JPH0827199B2 - Sensor decals and how to make sensors - Google Patents
Sensor decals and how to make sensorsInfo
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- JPH0827199B2 JPH0827199B2 JP6038985A JP3898594A JPH0827199B2 JP H0827199 B2 JPH0827199 B2 JP H0827199B2 JP 6038985 A JP6038985 A JP 6038985A JP 3898594 A JP3898594 A JP 3898594A JP H0827199 B2 JPH0827199 B2 JP H0827199B2
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- Measurement Of Force In General (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Testing Or Calibration Of Command Recording Devices (AREA)
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、状態を感知するために
用いられるセンサに関し、更に具体的に言えば、作成し
易く、使用し易い薄膜センサ構造に関する。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to sensors used to sense conditions, and more particularly to thin film sensor structures that are easy to fabricate and use.
【0002】[0002]
【従来の技術】試験中及び使用中に、構造及びその他の
物品の表面にある材料及び環境の状態を測定することが
望ましい場合が多い。この情報は、この表面に取り付け
られているか又はその近くに配置されているセンサによ
って測定される。このデータは構造の性能と相関性を有
しており、現在の性能を評価するため、並びに将来の性
能を予測するための両方のために用いられる。BACKGROUND OF THE INVENTION It is often desirable to measure the condition of materials and the environment on the surfaces of structures and other articles during testing and use. This information is measured by sensors mounted on or near this surface. This data correlates with the performance of the structure and is used both to assess current performance as well as to predict future performance.
【0003】例えば、高温で運転されている構造の表面
温度は、構造の寿命を決定するときの1つの要因であ
る。表面温度は多数の方法で測定することができ、その
1つは熱電対である。熱電対は、2種類の金属で形成さ
れているバイメタルの対であり、それらの接触によって
温度に関係する電位が発生される。電位の測定値は、接
触点における温度に容易に換算される。熱電対は通常、
2種類の金属のワイヤを溶接し、その温度を測定しよう
とする表面に溶接されたビードを配置することによって
作成される。熱電対は、必要とするバイメタル接点を作
成できるように、2種類の金属を直接的に表面にスパッ
タリングするというような沈積方法によっても作成する
ことができる。For example, the surface temperature of structures operating at high temperatures is one factor in determining the life of a structure. Surface temperature can be measured in a number of ways, one of which is a thermocouple. A thermocouple is a bimetal pair formed of two kinds of metals, and their contact produces a potential related to temperature. The measured potential is easily converted to the temperature at the contact point. Thermocouples are usually
It is created by welding two metal wires together and placing a welded bead on the surface whose temperature is to be measured. Thermocouples can also be made by deposition methods such as sputtering two metals directly onto the surface so that the required bimetal contacts can be made.
【0004】熱電対は、電位を決定することによって、
環境の温度変数を決定する。内部に構造を有している媒
質の表面の組成のようなこの他の環境変数も、電気化学
的な手法によって測定することができる。例えば、スト
レイン・ゲージ及びひび割れ開口ゲージのような他の型
のセンサを用いて、構造自体の物理的な特性を測定する
こともできる。Thermocouples, by determining the electrical potential,
Determine the temperature variables of the environment. Other environmental variables such as the composition of the surface of the medium having the structure inside can also be measured by electrochemical techniques. Other types of sensors, such as strain gauges and crack opening gauges, can also be used to measure the physical properties of the structure itself.
【0005】物品の表面の種々の性質を測定するセンサ
が知られているが、それらの利用には、ある欠点がある
場合が多い。センサ自体が存在することが状態に影響を
与えることがある。例えば、ワイヤを溶接した熱電対を
表面に取り付けるとき、それが存在することによって、
表面における環境の流れパターンが変化し、そのために
温度が変化することがある。接近し難い場所にある表面
にセンサを取り付けることも不便であることがある。セ
ンサは、使用中の長期間にわたって表面上に容易に保持
することができないことがある。Although sensors that measure various properties of the surface of an article are known, their use often has certain drawbacks. The presence of the sensor itself can affect the condition. For example, when attaching a wire-welded thermocouple to a surface, its presence
The environmental flow pattern at the surface changes, which can result in changes in temperature. It may also be inconvenient to mount the sensor on a surface that is in an inaccessible location. The sensor may not be able to be easily retained on the surface for extended periods of use.
【0006】測定しようとする構造が極端な環境内で運
転される場合、これらの問題は特に痛切である。航空機
用ガスタービン機関では、高温部分の部品は、高速で腐
蝕性の強い燃焼ガスの流れ内で約2000°F及びそれ
以上の温度で運転される。使用中の表面温度及び部品の
変形の測定が、よりよい材料及び構造を開発する上で重
要であると共に、破損の発生が差し迫っていることを予
測するために、使用中においても重要である。これらの
ある部品の表面にセンサを設けることは容易にはでき
ず、設けたとしても、寿命が短い場合が多い。These problems are especially acute when the structure to be measured is operated in extreme environments. In aircraft gas turbine engines, the hot section components are operated at temperatures of about 2000 ° F. and above in a high velocity, highly corrosive combustion gas stream. Measuring surface temperature and component deformation during use is important in developing better materials and structures, and also during use to predict the imminent onset of failure. It is not easy to provide a sensor on the surface of some of these parts, and even if it is provided, the life is often short.
【0007】表面の変形、温度及びその他の性質を測定
するセンサを用いて、試験片、構造及びその他の物品を
計測する改良された方法に対する要望がある。本発明
は、この要望に応えるものであり、更にそれに関連する
利点を提供する。There is a need for improved methods of measuring test specimens, structures and other articles using sensors that measure surface deformation, temperature and other properties. The present invention meets this need and provides further associated advantages.
【0008】[0008]
【発明の要約】本発明は、その表面の種々の工学的な状
態を監視するために表面に取り付けられている広い範囲
の種々の薄膜センサに用いるのに適したセンサ構造、製
造方法及び適用方法を提供する。本発明の方式は、表面
から余り突出しないようにセンサを非常に薄くすること
ができる。センサ素子は1層構造でも又は多層構造でも
作成することができ、必要に応じて、絶縁体層及び保護
層のような周囲の層を設けることができる。センサは低
廉に作成することができて、表面に適用することが容易
である。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a sensor structure suitable for use in a wide variety of thin film sensors mounted on a surface to monitor various engineering conditions of the surface, methods of manufacture and methods of application. I will provide a. The method of the present invention allows the sensor to be very thin so that it does not project too far from the surface. The sensor element can be made in a single-layer structure or a multi-layer structure, and if necessary, surrounding layers such as an insulator layer and a protective layer can be provided. The sensor can be made inexpensively and is easy to apply on the surface.
【0009】本発明によれば、センサ・デカル(転写)
が、薄膜測定ユニットと、この薄膜測定ユニットが結合
されている離型層とを備えている。離型層は、溶媒と接
触したときに薄膜測定ユニットを離型層から解放するた
めの手段を含んでいる。更に具体的に言うと、センサ・
デカルは、溶媒によって軟化し得る物質を含んでいる離
型層を備えている。結合層がこの離型層と接触してお
り、薄膜センサ素子がこの結合層と一体に形成されてい
る。According to the present invention, a sensor decal (transfer)
However, it has a thin film measuring unit and a release layer to which the thin film measuring unit is coupled. The release layer includes means for releasing the thin film measurement unit from the release layer when in contact with the solvent. More specifically, the sensor
The decal includes a release layer containing a material that can be softened by a solvent. A tie layer is in contact with the release layer and a thin film sensor element is integrally formed with the tie layer.
【0010】工学用のセンサの構成及び使用に対する本
発明の方式は、装飾及び身元確認の用途に用いるものと
して広く知られているデカルの作成及び適用の技術を利
用する。センサが多層デカル構造として作成され、その
後、装飾用デカルの普通のやり方で適用される。この方
式は、センサを任意の形状及び寸法で便利に作成するこ
とができるようにすると共に、平坦な面又は弯曲した面
に適用し易くする。The inventive approach to the construction and use of engineering sensors utilizes the techniques of making and applying decals, which are widely known for use in decorative and identification applications. The sensor is made as a multi-layered decal structure and then applied in the usual manner of a decorative decal. This approach allows the sensor to be conveniently made in any shape and size, while facilitating its application to flat or curved surfaces.
【0011】即ち、本発明によれば、センサを作成する
方法が、溶媒によって軟化し得る物質によって離型層に
結合されている薄膜測定ユニットを備えているセンサ・
デカルを利用する。この方法は、センサ・デカルを溶媒
と接触させて薄膜測定ユニットを離型層から分離し、薄
膜測定ユニットを基板に適用し、薄膜測定ユニットを乾
かして溶媒を取り除くことを含んでいる。典型的には、
測定ユニットを適用した後に、薄膜測定ユニットを焼成
して、そのユニットを測定しようとする基板の表面に有
効に永久的に固定する。That is, according to the present invention, a method of making a sensor comprises a thin film measuring unit comprising a thin film measuring unit bound to a release layer by a solvent softenable substance.
Use decals. The method involves contacting a sensor decal with a solvent to separate the thin film measurement unit from a release layer, applying the thin film measurement unit to a substrate, and drying the thin film measurement unit to remove the solvent. Typically,
After applying the measuring unit, the thin film measuring unit is fired to effectively and permanently fix the unit to the surface of the substrate to be measured.
【0012】センサは任意の便利な方式で作成すること
ができるが、典型的には普通のデカル・シルク・スクリ
ーニング又はスパッタリングを用いて製造される。多数
の薄い層を、必要な薄いセンサ構造を作成できるような
パターンで、互いに上下にシルク・スクリーニング及び
/又はスパッタリングする。例えば、硝子、セラミック
又は重合体の結合層を紙の離型層上に沈積する。普通は
セラミック層であるが、絶縁体層を随意選択によって結
合層上に沈積する。離型紙は典型的には、水溶性の物質
を含んでいる。場合に応じて、シルク・スクリーニン
グ、スパッタリング又はその他の方法により、金属トレ
ースを沈積して、熱電対、ストレイン・ゲージ又はその
他のセンサを構成する。随意選択により、この金属トレ
ースの上にシルク・スクリーニングによって絶縁体層を
設ける。この構造の上に支持層を沈積することが好まし
い。多数のセンサを大きなシートとして同時に作成し、
必要に応じて、このシートから切り離すことができるの
で、各々のセンサを作成するコストは安い。The sensor can be made in any convenient manner, but is typically manufactured using conventional decal silk screening or sputtering. A number of thin layers are silk screened and / or sputtered on top of each other in a pattern that can create the desired thin sensor structure. For example, a glass, ceramic or polymer tie layer is deposited on the paper release layer. An insulator layer, optionally a ceramic layer, is optionally deposited on the tie layer. Release papers typically contain a water-soluble substance. In some cases, metal screening is deposited by silk screening, sputtering or other methods to form thermocouples, strain gauges or other sensors. Optionally, an insulating layer is provided by silk screening on the metal trace. It is preferred to deposit a support layer on top of this structure. Create a large number of sensors simultaneously as a large sheet,
The cost of making each sensor is low, as it can be separated from this sheet if desired.
【0013】デカルを溶媒(これは温かい水であっても
よい。)内に浸漬して、溶媒によって軟化し得る物質を
軟化させ(そして典型的には溶解させ)、デカルを表面
の上に滑り込ませることにより、この好ましいセンサ測
定ユニットが、その測定を行おうとする表面に適用され
る。水のような過剰の溶媒をスケージで取り除き、セン
サ及び構造を乾かして、残っている溶媒を取り除く。結
合層はデカルを所定位置に保持する助けになる。大抵の
場合には、デカル・センサは、寸法が比較的小さく、適
用し易い。しかしながら、この方式によって大きなセン
サも製造して適用することができる。The decal is dipped in a solvent, which may be warm water, to soften (and typically dissolve) any material that may be softened by the solvent and slide the decal onto the surface. By doing so, this preferred sensor measurement unit is applied to the surface on which the measurement is to be performed. The excess solvent, such as water, is removed with a cage and the sensor and structure are dried to remove residual solvent. The tie layer helps hold the decal in place. In most cases, decal sensors are relatively small in size and easy to apply. However, a large sensor can be manufactured and applied by this method.
【0014】大抵の用途では、薄膜測定ユニットを高温
に加熱して、薄膜測定ユニットを固結させると共に基板
に有効に永久的に結合する。この加熱する工程の間、結
合層が分解することがある。この固結は、実際の試験又
は使用の前に行うのが普通であるが、構造の最初の加熱
サイクルの一部であってもよい。測定用リード線を、測
定個所から十分に離れた位置でセンサに取り付けて、リ
ード線の存在によって測定が妨げられないようにする。In most applications, the thin film measurement unit is heated to an elevated temperature to consolidate and effectively permanently bond the thin film measurement unit to the substrate. During this heating step, the tie layer may decompose. This consolidation is usually done prior to actual testing or use, but may be part of the initial heating cycle of the structure. The measuring leads are attached to the sensor at a sufficient distance from the measuring point so that the presence of the leads does not interfere with the measurement.
【0015】このセンサ・デカル方式は、材料及び構造
に対する薄膜表面センサの作成、適用及び使用に対し
て、低廉で融通の利く方式である。センサ素子は、1種
類の材料又は何種類かの材料のいずれかで、任意の必要
なパターンに整形することができ、このため、多数の異
なる形式のセンサ素子を作成することができる。This sensor decal system is an inexpensive and versatile system for making, applying and using thin film surface sensors for materials and structures. The sensor elements can be shaped into any desired pattern, either of one type of material or of several types of materials, so that many different types of sensor elements can be created.
【0016】[0016]
【実施例】本発明は、工学的な用途のためのセンサ・デ
カル、並びにその製造方法及び使用方法を提供する。セ
ンサ・デカルは、表面に容易に適用することのできる薄
膜センサをもたらす。適当な外部の電気リード線を接続
した後に、センサは、そのセンサを適用した基板の表面
の材料又は環境の状態を感知する。感知された信号は、
外部回路及び/又は較正装置によって、普通の方式で表
示される材料又は環境の状態に換算される。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides a sensor decal for engineering applications, and methods of making and using the same. The sensor decal provides a thin film sensor that can be easily applied to a surface. After connecting the appropriate external electrical leads, the sensor senses the condition of the material or environment on the surface of the substrate to which the sensor is applied. The sensed signal is
External circuitry and / or calibration equipment translates to the material or environmental conditions displayed in the usual way.
【0017】本発明を主に、好ましい薄膜温度センサ又
は熱電対の場合について例示する。薄膜ストレイン・ゲ
ージ及びひび割れ開口ゲージも示されている。本発明
は、これらの用途に限定されず、他の型の薄膜センサに
関連して用いることもできる。図1は薄膜センサ・デカ
ル20を示す。センサ・デカル20は、基部24に取り
付けられていると共に基部24内に埋設されている薄膜
センサ素子熱電対22を含んでいる。The present invention will be mainly described in the case of a preferred thin film temperature sensor or thermocouple. Thin film strain gauges and crack opening gauges are also shown. The present invention is not limited to these applications and can also be used in connection with other types of thin film sensors. FIG. 1 shows a thin film sensor decal 20. The sensor decal 20 includes a thin film sensor element thermocouple 22 attached to and embedded within the base 24.
【0018】図2はセンサ・デカル20の構造を更に詳
しく示す。熱電対22は、異なる金属で作成されている
2つのトレース26及び28を継ぎ目30(図1)で結
合することによって形成されている。継ぎ目30は、普
通の熱電対との類推から「ビード」と呼ばれることもあ
る。トレース26及び28は、熱電対を作成するのに適
しているものとして当業者に知られている金属の対で作
成されている。例えば、これに制限するつもりはない
が、一方のトレースが純粋なタングステンで、他方がタ
ングステン−3%のレニウムであってもよい。一方のト
レースが鉄で、他方がコンスタンタンであってもよい。
一方のトレースが銅で、他方がコンスタンタンであって
もよい。一方のトレースが白金で、他方が白金−10%
のロジウムであってもよい。一方のトレースが白金で、
他方が白金−13%のロジウムであってもよい。一方の
トレースがクロメルで、他方がアルメルであってもよ
い。このような数多くの金属の対が、普通の熱電対を構
成するために用いられており、それらの起電力電位は、
継ぎ目30の温度に対して較正されている。用いられる
金属の対の選択の仕方は、熱電対が受ける、そしてその
熱電対によって測定される温度範囲及び測定条件に関係
する。一般的に、本発明は、従来公知である熱電対金属
の多数の知られている対のどれを用いて実施してもよい
し、又はこれから後に発見されるかもしれない熱電対金
属を用いて実施してもよい。FIG. 2 shows the structure of the sensor decal 20 in more detail. Thermocouple 22 is formed by joining two traces 26 and 28 made of different metals at seam 30 (FIG. 1). The seam 30 is sometimes called a “bead” by analogy with a common thermocouple. Traces 26 and 28 are made of metal pairs known to those skilled in the art as being suitable for making thermocouples. For example, without intending to be limited to this, one trace may be pure tungsten and the other may be rhodium with a tungsten-3% content. One trace may be iron and the other may be constantan.
One trace may be copper and the other may be constantan. One trace is platinum and the other is platinum-10%
May be rhodium. One trace is platinum,
The other may be platinum-13% rhodium. One trace may be chromel and the other may be alumel. Many such metal pairs are used to construct common thermocouples, and their electromotive potentials are
It is calibrated to the temperature of the seam 30. The choice of metal pair used is related to the temperature range and measurement conditions experienced by and measured by the thermocouple. In general, the present invention may be practiced with any of the many known pairs of thermocouple metals known in the art, or with thermocouple metals that may be discovered hereafter. You may implement.
【0019】トレース26及び28は絶縁体層32の上
に載っている。絶縁体層32は、酸化アルミニウムのよ
うな良好な熱絶縁材料で作成されていることが好まし
い。絶縁体層32は結合層33の上に載っており、結合
層33は、熱電対アセンブリを基板に結合するために最
終的に利用されているものである。好ましい結合層33
は、基板/熱電対の組み合わせの計画された最高動作温
度よりも若干高い温度で軟化し且つ溶融することのでき
る硝子、セラミック又は重合体である。広い範囲の種々
のこのような材料が従来知られている。例えば、使用温
度が比較的低く、周囲温度であるか又は数100度まで
である場合には、層33は、熱電対を用いる計画温度よ
りも若干高い軟化温度を有している熱可塑性重合体に選
択されることが普通である。使用温度が中間、即ち、数
100度から約2000°Fまでである場合には、硝子
が大体用いられる。更に高い温度では、層33としてセ
ラミックを用いることができる。このような温度限界
は、絶対的ではなく、最高動作温度及び条件に基づい
て、適当な材料を選択することができる。本来どんな種
類のこのような結合層の材料も、これから説明する製造
方法により、層33として沈積することができる。Traces 26 and 28 overlie insulator layer 32. The insulator layer 32 is preferably made of a good heat insulating material such as aluminum oxide. Insulator layer 32 overlies bonding layer 33, which is ultimately used to bond the thermocouple assembly to the substrate. Preferred tie layer 33
Is a glass, ceramic or polymer capable of softening and melting at temperatures slightly above the maximum planned operating temperature of the substrate / thermocouple combination. A wide variety of such materials are known in the art. For example, if the temperature of use is relatively low, ambient or up to several hundred degrees, the layer 33 is a thermoplastic polymer having a softening temperature slightly above the planned temperature using a thermocouple. It is usually selected to. At intermediate temperatures of use, that is, from a few hundred degrees to about 2000 degrees Fahrenheit, glass is generally used. At higher temperatures, ceramic can be used for layer 33. Such temperature limits are not absolute, and the appropriate material can be selected based on maximum operating temperature and conditions. Essentially any kind of material for such a tie layer can be deposited as layer 33 by the manufacturing methods described below.
【0020】ある場合には、絶縁体層32及び結合層3
3の作用は単一の層に組み合わせることができる。この
ような単一の層は、本明細書ではそれを結合層33と呼
ぶが、熱電対22を表面に結合すると共に、熱電対を表
面から絶縁する。図2は、両方の層32及び33が存在
している一般的な場合を示しており、図5は2つの層3
2及び33が組み合わされた(そして、その組み合わせ
たものを層33と呼ぶ。)場合を示している。In some cases, the insulator layer 32 and the bonding layer 3
The actions of 3 can be combined in a single layer. Such a single layer, referred to herein as the tie layer 33, bonds the thermocouple 22 to the surface and insulates the thermocouple from the surface. FIG. 2 shows the general case where both layers 32 and 33 are present, and FIG. 5 shows two layers 3
2 and 33 are combined (and the combination is referred to as layer 33).
【0021】絶縁体層32は離型層34の上に沈積され
ている。離型層34は、溶媒に露出されたときに軟化す
る有機材料の一体の層36を有している。(溶媒によっ
て軟化し得る物質の「層」36が図示のように、離型層
34の表面にあってもよいし、又は溶媒によって軟化し
得る物質が離型層34を完全に含浸するように離型層3
4全体にわたって広がっていてもよい。)離型層34
は、紙であることが好ましい。「溶媒」は、広く解釈さ
れ、本明細書で用いる場合には、水、有機溶媒、又は露
出されたときに層36を選択的に軟化させるその他の物
質を含んでいる。「溶媒」は有機物質を完全に溶解して
もよいが、それは必要ではない。層36は、水溶性の有
機材料であることが好ましい。これは、本発明にとって
関心のある大抵の用途では、加熱によってセンサ・デカ
ルが基板に適用された後に、基板を損傷せずに、水を構
造から取り除くことができるからである。このような紙
の離型層の材料は、デカルを製造する技術において周知
であり、商業的にも広く利用され得る。Insulator layer 32 is deposited on release layer 34. The release layer 34 has an integral layer 36 of organic material that softens when exposed to a solvent. (A "layer" 36 of solvent softenable material may be on the surface of the release layer 34, as shown, or such that solvent softenable material completely impregnates the release layer 34. Release layer 3
4 may be spread throughout. ) Release layer 34
Is preferably paper. “Solvent” is broadly understood and as used herein includes water, organic solvents, or other substances that selectively soften layer 36 when exposed. The "solvent" may completely dissolve the organic substance, but it is not necessary. Layer 36 is preferably a water soluble organic material. This is because in most applications of interest to the present invention, water can be removed from the structure after the sensor decal has been applied to the substrate by heating without damaging the substrate. Such paper release layer materials are well known in the art of making decals and are widely available commercially.
【0022】他の絶縁体層38が熱電対22に被さって
いる。絶縁体層38は、絶縁体層32又は結合層33と
同じ組成であってもよい。絶縁体層38に用いることの
できる材料の一例は、酸化アルミニウムのようなセラミ
ック酸化物であるが、この他の材料を用いることもでき
る。絶縁体層38は熱安定性を達成する助けになるが、
用途によっては、省略することができる。Another insulating layer 38 overlies the thermocouple 22. The insulator layer 38 may have the same composition as the insulator layer 32 or the bonding layer 33. One example of a material that can be used for the insulator layer 38 is a ceramic oxide such as aluminum oxide, but other materials can also be used. Insulator layer 38 helps achieve thermal stability, but
It can be omitted depending on the application.
【0023】支持層40が絶縁体層38に重なってい
る。支持層40は、完成されたセンサ・デカル20に強
度及び可撓性をもたらす有機材料であることが好まし
い。絶縁体層38には、開口の形状を成しているバイア
42(図1)が設けられている。バイア42は、外部リ
ード線44を取り付けることができるように、トレース
26及び28の端に接近できるようにしている。(リー
ド線を取り付ける前に、支持層40を取り去る。)リー
ド線44は、普通の方法によってトレース26及び28
の端に取り付けられているが、電気的にも物理的にも、
熱電対22の作用を妨げないように選択されている。ト
レース26及び28は、図面では比較的短いものとして
示されているが、外部リード線44を結合している個所
が継ぎ目30から十分離れているように、非常に長くし
てもよい。A support layer 40 overlies the insulator layer 38. The support layer 40 is preferably an organic material that provides strength and flexibility to the finished sensor decal 20. The insulator layer 38 is provided with vias 42 (FIG. 1) in the shape of openings. Vias 42 provide access to the ends of traces 26 and 28 so that external leads 44 can be attached. (The support layer 40 is removed before attaching the leads.) Leads 44 are traces 26 and 28 by conventional methods.
It is attached to the end of, but electrically and physically,
It is selected so as not to interfere with the operation of the thermocouple 22. Although shown as relatively short in the drawings, traces 26 and 28 may be very long so that the location connecting outer lead 44 is well away from seam 30.
【0024】センサ・デカル20を作成する、及び適用
する好ましい方法が図3に示されている。工程50で示
すように、任意の適当な方法により、結合層33を溶媒
によって作用する離型紙34の上に沈積する。結合層3
3がプラスチックである場合には、結合層33は、普通
のドクタ・ブレード方式によって沈積することができ
る。結合層33が硝子又はセラミックである場合には、
(図3に示すように)シルク・スクリーン・プリンティ
ングによって適用することが好ましい。他の用途でよく
知られているこの方式では、支持体の上に網目の細かい
(ファイン・メッシュ)生地を配置し、水のような担体
液体内の硝子又はセラミックの微細な粒子から成るスラ
リをこの生地を介して塗り付ける。結合層33を特定の
形状にパターン決めすべき場合には、生地内にマスク材
料を用いて、所望のパターンを定める。いずれの場合に
しても、硝子又はセラミックの微細な粒子から成るスラ
リが生地を通して塗られ、この生地を通り抜けて離型紙
34に塗られる。この生地と、用いる場合のマスクと
は、その後取り除かれ、スラリを乾かして、離型紙34
の上に硝子又はセラミック粒子の層を残す。A preferred method of making and applying the sensor decal 20 is shown in FIG. As shown at step 50, the tie layer 33 is deposited on the solvent-acting release paper 34 by any suitable method. Tie layer 3
If 3 is plastic, the tie layer 33 can be deposited by the conventional doctor blade method. If the bonding layer 33 is glass or ceramic,
It is preferably applied by silk screen printing (as shown in Figure 3). This method, which is well known for other applications, involves placing a fine-meshed fabric on a support and removing a slurry of fine particles of glass or ceramic in a carrier liquid such as water. Apply over this fabric. If the tie layer 33 is to be patterned into a particular shape, a mask material is used in the fabric to define the desired pattern. In either case, a slurry of fine particles of glass or ceramic is applied through the fabric and through the fabric to the release paper 34. This fabric and the mask, if used, are then removed, the slurry is dried and the release paper 34
Leave a layer of glass or ceramic particles on top.
【0025】工程52に示すように、絶縁体層32があ
る場合には、絶縁体層32を結合層33の上に沈積す
る。絶縁体層32は任意の適当な方法によって沈積され
る。前に述べたように、マスクを用いたシルク・スクリ
ーン・プリンティングが好ましい。図3の工程54で示
すように、トレース26及び28を、絶縁体層32が存
在している場合には絶縁体層32の上に、又は絶縁体層
が存在していない場合には直接的に結合層33の上に沈
積する。熱電対の場合のように、各々のトレース26及
び28が異なる組成を有している場合には、最初に一方
のトレース26、次に他方のトレース28を沈積して、
トレース26及び28が継ぎ目30で物理的に重なるよ
うにする。トレース26及び28は、用いることのでき
る任意の方法によって沈積することができる。トレース
26及び28は、上に述べたようにシルク・スクリーン
・プリンティングで適用することができるが、この場
合、各々のトレースの形状を定めるために、別々のマス
クを用いる。トレースの材料は、担体液体内の金属粉末
から成るスラリとして用意され、それぞれのマスク及び
生地を介して絶縁体層32又は結合層33の上に適用さ
れる。生地及びマスクを取り除き、スラリを乾かして、
トレース26及び28を残す。If there is an insulator layer 32, then insulator layer 32 is deposited on bonding layer 33, as shown in step 52. Insulator layer 32 is deposited by any suitable method. As mentioned previously, silk screen printing with a mask is preferred. Traces 26 and 28 are either directly on insulator layer 32 if insulator layer 32 is present, or directly if insulator layer is not present, as shown in step 54 of FIG. And is deposited on the bonding layer 33. If each trace 26 and 28 has a different composition, as in a thermocouple, first deposit one trace 26 and then the other trace 28,
The traces 26 and 28 are physically overlapped at the seam 30. Traces 26 and 28 can be deposited by any method that can be used. The traces 26 and 28 can be applied by silk screen printing as described above, but in this case a separate mask is used to define the shape of each trace. The material for the traces is provided as a slurry of metal powder in a carrier liquid and applied on top of the insulator layer 32 or the bonding layer 33 via the respective mask and fabric. Remove the dough and mask, dry the slurry,
Leave traces 26 and 28.
【0026】トレース26及び28は他の方法によって
も適用することができる。例えば、シルク・スクリーン
・プリンティングでは、厚さ約0.001インチよりも
薄手のトレースを形成することが困難である。一層薄い
トレースを形成したい場合には、トレースをスパッタリ
ングによって沈積してもよいし、又は他の適当な方法に
よって沈積してもよい。Traces 26 and 28 can be applied in other ways. For example, silk screen printing has difficulty forming traces thinner than about 0.001 inch thick. If it is desired to form thinner traces, the traces may be deposited by sputtering or any other suitable method.
【0027】図3の工程56に示すように、熱安定性の
ために必要な場合には、絶縁体層38がトレース26及
び28の上に、並びに絶縁体層32及び結合層33の露
出部の上に、任意の適当な方法によって適用される。前
に述べたようなシルク・スクリーン・プリンティングが
好ましい。図3の工程58で示すように、支持層40が
任意の適当な方法によって絶縁体層38の上に適用され
る。支持層40は有機材料であることが好ましく、普通
のシルク・スクリーニング又はドクタ・ブレード方法に
よって適用することができる。Insulator layer 38 is placed over traces 26 and 28, and exposed portions of insulator layer 32 and tie layer 33, if required for thermal stability, as shown in step 56 of FIG. Applied by any suitable method. Silk screen printing as described above is preferred. Support layer 40 is applied over insulator layer 38 by any suitable method, as indicated by step 58 in FIG. The support layer 40 is preferably an organic material and can be applied by conventional silk screening or doctor blade methods.
【0028】結合層33と、(それを設ける場合には)
絶縁体層32と、トレース26及び28と、(それを設
ける場合には)絶縁体層38とを沈積した構造が、測定
ユニット70と呼ばれる。これらの製造工程を完了した
ときに、測定ユニット70は、支持層40と溶媒によっ
て作用する離型紙34との間に保持されている。この製
造方法の重要な利点は、1つのセンサ・デカルを作成す
るのに要するよりもずっと少ない労力及び費用で、非常
に多数のセンサ・デカルを作成することができることで
ある。大抵の場合、1つの大きなシートの形状で多数の
センサ・デカル20を作成するためには、適当な大面積
のマスクを作成すること及び余分の材料を用いることに
余分の手間がかかるとしても、極くわずかな手間しか必
要としない。このような費用は比較的小さいので、セン
サ・デカル20の大きいシートを作成し、センサ・デカ
ルを必要とするときになって、このシートから個々のセ
ンサ・デカルを切り取ることが好ましい。Tie layer 33, and (if provided)
The structure in which the insulator layer 32, the traces 26 and 28, and the insulator layer 38 (if provided) are deposited is referred to as a measurement unit 70. Upon completion of these manufacturing steps, the measuring unit 70 is held between the support layer 40 and the solvent-acting release paper 34. An important advantage of this manufacturing method is that very large numbers of sensor decals can be made with much less effort and expense than it takes to make one sensor decal. In most cases, to make a large number of sensor decals 20 in the shape of one large sheet, even if it takes extra effort to make an appropriately large area mask and to use extra material, It requires very little effort. Since such costs are relatively small, it is preferable to make a large sheet of sensor decals 20 and cut individual sensor decals from the sheet when the sensor decals are needed.
【0029】図3は、センサ・デカルが作成された後の
時点での、完成されたセンサ・デカル20の適用及び処
理の方法をも示している。この適用は、図4にタービン
円板72として示す基板の場合について説明する。セン
サ・デカル20を適用するために、センサ・デカルを工
程60で、離型層34に対する溶媒の容器内に配置す
る。層36として示した、離型層34内の有機材料は水
溶性であって、溶媒は温かい水であることが好ましい。
水は離型層34内の有機物を軟化させ、図3の工程60
で示すように、離型層34を薄膜測定ユニット70から
取り除くことができるようにする。FIG. 3 also illustrates the method of applying and processing the completed sensor decal 20 at a time after the sensor decal has been created. This application will be described for the case of the substrate shown as turbine disc 72 in FIG. To apply the sensor decal 20, the sensor decal is placed 60 in a container of solvent for the release layer 34. The organic material in the release layer 34, shown as layer 36, is preferably water soluble and the solvent is warm water.
The water softens the organic matter in the release layer 34, and the step 60 of FIG.
The release layer 34 can be removed from the thin film measurement unit 70, as shown in FIG.
【0030】図3の工程62に示すように、薄膜測定ユ
ニット70を離型紙34から滑らせて離し、測定しよう
とする基板、今の場合はタービン円板72の表面74に
滑り込ませる。過剰の溶媒(即ち、水)は、スケージ等
を用いて機械的に除去される。この時点では、リード線
44は取り付けられていない。薄膜測定ユニットを適用
するこの方法は、従来の方式よりもずっと簡単であり、
用い方にずっと一般性を有することが理解されよう。薄
膜測定ユニットは、平坦な表面又は弯曲した表面に容易
に適用することができる。薄膜測定ユニットの厚さは、
千分の数インチに過ぎず、表面上のガスの流れパターン
を妨げない。薄膜測定ユニットの適用を誤るか又は薄膜
測定ユニットが動作しない場合には、もう1つを容易に
適用することができる。各々のセンサ・デカルのコスト
が安いため、冗長なユニットを日常的に用いることがで
きる。これとは対照的に、ある従来の方式では、熱電対
を表面に溶接しており、熱電対がガスの流れパターンを
妨げると共に、溶接個所の下方にある基板の熱処理に悪
影響を及ぼす。他の従来の方式では、スパッタリング等
により、個々のセンサを基板の表面に直接的に沈積して
いた。この方法は、表面を他の処理にかけるものであ
り、直視によって接近し得ない区域、又は多くの弯曲し
た表面上に用いることはできない。他の従来の方式で
は、薄膜熱電対をカプトンのようなシートの上に沈積
し、この後、このカプトンを接着剤を用いて基板の表面
に接着している。その結果はむさ苦しく、熱電対が基板
に結合されているかどうかも不確実であった。カプトン
は高い温度では用いることができず、この方法は一般性
が制限される。このような従来のすべての方式では、熱
電対が測定しようとする表面と良好に接触して、温度の
良好な数値が得られるかどうかは、問題があり、熱電対
を適用する人の技倆に大いに依存していた。これとは対
照的に、本発明の方式は、測定ユニットの品質の点で
も、適用の容易さ及び再現性の点でも、非常に再現性が
ある。本発明の方式は、技術的にも経済的にも、これら
の従来の方式よりも優れている。As shown in step 62 of FIG. 3, the thin film measurement unit 70 is slid off the release paper 34 and slipped onto the surface 74 of the turbine disk 72, in this case the substrate to be measured. Excess solvent (ie water) is mechanically removed using a cage or the like. At this point, the lead wire 44 is not attached. This method of applying a thin film measurement unit is much simpler than the traditional method,
It will be appreciated that it has much more general usage. The thin film measurement unit can be easily applied to a flat surface or a curved surface. The thickness of the thin film measurement unit is
Only a few thousandths of an inch and does not interfere with the gas flow pattern on the surface. If the thin film measuring unit is applied incorrectly or the thin film measuring unit does not work, another one can be easily applied. Due to the low cost of each sensor decal, redundant units can be used on a daily basis. In contrast, one conventional approach is to weld a thermocouple to the surface, which interferes with the gas flow pattern and adversely affects the heat treatment of the substrate below the weld. In other conventional methods, individual sensors are directly deposited on the surface of the substrate by sputtering or the like. This method involves subjecting the surface to other treatments and cannot be used on areas that are not accessible by direct sight, or on many curved surfaces. In another conventional method, a thin film thermocouple is deposited on a sheet such as Kapton, which is then bonded to the surface of the substrate using an adhesive. The results were painful and it was uncertain whether the thermocouple was bonded to the substrate. Kapton cannot be used at high temperatures and this method has limited generality. In all such conventional methods, whether the thermocouple is in good contact with the surface to be measured to obtain a good temperature value is problematic, and the skill of the person applying the thermocouple is problematic. Depended heavily on. In contrast to this, the method of the invention is very reproducible both in terms of the quality of the measuring unit and in terms of ease of application and reproducibility. The inventive method is technically and economically superior to these conventional methods.
【0031】こうして薄膜測定ユニット70が、測定し
ようとする表面に適用される。前に述べたように、測定
ユニット70の少なくともいくつかの層を形成する好ま
しい方式は、粒子から成るスラリを用いるものである。
これらのスラリを一体の層に固結することが必要であ
る。測定ユニット70を表面74に結合することも必要
である。これらの目的は、図3の工程64に示すよう
に、このような層を固結して、絶縁体層32を表面74
に結合するのに十分な程度に高い温度で、基板と、適用
された測定ユニット70とを焼成する(焼き付ける)こ
とによって達成される。Thus, the thin film measuring unit 70 is applied to the surface to be measured. As mentioned previously, the preferred method of forming at least some layers of the measurement unit 70 is with a slurry of particles.
It is necessary to consolidate these slurries into a single layer. It is also necessary to bond the measuring unit 70 to the surface 74. These purposes are to consolidate such layers to bring the insulator layer 32 to the surface 74, as shown in step 64 of FIG.
This is achieved by baking (baking) the substrate and the applied measuring unit 70 at a temperature high enough to bond to the substrate.
【0032】普通の場合、この焼成作業は、測定ユニッ
トが適用される物品の最終的な熱処理の前に、測定ユニ
ット70を適用し、その後、物品と共に測定ユニット7
0にもその熱処理を受けさせることによって行われる。
従って、測定ユニットの利用は、その物品の通常の製造
手順を妨げない。このように計画されている手順を念頭
に置いて、結合層33の材料は、物品の最高熱処理温度
よりも低い温度で結合層33が物品の表面に融着するよ
うに選択されている。絶縁体層32及び38は、焼結、
融着又は溶融による固結を通じて最適の性質が達成され
るように、それらの熱的及び電気的安定性の観点から選
択されている。支持層40はもはや必要ではなく、典型
的には熱処理及び焼成過程の間に燃えてなくなる。更に
低い温度での運転では、支持層40は残ることがある
が、装置の動作には悪影響を及ぼさない。In the usual case, this firing operation applies the measuring unit 70 before the final heat treatment of the article to which the measuring unit is applied, and then with the article together with the measuring unit 7.
0 is also subjected to the heat treatment.
Therefore, the use of the measuring unit does not interfere with the normal manufacturing procedure of the article. With the procedure thus planned in mind, the material of tie layer 33 is selected such that tie layer 33 fuses to the surface of the article at a temperature below the maximum heat treatment temperature of the article. The insulator layers 32 and 38 are sintered,
They have been chosen in terms of their thermal and electrical stability so that optimum properties are achieved through fusion or consolidation by melting. The support layer 40 is no longer needed and typically burns out during the heat treatment and firing processes. When operating at lower temperatures, the support layer 40 may remain but does not adversely affect the operation of the device.
【0033】図5は別個の絶縁体層32を有していない
(支持層40は既に取り去られている)実施例の測定ユ
ニット70を示す。結合層33は物品の基板72の表面
74に結合されている。要素26、28、33及び38
が互いに結合されており、完全に固結している。焼成が
完了した後、図3の工程66で示すように、好ましくは
スポット溶接によって、リード線44を適用する。リー
ド線44は、熱電対22の場合にはポテンショメータの
ような外部の測定装置まで伸びている。FIG. 5 shows an exemplary measuring unit 70 without the separate insulation layer 32 (support layer 40 already removed). Bonding layer 33 is bonded to surface 74 of substrate 72 of the article. Elements 26, 28, 33 and 38
Are connected to each other and are completely consolidated. After firing is complete, the lead wire 44 is applied, preferably by spot welding, as shown in step 66 of FIG. The lead wire 44 extends to an external measuring device such as a potentiometer in the case of the thermocouple 22.
【0034】本発明のセンサ・デカル、並びにその製造
方法及び適用方法は融通性がある。熱電対以外のセンサ
装置を作成することも容易であり、(1つ又は複数の)
金属トレースを適用するために、異なるマスクを必要と
するのみであることが普通である。図6〜図8は他のセ
ンサのいくつかの例を示す。図6は薄膜ストレイン・ゲ
ージ76を示し、図7は薄膜ひび割れ開口ゲージ78を
示し、図8は光学的な歪み測定格子(グリッド)80を
示す。これらのセンサ76、78及び80の各々は、熱
電対に必要な2種類の組成ではなく、トレースに単一の
組成の金属のみを用いて作成されていることが普通であ
る。センサ80は、外部リード線を有していない点で、
センサ22、76及び78と異なっている。これは、表
面の上に配置されていると共に光学的に観察される格子
である。この他の更に複雑なセンサを作成することもで
きる。例えば、多層センサを、シルク・スクリーン・プ
リンティング方法により、容易に沈積することができ
る。The sensor decals of the present invention, and their methods of manufacture and application, are flexible. It is also easy to create sensor devices other than thermocouples (one or more)
It is common to only need different masks to apply the metal traces. 6-8 show some examples of other sensors. 6 shows a thin film strain gauge 76, FIG. 7 shows a thin film crack opening gauge 78, and FIG. 8 shows an optical strain measuring grid 80. Each of these sensors 76, 78 and 80 is typically made using only a single composition of metal for the traces rather than the two compositions required for thermocouples. The sensor 80 has no external leads,
It differs from the sensors 22, 76 and 78. This is a grating that is placed on top of the surface and is optically observed. Other more complex sensors can be made. For example, a multi-layer sensor can be easily deposited by the silk screen printing method.
【0035】本発明は、薄膜センサの分野で重要な進歩
を提供した。デカル・センサを、容易に製造して適用す
ることができ、そのデカル・センサは再現性のある結果
をもたらす。本発明を特定の実施例及び例について説明
したが、当業者であれば、特許請求の範囲によって定め
られた本発明の要旨の範囲内で、これに種々の改変及び
変更を加えることができることが容易に理解されよう。The present invention has provided important advances in the field of thin film sensors. The decal sensor can be easily manufactured and applied, with the decal sensor providing reproducible results. Although the present invention has been described with respect to particular embodiments and examples, those skilled in the art will be able to make various modifications and changes within the scope of the invention as defined by the claims. Easy to understand.
【図1】本発明に従って作成された薄膜熱電対センサの
斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a thin film thermocouple sensor made in accordance with the present invention.
【図2】図1のセンサを線2−2に沿って切った断面図
である。2 is a cross-sectional view of the sensor of FIG. 1 taken along line 2-2.
【図3】薄膜センサの作成及び適用のフローチャートで
ある。FIG. 3 is a flow chart of making and applying a thin film sensor.
【図4】デカル・センサを適用した円板構造の斜視図で
ある。FIG. 4 is a perspective view of a disc structure to which a decal sensor is applied.
【図5】図4の円板構造を線5−5に沿って切った断面
図である。5 is a cross-sectional view of the disc structure of FIG. 4 taken along line 5-5.
【図6】薄膜ストレイン・ゲージ・センサの斜視図であ
る。FIG. 6 is a perspective view of a thin film strain gauge sensor.
【図7】薄膜ひび割れセンサの斜視図である。FIG. 7 is a perspective view of a thin film crack sensor.
【図8】薄膜格子の斜視図である。FIG. 8 is a perspective view of a thin film grating.
20 センサ・デカル 22 熱電対 26、28 トレース 32、38 絶縁体層 33 結合層 34 離型層 36 軟化する物質の層 40 支持層 42 バイア 44 リード線 70 薄膜測定ユニット 72 タービン円板 74 表面 76、78、80 センサ 20 Sensor Decal 22 Thermocouple 26, 28 Trace 32, 38 Insulator Layer 33 Bonding Layer 34 Release Layer 36 Softening Material Layer 40 Support Layer 42 Via 44 Lead Wire 70 Thin Film Measuring Unit 72 Turbine Disk 74 Surface 76, 78, 80 sensor
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダグラス・マーシャル・カールソン アメリカ合衆国、オハイオ州、ウエスト・ チェスター、バレット・ロード、6601番 ─────────────────────────────────────────────────── ———————————————————————————————— 72 Inventor Douglas Marshall Carlson Barrett Road, West Chester, Ohio, United States, 6601
Claims (18)
溶媒と接触したときに前記薄膜測定ユニットを該離型層
から解放する手段を含んでいる、離型層とを備えた工学
用のセンサ・デカル。1. A thin film measuring unit, and a release layer to which the thin film measuring unit is coupled,
An engineering sensor decal comprising a release layer including means for releasing the thin film measurement unit from the release layer when contacted with a solvent.
記解放する手段は、前記離型紙内で溶媒により軟化し得
る有機材料である請求項1に記載のセンサ・デカル。2. The sensor decal according to claim 1, wherein the release layer is formed of paper, and the releasing means is an organic material that can be softened by a solvent in the release paper.
2に記載のセンサ・デカル。3. The sensor decal according to claim 2, wherein the organic material softens in water.
接触している結合層を含んでいる請求項1に記載のセン
サ・デカル。4. The sensor decal according to claim 1, wherein the thin film measurement unit includes a bonding layer in contact with the release layer.
重合体材料とから成っている群から選択された材料で形
成されている請求項4に記載のセンサ・デカル。5. The bonding layer comprises ceramic, glass, and
The sensor decal according to claim 4 formed of a material selected from the group consisting of a polymeric material and.
含んでいる請求項1に記載のセンサ・デカル。6. The sensor decal according to claim 1, wherein the thin film measurement unit includes a sensor element.
子に隣接している少なくとも1つの薄膜絶縁体層を更に
含んでいる請求項6に記載のセンサ・デカル。7. The sensor decal according to claim 6, wherein the thin film measurement unit further comprises at least one thin film insulator layer adjacent to the sensor element.
6に記載のセンサ・デカル。8. The sensor decal according to claim 6, wherein the sensor element is a thermocouple.
である請求項8に記載のセンサ・デカル。9. The sensor decal according to claim 8, wherein the sensor element is a strain gauge.
ジである請求項8に記載のセンサ・デカル。10. The sensor decal according to claim 8, wherein the sensor element is a crack opening gauge.
離れている支持層を含んでいる請求項1に記載のセンサ
・デカル。11. The sensor decal according to claim 1, wherein the measurement unit includes a support layer remote from the release layer.
る離型層と、 該離型層に接触している結合層と、 該結合層と一体に形成されている薄膜センサ素子とを備
えたセンサ・デカル。12. A release layer comprising a substance that can be softened by a solvent, a bonding layer in contact with the release layer, and a thin film sensor element formed integrally with the bonding layer. Sensor decal.
第1の絶縁体層を更に含んでいる請求項12に記載のセ
ンサ・デカル。13. The sensor decal according to claim 12, further comprising a first insulator layer between the tie layer and the sensor element.
絶縁体層を更に含んでいる請求項12に記載のセンサ・
デカル。14. The sensor according to claim 12, further comprising a second insulator layer overlying the sensor element.
Decal.
を更に含んでいる請求項12に記載のセンサ・デカル。15. The sensor decal according to claim 12, further comprising a support layer overlying the sensor element.
前記溶媒により軟化し得る物質は、水中で軟化する請求
項12に記載のセンサ・デカル。16. The release layer is made of paper,
The sensor decal according to claim 12, wherein the solvent-softenable substance is softened in water.
層に結合されている薄膜測定ユニットを含んでいるセン
サ・デカルを供給する工程と、 前記センサ・デカルを溶媒と接触させて、前記薄膜測定
ユニットを前記離型層から分離する工程と、 前記薄膜測定ユニットを基板に適用する工程と、 前記溶媒を除去するように前記薄膜測定ユニットを乾か
す工程とを備えたセンサを作成する方法。17. A step of supplying a sensor decal including a thin film measurement unit bonded to a release layer by a substance softenable by a solvent, the thin film measurement by contacting the sensor decal with a solvent. A method of making a sensor comprising: separating a unit from the release layer; applying the thin film measurement unit to a substrate; and drying the thin film measurement unit to remove the solvent.
ユニット及び前記基板を加熱して該測定ユニットを該基
板に焼き付ける他の工程を更に含んでいる請求項17に
記載の方法。18. The method of claim 17, further comprising the step of heating the thin film measurement unit and the substrate to bake the measurement unit onto the substrate after the drying step.
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