过该丝网印刷工艺或蚀刻工艺制成的电感器100之间的一致性。参照图4和图5，涡电流传感器400能够基于由电感器100感测的涡电流中的变化来测量第一传导垫108和第二传导垫110之间的电流。涡电流传感器400能够在任何合 适的区域操作，合适的区域例如包括但不限于燃气涡轮组件、蒸汽涡轮组件、燃烧区域、高温区域、热制造产品或任何其它区域。在一个实施例中，该区域是在预定的温度处，例如，达到大约500°C (大约932° F)、达到大约800°C (大约1472° F)、达到大约980°C (大约1796。F)、达到大约IOOO0C (大约1832。F)、达到大约1200°C (大约2192。F)、达到大约1400°C (大约 2552。F)、达到大约 1500°C (大约 2732。F)，在大约 _40°C (大约-40° F)和大约500°C (大约932° F)之间、在大约-40°C (大约-40° F)和大约980°C (大约1796。F)、之间、在大约-40°C (大约-40° F)和大约1000°C (大约1832° F)之间、在大约-40°C和大约1500°C之间。在一个实施例中，该区域包括预定的湿度。在一个实施例中，该涡电流传感器400包括换能器401，换能器401具有可操作地耦接到电感器100的第一传导垫108的第一电引线402、第一导体404、和第一线缆406以及可操作地耦接到电感器100的第二传导垫110的第二电引线402，第二导体404和第二线缆406。换能器401耦接到用于感测动态数据的机器(未示出)，该动态数据可能与通过涡电流可测量的性质相关，例如，在电感器100和传导目标或金属目标之间限定的间隙距离，该传导目标或金属目标例如但不限于机器的转轴、燃气涡轮组件、蒸汽涡轮组件、燃烧区域、高温区域、热制造产品、或被监控用于材料组成和/或材料完整性的组件。涡电流传感器400包括任何其它合适的组件。例如，在一个实施例中，涡电流传感器400包括一个或多个电阻器、滤波器、信号发生器、时控电路、采样电路、卷积电路、数字信号处理器、微处理器(例如，中央处理器、专用集成电路、逻辑电路，或能够执行检查系统的任何其它电路或处理器)、其它合适的组件、或这些的组合。虽然本发明参照优选的实施例进行了描述，但是本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明范围的条件下，可进行多种改变并且对于其元件可进行等效替代。除此之外，根据本发明的教导，在不脱离本发明的基本范围的条件下，可进行许多修改以适应具体环境或材料。因此，本发明无意于受限于作为设想执行本发明的最佳模式而公开的具体实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种电感器,包括 布置在绝缘衬底上的图案化金属层； 其中所述电感器能够感测一区域的涡电流，所述区域处于达到大约500°c的温度处；以及 其中所述图案化金属层包括钼。
2.如权利要求I所述的电感器，其中，所述电感器能够在所述区域的温度达到大约1000 V的条件下感测涡电流。
3.如权利要求I所述的电感器，其中，所述图案化金属层包括籽晶层和镀层。
4.如权利要求I所述的电感器，其中，所述图案化金属层包括螺旋图案。
5.如权利要求I所述的电感器，其中，所述图案化金属层包括16匝。
6.如权利要求I所述的电感器，其中，所述图案化金属层包括在大约240微米和大约267微米之间的预定轨迹宽度。
7.如权利要求I所述的电感器，其中，所述图案化金属层包括在大约216微米和大约190微米之间的预定轨迹间隔。
8.如权利要求I所述的电感器，其中，所述图案化金属层包括大约19微米和大约35微米之间的预定深度。
9.如权利要求I所述的电感器，其中，所述绝缘衬底包括氧化铝。
10.如权利要求I所述的电感器，其中，所述绝缘衬底包括氮化铝。
11.如权利要求I所述的电感器，其中，该绝缘衬底包括蓝宝石。
12.如权利要求I所述的电感器，进一步包括从设置在第一表面上的所述图案化金属层延伸到第二表面的通孔。
13.如权利要求12所述的电感器，进一步包括可操作地连接到所述图案化金属层的、在所述第一表面上的第一传导垫和可操作地连接到所述通孔的、在所述第二表面上的第二传导垫。
14.如权利要求13所述的电感器，其中，所述第一传导垫包括以下一个或多个镍基合金，钛基合金，鹤基合金，金基合金和钥基合金。
15.如权利要求I所述的电感器，进一步包括第二图案化金属层。
16.如权利要求15所述的电感器，进一步包括第二绝缘衬底，其中所述第二图案化金属层布置在所述第二绝缘衬底上。
17.如权利要求15所述的电感器，其中，所述第一图案化金属层通过多个通孔可操作地连接到所述第二图案化金属层。
18.—种电感器,包括 在绝缘衬底上的图案化金属层； 在所述图案化金属层上的传导材料； 其中，所述电感器能够感测一区域的涡电流，所述区域处于达到大约500°C的温度处。
19.如权利要求18所述的电感器，其中，所述传导材料包括钼。
20.一种涡电流传感器，包括 具有电感器的换能器，所述电感器包括 布置在绝缘衬底上的图案化金属层；其中所述电感器能够感测一区域的涡电流，所述区域处于达到大约500°C的温 度处。
全文摘要
本发明名称为“电感器和包括电感器的涡电流传感器”。公开了一种电感器和包括电感器的涡电流传感器。该电感器包括布置在绝缘衬底上的图案化金属层。该电感器能够感测在高温区域内的涡电流。
文档编号G01R19/00GK102738140SQ20121018100
公开日2012年10月17日 申请日期2012年4月4日 优先权日2011年4月4日
发明者A·J·克诺布罗赫, D·W·韦尔努瓦, L·坎贝尔, R·D·斯莱特斯, S·克拉克, 吕卓民 申请人:通用电气公司