Способ изготовления гибридного датчика магнитного поля

Способ изготовления гибридного датчика магнитного поля, при котором формируется цилиндрическая оболочка из высокотемпературного сверхпроводника, содержащая конусные полости для формирования концентратора магнитного поля. Цилиндрическая сверхпроводниковая оболочка формируется методом запрессовки сверхпроводящего порошка, смешанного с изопропиловым спиртом в качестве связующего вещества, в серебряную оболочку и последующим отжигом. Серебряная оболочка позволяет сохранить структурную целостность сверхпроводниковой цилиндрической оболочки при извлечении из пресс-формы и в процессе отжига, а также повышает качество стенок полости под заливку ферромагнитного концентратора, что положительно сказывается на коэффициенте концентрации магнитного поля. Получившиеся конусные полости заполняются смесью ферритового порошка и клеевой основы. После затвердевания ферритового концентратора в концентратор устанавливается чувствительный элемента через установочное окно в торце сверхпроводниковой оболочки. Задачей изобретения является упрощение технологии изготовления гибридных датчиков и повышение выхода годных изделий за счет раздельного изготовления элементов гибридного датчик без воздействия высокими температурами на чувствительный элемент и ферромагнитный концентратор, а также повышение их чувствительности и надежности.

 

Изобретение относится к области создания датчиков магнитного поля с элементами на основе высокотемпературных сверхпроводников, а именно к созданию гибридных датчиков магнитного поля, где роль усилителей магнитного потока выполняют ферритово-сверхпроводящие концентраторы.

Такие гибридные датчики применяются в магнитометрических приборах, системах неразрушающей дефектоскопии металлов, устройствах для магнитной кардиографии, системах анализа слабых магнитных полей.

Известен способ изготовления гибридных датчиков магнитного поля с трансформаторным концентратором [1]. Ее недостаток состоит в том, что для ее осуществления необходимо напылять чувствительный элемент на ту же подложку, что и концентратор, что усложняет процесс и не позволяет использовать ряд элементов, так как их период кристаллических решеток не совпадает с периодом решетки подложки. Кроме того, изготовление сверхпроводящих пленок, из которых состоит концентратор трансформаторного типа, требует высокотемпературного отжига, что увеличивает риск выхода из строя чувствительного элемента.

Известен способ изготовления датчиков магнитного поля с пермаллоевыми концентраторами [2]. В данном способе предлагается способ создания концентратора из холоднокатанной пермаллоевой ленты. Недостатками такого способа является малая вариативность форм концентраторов из-за сложности работы с высокоупругим пермаллоевым сплавом, а так же сложный многостадийный технологический процесс создания чувствительного элемента.

Известен способ изготовления гибридного датчика магнитного поля, взятый нами за прототип, содержащего чувствительный элемент и ферромагнитный конический концентратор [3]. Недостатком этого способа является то, что ферромагнитный концентратор изготовлен из пермаллоевого сплава, плохо поддающегося обработке, что существенно усложняет процесс создания оптимальной геометрии концентратора. Помимо этого, недостатком технологии изготовления данного датчика является необходимость сложного технологического процесса формирования чувствительного элемента, выполненного из сверхпроводника методом электрического осаждения. Так же недостатком технологии является необходимость отжига при температуре 900 градусов Цельсия, что так же усложняет процесс изготовления и уменьшает процент выхода годных изделий.

Задача изобретения - упрощение технологии изготовления гибридных датчиков и повышение выхода годных изделий за счет раздельного изготовления элементов гибридного датчика без воздействия высокими температурами на чувствительный элемент и ферромагнитный концентратор.

Способ изготовления гибридного датчика магнитного поля, включающий процесс формирования концентратора магнитного поля, представляющего собой два соосно расположенных, встречно направленных конуса из ферромагнитного материала и имплантацию в зазор между конусами чувствительного элемента, отличающийся тем, что элементы концентратора формируются отдельно от чувствительного элемента, оболочка конусного концентратора из высокотемпературного сверхпроводника изготавливается с помощью прессования смешанного с изопропиловым спиртом сверхпроводящего порошка в серебряной оболочке, уложенной внутри пресс-формы, создающей внутри цилиндрической оболочки полость конусной формы и окно для установки чувствительного элемента, после чего цилиндрическая оболочка подвергается отжигу, затем внутрь конусных полостей заливается смесь из ферритового порошка и клеевой основы, после чего устанавливается чувствительный элемент в зазор между конусами через установочное окно в торце сверхпроводящей оболочки.

Для измерения величины индукции магнитного поля широко используются электронные твердотельные чувствительные элементы. Повысить их чувствительность можно с помощью пассивных концентраторов, которые увеличивают индукцию внешнего магнитного поля в области чувствительного элемента.

Основным элементом гибридного датчика, обеспечивающим его эффективность, является оболочка из сверхпроводящей керамики. Сложность изготовления гибридного датчика связана с двумя основными причинами.

Сверхпроводящей керамике необходим отжиг при высоких температурах. При этом сформованный ферромагнитный концентратор и чувствительный элемент могут быть повреждены.

Сверхпроводящая керамика получается обычно с помощью мокрой прессовки и последующего отжига. Однако этот метод годится лишь для керамических изделий простой формы. Для гибридного же датчика требуется формирования керамического цилиндра, внутри которого имеется полость под установку ферромагнитного конуса, а так же канал для установки чувствительного элемента. Изделие такой формы после прессовки все еще очень хрупкое и извлечь его из пресс-формы без повреждений сложно. Для осуществления прессовки такой конструкции предлагается использовать оболочку из серебра, которой придается форма будущего концентратора. После формирования и сварки формы из листового серебра, форма заполняется сверхпроводящим порошком, в который добавляется связующее вещество (изопропиловый спирт). Далее порошок подвергается прессовке в специальной пресс-форме, сушке и отжигу. После остывания, в конусные полости сверхпроводящей керамической оболочки заливается смесь ферритового порошка и клеевой основы, а в зазор между конусами устанавливается чувствительный элемент.

Классическая технология формирования гибридных датчиков подразумевает исполнение всех операций в едином цикле и на единой основе. Области сверхпроводника, элементы чувствительного элемента создаются совместно. В такой технологии невозможно отдельно сформировать концентратор и добавить к нему чувствительный элемент.

Предлагаемая технология позволяет независимо формировать каждый из элементов гибридного датчика, а так же гибко модернизировать каждую составляющую, вплоть до модификации конфигурации концентратора и замены чувствительного элемента.

За счет этого достигается:

1) Формирование сверхпроводящей керамики концентратора не затрагивает чувствительный элемент и ферромагнитный сердечник, благодаря чему чувствительный элемент и ферромагнитный сердечник не испытывают на себе температурных нагрузок, возникающих в процессе отжига сверхпроводящей керамики концентратора, которые иначе бы привели к их повреждению.

2) Высокая повторяемость изделий. Так как в классической методике исполнения чувствительный элемент производится зачастую совместно с концентратором, любое отклонение от технологических параметров приводит к повреждению всех элементов устройства. В предложенной же технологии каждый элемент формируется отдельно, потому выход из технологических параметров или же иные факторы приводят лишь к нарушению работоспособности одного элемента, а не всей системы.

Помимо этого новизна состоит в технологии прессовки сверхпроводящей керамики. Добавление серебряной оболочки позволяет сохранять структурную целостность заготовки на всех этапах производства, а так же повышает качество исполнения геометрии концентратора. Кроме того, дополнительный элемент в виде серебряной оболочки позволяет повысить надежность изделия и его прочность, что позволяет использовать изделие в более широком спектре приборов, в том числе работающих в тяжелых условиях.

Способ изготовления реализуется следующим образом. Из листов серебра изготавливается обойма для запрессовки сверхпроводящей керамики. Листы свариваются с помощью серебряного припоя и флюса на основе бората натрия. Форма серебряной обоймы повторяет форму сверхпроводящей оболочки: внешняя часть представляет собой цилиндр, внутренняя часть - конусная. Обойма устанавливается в пресс-форму. Далее обойма заполняется сверхпроводящим порошком, смешанным с изопропиловым спиртом, который является связующим веществом и помогает образовать более плотную и устойчивую массу во время прессовки. Проводится запрессовка сверхпроводящего порошка. Затем серебряную обойму с запрессованным порошком извлекают из пресс-формы и помещают в муфельную печь.

Первой стадией подготовки керамики является сушка при температуре 90 градусов Цельсия в течении 40 минут. Это необходимо для удаления излишков изопропилового спирта, который иначе бы вследствие интенсивного испарения мог нарушить структуру керамики. После этапа сушки керамика подвергается отжигу при температуре 860 градусов Цельсия в течении 4 часов и остыванию в муфельной печи в течении 6 часов.

После остывания получившаяся сверхпроводящая оболочка извлекается из печи и внутренняя конусная часть заполняется смесью ферритового порошка и клеящей основы, которая образует ферромагнитный конусный концентратор магнитного поля.

После застывания ферромагнитной массы в получившийся концентратор устанавливается чувствительный элемент.

Предложенная технология позволяет создавать элементы гибридного датчика без взаимного влияния технологических процессов, благодаря чему исключается возможность выхода из строя чувствительного элемента из-за воздействия высоких температур, возникающих входе отжига сверхпроводящей керамики, повышается качество исполнения гибридного датчика, увеличивается повторяемость, упрощается технологический процесс, повышается ремонтопригодность и появляется возможность независимой модернизации различных элементов гибридного датчика.

Кроме того, изготовление гибридного датчика по предлагаемой технологии позволяет использовать широкий круг чувствительных элементов, что увеличивает универсальность изделия и возможность адаптации его для самых различных задач, при этом сохраняя его высокие технические параметры.

Так же предлагаемый способ изготовления упрощает технологический маршрут, так как уменьшает количество необходимого специализированного оборудования, что снижает затраты на производство.

Источники информации:

1) Wang L.М. et al. Fabrication and Characteristics of High-Tc Superconducting/Magnetoresistive Mixed Sensors // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. - 2016. - T. 26. - №. 3. - C. 1-4.

2) Патент РФ №2568148.

3) Патент US 5491410 A - прототип.

Способ изготовления гибридного датчика магнитного поля, включающий процесс формирования концентратора магнитного поля, представляющего собой два соосно расположенных, встречно направленных конуса из ферромагнитного материала, и имплантацию в зазор между конусами чувствительного элемента, отличающийся тем, что элементы концентратора формируются отдельно от чувствительного элемента, оболочка конусного концентратора из высокотемпературного сверхпроводника изготавливается с помощью прессования смешанного с изопропиловым спиртом сверхпроводящего порошка в серебряной оболочке, уложенной внутри пресс-формы, создающей внутри цилиндрической оболочки полость конусной формы и окно для установки чувствительного элемента, после чего цилиндрическая оболочка подвергается отжигу, затем внутрь конусных полостей заливается смесь из ферритового порошка и клеевой основы, после чего устанавливается чувствительный элемент в зазор между конусами через окно в торце сверхпроводниковой оболочки.