專利名稱：測(cè)量應(yīng)力的包含磁彈性材料層的傳感器以及制造層的方法
測(cè)量應(yīng)力的包含磁彈性材料層的傳感器以及制造層的方法本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年8月19日、申請(qǐng)?zhí)枮?00980137591. 4、發(fā)明名稱為“用于測(cè)量應(yīng)カ的包含磁彈性材料層的傳感器以及制造層的方法”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
_2] 技術(shù)領(lǐng)域及現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明涉及一種傳感器，其用于測(cè)量由施加到承載構(gòu)件上的力引起的應(yīng)力，其中傳感器包括形成于承載構(gòu)件上的磁彈性材料層，且傳感器被設(shè)置用于在磁彈性材料層中產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)，檢測(cè)所述層中磁導(dǎo)率的變化，以及基于檢測(cè)到的所述層中磁導(dǎo)率的變化而確定所引起的應(yīng)力。本發(fā)明也涉及用于制造這樣的層的方法。傳感器測(cè)量由施加到承載構(gòu)件上的力引起的所述層中的應(yīng)カ和/或應(yīng)變。施加到承載構(gòu)件上的カ為，例如拉力、壓カ或者扭矩，且承載構(gòu)件為，例如金屬軸。以上描述類型的扭矩傳感器為本領(lǐng)域眾所周知，例如，從EP0309979。承載構(gòu)件的目的是將負(fù)載傳遞到應(yīng)カ
測(cè)量層。磁彈性材料，也表示為磁致伸縮材料，是ー種當(dāng)由力負(fù)載時(shí)其磁導(dǎo)率改變的材料。磁彈性材料的示例有鐵、鎳、鈷及稀土金屬或者這些金屬的合金。當(dāng)已經(jīng)被暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，硬磁性材料保持磁化。在已經(jīng)暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)中之后，軟磁性材料不能保持磁化。軟磁性材料與硬磁性材料的區(qū)別在于軟磁性材料在被磁化后不能保持穩(wěn)恒磁場(chǎng)。硬磁性材料通常具有超過(guò)幾千A/m的矯頑力。軟磁性材料具有低很多的矯頑力，通常小于1000A/m。期望能夠測(cè)量在大負(fù)載范圍內(nèi)的機(jī)械應(yīng)カ。例如，在汽車エ業(yè)中，期望測(cè)量大小高達(dá)200-300MPa的扭矩引起剪切應(yīng)力。另外，期望找到ー種由于抗機(jī)械及熱疲勞而長(zhǎng)期穩(wěn)定且為線性的扭矩測(cè)量設(shè)備，線性是指來(lái)自測(cè)量設(shè)備的輸出信號(hào)基本上與承載構(gòu)件上的負(fù)載成比例。另外，期望降低或者甚至消除測(cè)量設(shè)備輸出信號(hào)中的蠕變，即在負(fù)載恒定時(shí)，輸出信號(hào)的值不應(yīng)當(dāng)改變。應(yīng)當(dāng)避免輸出信號(hào)中的磁滯，因?yàn)榇艤埓鬁y(cè)量誤差。致密層和在所述層及承載構(gòu)件之間的良好的附著性是獲得長(zhǎng)期穩(wěn)定、具有大負(fù)載范圍及低磁滯的測(cè)量設(shè)備的前提。磁彈性效應(yīng)從磁疇壁的移動(dòng)的角度來(lái)解釋(參見(jiàn)例如“ModernMagneticMaterials” 第 7 章，作者 Robert C. 0' Handley, ISBN0-471-15566-7)，因此，磁疇的形狀和尺寸以及磁疇壁的移動(dòng)性在基于磁彈性效應(yīng)建立傳感器時(shí)極其重要。磁疇,即具有統(tǒng)一磁化方向的區(qū)域，具有被定義為磁疇壁的邊界。磁疇壁依賴于磁弾性材料的磁化方向而可在所述材料中移動(dòng)。磁疇壁可在均勻單晶材料中自由移動(dòng)，由于單晶在結(jié)構(gòu)上及化學(xué)上都均勻，所述壁在其中不會(huì)遇到任何障礙。在非晶材料中，磁疇壁不會(huì)遇到任何障礙，因?yàn)樵谶@樣的材料中，結(jié)構(gòu)上或者化學(xué)上的變化比疇壁的厚度小得多。通常，軟磁性材料(例如NiFe或者FeCo)的磁疇壁厚度的數(shù)量級(jí)在幾百個(gè)納米，在極端情況下，達(dá)到Iym,因此,尺寸小于IOOnm的晶粒不能對(duì)疇壁形成有效障礙。在這些材料中，磁疇的形狀和尺寸依賴于退磁磁場(chǎng)以及試圖最小化磁化系統(tǒng)能量的磁化對(duì)象的形狀。W02007/106024公開(kāi)了ー種用于制造在承載構(gòu)件上的層的方法，所述層意圖用于測(cè)量由施加到承載構(gòu)件上的力引起的應(yīng)力，其中所述方法包含在所述構(gòu)件的表面上形成平均晶粒尺寸小于50nm的磁彈性合金的納米晶層，以及熱處理所述層直到所述合金發(fā)生結(jié)晶化且平均晶粒尺寸變?yōu)樵贗OOnm到IOOOOnm范圍內(nèi)。由于所述方法制造了晶粒尺寸大到足以適應(yīng)ー個(gè)或者只是幾個(gè)磁疇的微結(jié)構(gòu)層，這種方法顯著地改善了所述層的應(yīng)カ測(cè)量特性。平均晶粒尺寸小于50nm的納米晶層為結(jié)晶化及定制以上提到的微結(jié)構(gòu)提供了有利的條件。晶粒尺寸大于IOOOOnm的微結(jié)構(gòu)趨于具有較高的磁彈性靈敏度，當(dāng)嘗試獲得上述提到的寬測(cè)量范圍時(shí)，其是不利的。所述層優(yōu)選地借助于電鍍而形成在所述構(gòu)件上，因?yàn)殡婂兪签`種用于獲得所期望的晶粒尺寸的磁彈性材料的合適方法。所述文件提到也可能使用其他方法將所述層施加到承載構(gòu)件上，例如PVD(物理氣相沉積)方法，CVD(化學(xué)氣相沉積)方法，以及金屬噴鍍。然而，電鍍方法也有ー些缺點(diǎn)。缺點(diǎn)之一是在施加較厚層時(shí)電鍍需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。以上提到的在承載構(gòu)件上的層適當(dāng)?shù)睾裼?0 u m,且優(yōu)選地所述層的厚度在100 u m到300 y m之間。使用電鍍來(lái)施加這樣的厚層需要花費(fèi)數(shù)小吋。因此，電鍍不是ー種在商業(yè)上有吸引力的將所述層施加到承載構(gòu)件上的方法。電鍍的另ー缺點(diǎn)是其能夠?qū)е滤鰧邮┘拥降牟牧系膹?qiáng)度降低，且對(duì)堅(jiān)硬材料例如滲碳鋼尤其如此。所述層的施加快速且簡(jiǎn)便從而經(jīng)濟(jì)上可行很重要。ー個(gè)原子接ー個(gè)原子的層施加方法，例如物理或者化學(xué)氣相沉積，緩慢且在建立幾十或者幾百微米厚的層時(shí)其存在很大的局限性。粉末冶金方法，例如熱噴鍍、激光熔覆及燒結(jié)的優(yōu)點(diǎn)是在建立層厚度時(shí)非?？焖偾也粨p害承載層的強(qiáng)度。高速熱噴鍍技術(shù)是在其中將由顆粒形成的粉末噴鍍到表面的覆蓋エ藝。在應(yīng)用粉末之前可加熱所述粉末。所述粉末通常饋入到噴鍍槍中，在噴鍍槍中，所述粉末能夠在被朝向?qū)⒁桓采w的材料加速時(shí)被加熱。當(dāng)噴鍍顆粒沖擊到表面上時(shí)，所述顆粒冷卻并建立形成所述覆蓋層的結(jié)構(gòu)。粉末冶金方法的顯著特征是當(dāng)形成金屬層時(shí)，由于顆粒在覆蓋層中全部或者部分熔化而導(dǎo)致所制造的覆蓋層不均勻。通常，粉末中顆粒的表面由另ー種材料的外層覆蓋，通常為所述金屬的氧化物。顆粒的外層被包含在覆蓋層中且因此有助于所制造的覆蓋層的不均勻。許多粉末冶金方法的一個(gè)眾所周知的問(wèn)題是由于在噴鍍過(guò)程中加熱粉末及金屬粉末與空氣接觸而導(dǎo)致的氧化。由于所制造的覆蓋層的不均勻以及在層沉積時(shí)相對(duì)高的溫度，高速熱噴鍍技術(shù)不適用于獲得具有所期望的一致的化學(xué)組分和晶粒尺寸的均勻納米晶層。因此，高速熱噴鍍技術(shù)不能用來(lái)制造要實(shí)施如W02007/106024所描述的方法所需要的均勻納米晶層。US6, 465，039公開(kāi)了ー種用于在軸上形成磁致伸縮混合物覆蓋層的方法。通過(guò)低溫、高速噴鍍將磁致伸縮稀土鐵化合物(REF2)顆粒的粉末混合物及由噴鍍氣體流所承載的基質(zhì)金屬顆粒施加到所述軸上。所述氣體的溫度可能在300攝氏度到1000攝氏度之間變化。針對(duì)所述軸，所噴鍍的基質(zhì)金屬顆粒的顆粒尺寸范圍從63 y m到90 u m,及所噴鍍的磁致伸縮稀土鐵顆粒的顆粒尺寸范圍從63 y m到106 u m。所述覆蓋層自身包含硬磁性材料，因此在所述覆蓋層中產(chǎn)生及保持穩(wěn)恒磁場(chǎng)。將具有覆蓋層的軸使用于傳感器中以測(cè)量施加到所述軸上的扭矩。由于所述覆蓋層磁導(dǎo)率的變化，穩(wěn)恒磁場(chǎng)依賴于施加到所述軸上的扭矩而改變方向。為了使US6，465，039中描述的磁弾性傳感器成功操作，需要具有矯頑カ超過(guò)數(shù)千或者甚至數(shù)萬(wàn)A/m的磁性硬材料，而這對(duì)于以層中的時(shí)變磁場(chǎng)在測(cè)量設(shè)備中引起電壓以便檢測(cè)磁導(dǎo)率的變化為原理而工作的磁彈性傳感器的情況來(lái)說(shuō)是不需要具有的。發(fā)明目的及

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于制造具有良好應(yīng)カ測(cè)量特性的磁彈性材料層的方法，所述方法克服了以上提到的伴隨電鍍的缺點(diǎn)。所述目的通過(guò)由權(quán)利要求1限定的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣的方法包含以超過(guò)300m/s的速度朝向承載構(gòu)件的表面加速平均尺寸在10 ii m到50 ii m范圍內(nèi)的軟磁性并且磁彈性的材料的顆粒，使得被加速顆粒的平均溫度不高于所述磁彈性材料熔化溫度以上500攝氏度，但是也不低于所述磁彈性材料的熔化溫度以下500攝氏度。發(fā)明人出人意料地發(fā)現(xiàn)，與W02007/106024中描述的方法相比，這樣的方法獲得的層具有一祥好或者更好的應(yīng)カ測(cè)量特性。該方法的ー個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于其非?？焖?，且因此經(jīng)濟(jì)上可行，而且這樣的方法并不損害承載構(gòu)件的強(qiáng)度。由于相對(duì)低的顆粒溫度及顆粒的高速度，層中的氧化水平保持低，且因此獲得傳感器輸出信號(hào)的低磁滯。另外，顆粒的高速度也提供了在層與承載構(gòu)件之間良好的附著性。顆粒的平均溫度不應(yīng)當(dāng)?shù)陀谌刍瘻囟纫韵?00攝氏度，優(yōu)選地，不低于熔化溫度以下200攝氏度，且更優(yōu)選地，不低于熔化溫度以下100攝氏度。顆粒的平均溫度不應(yīng)當(dāng)高于熔化溫度以上500攝氏度，優(yōu)選地，不高于熔化溫度以上200攝氏度，且更優(yōu)選地，不高于熔化溫度以上100攝氏度。由于顆粒的平均溫度在顆粒熔化溫度附近，當(dāng)將顆粒施加到承載構(gòu)件的表面吋，大多數(shù)顆粒將至少部分熔化或者變形。這導(dǎo)致在所述層中形成許多區(qū)域，每個(gè)區(qū)域由具有明顯不同的化學(xué)或者結(jié)構(gòu)特性的材料所包圍，由此當(dāng)有磁場(chǎng)出現(xiàn)時(shí)，在各個(gè)區(qū)域之間形成疇壁。在區(qū)域中的材料與周圍的材料可能在化學(xué)組分、晶向和/或晶粒尺寸方面不同。被加速顆粒的尺寸、速度以及溫度強(qiáng)烈地影響區(qū)域尺寸。測(cè)試證明，加速平均尺寸在10 y m到50 u m范圍內(nèi)且溫度接近磁彈性材料熔化溫度的顆?？色@得平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范圍內(nèi)的區(qū)域。這種尺寸的區(qū)域形成ー個(gè)或者ー些磁疇。已經(jīng)證明這樣的微結(jié)構(gòu)可提供有利的應(yīng)カ測(cè)量特性。因此，層的平均晶粒尺寸可在IOOnm以上，也可在IOOnm以下，且仍然可獲得有利的應(yīng)カ測(cè)量特性。另外，顆粒平均溫度接近顆粒熔化溫度提供具有良好附著性的致密層。為獲得具有所期望強(qiáng)度及密度的層以及對(duì)軸良好的附著性，如果至少ー些顆粒熔化會(huì)是ー個(gè)優(yōu)點(diǎn)。磁彈性材料的熔化溫度通常為大約1500攝氏度。1800攝氏度附近的氣體溫度可獲得在磁彈性材料熔點(diǎn)附近的顆粒溫度，且因此可獲得部分熔化的顆粒。為獲得接近熔化溫度的溫度，借助于具有溫度范圍在1500攝氏度到1900攝氏度之間的氣體來(lái)加速顆粒是合適的。由于磁彈性材料粉末顆粒只在熱氣體流中度過(guò)幾毫秒或者更少的時(shí)間，所述顆粒沒(méi)有時(shí)間在沖擊襯底時(shí)達(dá)到平衡溫度，即與所述氣體直接接觸的顆粒表面將會(huì)比顆粒中心達(dá)到更高的溫度。這是對(duì)于較大顆粒的情況。在通過(guò)熱氣體流運(yùn)送的過(guò)程中，粉塵顆粒常常會(huì)熔化且會(huì)被氧化。這些大相徑庭的溫度條件對(duì)顆粒的氧化及對(duì)它們?cè)谛纬蓪訒r(shí)的最終結(jié)晶尺寸有很大影響。容易理解的目標(biāo)是在制造金屬層時(shí)降低氧化，從而這在磁彈性傳感器情況下產(chǎn)生傳感器的較低磁滯。較大的粉末顆粒將會(huì)導(dǎo)致與上述論述一致的非常低的氧化水平，但是反過(guò)來(lái)顆粒的附著性以及顆粒間的粘連兩者都將會(huì)受到損害。利用根據(jù)本發(fā)明的方法，可能獲得多個(gè)氧水平低于I %的重量百分比的磁彈性區(qū)域。完全熔化的顆粒容易氧化，且當(dāng)顆粒沖擊到襯底時(shí)，所述顆粒驟冷到平均晶粒尺寸在IOOnm以下的納米晶結(jié)構(gòu)中。熔化的顆粒中的氧含量依賴于承載氣體的溫度及氣體中的氧供應(yīng)。利用根據(jù)本發(fā)明的方法，可有利地獲得熔化的顆粒的低氧化。另ー方面，未熔化的顆粒經(jīng)常傾向于足夠溫暖以在朝向村底運(yùn)送時(shí)再結(jié)晶并且以固態(tài)沖擊襯底，這導(dǎo)致晶粒尺寸相當(dāng)大在幾千納米范圍內(nèi)。每種金屬噴鍍沉積方法都具有最優(yōu)顆粒尺寸，以允許獲得期望水平的熔化，從而獲得期望的晶粒尺寸以及具有良好附著性的致密層。商業(yè)上可用的粉末包含一定范圍內(nèi)不同尺寸的顆粒。因此，所述層變得對(duì)于晶體尺寸不均勻，這出人意料地給出幫助將層按磁彈性材料的直徑分解為幾百納米的區(qū)域的附加參數(shù)，給出期望的磁疇尺寸，以及允許定制磁彈性層的カ傳感器特性。例如金屬晶粒邊界、氧化物層或者區(qū)域、以及具有不同化學(xué)組分的層之類的結(jié)構(gòu)特征限定了磁疇邊界，且如果這些特征相分離間隔至少lOOnm，它們能夠有效地形成對(duì)磁疇壁的障礙以及為磁疇壁提供釘扎。在超過(guò)IOOnm的范圍內(nèi)且由這些結(jié)構(gòu)以及層中的化學(xué)缺陷釘扎的磁疇提供期望的磁彈性傳感器特性，例如相對(duì)低的磁導(dǎo)率及磁彈性靈敏度。出人意料地，使用根據(jù)本發(fā)明的方法獲得所期望的相對(duì)低水平的磁導(dǎo)率以及磁彈性靈敏度，而不需要任何諸如退火之類的進(jìn)一歩處理。優(yōu)選地，磁彈性材料顆粒的平均尺寸在10 ii m到30 ii m范圍內(nèi)。由此，確保盡可能多的區(qū)域具有在IOOnm到IOOOOnm范圍內(nèi)的平均尺寸，然而，最優(yōu)選地平均尺寸在IOOnm到IOOOnm范圍內(nèi)。這個(gè)實(shí)施方式也提供了更加致密且具有更好附著性的層。優(yōu)選地，通過(guò)高速熱噴鍍方法將顆粒施加到承載構(gòu)件，舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)高速燃?xì)鈬娡?HVAF)。HVAF提供在期望范圍內(nèi)的顆粒溫度及速度、區(qū)域的低氧水平以及具有良好粘連的致密覆蓋層。本發(fā)明的另一目的是提供擁有具有良好應(yīng)カ測(cè)量特性的磁彈性層的傳感器，其中所述層能夠以克服了上述提到的伴隨電鍍的缺陷的方法形成于承載構(gòu)件之上。該目的通過(guò)由權(quán)利要求6限定的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣的傳感器的特征在于所述層不均勻，且其包含平均晶粒尺寸在IOOnm以下且具有第一化學(xué)組分的第一相，以及具有顯著不同化學(xué)組分的第二相，其中所述第一相由所述第二相分割成平均尺寸在100到IOOOOnm范圍內(nèi)的區(qū)域，且所述區(qū)域中的多個(gè)區(qū)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顆粒構(gòu)成。第一及第二相具有顯著不同的化學(xué)組分，且第二相將第一相分割成多個(gè)區(qū)域，在有磁場(chǎng)出現(xiàn)時(shí)，所述區(qū)域相應(yīng)地形成磁疇。由于其顯著不同的化學(xué)組分，第二相限定圍繞所述區(qū)域的磁疇壁。具有在高于IOOnm但是低于
IOOOOnm的范圍內(nèi)的區(qū)域的微結(jié)構(gòu)提供期望的磁彈性傳感器特性，例如相對(duì)低的磁導(dǎo)率及磁彈性靈敏度。根據(jù)本發(fā)明的傳感器具有大負(fù)載范圍、低磁滯以及低靈敏度以獲得線性傳感器。不均勻?qū)拥钠骄Я３叽鐚?duì)于獲得期望的應(yīng)カ測(cè)量特性來(lái)說(shuō)不再像其在現(xiàn)有技術(shù)中那樣重要。重要的是區(qū)域的平均尺寸。在區(qū)域中低于1%的重量百分比的氧水平保證了傳感器輸出信號(hào)的低磁滯。氧水平的意思是相中的氧含量?？赡艽嬖谘跛礁哂?%的重量百分比的區(qū)域。然而，大部分的所述區(qū)域應(yīng)當(dāng)具有低于1%的重量百分比的氧水平以獲得期望的應(yīng)カ測(cè)量特性。優(yōu)選地，層中的至少50%的重量百分比的磁彈性材料應(yīng)當(dāng)具有低于1%的重量百分比的氧水平，以獲得低磁滯以及期望的低靈敏度。獲得期望的區(qū)域及疇壁釘扎的ー種替代是提供具有第一化學(xué)組分的區(qū)域，所述區(qū)域被具有與所述第一組分不同的第二化學(xué)組分的材料包圍。具有第一組分的區(qū)域與具有第ニ組分的周圍區(qū)域之間的邊界線形成疇壁。舉例來(lái)說(shuō)，第一化學(xué)組分的氧水平低于1%的重量百分比，第二化學(xué)組分的氧水平高于5%的重量百分比。由于在噴鍍中加熱粉末及金屬粉末與空氣接觸，顆粒的表面將被氧化物層覆蓋。當(dāng)部分熔化的顆粒擊中承載構(gòu)件時(shí)，顆粒部分變形但是未完全破壞。氧化物層的殘余將形成邊界，所述邊界能夠成為圍繞所述區(qū)域的磁疇壁，因此為磁弾性傳感器提供合適尺寸的磁疇。根據(jù)該實(shí)施方式，第二相由金屬氧化物構(gòu)成。替代地，第二相可由碳氮化合物或者氟化物構(gòu)成。純金屬或者非金屬也可形成第二相。獲得期望區(qū)域邊界，從而獲得期望磁疇壁釘扎位置(即磁疇壁的障礙物)的另ー種替代是提供平均晶粒尺寸在IOOnm到IOOOOnm范圍內(nèi)的區(qū)域，所述區(qū)域被平均晶粒尺寸小于IOOnm的材料所包圍。具有較大晶粒尺寸的區(qū)域與具有較小晶粒尺寸的周圍區(qū)域之間的邊界線形成磁疇壁的障礙物。具有較小晶粒尺寸的區(qū)域由熔化的粉末顆粒構(gòu)成。具有較大晶粒尺寸的區(qū)域由未熔化的粉末顆粒構(gòu)成。這樣的層可如下制造，例如通過(guò)使用包含不同尺寸顆粒且包含一部分具有較小尺寸的顆粒的粉末，所述具有較小尺寸的顆粒在噴鍍過(guò)程中熔化且因此形成平均晶粒尺寸小于IOOnm的材料。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，層包含平均晶粒尺寸超過(guò)IOOnm的第三相，第三相包含多個(gè)由第一及第二相包圍的顆粒，且每個(gè)顆粒包含ー個(gè)或者多個(gè)平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范圍內(nèi)且氧水平低于I %的重量百分比的區(qū)域，及每個(gè)區(qū)域由具有顯著不同結(jié)構(gòu)特性的材料包圍。第三相由被熔化的顆粒包圍的未熔化顆粒構(gòu)成。所述粉末顆粒包含ー個(gè)或者多個(gè)平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范圍內(nèi)的晶粒。晶粒具有不同的晶向。晶粒之間的邊界線限定磁疇壁。另外，在第一及第三相之間的邊界線也由于顯著不同的晶粒尺寸而形成磁疇壁。相應(yīng)地，在有磁 場(chǎng)出現(xiàn)時(shí)，晶粒形成磁疇。優(yōu)選地，第一和第二相占到所述層的10-90%的重量百分比，且更優(yōu)選地占到所述層的20-80%的重量百分比。當(dāng)?shù)谝慌c第三相的重量百分比基本相同時(shí)，可獲得最有利的應(yīng)カ測(cè)量特性。合適地，通過(guò)熱噴鍍包含平均尺寸在10 ii m到50 ii m之間的材料顆粒的粉末而將磁彈性材料層形成于構(gòu)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顆粒構(gòu)成。熱噴鍍建立層厚度非常快速且不損害承載構(gòu)件的強(qiáng)度。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，磁彈性材料包含至少60%的原子百分比的金屬或者金屬合金，所述金屬或者金屬合金包含鐵、鎳及鈷構(gòu)成的組中的一個(gè)或者多個(gè)組分。已經(jīng)證明，能夠?yàn)閷犹峁﹥?yōu)異特性的合適合金為包含鐵在23-65%的重量百分比范圍內(nèi)，優(yōu)選地，25-50 %的重量百分比，且最優(yōu)選地30-45 %的重量百分比，以及鎳在35-77 %的重量百分比范圍內(nèi)，優(yōu)選地50-75%的重量百分比，以及最優(yōu)選地55-70%的重量百分比的合金。根據(jù)本發(fā)明的傳感器能夠，舉例來(lái)說(shuō)，用于測(cè)量以下(但是不限于)諸物中的扭矩或者力，例如引擎、汽車、飛機(jī)、噴氣式引擎、自行車、變速箱、汽車中的助力轉(zhuǎn)向、工具、螺旋槳引擎或者直升機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的傳感器對(duì)測(cè)量交通工具中的扭矩尤其有用。


現(xiàn)在將通過(guò)對(duì)本發(fā)明不同實(shí)施方式的描述以及參考所附的附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳
細(xì)解釋。圖1示出了包含被磁彈性層覆蓋的承載構(gòu)件的測(cè)量設(shè)備的示例。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的磁致伸縮層的特征微結(jié)構(gòu)的圖示，所述層包含在其內(nèi)部具有晶粒的顆粒及顆粒之間的先前熔化區(qū)域。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的磁致伸縮層的先前熔化區(qū)域的放大圖。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的磁致伸縮層的先前熔化區(qū)域的進(jìn)ー步放大圖。圖5示出了包含由不同方法制造的磁彈性層的4個(gè)傳感器的磁滯作為扭矩的函數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述圖1示出了包含承載構(gòu)件的測(cè)量設(shè)備的示例，所述承載構(gòu)件是旋轉(zhuǎn)軸I的形式，其中所述旋轉(zhuǎn)軸I被設(shè)置用于利用任何類型的機(jī)械傳動(dòng)來(lái)傳輸扭矩。所述設(shè)備適用于測(cè)量施加到承載構(gòu)件上的扭矩。承載構(gòu)件由具有足夠剛度的材料制成，例如鋼。磁彈性區(qū)域2提供于軸I上。磁彈性區(qū)域2包含磁彈性材料的第一層3，其在所述區(qū)域2中具有基本連續(xù)的延伸及厚度。在該實(shí)施方式中，磁彈性層3由噴鍍形成，且主要包含鐵和鎳。連續(xù)條帶形式的第二層4提供于第一層3之上。第二層4在第一層3上形成表面圖案。另外，測(cè)量設(shè)備包含用于提供交變磁場(chǎng)到測(cè)量設(shè)備的繞組5a-b。這種類型的測(cè)量設(shè)備在，例如國(guó)際專利申請(qǐng)TO01/44770中有更詳細(xì)描述。本發(fā)明涉及第ー磁彈性層3以及用于制造這樣的層的方法。實(shí)驗(yàn)證明，包含在一定范圍內(nèi)的鐵、鎳及其他合金成分的合金獲得良好的應(yīng)カ測(cè)量特性。磁彈性層由，例如大致50%的重量百分比的鐵、大致50%的重量百分比的鎳及小于1%的重量百分比的其他合金成分組成。然而，雖然還未經(jīng)測(cè)試，很可能特定比例的合金成分的其他組合也能夠使用根據(jù)本發(fā)明的方法而獲得相同的結(jié)果。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠通過(guò)合理實(shí)踐查明所述方法對(duì)其他合金成分是否也適用以及其在何種范圍內(nèi)適用。舉例來(lái)說(shuō)，鐵和鈷的組合或者鎳和鈷的組合有可能獲得相同的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明的用于制造層3材料的方法包含以至少300m/s的速度朝向承載構(gòu)件I的表面加速平均尺寸在10 ii m到50 ii m范圍內(nèi)的軟磁性并且磁彈性的材料的顆粒，使得被加速顆粒的平均溫度低于所述顆粒的熔化溫度，但是不低于所述熔化溫度以下500攝氏度。所述顆粒不包含任何硬磁性材料，只包含軟磁性材料。存在一些商業(yè)上可用的熱噴鍍方法。然而，這些方法在噴鍍顆粒溫度及速度方面不同。一種用來(lái)獲得期望的顆粒溫度及速度的尤其適用的方法是高速燃?xì)鈬娡?HVAF)。HVAFエ藝在，例如由美國(guó)佛吉尼亞阿什蘭 UniqueCoat Technologies 的 A. Verstak 及 V. Baranovski 寫(xiě)作的題為 “Activatedしombustion HVAF Coatings for Protection against Wear andHigh i'emperatureCorrosion"的文章中描述。根據(jù)HVAFエ藝，噴鍍粉末顆粒在被加速到速度遠(yuǎn)大于700m/s時(shí)，被加熱到低于熔點(diǎn)的溫度，以形成致密且具有最小熱退化的非氧化型沉積。
替代地，冷噴鍍(也稱為動(dòng)力學(xué)噴鍍)與預(yù)加熱粉末一起使用，可用于將層施加到承載構(gòu)件上。高速火焰噴涂(HVOF)也是ー種可能使用的方法。如果使用HV0F，則需要降低氧水平，舉例來(lái)說(shuō)，通過(guò)選擇具有較大顆粒尺寸的粉末，在保護(hù)性環(huán)境或者真空中噴鍍。另ー種可能性是使用燒結(jié)來(lái)施加所述層。另ー種可能性是使用由不同方法施加的兩個(gè)或者多個(gè)層，以便組合不同噴鍍方法的優(yōu)勢(shì)。舉例來(lái)說(shuō)，使用HVOF將第一層施加到金屬軸上以獲得對(duì)軸具有良好粘連的層，然后使用冷噴鍍?cè)诘谝粚又鲜┘犹峁┝己脩?yīng)カ測(cè)量特性的第ニ層。為獲得本發(fā)明有優(yōu)勢(shì)的測(cè)量特性，應(yīng)當(dāng)避免使用將碳或者氮引入到所述層中的施加方法，例如激光融覆以及磁彈性層的再熔化。如果在區(qū)域中碳和氮的總含量超過(guò)1%的重量百分比，則可能的風(fēng)險(xiǎn)是傳感器的磁滯會(huì)變得過(guò)高。上述提到的噴鍍方法并不會(huì)將碳或者氮并入到層的磁弾性部分，且因此是合適的方法。相應(yīng)地，至少ー些區(qū)域中的碳和氮的總含量應(yīng)當(dāng)?shù)陀?%的重量百分比。如果所述方法還在層中引入氧，則在至少ー些區(qū)域中，碳、氮及氧的總含量應(yīng)當(dāng)?shù)陀?%的重量百分比。被噴鍍狀態(tài)中的噴鍍金屬層包含大量的缺陷，所述缺陷可被退火以穩(wěn)定所述層的磁彈性特性。在金屬噴鍍沉積エ藝中，適合使用諸如Al2O3的硬顆粒，所述硬顆粒具有顯著較高的熔點(diǎn)且因此將中等程度地(通常為5-10%的體積百分比)并入到所述層中。這些顆粒在不顯著影響傳感器其他磁彈性特性的情況下，積極地影響所述層的附著性，因此積極影響傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及較低的磁彈性傳感器磁滯。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的并且通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的方法制造的磁致伸縮層的特征微結(jié)構(gòu)的圖。所述層 包含不均勻磁彈性材料，例如鐵鎳合金，其具有晶粒尺寸顯著不同的溶化相及非熔化相。非熔化相包含多個(gè)源于粉末顆粒的顆粒10a-b。姆個(gè)顆粒包含一個(gè)或者多個(gè)晶粒12a_b。晶粒可能由氧化物層包圍。大多數(shù)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之間。晶粒形成氧低于1%的區(qū)域12a-b。每個(gè)區(qū)域可形成一個(gè)磁疇，即具有均勻磁化方向的區(qū)域。舉例來(lái)說(shuō)，每個(gè)顆粒IOa僅包含一個(gè)晶粒,其相應(yīng)地形成ー個(gè)區(qū)域12a。姆ー個(gè)顆粒IOb包含多個(gè)晶粒,姆個(gè)晶粒形成ー個(gè)區(qū)域12b。顆粒的晶粒具有不同的晶向，且因此在各個(gè)晶粒之間形成功能為各個(gè)區(qū)域之間疇壁的結(jié)構(gòu)邊界。非熔化相的顆粒由熔化相材料14包圍。熔化相材料的平均晶粒尺寸小于lOOnm。熔化相材料由在噴鍍過(guò)程中已經(jīng)熔化并且然后凝固的顆粒形成。兩個(gè)相之間的邊界也形成磁疇壁。圖3在放大圖中示出了熔化相材料。圖4在進(jìn)ー步放大圖中示出了熔化相材料。如圖4所示，熔化相由在噴鍍過(guò)程中已經(jīng)熔化的材料構(gòu)成，其包含大量平均尺寸小于IOOnm的小晶粒15。大多數(shù)晶粒具有低于1%的重量百分比的氧化物水平。熔化相材料還包括其他化學(xué)組分、通常為氧化物的邊界17，其包圍晶粒15的區(qū)域18。在該示例中，邊界由金屬氧化物構(gòu)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范圍內(nèi)的區(qū)域。所述區(qū)域中的多個(gè)區(qū)域具有低于1%的重量百分比的氧水平。邊界17的材料可能源自粉末顆粒上的氧化物覆蓋層。當(dāng)顆粒熔化時(shí)，氧化物覆蓋層將會(huì)形成包圍小晶粒15的區(qū)域18的邊界。在這種情況下，邊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區(qū)域18，所述第二相包含不同化學(xué)組分的邊界17。由于晶粒15與邊界17顯著不同的組分，區(qū)域18之間的邊界17形成磁疇壁，且由邊界17包圍的區(qū)域18形成磁疇。區(qū)域18的平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范圍內(nèi)。因此，熔化相也包含多個(gè)氧水平低于I %的重量百分比的區(qū)域18。相應(yīng)地，在圖2、圖3及圖4中示出的層具有兩種類型的區(qū)域，ー種12a-b由具有顯著不同結(jié)構(gòu)特性(晶粒尺寸)的材料包圍，及ー種由具有顯著不同化學(xué)特性(組分)的材料包圍。這樣的層通過(guò)以下制造使用包含不同尺寸顆粒且具有一部分小尺寸顆粒的粉末，所述小尺寸顆粒在噴鍍過(guò)程中熔化，或者使用相當(dāng)高的噴鍍溫度使得大量顆粒在噴鍍過(guò)程中熔化。圖5示出了作為施加到傳感器上的扭矩的函數(shù)的四個(gè)扭矩傳感器的輸出信號(hào)的磁滯的三條曲線A、B及C。應(yīng)當(dāng)避免輸出信號(hào)中的磁滯，因?yàn)榇艤埓鬁y(cè)量誤差。三個(gè)傳感器中的每ー個(gè)包含由不同方法制造的磁彈性層3。所述曲線基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。磁滯以針對(duì)測(cè)量區(qū)域+/-300Nm的滿標(biāo)度的百分比(％)來(lái)表達(dá)。每個(gè)傳感器由使用包含鐵鎳合金(50%的重量百分比鐵及50%的重量百分比鎳)顆粒的粉末的高速噴鍍方法制造。鐵鎳合金的熔化溫度大約是1500攝氏度。三個(gè)方法之間的主要不同在干在加速過(guò)程中承載顆粒的氣體流的溫度及相應(yīng)的被加速顆粒的平均溫度，顆粒的速度以及顆粒的尺寸。曲線A對(duì)應(yīng)的層由根據(jù)本發(fā)明的方法制造。被加速的粉末具有IOiim到30 iim的顆粒尺寸、大約1800攝氏度的氣體溫度、600-900m/s的顆粒速度及接近合金熔化溫度的平均顆粒溫度。這ー方法獲得了具有多個(gè)氧水平低于1%的重量百分比并且平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范圍內(nèi)的區(qū)域的層。然而，也有具有較高氧水平的區(qū)域，例如各個(gè)區(qū)域之間的邊界中。從圖中可以看出，這種方法制造了具有低磁滯且因此具有良好的測(cè)量特性的傳感器。曲線B對(duì)應(yīng)的層由具有大于50 iim的平均顆粒尺寸、大約1800攝氏度的氣體溫度、600-900m/s的顆粒速度及低于合金熔化溫度的平均顆粒溫度的粉末制造。所述方法制造了具有很大一部分非熔化相的層，其導(dǎo)致了所述層致密性差以及對(duì)襯底粘連差。從圖中可以看出，這種方法制造了具有高磁滯且因此具有差的測(cè)量特性的傳感器。由于大的平均顆粒尺寸，這樣的方法得到了對(duì)軸的附著性差且較不致密的層。曲線C對(duì)應(yīng)的層由具有10 ii m到30 ii m的平均顆粒尺寸、大約2800攝氏度的氣體溫度、300-800m/s的顆粒速度及遠(yuǎn)高于合金熔化溫度的平均顆粒溫度的粉末制造。由于高的顆粒溫度，所述方法并未產(chǎn)生任何氧水平低于I %的重量百分比的區(qū)域。高的顆粒溫度使得在噴鍍過(guò)程中所有的顆粒都熔化。從圖中可以看出，這種方法制造了具有非常高的磁滯且因此具有非常差的測(cè)量特性的傳感器。從圖5可以清楚看出，根據(jù)本發(fā)明的方法制造了ー種具有顯著最低磁滯且因此具有最好的測(cè)量特性的傳感器。顆粒溫度能夠例如，借助于噴鍍表(Oseir公司)來(lái)測(cè)量。顆粒的溫度依賴于氣體溫度以及顆粒尺寸。如果顆粒的平均尺寸太小，則顆粒將會(huì)被燒焦。如果顆粒的平均尺寸太大和/或如果被加速的顆粒的速度或顆粒的溫度太低，則結(jié)果是層與軸的附著性差。本發(fā)明并不限于所公開(kāi)的實(shí)施方式，而是可能在以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)修改及變化。
權(quán)利要求
1.一種傳感器，其用于測(cè)量由施加到承載構(gòu)件(I)上的力引起的應(yīng)力，其中所述傳感器包括形成于所述承載構(gòu)件上的磁彈性材料層(3)，且所述傳感器被設(shè)置用于在所述磁彈性層中產(chǎn)生時(shí)變磁場(chǎng)，檢測(cè)所述層中磁導(dǎo)率的變化，以及基于檢測(cè)到的所述層中磁導(dǎo)率的變化而確定所述應(yīng)力， 其特征在于，所述層不均勻，且包含平均晶粒尺寸低于IOOnm且具有第一化學(xué)組分的第一相，以及具有顯著不同化學(xué)組分的第二相(17)，所述第一相被所述第二相分割成平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范圍內(nèi)的區(qū)域(18)，且所述區(qū)域中的多個(gè)區(qū)域具有低于1%的重量百分比的氧水平。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述第二相具有超過(guò)5%的氧水平。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的傳感器，其中所述層包含多個(gè)被所述第一相和第二相包圍的顆粒，且每個(gè)顆粒包含一個(gè)或者多個(gè)平均尺寸在IOOnm到IOOOOnm范圍內(nèi)且氧水平低于1%的重量百分比的晶粒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中第一相占到所述層的10-90%的重量百分比。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中通過(guò)熱噴鍍包含平均尺寸在10-50 范圍內(nèi)的材料顆粒的粉末，將所述磁彈性層形成在所述構(gòu)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顆粒構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述磁彈性材料包含至少60%的原子百分比的金屬或者金屬合金，其中所述金屬或金屬合金包含選自鐵、鎳及鈷構(gòu)成的組中的一個(gè)或者多個(gè)組分。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述磁彈性材料包含23-65%的重量百分比范圍內(nèi)的鐵，以及35-77%的重量百分比范圍內(nèi)的鎳。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述層中至少50%的重量百分比的所述磁彈性材料具有低于I%的重量百分比的氧水平。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器，其中所述磁彈性材料包含23-65 %的重量百分比范圍內(nèi)的鐵，優(yōu)選地25-50 %的重量百分比，且最優(yōu)選地30-45 %的重量百分比，以及在35-77%的重量百分比范圍內(nèi)的鎳，優(yōu)選地50-75%的重量百分比，且最優(yōu)選地55-70 %的重量百分比。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的傳感器用于測(cè)量交通工具中的扭矩的用途。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了測(cè)量應(yīng)力的包含磁彈性材料層的傳感器以及制造層的方法。所述傳感器用于測(cè)量由施加到承載構(gòu)件上的力引起的應(yīng)力。所述傳感器包含形成于承載構(gòu)件上的磁彈性材料層。所述層為不均勻的，且包含平均晶粒尺寸低于100nm且具有第一化學(xué)組分的第一相，以及具有顯著不同化學(xué)組分的第二相(17)，第一相由第二相分割成平均尺寸在100nm到10000nm范圍內(nèi)的區(qū)域(18)，且所述區(qū)域中的多個(gè)區(qū)域具有低于1％的重量百分比的氧水平。本發(fā)明也涉及以至少300m/s的速度朝向承載構(gòu)件的表面加速軟磁性材料和平均尺寸在10μm到50μm范圍內(nèi)的磁彈性材料的顆粒，使得被加速顆粒的平均溫度不高于所述磁彈性材料熔化溫度以上500攝氏度，但是也不低于所述磁彈性材料的熔化溫度以下500攝氏度。
文檔編號(hào)H01L41/22GK103033299SQ201210470680
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2009年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者H·林, A·米尼奧塔斯 申請(qǐng)人:Abb公司