专利名称：测量应力的包含磁弹性材料层的传感器以及制造层的方法
测量应力的包含磁弹性材料层的传感器以及制造层的方法本申请是申请日为2009年8月19日、申请号为200980137591. 4、发明名称为“用于测量应カ的包含磁弹性材料层的传感器以及制造层的方法”的发明专利申请的分案申请。
_2] 技术领域及现有技术本发明涉及一种传感器，其用于测量由施加到承载构件上的力引起的应力，其中传感器包括形成于承载构件上的磁弹性材料层，且传感器被设置用于在磁弹性材料层中产生时变磁场，检测所述层中磁导率的变化，以及基于检测到的所述层中磁导率的变化而确定所引起的应力。本发明也涉及用于制造这样的层的方法。传感器測量由施加到承载构件上的力引起的所述层中的应カ和/或应变。施加到承载构件上的カ为，例如拉力、压カ或者扭矩，且承载构件为，例如金属轴。以上描述类型的扭矩传感器为本领域众所周知，例如，从EP0309979。承载构件的目的是将负载传递到应カ
測量层。磁弹性材料，也表示为磁致伸缩材料，是ー种当由力负载时其磁导率改变的材料。磁弹性材料的示例有铁、镍、钴及稀土金属或者这些金属的合金。当已经被暴露在强磁场时，硬磁性材料保持磁化。在已经暴露在强磁场中之后，软磁性材料不能保持磁化。软磁性材料与硬磁性材料的区别在于软磁性材料在被磁化后不能保持稳恒磁场。硬磁性材料通常具有超过几千A/m的矫顽力。软磁性材料具有低很多的矫顽力，通常小于1000A/m。期望能够测量在大负载范围内的机械应カ。例如，在汽车エ业中，期望測量大小高达200-300MPa的扭矩引起剪切应力。另外，期望找到ー种由于抗机械及热疲劳而长期稳定且为线性的扭矩测量设备，线性是指来自测量设备的输出信号基本上与承载构件上的负载成比例。另外，期望降低或者甚至消除測量设备输出信号中的蠕变，即在负载恒定时，输出信号的值不应当改变。应当避免输出信号中的磁滞，因为磁滞増大测量误差。致密层和在所述层及承载构件之间的良好的附着性是获得长期稳定、具有大负载范围及低磁滞的測量设备的前提。磁弹性效应从磁畴壁的移动的角度来解释(參见例如“ModernMagneticMaterials” 第 7 章，作者 Robert C. 0' Handley, ISBN0-471-15566-7)，因此，磁畴的形状和尺寸以及磁畴壁的移动性在基于磁弹性效应建立传感器时极其重要。磁畴,即具有统一磁化方向的区域，具有被定义为磁畴壁的边界。磁畴壁依赖于磁弾性材料的磁化方向而可在所述材料中移动。磁畴壁可在均匀单晶材料中自由移动，由于单晶在结构上及化学上都均匀，所述壁在其中不会遇到任何障碍。在非晶材料中，磁畴壁不会遇到任何障碍，因为在这样的材料中，结构上或者化学上的变化比畴壁的厚度小得多。通常，软磁性材料(例如NiFe或者FeCo)的磁畴壁厚度的数量级在几百个纳米，在极端情况下，达到Iym,因此,尺寸小于IOOnm的晶粒不能对畴壁形成有效障碍。在这些材料中，磁畴的形状和尺寸依赖于退磁磁场以及试图最小化磁化系统能量的磁化对象的形状。W02007/106024公开了ー种用于制造在承载构件上的层的方法，所述层意图用于測量由施加到承载构件上的力引起的应力，其中所述方法包含在所述构件的表面上形成平均晶粒尺寸小于50nm的磁弹性合金的纳米晶层，以及热处理所述层直到所述合金发生结晶化且平均晶粒尺寸变为在IOOnm到IOOOOnm范围内。由于所述方法制造了晶粒尺寸大到足以适应ー个或者只是几个磁畴的微结构层，这种方法显著地改善了所述层的应カ测量特性。平均晶粒尺寸小于50nm的纳米晶层为结晶化及定制以上提到的微结构提供了有利的条件。晶粒尺寸大于IOOOOnm的微结构趋于具有较高的磁弹性灵敏度，当尝试获得上述提到的宽测量范围时，其是不利的。所述层优选地借助于电镀而形成在所述构件上，因为电镀是ー种用于获得所期望的晶粒尺寸的磁弹性材料的合适方法。所述文件提到也可能使用其他方法将所述层施加到承载构件上，例如PVD(物理气相沉积)方法，CVD(化学气相沉积)方法，以及金属喷镀。然而，电镀方法也有ー些缺点。缺点之一是在施加较厚层时电镀需要花费很长时间。以上提到的在承载构件上的层适当地厚于30 u m,且优选地所述层的厚度在100 u m到300 y m之间。使用电镀来施加这样的厚层需要花费数小吋。因此，电镀不是ー种在商业上有吸引力的将所述层施加到承载构件上的方法。电镀的另ー缺点是其能够导致所述层施加到的材料的強度降低，且对坚硬材料例如渗碳钢尤其如此。所述层的施加快速且简便从而经济上可行很重要。ー个原子接ー个原子的层施加方法，例如物理或者化学气相沉积，缓慢且在建立几十或者几百微米厚的层时其存在很大的局限性。粉末冶金方法，例如热喷镀、激光熔覆及烧结的优点是在建立层厚度时非常快速且不损害承载层的強度。高速热喷镀技术是在其中将由颗粒形成的粉末喷镀到表面的覆盖エ艺。在应用粉末之前可加热所述粉末。所述粉末通常馈入到喷镀枪中，在喷镀枪中，所述粉末能够在被朝向将要被覆盖的材料加速时被加热。当喷镀颗粒冲击到表面上时，所述颗粒冷却并建立形成所述覆盖层的结构。粉末冶金方法的显著特征是当形成金属层时，由于颗粒在覆盖层中全部或者部分熔化而导致所制造的覆盖层不均匀。通常，粉末中颗粒的表面由另ー种材料的外层覆盖，通常为所述金属的氧化物。颗粒的外层被包含在覆盖层中且因此有助于所制造的覆盖层的不均匀。许多粉末冶金方法的一个众所周知的问题是由于在喷镀过程中加热粉末及金属粉末与空气接触而导致的氧化。由于所制造的覆盖层的不均匀以及在层沉积时相对高的温度，高速热喷镀技术不适用于获得具有所期望的一致的化学组分和晶粒尺寸的均匀纳米晶层。因此，高速热喷镀技术不能用来制造要实施如W02007/106024所描述的方法所需要的均匀纳米晶层。US6, 465，039公开了ー种用于在轴上形成磁致伸縮混合物覆盖层的方法。通过低温、高速喷镀将磁致伸縮稀土铁化合物(REF2)颗粒的粉末混合物及由喷镀气体流所承载的基质金属颗粒施加到所述轴上。所述气体的温度可能在300摄氏度到1000摄氏度之间变化。针对所述轴，所喷镀的基质金属颗粒的颗粒尺寸范围从63 y m到90 u m,及所喷镀的磁致伸縮稀土铁颗粒的颗粒尺寸范围从63 y m到106 u m。所述覆盖层自身包含硬磁性材料，因此在所述覆盖层中产生及保持稳恒磁场。将具有覆盖层的轴使用于传感器中以测量施加到所述轴上的扭矩。由于所述覆盖层磁导率的变化，稳恒磁场依赖于施加到所述轴上的扭矩而改变方向。为了使US6，465，039中描述的磁弾性传感器成功操作，需要具有矫顽カ超过数千或者甚至数万A/m的磁性硬材料，而这对于以层中的时变磁场在测量设备中引起电压以便检测磁导率的变化为原理而工作的磁弹性传感器的情况来说是不需要具有的。发明目的及
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于制造具有良好应カ测量特性的磁弹性材料层的方法，所述方法克服了以上提到的伴随电镀的缺点。所述目的通过由权利要求1限定的方法来实现。这样的方法包含以超过300m/s的速度朝向承载构件的表面加速平均尺寸在10 ii m到50 ii m范围内的软磁性并且磁弹性的材料的颗粒，使得被加速颗粒的平均温度不高于所述磁弹性材料熔化温度以上500摄氏度，但是也不低于所述磁弹性材料的熔化温度以下500摄氏度。发明人出人意料地发现，与W02007/106024中描述的方法相比，这样的方法获得的层具有一祥好或者更好的应カ测量特性。该方法的ー个优点在于其非常快速，且因此经济上可行，而且这样的方法并不损害承载构件的強度。由于相对低的颗粒温度及颗粒的高速度，层中的氧化水平保持低，且因此获得传感器输出信号的低磁滞。另外，颗粒的高速度也提供了在层与承载构件之间良好的附着性。颗粒的平均温度不应当低于熔化温度以下500摄氏度，优选地，不低于熔化温度以下200摄氏度，且更优选地，不低于熔化温度以下100摄氏度。颗粒的平均温度不应当高于熔化温度以上500摄氏度，优选地，不高于熔化温度以上200摄氏度，且更优选地，不高于熔化温度以上100摄氏度。由于颗粒的平均温度在颗粒熔化温度附近，当将颗粒施加到承载构件的表面吋，大多数颗粒将至少部分熔化或者变形。这导致在所述层中形成许多区域，每个区域由具有明显不同的化学或者结构特性的材料所包围，由此当有磁场出现时，在各个区域之间形成畴壁。在区域中的材料与周围的材料可能在化学组分、晶向和/或晶粒尺寸方面不同。被加速颗粒的尺寸、速度以及温度強烈地影响区域尺寸。测试证明，加速平均尺寸在10 y m到50 u m范围内且温度接近磁弹性材料熔化温度的颗粒可获得平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范围内的区域。这种尺寸的区域形成ー个或者ー些磁畴。已经证明这样的微结构可提供有利的应カ测量特性。因此，层的平均晶粒尺寸可在IOOnm以上，也可在IOOnm以下，且仍然可获得有利的应カ测量特性。另外，颗粒平均温度接近颗粒熔化温度提供具有良好附着性的致密层。为获得具有所期望強度及密度的层以及对轴良好的附着性，如果至少ー些颗粒熔化会是ー个优点。磁弹性材料的熔化温度通常为大约1500摄氏度。1800摄氏度附近的气体温度可获得在磁弹性材料熔点附近的颗粒温度，且因此可获得部分熔化的颗粒。为获得接近熔化温度的温度，借助于具有温度范围在1500摄氏度到1900摄氏度之间的气体来加速颗粒是合适的。由于磁弹性材料粉末颗粒只在热气体流中度过几毫秒或者更少的时间，所述颗粒没有时间在冲击衬底时达到平衡温度，即与所述气体直接接触的颗粒表面将会比颗粒中心达到更高的温度。这是对于较大颗粒的情況。在通过热气体流运送的过程中，粉尘颗粒常常会熔化且会被氧化。这些大相径庭的温度条件对颗粒的氧化及对它们在形成层时的最終结晶尺寸有很大影响。容易理解的目标是在制造金属层时降低氧化，从而这在磁弹性传感器情况下产生传感器的较低磁滞。较大的粉末颗粒将会导致与上述论述一致的非常低的氧化水平，但是反过来颗粒的附着性以及颗粒间的粘连两者都将会受到损害。利用根据本发明的方法，可能获得多个氧水平低于I %的重量百分比的磁弹性区域。完全熔化的颗粒容易氧化，且当颗粒冲击到衬底时，所述颗粒骤冷到平均晶粒尺寸在IOOnm以下的纳米晶结构中。熔化的颗粒中的氧含量依赖于承载气体的温度及气体中的氧供应。利用根据本发明的方法，可有利地获得熔化的颗粒的低氧化。另ー方面，未熔化的颗粒经常倾向于足够温暖以在朝向村底运送时再结晶并且以固态冲击衬底，这导致晶粒尺寸相当大在几千纳米范围内。每种金属喷镀沉积方法都具有最优颗粒尺寸，以允许获得期望水平的熔化，从而获得期望的晶粒尺寸以及具有良好附着性的致密层。商业上可用的粉末包含一定范围内不同尺寸的颗粒。因此，所述层变得对于晶体尺寸不均匀，这出人意料地给出帮助将层按磁弹性材料的直径分解为几百纳米的区域的附加參数，给出期望的磁畴尺寸，以及允许定制磁弹性层的カ传感器特性。例如金属晶粒边界、氧化物层或者区域、以及具有不同化学组分的层之类的结构特征限定了磁畴边界，且如果这些特征相分离间隔至少lOOnm，它们能够有效地形成对磁畴壁的障碍以及为磁畴壁提供钉扎。在超过IOOnm的范围内且由这些结构以及层中的化学缺陷钉扎的磁畴提供期望的磁弹性传感器特性，例如相对低的磁导率及磁弹性灵敏度。出人意料地，使用根据本发明的方法获得所期望的相对低水平的磁导率以及磁弹性灵敏度，而不需要任何诸如退火之类的进一歩处理。优选地，磁弹性材料颗粒的平均尺寸在10 ii m到30 ii m范围内。由此，确保尽可能多的区域具有在IOOnm到IOOOOnm范围内的平均尺寸，然而，最优选地平均尺寸在IOOnm到IOOOnm范围内。这个实施方式也提供了更加致密且具有更好附着性的层。优选地，通过高速热喷镀方法将颗粒施加到承载构件，举例来说，通过高速燃气喷涂(HVAF)。HVAF提供在期望范围内的颗粒温度及速度、区域的低氧水平以及具有良好粘连的致密覆盖层。本发明的另一目的是提供拥有具有良好应カ测量特性的磁弹性层的传感器，其中所述层能够以克服了上述提到的伴随电镀的缺陷的方法形成于承载构件之上。该目的通过由权利要求6限定的传感器来实现。这样的传感器的特征在于所述层不均匀，且其包含平均晶粒尺寸在IOOnm以下且具有第一化学组分的第一相，以及具有显著不同化学组分的第二相，其中所述第一相由所述第二相分割成平均尺寸在100到IOOOOnm范围内的区域，且所述区域中的多个区域具有低于1%的重量百分比的氧水平。第一及第二相由熔化的粉末颗粒构成。第一及第二相具有显著不同的化学组分，且第二相将第一相分割成多个区域，在有磁场出现时，所述区域相应地形成磁畴。由于其显著不同的化学组分，第二相限定围绕所述区域的磁畴壁。具有在高于IOOnm但是低于
IOOOOnm的范围内的区域的微结构提供期望的磁弹性传感器特性，例如相对低的磁导率及磁弹性灵敏度。根据本发明的传感器具有大负载范围、低磁滞以及低灵敏度以获得线性传感器。不均匀层的平均晶粒尺寸对于获得期望的应カ测量特性来说不再像其在现有技术中那样重要。重要的是区域的平均尺寸。在区域中低于1%的重量百分比的氧水平保证了传感器输出信号的低磁滞。氧水平的意思是相中的氧含量。可能存在氧水平高于1%的重量百分比的区域。然而，大部分的所述区域应当具有低于1%的重量百分比的氧水平以获得期望的应カ测量特性。优选地，层中的至少50%的重量百分比的磁弹性材料应当具有低于1%的重量百分比的氧水平，以获得低磁滞以及期望的低灵敏度。获得期望的区域及畴壁钉扎的ー种替代是提供具有第一化学组分的区域，所述区域被具有与所述第一组分不同的第二化学组分的材料包围。具有第一组分的区域与具有第ニ组分的周围区域之间的边界线形成畴壁。举例来说，第一化学组分的氧水平低于1%的重量百分比，第二化学组分的氧水平高于5%的重量百分比。由于在喷镀中加热粉末及金属粉末与空气接触，颗粒的表面将被氧化物层覆盖。当部分熔化的颗粒击中承载构件时，颗粒部分变形但是未完全破坏。氧化物层的残余将形成边界，所述边界能够成为围绕所述区域的磁畴壁，因此为磁弾性传感器提供合适尺寸的磁畴。根据该实施方式，第二相由金属氧化物构成。替代地，第二相可由碳氮化合物或者氟化物构成。纯金属或者非金属也可形成第二相。获得期望区域边界，从而获得期望磁畴壁钉扎位置(即磁畴壁的障碍物)的另ー种替代是提供平均晶粒尺寸在IOOnm到IOOOOnm范围内的区域，所述区域被平均晶粒尺寸小于IOOnm的材料所包围。具有较大晶粒尺寸的区域与具有较小晶粒尺寸的周围区域之间的边界线形成磁畴壁的障碍物。具有较小晶粒尺寸的区域由熔化的粉末颗粒构成。具有较大晶粒尺寸的区域由未熔化的粉末颗粒构成。这样的层可如下制造，例如通过使用包含不同尺寸颗粒且包含一部分具有较小尺寸的颗粒的粉末，所述具有较小尺寸的颗粒在喷镀过程中熔化且因此形成平均晶粒尺寸小于IOOnm的材料。根据本发明的一个实施方式，层包含平均晶粒尺寸超过IOOnm的第三相，第三相包含多个由第一及第二相包围的颗粒，且每个颗粒包含ー个或者多个平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范围内且氧水平低于I %的重量百分比的区域，及每个区域由具有显著不同结构特性的材料包围。第三相由被熔化的颗粒包围的未熔化颗粒构成。所述粉末颗粒包含ー个或者多个平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范围内的晶粒。晶粒具有不同的晶向。晶粒之间的边界线限定磁畴壁。另外，在第一及第三相之间的边界线也由于显著不同的晶粒尺寸而形成磁畴壁。相应地，在有磁 场出现时，晶粒形成磁畴。优选地，第一和第二相占到所述层的10-90%的重量百分比，且更优选地占到所述层的20-80%的重量百分比。当第一与第三相的重量百分比基本相同时，可获得最有利的应カ测量特性。合适地，通过热喷镀包含平均尺寸在10 ii m到50 ii m之间的材料颗粒的粉末而将磁弹性材料层形成于构件的表面上，以及所述第一及第二相由熔化的或者部分熔化的材料颗粒构成。热喷镀建立层厚度非常快速且不损害承载构件的強度。根据本发明的一个实施方式，磁弹性材料包含至少60%的原子百分比的金属或者金属合金，所述金属或者金属合金包含铁、镍及钴构成的组中的一个或者多个组分。已经证明，能够为层提供优异特性的合适合金为包含铁在23-65%的重量百分比范围内，优选地，25-50 %的重量百分比，且最优选地30-45 %的重量百分比，以及镍在35-77 %的重量百分比范围内，优选地50-75%的重量百分比，以及最优选地55-70%的重量百分比的合金。根据本发明的传感器能够，举例来说，用于测量以下(但是不限于)诸物中的扭矩或者力，例如引擎、汽车、飞机、喷气式引擎、自行车、变速箱、汽车中的助力转向、工具、螺旋桨引擎或者直升机。根据本发明的传感器对测量交通工具中的扭矩尤其有用。
现在将通过对本发明不同实施方式的描述以及參考所附的附图对本发明进行详
细解释。图1示出了包含被磁弹性层覆盖的承载构件的測量设备的示例。图2示出了根据本发明的磁致伸縮层的特征微结构的图示，所述层包含在其内部具有晶粒的颗粒及颗粒之间的先前熔化区域。图3示出了根据本发明的磁致伸缩层的先前熔化区域的放大图。图4示出了根据本发明的磁致伸缩层的先前熔化区域的进ー步放大图。图5示出了包含由不同方法制造的磁弹性层的4个传感器的磁滞作为扭矩的函数的实验数据。本发明优选实施方式的详细描述图1示出了包含承载构件的測量设备的示例，所述承载构件是旋转轴I的形式，其中所述旋转轴I被设置用于利用任何类型的机械传动来传输扭矩。所述设备适用于測量施加到承载构件上的扭矩。承载构件由具有足够刚度的材料制成，例如钢。磁弹性区域2提供于轴I上。磁弹性区域2包含磁弹性材料的第一层3，其在所述区域2中具有基本连续的延伸及厚度。在该实施方式中，磁弹性层3由喷镀形成，且主要包含铁和镍。连续条带形式的第二层4提供于第一层3之上。第二层4在第一层3上形成表面图案。另外，測量设备包含用于提供交变磁场到測量设备的绕组5a-b。这种类型的測量设备在，例如国际专利申请TO01/44770中有更详细描述。本发明涉及第ー磁弹性层3以及用于制造这样的层的方法。实验证明，包含在一定范围内的铁、镍及其他合金成分的合金获得良好的应カ测量特性。磁弹性层由，例如大致50%的重量百分比的铁、大致50%的重量百分比的镍及小于1%的重量百分比的其他合金成分組成。然而，虽然还未经测试，很可能特定比例的合金成分的其他组合也能够使用根据本发明的方法而获得相同的結果。本领域技术人员能够通过合理实践查明所述方法对其他合金成分是否也适用以及其在何种范围内适用。举例来说，铁和钴的组合或者镍和钴的组合有可能获得相同的結果。根据本发明的用于制造层3材料的方法包含以至少300m/s的速度朝向承载构件I的表面加速平均尺寸在10 ii m到50 ii m范围内的软磁性并且磁弹性的材料的颗粒，使得被加速颗粒的平均温度低于所述颗粒的熔化温度，但是不低于所述熔化温度以下500摄氏度。所述颗粒不包含任何硬磁性材料，只包含软磁性材料。存在一些商业上可用的热喷镀方法。然而，这些方法在喷镀颗粒温度及速度方面不同。一种用来获得期望的颗粒温度及速度的尤其适用的方法是高速燃气喷涂(HVAF)。HVAFエ艺在，例如由美国佛吉尼亚阿什兰 UniqueCoat Technologies 的 A. Verstak 及 V. Baranovski 写作的题为 “Activatedしombustion HVAF Coatings for Protection against Wear andHigh i'emperatureCorrosion"的文章中描述。根据HVAFエ艺，喷镀粉末颗粒在被加速到速度远大于700m/s时，被加热到低于熔点的温度，以形成致密且具有最小热退化的非氧化型沉积。
替代地，冷喷镀(也称为动力学喷镀)与预加热粉末一起使用，可用于将层施加到承载构件上。高速火焰喷涂(HVOF)也是ー种可能使用的方法。如果使用HV0F，则需要降低氧水平，举例来说，通过选择具有较大颗粒尺寸的粉末，在保护性环境或者真空中喷镀。另ー种可能性是使用烧结来施加所述层。另ー种可能性是使用由不同方法施加的两个或者多个层，以便组合不同喷镀方法的优势。举例来说，使用HVOF将第一层施加到金属轴上以获得对轴具有良好粘连的层，然后使用冷喷镀在第一层之上施加提供良好应カ测量特性的第ニ层。为获得本发明有优势的測量特性，应当避免使用将碳或者氮引入到所述层中的施加方法，例如激光融覆以及磁弹性层的再熔化。如果在区域中碳和氮的总含量超过1%的重量百分比，则可能的风险是传感器的磁滞会变得过高。上述提到的喷镀方法并不会将碳或者氮并入到层的磁弾性部分，且因此是合适的方法。相应地，至少ー些区域中的碳和氮的总含量应当低于1%的重量百分比。如果所述方法还在层中引入氧，则在至少ー些区域中，碳、氮及氧的总含量应当低于1%的重量百分比。被喷镀状态中的喷镀金属层包含大量的缺陷，所述缺陷可被退火以稳定所述层的磁弹性特性。在金属喷镀沉积エ艺中，适合使用诸如Al2O3的硬颗粒，所述硬颗粒具有显著较高的熔点且因此将中等程度地(通常为5-10%的体积百分比)并入到所述层中。这些颗粒在不显著影响传感器其他磁弹性特性的情况下，积极地影响所述层的附着性，因此积极影响传感器的长期稳定性以及较低的磁弹性传感器磁滞。图2示出了根据本发明的并且通过根据本发明的方法制造的磁致伸缩层的特征微结构的图。所述层 包含不均匀磁弹性材料，例如铁镍合金，其具有晶粒尺寸显著不同的溶化相及非熔化相。非熔化相包含多个源于粉末颗粒的颗粒10a-b。姆个颗粒包含一个或者多个晶粒12a_b。晶粒可能由氧化物层包围。大多数晶粒12a_b具有低于1%的重量百分比的氧水平，且非熔化相中的晶粒平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm之间。晶粒形成氧低于1%的区域12a-b。每个区域可形成一个磁畴，即具有均匀磁化方向的区域。举例来说，每个颗粒IOa仅包含一个晶粒,其相应地形成ー个区域12a。姆ー个颗粒IOb包含多个晶粒,姆个晶粒形成ー个区域12b。颗粒的晶粒具有不同的晶向，且因此在各个晶粒之间形成功能为各个区域之间畴壁的结构边界。非熔化相的颗粒由熔化相材料14包围。熔化相材料的平均晶粒尺寸小于lOOnm。熔化相材料由在喷镀过程中已经熔化并且然后凝固的颗粒形成。两个相之间的边界也形成磁畴壁。图3在放大图中示出了熔化相材料。图4在进ー步放大图中示出了熔化相材料。如图4所示，熔化相由在喷镀过程中已经熔化的材料构成，其包含大量平均尺寸小于IOOnm的小晶粒15。大多数晶粒具有低于1%的重量百分比的氧化物水平。熔化相材料还包括其他化学组分、通常为氧化物的边界17，其包围晶粒15的区域18。在该示例中，边界由金属氧化物构成，且被叫做氧化物相。熔化相14由氧化物相分割成平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范围内的区域。所述区域中的多个区域具有低于1%的重量百分比的氧水平。边界17的材料可能源自粉末颗粒上的氧化物覆盖层。当颗粒熔化时，氧化物覆盖层将会形成包围小晶粒15的区域18的边界。在这种情况下，边界中的氧含量非常高，肯定大于5%的重量百分比。熔化相包括第一相以及第二相，所述第一相包含小晶粒的区域18，所述第二相包含不同化学组分的边界17。由于晶粒15与边界17显著不同的组分，区域18之间的边界17形成磁畴壁，且由边界17包围的区域18形成磁畴。区域18的平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范围内。因此，熔化相也包含多个氧水平低于I %的重量百分比的区域18。相应地，在图2、图3及图4中示出的层具有两种类型的区域，ー种12a-b由具有显著不同结构特性(晶粒尺寸)的材料包围，及ー种由具有显著不同化学特性(组分)的材料包围。这样的层通过以下制造使用包含不同尺寸颗粒且具有一部分小尺寸颗粒的粉末，所述小尺寸颗粒在喷镀过程中熔化，或者使用相当高的喷镀温度使得大量颗粒在喷镀过程中熔化。图5示出了作为施加到传感器上的扭矩的函数的四个扭矩传感器的输出信号的磁滞的三条曲线A、B及C。应当避免输出信号中的磁滞，因为磁滞増大测量误差。三个传感器中的每ー个包含由不同方法制造的磁弹性层3。所述曲线基于实验数据。磁滞以针对测量区域+/-300Nm的满标度的百分比(％)来表达。每个传感器由使用包含铁镍合金(50%的重量百分比铁及50%的重量百分比镍)颗粒的粉末的高速喷镀方法制造。铁镍合金的熔化温度大约是1500摄氏度。三个方法之间的主要不同在干在加速过程中承载颗粒的气体流的温度及相应的被加速颗粒的平均温度，颗粒的速度以及颗粒的尺寸。曲线A对应的层由根据本发明的方法制造。被加速的粉末具有IOiim到30 iim的颗粒尺寸、大约1800摄氏度的气体温度、600-900m/s的颗粒速度及接近合金熔化温度的平均颗粒温度。这ー方法获得了具有多个氧水平低于1%的重量百分比并且平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范围内的区域的层。然而，也有具有较高氧水平的区域，例如各个区域之间的边界中。从图中可以看出，这种方法制造了具有低磁滞且因此具有良好的測量特性的传感器。曲线B对应的层由具有大于50 iim的平均颗粒尺寸、大约1800摄氏度的气体温度、600-900m/s的颗粒速度及低于合金熔化温度的平均颗粒温度的粉末制造。所述方法制造了具有很大一部分非熔化相的层，其导致了所述层致密性差以及对衬底粘连差。从图中可以看出，这种方法制造了具有高磁滞且因此具有差的測量特性的传感器。由于大的平均颗粒尺寸，这样的方法得到了对轴的附着性差且较不致密的层。曲线C对应的层由具有10 ii m到30 ii m的平均颗粒尺寸、大约2800摄氏度的气体温度、300-800m/s的颗粒速度及远高于合金熔化温度的平均颗粒温度的粉末制造。由于高的颗粒温度，所述方法并未产生任何氧水平低于I %的重量百分比的区域。高的颗粒温度使得在喷镀过程中所有的颗粒都熔化。从图中可以看出，这种方法制造了具有非常高的磁滞且因此具有非常差的測量特性的传感器。从图5可以清楚看出，根据本发明的方法制造了ー种具有显著最低磁滞且因此具有最好的測量特性的传感器。颗粒温度能够例如，借助于喷镀表(Oseir公司)来測量。颗粒的温度依赖于气体温度以及颗粒尺寸。如果颗粒的平均尺寸太小，则颗粒将会被烧焦。如果颗粒的平均尺寸太大和/或如果被加速的颗粒的速度或颗粒的温度太低，则结果是层与轴的附着性差。本发明并不限于所公开的实施方式，而是可能在以下权利要求的范围内修改及变化。
权利要求
1.一种传感器，其用于测量由施加到承载构件(I)上的力引起的应力，其中所述传感器包括形成于所述承载构件上的磁弹性材料层(3)，且所述传感器被设置用于在所述磁弹性层中产生时变磁场，检测所述层中磁导率的变化，以及基于检测到的所述层中磁导率的变化而确定所述应力， 其特征在于，所述层不均匀，且包含平均晶粒尺寸低于IOOnm且具有第一化学组分的第一相，以及具有显著不同化学组分的第二相(17)，所述第一相被所述第二相分割成平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范围内的区域(18)，且所述区域中的多个区域具有低于1%的重量百分比的氧水平。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述第二相具有超过5%的氧水平。
3.根据权利要求1或者2所述的传感器，其中所述层包含多个被所述第一相和第二相包围的颗粒，且每个颗粒包含一个或者多个平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范围内且氧水平低于1%的重量百分比的晶粒。
4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的传感器，其中第一相占到所述层的10-90%的重量百分比。
5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的传感器，其中通过热喷镀包含平均尺寸在10-50 范围内的材料颗粒的粉末，将所述磁弹性层形成在所述构件的表面上，以及所述第一及第二相由熔化的或者部分熔化的材料颗粒构成。
6.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的传感器，其中所述磁弹性材料包含至少60%的原子百分比的金属或者金属合金，其中所述金属或金属合金包含选自铁、镍及钴构成的组中的一个或者多个组分。
7.根据权利要求1-6中任一项权利要求所述的传感器，其中所述磁弹性材料包含23-65%的重量百分比范围内的铁，以及35-77%的重量百分比范围内的镍。
8.根据权利要求1-7中任一项权利要求所述的传感器，其中所述层中至少50%的重量百分比的所述磁弹性材料具有低于I%的重量百分比的氧水平。
9.根据权利要求1-8中任一项权利要求所述的传感器，其中所述磁弹性材料包含23-65 %的重量百分比范围内的铁，优选地25-50 %的重量百分比，且最优选地30-45 %的重量百分比，以及在35-77%的重量百分比范围内的镍，优选地50-75%的重量百分比，且最优选地55-70 %的重量百分比。
10.根据权利要求1-9中任一项权利要求所述的传感器用于测量交通工具中的扭矩的用途。
全文摘要
本发明公开了测量应力的包含磁弹性材料层的传感器以及制造层的方法。所述传感器用于测量由施加到承载构件上的力引起的应力。所述传感器包含形成于承载构件上的磁弹性材料层。所述层为不均匀的，且包含平均晶粒尺寸低于100nm且具有第一化学组分的第一相，以及具有显著不同化学组分的第二相(17)，第一相由第二相分割成平均尺寸在100nm到10000nm范围内的区域(18)，且所述区域中的多个区域具有低于1％的重量百分比的氧水平。本发明也涉及以至少300m/s的速度朝向承载构件的表面加速软磁性材料和平均尺寸在10μm到50μm范围内的磁弹性材料的颗粒，使得被加速颗粒的平均温度不高于所述磁弹性材料熔化温度以上500摄氏度，但是也不低于所述磁弹性材料的熔化温度以下500摄氏度。
文档编号H01L41/22GK103033299SQ201210470680
公开日2013年4月10日 申请日期2009年8月19日 优先权日2008年9月25日
发明者H·林, A·米尼奥塔斯 申请人:Abb公司