專利名稱：電感器和包括電感器的渦電流傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及電感器和包括電感器的制品和系統，更具體地，涉及能測量渦電流的電感器。
背景技術：
渦電流是由變化的磁場而生成的、在導體中感應的電流。磁場和導體的相對運動引起稱為渦流的電流的循環流動。這些渦流創建了與變化的磁場相對的感應磁場。該感應磁場可用于測量振動，位置感測，金屬分割，感應加熱，傳導材料的非破壞性測試或其它的應用。已知的渦電流傳感器包括用于測量渦電流的電感器。通常，這些渦電流傳感器包 括繞著例如為鐵氧體線圈架的線圈架纏繞的、諸如漆包線的繞線。這些渦電流傳感器有幾個缺點。例如，繞著線圈架的線的纏繞可能在電感器彼此間不一致。這些不一致性可能需要復雜的過程以利用渦電流傳感器中的電感器。同樣，在高溫環境中，線能從線圈架上散開和/或在線中拉緊可導致線上不期望的拉伸效應。因此，許多渦電流傳感器只能在大約-25°C(_13° F)和大約175°C (347° F)之間操作并且一些只能在較窄的范圍內操作。本領域期望不受上述缺點損害的電感器和包括電感器的渦電流傳感器。
發明內容
在一示例性實施例中，一種電感器，包括在絕緣襯底上布置的圖案化金屬層。該電感器能感測區域的渦電流，該區域在達到大約500°C (932° F)的溫度處。在另一個示例性實施例中，一種電感器包括在絕緣襯底上的圖案化金屬層以及在該圖案化金屬層上的傳導材料。該電感器能感測區域的渦電流，該區域在達到大約500 0C (932° F)的溫度處。在另一個示例性實施例中，一種渦電流傳感器包括具有電感器的換能器。該電感器包括在絕緣襯底上布置的圖案化金屬層。該電感器能感測區域的渦電流，該區域在達到大約500°C (932° F)的溫度處。結合以示例方式描述本發明原理的附圖，根據以下優選實施例的詳細描述，將明白本發明的其它特征和優點。
圖I示出了根據本公開一示例性電感器的俯視透視圖。圖2示出了根據本公開一示例性電感器的仰視透視圖。圖3示出了根據本公開一示例性電感器的透視圖。圖4示出了根據本公開一示例性渦電流傳感器的截面圖。圖5示出了根據本公開一示例性渦電流傳感器的截面圖。只要有可能，相同的引用標記將用于在所有附圖中代表相同的部件。
具體實施例方式本發明提供了不受一個或多個上述缺點損害的電感器和包括電感器的渦電流傳感器。本公開的實施例容許振動的測量，位置感測，金屬分割，傳導材料的非破壞性測試，電感器彼此之間的一致性，利用渦電流傳感器中電感器的簡化過程，高溫下操作，以及它們的組合。圖I和圖2示出了根據本發明的一個方面的電感器100的示例性實施例。如圖I所示，電感器100包括布置在絕緣襯底106的第一表面104上的圖案化金屬層102。圖案化金屬層102是任何合適的圖案。合適的圖案包括但不限于螺旋、直線螺旋的路徑、以及的能提供電感效應的其它幾何布置。在一個實施例中，該圖案包括預定數量的匝數。這里所用的術語“匝數”表示沿著中心參照點延伸360°的路徑。例如，在螺旋圖案中，匝數以基本上螺旋狀的方式圍繞著中心參照點延伸。在直線螺旋路徑中，該匝數以基本上螺旋的直線的方式圍繞著中心參照點延伸。例如，在一個實施例中，該圖案在一個層上包括9匝。在另一個實施例中，該圖案在兩層上包括18匝，在每層上有9匝。在另一個實施例中，該圖案在 一層上包括16匝。在另一個實施例中，該圖案在兩層上包括32匝，在每層上有16匝。在另一個實施例中，在一層上包括多于16匝和/或在用于電感器100的所有圖案中包括多于32阻。在一個實施例中，如圖I和圖4所示圖案化金屬層102包括預定的軌跡寬度103(沿著該圖案的路徑在半徑方向中取得的厚度)，預定的軌跡間隔105(沿著該圖案的路徑在半徑方中取得的部分之間的間隔)和預定的深度107(從絕緣襯底106到施加的圖案化金屬層102之間的距離)。在一個實施例中，該預定的軌跡寬度103為在大約240微米(大約0. 00944英寸)和大約267微米(大約0. 0105英寸)之間或者為大約254微米(大約0. 010英寸)。在一個實施例中，該預定的軌跡間隔105是在大約216微米(大約0. 00850英寸)和大約190微米(大約0. 00748英寸)之間或者在大約203微米(大約0. 00799英寸)。在一個實施例中具有螺旋形的圖案，預定的深度107是在大約19微米(大約0. 000784英寸)和大約35微米(大約0. 00138英寸)之間，在螺旋形圖案的內部在大約19微米(大約0. 000784英寸)和大約26微米(大約0. 00102英寸)之間，在螺旋形圖案的外部在大約29微米(大約0. 00114英寸)和大約35微米(大約0. 001378英寸)之間，在螺旋形圖案的內部為大約22微米(大約0. 000866英寸)，在螺旋形圖案的外部為大約31微米(大約0. 00122英寸)。圖案化金屬層102不限于金屬材料而是包括任何合適的電感材料。用于圖案化金屬層102的合適材料包括但不限于鉬，鑰，鎢，鉭，鎳，鈦，銅，鉻，金，鋁，銀或適于操作溫度的其它傳導材料。在一個實施例中，圖案化金屬層102包括鉬厚膜的籽晶層(seed layer)(例如大約10微米(大約0. 000393英寸))和99. 9%的鉬的鍍層(例如大約25微米(大約0. 000984英寸))。該籽晶層通過遷移進入絕緣襯底106而提供了粘合。通過具有貫穿圖案化金屬層102基本上一致的深度，鍍層提供了一致性。在一個實施例中，圖案化金屬層102包括用于粘合的添加劑和/或雜質，它們可以是也可以不是金屬。例如，圖案化金屬層102可包括陶瓷，例如氧化鋁。在一個實施例中，該鉬籽晶層提供了粘合和剝離強度。在這一實施例中，通過使用例如以平均大約25. 4微米(大約0.01英寸)電鍍的鉬，實現了足夠低的電阻并因此得到期望性能的電感效應和/或渦電流效應(例如，根據方程Q = wL/R的期望的Q，其中Q代表了振蕩器和共振器的欠阻尼的量，w是角頻率，L是電感，以及R是電阻)，和/或多個絲網傳遞以構建較厚的導體從而減小電阻。電鍍容許匝至匝之間間隔的控制，因為該裝配導致了導體截面為“蘑菇狀”，從而減小了預定的軌跡間隔105。在一個實施例中，該電鍍包括預定的軌跡間隔105(以及最終的總電感)和預定的裝配高度(以及總電阻)。絲網的多次傳遞包括每層燒制或固化并且每一個附加的層沉積直到預定的平均厚度，例如構建了 25. 4微米(大約0. 001英寸)的厚度或至少25. 4微米(大約0. 001英寸)的厚度。絲網的配準包括使得每一個累進的傳遞比前一次的傳遞薄(在徑向上)。絕緣襯底106是任何合適的電絕緣材料。用于絕緣襯底106的合適的材料包括但不限于，氧化鋁(例如92%的氧化鋁)、氮化鋁、硼硅酸鹽玻璃、石英、硅鋁氧氮聚合材料、低溫共燒陶瓷、氮化硅、氧化鋁、碳化硅、藍寶石、氧化鋯、或其它合適的絕緣材料。在一個實施例中，絕緣襯底106具有預定的幾何形狀和尺寸，例如具有大約2. 5cm(大約0. 98英寸)到大約2. 6cm(大約I. 0英寸)尺寸的或大約是2. 55cm(大約I. 00英寸)尺寸的基本上正方形的幾何形狀，或者能夠支撐圖案化金屬層102的任何其它合適的幾何形狀和尺寸。在一個實施例中，絕緣襯底106具有預定的厚度，例如大約1，550微米(大約0. 06102英寸)到大約1，800微米(大約0. 07087英寸)或大約是1，675微米(大約0. 06594英寸)。在一個實施例中，該絕緣襯底106具有預定的平坦度。例如大約75微米(大約0. 0030英寸)。參照圖2，通孔202從圖案化金屬層102穿過絕緣襯底106延伸到了第二表面204上。通孔202包括任何合適的傳導材料。用于通孔202的合適材料包括但不限于鉬、鑰、鎢、鉭、鎳、鈦、銅、鉻、金、鋁、銀或其它的合適的傳導材料。在一個實施例中，通孔202和圖案化金屬層102包括相同的材料。在一個實施例中，通孔202具有預定的直徑，例如大約230微米(大約0. 00906英寸)到大約280微米(大約0. 0110英寸)或大約為255微米(大約0.0100 英寸)。圖案化金屬層102可操作地連接到在第一表面104上的第一傳導墊108并且通孔202可操作地連接到第二表面204上的第二傳導墊110。第一傳導墊108和/或第二傳導墊110包括任何合適的鎳基合金，鈦基合金，鎢基合金，金基合金，鑰基合金或其它傳導金屬。通過測量第一傳導墊108和第二傳導墊110之間的電流，電感100能夠感測渦電流中的變化，其然后容許通過渦電流傳感器400 (下面將參照附圖4進行討論)在任何合適的高溫區域來進行測量，高溫區域例如包括但不限于燃氣渦輪組件，蒸汽渦輪組件，燃燒區域，高溫區域，熱制造產品或任何其它區域。電感器100包括預定的容許渦電流的測量的電性能。例如，在一個實施例中，在大約25°C (77° F)，該電感器100包括在2MHz下大于I. 4微亨的電感量，大于1Q，大于I的Rdc，在2MHz下大于100的電阻，15mA的最大Ipk，大于IOM的隔離以及它們的組合。在一個實施例中，電感器100貫穿預定的溫度或溫度范圍而準確地和/或精確地感測渦電流變化，溫度或溫度范圍例如達到大約500°C (大約932° F)、達到大約800°C (大約1472° F)、達到大約9800C (大約1796。F)、達到大約1000°C (大約1832。F)、達到大約1200°C (大約2192。F)、達到大約14000C (大約2552。F)、達到大約1500°C (大約2732。F)，在大約_40°C (大約-40° F)和大約500°C (大約932° F)之間、在大約_40°C (大約-40° F)、和大約980°C (大約1796。F)之間、在大約_40°C (大約-40° F)和大約1000°C (大約1832° F)之間、在大約_40°C (大約-40° F)和大約1500°C (大約2732° F)之間。在一個實施例中，該電感器100準確地和/或精確地感測在預定的濕度下的渦電流變化。圖3示出了電感器100的另一個示例性實施例的透視圖。該電感器100包括布置在絕緣襯底106的第一表面104上的圖案化金屬層102。額外地，電感器100包括布置在第二絕緣襯底306上的第二圖案化金屬層302。第二圖案化金屬層302布置在第二絕緣襯底306的第二表面204或第一表面104上。在一個實施例中，第二金屬層302布置在第二表面204上并且第三圖案化金屬層(未不出)布置在第二絕緣襯底306的第一表面104上。在一個實施例中，第三圖案化金屬層(未示出)布置在第三絕緣襯底(未示出)上。在其它的實施例中，兩個、三個、四個或更多的絕緣襯底的每一個具有布置在每一個絕緣襯底的一 個或兩個表面上的一個或兩個金屬層，以提供在電感器100內部的任何合適數量的匝數。再一次參照圖3，在一個實施例中，第二圖案化金屬層302可操作地連接到第一圖案化金屬層102。在一個實施例中，第二圖案化金屬層302通過大體上從第一絕緣襯底106延伸到第二絕緣襯底306的多個通孔304而連接到第一圖案化金屬層102。例如，在一個實施例中，多個通孔304包括三個通孔，它們具有用以重疊多個通孔304的每個通孔的第一圖案化金屬層102和第二圖案化金屬層302。例如，在一個實施例中，多個通孔304減小或消除了由第一圖案化金屬層102和第二圖案化金屬層302的交結而產生的電阻。第二圖案化金屬層302包括參照第一圖案化金屬層102的上述任何合適的特征和/或性能。多個通孔304包括參照通孔202的上述任何合適的特征和/或性能。第二絕緣襯底306包括參照第一絕緣襯底106的上述任何合適的特征和/或性能。第一圖案化金屬層102可操作地連接到在該圖案的一端的第一傳導墊108和在該圖案的另一端的多個通孔304。第二圖案化金屬層302可操作地連接到在該圖案的一端的多個通孔304和在該圖案的另一端的第二傳導墊110，要么是直接連接要么是通過附加的通孔連接。通過測量第一傳導墊108和第二傳導墊110之間的電流，電感器100能夠感測渦電流中的變化，然后容許通過渦電流傳感器400 (參見圖4)來進行測量。該電感器100通過直寫工藝，絲網印刷工藝，蝕刻工藝，濺射，蒸發，燒結或它們的組合來制造。在一個實施例中，例如如圖I所示，該直寫工藝用于在絕緣襯底106上形成第一圖案化金屬層102。在該實施例中，第一傳導墊108和第二傳導墊110被寫在絕緣襯底106上并配置用于外部電連接，例如，通過金合金硬釬焊或白金硬釬焊。在一個實施例中，第一圖案化金屬層102、第一傳導墊108、和第二傳導墊110在抬高了的溫度處(例如1300°C (大約2372° F))燒制，以穩定該圖案。該抬高了的溫度的燒制創建了基于進入到絕緣襯底106中的第一圖案化金屬層102的遷移的高機械剝離強度，例如，在重復循環中阻止剝落或分層。在直寫工藝中，第一圖案化金屬層102和/或第二圖案化金屬層302的附加傳導材料沉積的附加步驟減小了由進入到該絕緣襯底中的第一圖案化金屬層102和/或第二圖案化金屬層302的遷移引起的電阻，提供了在電感器100的部分之間的電感一致性，并提供了通過直寫工藝制造的電感器100之間的一致性。在一個實施例中，例如在圖3中所示，該絲網印刷工藝或蝕刻工藝用于在第一絕緣襯底106上形成第一圖案化金屬層102和/或在第二絕緣襯底306上形成第二圖案化金屬層302。在此實施例中，第一圖案化金屬層102和多個通孔304形成在第一絕緣襯底106上并且第二圖案化金屬層302和多個通孔304形成在第二絕緣襯底306上。第一圖案化金屬層102、第二圖案化金屬層306和多個通孔304接著在抬高了的溫度處(例如1300°C (大約2372° F))燒制，以密封多個通孔304，可操作地連接第一絕緣襯底106和第二絕緣襯底306，并穩定該圖案。這一抬高的溫度的燒制創建了基于進入到第一絕緣襯底106中的第一圖案化金屬層102和/或進入到第二絕緣襯底306中的第二圖案化金屬層302的遷移的高機械剝離強度，例如，在重復循環中阻止剝落或分層。在絲網印刷工藝或蝕刻工藝中，第一圖案化金屬層102和/或第二圖案化金屬層302的附加傳導材料沉積的附加步驟減小了由進入到該第一絕緣襯底106中的第一圖案化金屬層102和/或進入第二絕緣襯底304中的第二圖案化金屬層302的遷移引起的電阻，提供了電感器100的部分之間的一致性，并提供了通過該絲網印刷工藝或蝕刻工藝制成的電感器100之間的一致性。參照圖4和圖5，渦電流傳感器400能夠基于由電感器100感測的渦電流中的變化來測量第一傳導墊108和第二傳導墊110之間的電流。渦電流傳感器400能夠在任何合 適的區域操作，合適的區域例如包括但不限于燃氣渦輪組件、蒸汽渦輪組件、燃燒區域、高溫區域、熱制造產品或任何其它區域。在一個實施例中，該區域是在預定的溫度處，例如，達到大約500°C (大約932° F)、達到大約800°C (大約1472° F)、達到大約980°C (大約1796。F)、達到大約IOOO0C (大約1832。F)、達到大約1200°C (大約2192。F)、達到大約1400°C (大約 2552。F)、達到大約 1500°C (大約 2732。F)，在大約 _40°C (大約-40° F)和大約500°C (大約932° F)之間、在大約-40°C (大約-40° F)和大約980°C (大約1796。F)、之間、在大約-40°C (大約-40° F)和大約1000°C (大約1832° F)之間、在大約-40°C和大約1500°C之間。在一個實施例中，該區域包括預定的濕度。在一個實施例中，該渦電流傳感器400包括換能器401，換能器401具有可操作地耦接到電感器100的第一傳導墊108的第一電引線402、第一導體404、和第一線纜406以及可操作地耦接到電感器100的第二傳導墊110的第二電引線402，第二導體404和第二線纜406。換能器401耦接到用于感測動態數據的機器(未示出)，該動態數據可能與通過渦電流可測量的性質相關，例如，在電感器100和傳導目標或金屬目標之間限定的間隙距離，該傳導目標或金屬目標例如但不限于機器的轉軸、燃氣渦輪組件、蒸汽渦輪組件、燃燒區域、高溫區域、熱制造產品、或被監控用于材料組成和/或材料完整性的組件。渦電流傳感器400包括任何其它合適的組件。例如，在一個實施例中，渦電流傳感器400包括一個或多個電阻器、濾波器、信號發生器、時控電路、采樣電路、卷積電路、數字信號處理器、微處理器(例如，中央處理器、專用集成電路、邏輯電路，或能夠執行檢查系統的任何其它電路或處理器)、其它合適的組件、或這些的組合。雖然本發明參照優選的實施例進行了描述，但是本領域技術人員應該理解，在不脫離本發明范圍的條件下，可進行多種改變并且對于其元件可進行等效替代。除此之外，根據本發明的教導，在不脫離本發明的基本范圍的條件下，可進行許多修改以適應具體環境或材料。因此，本發明無意于受限于作為設想執行本發明的最佳模式而公開的具體實施例，而是本發明將包括落入所附權利要求范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種電感器,包括 布置在絕緣襯底上的圖案化金屬層； 其中所述電感器能夠感測一區域的渦電流，所述區域處于達到大約500°c的溫度處；以及 其中所述圖案化金屬層包括鉬。
2.如權利要求I所述的電感器，其中，所述電感器能夠在所述區域的溫度達到大約1000 V的條件下感測渦電流。
3.如權利要求I所述的電感器，其中，所述圖案化金屬層包括籽晶層和鍍層。
4.如權利要求I所述的電感器，其中，所述圖案化金屬層包括螺旋圖案。
5.如權利要求I所述的電感器，其中，所述圖案化金屬層包括16匝。
6.如權利要求I所述的電感器，其中，所述圖案化金屬層包括在大約240微米和大約267微米之間的預定軌跡寬度。
7.如權利要求I所述的電感器，其中，所述圖案化金屬層包括在大約216微米和大約190微米之間的預定軌跡間隔。
8.如權利要求I所述的電感器，其中，所述圖案化金屬層包括大約19微米和大約35微米之間的預定深度。
9.如權利要求I所述的電感器，其中，所述絕緣襯底包括氧化鋁。
10.如權利要求I所述的電感器，其中，所述絕緣襯底包括氮化鋁。
11.如權利要求I所述的電感器，其中，該絕緣襯底包括藍寶石。
12.如權利要求I所述的電感器，進一步包括從設置在第一表面上的所述圖案化金屬層延伸到第二表面的通孔。
13.如權利要求12所述的電感器，進一步包括可操作地連接到所述圖案化金屬層的、在所述第一表面上的第一傳導墊和可操作地連接到所述通孔的、在所述第二表面上的第二傳導墊。
14.如權利要求13所述的電感器，其中，所述第一傳導墊包括以下一個或多個鎳基合金，鈦基合金，鶴基合金，金基合金和鑰基合金。
15.如權利要求I所述的電感器，進一步包括第二圖案化金屬層。
16.如權利要求15所述的電感器，進一步包括第二絕緣襯底，其中所述第二圖案化金屬層布置在所述第二絕緣襯底上。
17.如權利要求15所述的電感器，其中，所述第一圖案化金屬層通過多個通孔可操作地連接到所述第二圖案化金屬層。
18.—種電感器,包括 在絕緣襯底上的圖案化金屬層； 在所述圖案化金屬層上的傳導材料； 其中，所述電感器能夠感測一區域的渦電流，所述區域處于達到大約500°C的溫度處。
19.如權利要求18所述的電感器，其中，所述傳導材料包括鉬。
20.一種渦電流傳感器，包括 具有電感器的換能器，所述電感器包括 布置在絕緣襯底上的圖案化金屬層；其中所述電感器能夠感測一區域的渦電流，所述區域處于達到大約500°C的溫 度處。
全文摘要
本發明名稱為“電感器和包括電感器的渦電流傳感器”。公開了一種電感器和包括電感器的渦電流傳感器。該電感器包括布置在絕緣襯底上的圖案化金屬層。該電感器能夠感測在高溫區域內的渦電流。
文檔編號G01R19/00GK102738140SQ20121018100
公開日2012年10月17日 申請日期2012年4月4日 優先權日2011年4月4日
發明者A·J·克諾布羅赫, D·W·韋爾努瓦, L·坎貝爾, R·D·斯萊特斯, S·克拉克, 呂卓民 申請人:通用電氣公司