CN103563112A - 微型热电偶 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改良的、高强度的微型热电偶(10)，其包括每个均优选为细长金属芯(18,22)形式的第一和第二微丝(12，14)，第一和第二微丝(12，14)具有外部玻璃覆层(20,24)；至少一个微丝(12，14)为非晶微丝(12)，并且优选方式是其他微丝为结晶的微丝(14)。通过将微丝(12,14)的远端剥除而形成热电偶结(16)以提供剥离的端部(18a，22a)。该剥离的结晶微丝端部(22a)缠绕该剥离的非晶微丝端部(18a)以形成一连串的相邻盘旋结构(30)。在例如飞机元件的碳纤维复合材料的制备和修复中该微型热电偶(10)达到了特别的效用。
Description
对相关申请的交叉引用
本发明要求享受2011年04月04日提出的临时申请号为S/N61/516432的权利，在此通过引用将其整体引入。
背景技术
技术领域
本发明主要涉及利用一对加长金属芯微丝制造的设计稳健的改良微型热电偶。更特别地，本发明涉及这种微型热电偶及其制备方法，其中至少一个该微丝是高强度、玻璃包覆、非晶态金属芯微丝，并且热电偶结包括围绕非晶态微丝的其他微丝的螺旋缠绕。
现有技术的描述
热电偶实质上是双金属结，其提供与热电偶结所经受的温度成比例的输出电压。热电偶在众多应用中是十分常见的。然而，在特定情况下热电偶必须具有极小的尺寸，通常称之为微型热电偶。将这些相当微小的热电偶用于各种装置中，例如用于医学装置(例如，消融导管)、或在制备或修补复合纤维飞机构件或类似物期间的温度监测中。在后面的实例中，在固化过程期间将该微型热电偶的热电偶结嵌入到复合材料中以监测温度。该微型热电偶必须在尺寸上与强化纤维相称以不会在制造或修补的部分引入弱点。此外，该微型热电偶必须具有足够的机械强度以承受住操作、扭绞以及在复合部分的制备或修补过程中所形成的应力和升高的压力，并且还应当在整个重复热循环期间具有稳定的热电势(也称之为热电动势或塞贝克系数)。在复合材料固化期间如果热电偶遭受了重复变形，则常规微型热电偶的缺陷在于其热电势EMF会变化。
美国专利号7361830公开了一种微型热电偶，通过以下步骤形成：将绝缘层从至少第一和第二微丝电极的相邻远端移除，然后通过利用无铅焊料而焊接该剥离后的端部，或者通过将该端部焊接在一起而在该远端形成了导电性热电偶结。随即，利用热收缩聚合物外皮覆盖该形成的热电偶结。这种类型的微型热电偶具有的难题在于由于该聚合物外皮的热特性它仅在有限的温度范围内工作。
另一种类型的微型热电偶在题目为Double Glass Drag Spinning Method ofFabrication of Thermoelectric Coaxial Cables and Microthermocouples，Kantster等，Journal of Optoelectronics and Advanced Materials，第8卷，第2期，2006年4月，第601-603页的文章里有所描述。为了利用碲化铋半导体和半金属芯制备较长的玻璃包覆同轴微丝，此微型热电偶设计采用了凭借热炉加热的双重软化玻璃拖动旋转法。所得到的微丝具有非常高的灵敏度，但是此同轴设计承受了碲化铋材料的脆性。
其他重要的背景文献包括美国专利号5240066、7041911和High FrequencyProperties of Glass-Coated Microwire，Antonenko等，Journal ofApplied Physics，第83卷，第11期，1998年6月。
发明内容
本发明克服了以上概述的问题并且提供了大大改善的具有稳健设计和高强度的微型热电偶，特别地适用于在任何上下文所需要的微型热电偶中使用，尤其在碳纤维复合材料的制备和修补中。一般来说，根据本发明的微型热电偶包括第一和第二伸长微丝电极，在该电极之间遍及其长度的一部分具有一电绝缘屏障，且该电极的至少一个由非晶态金属材料形成。导电热电偶结提供在第一和第二电极之间，并且包括其中一个电极缠绕另一个电极的长度；优选地，该结形成在该第一和第二电极的并置端部。
在特别优选的方式中，每个微丝电极均是采用常规Taylor-Ulitovsky工艺制备的玻璃包覆微丝以使得该金属微丝芯具有从大约15-50微米、更优选为从大约25-40微米范围的直径，带有具有从大约1-10微米、更优选为从大约2-8微米厚度的玻璃覆层。该微丝实质上能够具有任何预定的长度，但是长度优选为从大约2cm-3m并且为并行毗邻的。为了最小化该微型热电偶的横向尺寸，第一和第二电极沿着其长度的至少一部分、并且优选地在玻璃覆层的全部长度范围内相互连接。
如以上所提出的，微型热电偶电极的至少一个是一非晶微丝。如在此所采用的，“非晶”意味着金属芯是实质上未结晶化、无分化的结构，在其中不具有原子或分子的可感测组织或形状，并且在其中具有不超过大约10重量％的结晶相。这些类型的非晶微丝具有强度、硬度以及热电特性，其在现在的微型热电偶中是非常理想的。
首选为形成微型热电偶的部分的其他微丝是一实质上结晶化的微丝，其特征为遍及其中的实质上一致的结晶化结构，在其中具有不超过大约10重量％的非结晶相。该实质上结晶化的微丝比非晶微丝更加容易变形，并且因此该结晶化微丝的剥离端部优选被非晶微丝的剥离端部所环绕以形成该微型热电偶结。
可以利用高导电性金属(例如，银、金或铜)薄层(自大约1-10微米)覆盖该形成的微型热电偶结，并且如果适于一给定端部用途，可以具有施加到该微型热电偶结的一绝缘材料(例如，环氧树脂或聚酰亚胺清漆)薄层，其具有或不具有高导电性金属覆盖层的存在。
附图说明
图1是根据本发明的微型热电偶的充分放大的截面图；并且
图2是图1的微型热电偶的垂直截面图，其图解了首选的热电偶结。
具体实施方式
现在转向附图，较佳的微型热电偶10在图1和2中图示出，并且主要包括第一和第二相邻、相互连接的微丝12和14以及与微型热电偶10的一个端部相邻的“热端”或热电偶结16。
在图解实施方式中，微丝12形成为具有细长的金属的非晶芯18以及在芯18周围的电绝缘玻璃外皮20。同样地，该微丝14具有也被电绝缘玻璃外皮24包围的细长的实质上结晶的金属芯22。如图所示，借助适当的粘结剂28，例如环氧树脂或聚酰亚胺清漆，微丝12和14在微型热电偶10的“冷”端26之间沿着其长度相互连接。这种粘结剂可以涂敷在微丝12和14的全部玻璃涂层长度之上，或者沿着此长度在选定的相隔开的区域上。
采用已知的Taylor-Ulitovsky工艺通过将熔融的金属芯铸造到连续拉制玻璃微细管上而方便地制造微丝12和14。例如，此工艺在美国专利号5240066中公开，在此通过引用将其全部引入，并且可应用到非晶和微晶微丝这二者的形成中。此外，市场上提供了各种玻璃覆层微丝，例如，来自西班牙圣塞瓦斯蒂安的Tamag Iberica有限公司以及在摩尔多瓦的基希纳乌的Microfir Tehnologii Industriale公司。能够购买具有5-110微米直径的金属芯和1-10微米厚度的玻璃覆层的这种微丝。金属芯的非晶或微晶结构能够采用合适的金属合金复合物和工艺参数制备。
通过将外皮20和24从相应的微丝芯18和22剥除以形成剥脱的微丝端部18a和22a从而形成该热电偶结16。接着，该剥脱芯22a缠绕该剥脱芯18a以在芯22a与18a之间提供一优良电学结。为此目的，较佳的是将该剥脱芯22a缠绕以提供一连串沿着剥脱芯18a的紧凑且紧密相邻的盘旋结构30(优选为大约4-10圈)。该缠绕的热电偶结16还可以采用无铅焊料进行焊接。可以利用高导电性金属(例如，银、金或铜)薄层(自大约1-10微米)覆盖该形成的微型热电偶结16，并且如果适于一给定端部用途，该形成的微型热电偶结16可以具有施加到所述结的一电绝缘材料(例如环氧树脂或聚酰亚胺清漆)薄层，其具有或不具有高导电性金属覆盖层的存在。
剥除该外皮20和24以提供芯端部18a和22a能够由机械方法或者通过在氢氟酸溶液中刻蚀该玻璃而实现。芯端部22a围绕芯端部18a的缠绕能够利用由优质钢管制备且具有形成于其中的狭窄的纵向沟槽的简单回转工具实现且按照夹紧微丝端部22a的尺寸制造。
特别优选的是，该微丝12为非晶玻璃覆层微丝。这是因为这种微丝具有理想的机械特性，并且尤其是硬度和高达3GPa的高拉伸强度(比低碳钢高10倍以上并且接近碳化纤维强化聚合物复合物)。这种特性是因为非晶金属微丝芯18的基本无瑕疵且非晶化的结构。示例非晶金属合金包括具有15％硅和10％硼(均是原子数百分比)添加物的Co-基合金。然而，在本领域也可以采用许多其他的适用合金组分。结晶化微丝芯22可以由镍、镍-铬或铜-镍(康铜类型)合金铸造。
实施例
根据本发明利用非晶正微丝电极和负微丝电极制备了一批微型热电偶。该正电极按照常规由含铁、铬、硼和硅的非晶84KXCP钴基合金制备，并且具有大约35微米直径的合金芯，且在该芯周围具有大约3-5微米厚度的玻璃外皮。该负电极由康铜合金(45％镍和55％铜)制备，且具有大约20-25微米直径的金属芯且在该芯周围具有厚度大约为5微米的玻璃外皮。这两种微线均由摩尔多瓦的基希纳乌的Microfir Tehnologii Industriale公司制造。
然后通过很小剂量环氧树脂胶的施加而将正和负微丝电极沿着若干米的长度粘合到一起。接着将该粘合的微丝对切割为大约30cm的长度。为了产生热电偶结，这两微丝的玻璃外皮在其一个端部被剥离大约4-5mm长度。通过采用微型滚轮工具在20倍显微镜下机械性实施该玻璃去除。接着使用上面所述的管状回转工具将露出的负微丝电极缠绕到正微丝电极以得到7-10匝的紧密螺旋结构。接着利用铜进行电镀该缠绕的线热电偶结以提供大约3-5微米厚度的外部铜层。
在热电偶中远离热电偶结的相反端部的微丝也是暴露且分离的，并且各自焊接到常规小印刷电路板的两个焊盘上，该印刷电路板用于将该微型热电偶连接到精密数字电压表。
当热电偶结暴露于不同温度时，对七个这些微型热电偶样品的所生成的热EMF的一致性和稳定性进行测试。在此测试中，包括电路板焊盘以及所连接的微丝的热电偶的冷结保持在环境温度并且由一标准T-型热电偶(铜+康铜)监控。具有0.1微伏精度的数字电压表用于测量来自该微型热电偶的输出电压。
在测试中，每一微型热电偶的缠绕丝热电偶结首先浸入到融化冰浴(0℃)中，并且接着在保持为使纯锡熔融(231.93℃)的恒温器中。经由交替浸入在熔融锡和融化冰中而通过对缠绕丝热电偶结进行多次加热和冷却而测试该热电偶的稳定性。对于该七个所制备的样品，通过在0与231.93℃之间比较所生成的EMF的总数值而定义该热电偶的一致性。
该平均(0-231.93℃)EMF值设定为6550微伏，对于不同样品具有偏差，包括那些承受重复加热和冷却循环，为±15微伏或0.25％。通过比较，市场所售的最佳热电偶例如为由Omega公司制备、具有0.5％的精度水平。
Claims (32)
1.一种微型热电偶，包括第一细长微丝电极和第二细长微丝电极，在该第一和第二电极之间遍及于其长度的一部分上具有电绝缘屏障，所述电极中的一个由非晶金属材料形成；以及导电热电偶结，包括一个电极缠绕另一电极的一段长度。
2.根据权利要求1所述的微型热电偶，每一所述微丝电极具有大约2cm-3m的长度，并且相互并行相邻。
3.根据权利要求1所述的微型热电偶，每一所述微丝电极包括金属材料芯，利用绝缘材料外皮沿其长度部分包围该芯。
4.根据权利要求3所述的微型热电偶，所述芯具有大约15-50微米的直径，所述外皮具有大约1-10微米的厚度。
5.根据权利要求4所述的微型热电偶，所述芯直径为大约25-40微米，所述外皮厚度为大约2-8微米。
6.根据权利要求3所述的微型热电偶，所述微丝电极沿着所述部分的长度方向相互连接。
7.根据权利要求6所述的微型热电偶，所述微丝电极由施加到其所述外皮上的粘结剂而相互连接。
8.根据权利要求1所述的微型热电偶，所述第二电极缠绕所述第一电极以形成所述热电偶结。
9.根据权利要求8所述的微型热电偶，缠绕所述第二电极以形成一连串所述第二电极环绕所述第一电极的相邻且紧密的回旋结构。
10.根据权利要求8所述的微型热电偶，所述第一电极为由非晶金属材料形成的所述的一个电极。
11.根据权利要求10所述的微型热电偶，所述第二电极为由实质上结晶的金属材料形成。
12.根据权利要求1所述的微型热电偶，具有施加于所述热电偶结的高导电金属薄层。
13.根据权利要求12所述的微型热电偶，所述层由铜、银或金形成且具有大约1-10微米的厚度。
14.根据权利要求1所述的微型热电偶，具有施加于所述热电偶结的绝缘材料薄层。
15.根据权利要求14所述的微型热电偶，所述绝缘材料包括环氧树脂或聚酰亚胺清漆。
16.根据权利要求1所述的微型热电偶，所述热电偶结形成在所述第一和第二电极的并列端部。
17.一种制备微丝热电偶的方法，采用细长的第一和第二微丝电极，第一和第二微丝电极在所述第一和第二电极之间沿着其长度的一一部分具有电绝缘屏障，所述方法包括以下步骤：
通过将一个电极缠绕于另一个电极而形成导电热电偶结，
所述电极中的一个由非晶金属材料形成。
18.根据权利要求17所述的方法，每一所述微丝电极具有大约2cm-3m的长度，并且并行相邻。
19.根据权利要求17所述的方法，每一所述微丝电极均包括金属材料芯，利用绝缘材料外皮沿其长度部分包围该芯。
20.根据权利要求18所述的方法，所述芯具有大约15-50微米的直径，所述外皮具有大约1-10微米的厚度。
21.根据权利要求20所述的方法，所述芯直径为大约25-40微米，所述外皮厚度为大约2-8微米。
22.根据权利要求19所述的方法，所述微丝电极沿着所述部分的长度方向相互连接。
23.根据权利要求22所述的方法，所述微丝电极由施加到其所述外皮上的粘结剂而相互连接。
24.根据权利要求17所述的方法，包括以下步骤：将所述第二电极缠绕所述第一电极以形成所述热电偶结。
25.根据权利要求24所述的方法，包括以下步骤：缠绕所述第二电极以形成一连串所述第二电极环绕所述第一电极的相邻且紧密的回旋结构。
26.根据权利要求24所述的方法，所述第一电极为由非晶金属材料形成的所述的一个电极。
27.根据权利要求26所述的方法，所述第二电极为由实质上结晶的金属材料形成。
28.根据权利要求17所述的方法，包括以下步骤：将高导电率金属薄层施加于所述热电偶结。
29.根据权利要求28所述的方法，所述层由铜、银或金形成且具有大约1-10微米的厚度。
30.根据权利要求17所述的方法，包括以下步骤：将绝缘材料薄层施加于所述热电偶结。
31.根据权利要求30所述的方法，所述绝缘材料包括环氧树脂或聚酰亚胺清漆。
32.根据权利要求17所述的方法，包括以下步骤：在所述第一和第二电极的并列端部形成所述热电偶结。
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