CN107238446A - 温度检测元件及温度检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及检测领域，公开了一种温度检测元件及温度检测器，该温度检测元件包括：电阻体和电连接在所述电阻体的端部的金属件；其中所述电阻体包括基线和均匀附着在所述基线上的碳纳米管。通过上述技术方案，提供了一种利用热电阻效应的温度检测元件，元件中的电阻体的基线可以根据温度检测要求被制作成任何合适的形状，此外，碳纳米管具有半导体的特性、比热高、能实现宽范围的温度检测。

Description

温度检测元件及温度检测器
技术领域
本发明涉及检测领域，具体地，涉及一种温度检测元件及温度检测器。
背景技术
随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度检测使用的方法种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法：利用物体热胀冷缩原理制成的温度计；利用热电阻效应技术制成的温度计；以及利用热电效应技术制成的温度检测元件。其中，利用热电效应技术制成的温度检测元件主要是热电偶。热电偶发展较早，比较成熟，至今仍为应用最广泛的检测元件。热电偶具有结构简单、制作方便、测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。
近年来，在温度检测技术领域，多种新的检测原理与技术的开发应用，已经取得了重大进展。新一代温度检测元件正在不断出现和完善化。晶体管温度检测元件半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数比金属大1～2个数量级，二级管和三极管的PN结电压、电容对温度灵敏度很高。基于上述测温原理已研制了各种温度检测元件。
当前，有技术提供利用电阻器作为温度检测器，代表性的电阻器是热敏电阻。但是，需要根据所计测的温度范围选定热敏电阻具有的电阻值，这样使得热敏电阻能计测的温度范围受到限定。当前，热敏电阻材料是对将锰(Mn)、镍(Ni)、钴(Co)等作为成分的氧化物进行烧结而成的陶瓷，根据材料而对变化电阻值有限制。此外，在检测面中的温度的情况下，需要使用多个热敏电阻来检测温度的机构。在开发面、立体温度检测传感器时，对形状和加工性有要求。
针对上述问题，现有技术中尚无良好解决方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种设备，该设备结构简单、制作方便、测量范围宽并且测温精度高。
为了实现上述目的，本发明提供一种温度检测元件，该温度检测元件包括：电阻体和电连接在所述电阻体的端部的金属件；其中所述电阻体包括基线和均匀附着在所述基线上的碳纳米管。
进一步地，所述基线为聚酯复丝线。
进一步地，所述金属件通过树脂类导电粘结剂与所述电阻体的端部电连接。
进一步地，所述电阻体还包括树脂材料，该树脂材料与所述碳纳米管混合或涂覆在所述电阻体的表面。
进一步地，所述树脂材料为聚碳酸酯。
进一步地，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
进一步地，所述电阻体的电阻值为1000Ω/cm。
本发明的另一个方面，提供了一种温度检测器，该温度检测器包括温度检测电路和上述的温度检测元件，其中所述温度检测元件通过所述金属件接入所述温度检测电路；以及所述温度检测电路被配置成根据所述温度检测元件的电阻体的阻值变化确定温度值。
进一步地，所述电阻体为等距网，其中所述网的每个节点连接一个所述金属件。
进一步地，所述电阻体为螺线管，其中所述螺线管的两个端点各连接一个所述金属件。
进一步地，所述电阻体为压接在两层绝缘基板之间的曲线，其中所述曲线的两个端点各连接一个所述金属件。
进一步地，所述绝缘基板的材料包括以下至少之一者：环氧树脂、硅树脂、碳化硅、氮化铝以及聚碳酸酯。
通过上述技术方案，提供了一种利用热电阻效应的温度检测元件，元件中的电阻体的基线可以根据温度检测要求被制作成任何合适的形状，此外，碳纳米管具有半导体的特性、比热高、能实现宽范围的温度检测。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明实施方式提供的温度检测元件结构示意图；
图2A是本发明一个示例实施方式提供的温度检测器；
图2B是图2A中圆形测定销的放大视图；
图3A-3B是本发明另一个示例实施方式提供的温度检测器；
图4是本发明再一个示例实施方式提供的温度检测器；
图5是本发明再一个示例实施方式提供的温度检测器；以及
图6是一个示例的受温度变化影响电阻值变化的曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是本发明实施方式提供的温度检测元件结构示意图。如图1所示，本发明实施方式提供的温度检测元件可以包括：电阻体100和电连接在所述电阻体的端部的金属件200；其中所述电阻体100可以包括基线101和均匀附着在所述基线上的碳纳米管102。
本发明实施方式中的碳纳米管(CNT)可以通过分散成浆料，然后喷涂附着在基线101上，形成电阻体100。此CNT，通过碳同素体形成，因此具有半导体的特性，也显示出石墨烯等同样的特性。通过将CNT分散，并附着于聚酯纤维线，可以使线上拥有均匀的电阻。该电阻体可以由于CNT具有的上述特性，而适合作为温度传感器使用。此传感器具有负温度特性，并具有优良的柔性特征，可以加工成各种各样的形状，也是最适合用来构成表面温度检出器(传感器矩阵)。在实施方式中所采用的示例的电阻体的电阻值为1000Ω/cm。
其中本发明实施方式提供的电阻体的电阻变化关系式如下：
ΔR＝kΔT (1)
其中，ΔR为电阻变化量、ΔT为温度变化量、k为系数且为负值。
通过实施方式提供的电阻体的上述特性，温度变化可以导致电阻变化，进而可以通过适配的电路(例如，温度检测电路)转换为电压，从而检测出温度。
在常温下，上述电阻体具有一定的电阻值，且具有随温度降低，电阻值变大，随温度升高，电阻值变小的特性。并且，电阻值变化小，B常数显示为低值，呈线性特性，从而测量温度范围广。
实施方式中，可以通过以下公式进行温度计算：
该公式为摄氏温度换算公式，Tb为温度变化前的温度(摄氏度)，Ta为待测温度(开尔文)，Rb为温度变化前电阻体的电阻(Ω)，Ra为测试温度时电阻体的电阻(Ω)，B为常数。其中，B值可以通过实验测定。例如，实验可以在隔绝湿度变化的条件下，通过每10℃测量电阻体的电阻变化，通过解方程得到B值。考虑到电阻传感器会因产品而不同，因此可以根据材料的温度变化及湿度变化的特性，与基准电阻值相比，电阻传感器每单位设定B常数，从这一设定的B常数，传感器电阻阻值的变化向电压转换，采用从B常数算出温度的算法。B常数小，显示为直线性，因此其特征在于可进行大范围温度检测。这也同时防止了因材料老化引起的温度检测精度的老化。
在本发明的实施方式中，基线101可以为聚酯复丝线，例如材料为240Dtex－48fll的聚酯复丝线。本公开中提供的电阻体，其因使用碳纳米管材料，因此与金属连接时，会具有多个接触点，这样的接触，虽然对于材料自身的电阻值没有影响，然而会对接触电阻造成极大影响。因此，在本发明的实施方式中，使用树脂系的导电胶来设置电阻体的接触点。优选地，金属件200可以通过树脂类导电粘结剂与所述电阻体的端部电连接。其中，举例的金属件的材料可以是铜、金等。
在实施方式中，所述电阻体还可以包括树脂材料，该树脂材料与所述碳纳米管混合或涂覆在所述电阻体的表面。例如，所述树脂材料可以为聚碳酸酯(热传导率：0.19W/m·K)，聚酯材料的使用可以降低湿度对温度检测元件电阻的影响。在优选的实施方式一种，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
利用上述温度检测元件的特点，可以将其与温度检测电路耦接以实现温度测量。出于这个目的，本发明的另一个方面，提供了一种温度检测器，该温度检测器包括温度检测电路和上述的温度检测元件，其中所述温度检测元件通过所述金属件接入所述温度检测电路；以及所述温度检测电路被配置成根据所述温度检测元件的电阻体的阻值变化确定温度值。
图2A示出了本发明一个示例实施方式提供的温度检测器(温度检测电路未示出)。图2A示出的温度检测器采用螺线管型的温度检测元件，温度检测元件的电阻体为螺线管，其中所述螺线管的两个端点各连接一个金属件。在图2A所示的实施方式中，金属件为铜箔卷成的圆筒，电阻体卷曲在铜箔上固定，并且缠绕在插入圆筒中的镀金圆形测定销上。其实电阻体与圆形测定销可以具有角栓连接的方式，然而角栓连接会破坏金属体的纤维结构，因此，在本发明的实施方式中，采用缠绕固定的方式。举例的圆形测定销的结构如图2B所示。
图3A-3B是本发明另一个示例实施方式提供的温度检测器(温度检测电路未示出)。其中图3A为正视图，图3B为侧视图。如图3A-3B所示，在实施方式中电阻体(或导电纤维)为压接在两层绝缘基板之间的曲线，其中所述曲线的两个端点各连接一个金属件。金属件为配线PAD(板)或金属配线，通过导电性树脂粘结剂将电阻体与配线PAD和金属配线强力粘合。其中导电性树脂粘结剂的电阻比电阻体的电阻低。所述绝缘基板的材料包括以下至少之一者：环氧树脂、硅树脂、碳化硅、氮化铝以及聚碳酸酯。绝缘基板可以是聚乙烯材料，起到将电阻体与空气隔绝和保护电阻体的作用。举例的绝缘基板的材料的热传导率如下：环氧树脂系(热传导率：0.3W/m·K)、硅树脂系(热传导率：0.15W/m·K)、碳化硅(热传导率：200W/m·K)、氮化铝(热传导率：150W/m·K)以及聚碳酸酯(热传导率：0.19W/m·K)。
在图3A-3B所示的实施方式中，示出了一条电阻体(或导电纤维)的情况，其中M＝20，N＝20，纵向导电纤维根数n＝6，电阻值为12020Ω。其中导电纤维的电阻值为1000Ω/cm或100Ω/mm。因此，电阻体的电阻值可以通过以下公式计算：
R＝N+(M×n)×100 (3)
在不同的实施方式中，在绝缘基板与电阻体之间加入功能层可以实现对特定波长的滤除。例如，如图4所示，在绝缘基板与电阻体之间加入红外线截止滤光片，可以制成剪切红外线类型的温度检测元件。在其他实施方式中，可以例如加入紫外线截止滤光片，制成剪切紫外线类型的温度检测元件。
图5是本发明再一个示例实施方式提供的温度检测器(温度检测电路未示出)。在图5所示的实施方式中，电阻体为等距网，其中所述网的每个节点连接一个金属件。如图5所示，将涂布于1KΩ线材上的CNT电阻体按照10×10的矩阵进行设置。此时，一边的基准电阻值变成设计电阻值的1/4。例如，求(100mm×100mm)的基准电阻。根据坐标(0,0)、坐标(10,10)的合成电阻，可知道它的基准电阻值为2.5KΩ，当以坐标(5,5)为基准测定四角传感器电阻值时，它的基准电阻值变为1.25KΩ。也就是通过2点测定基准电阻时，中间的电阻体合成电阻是最小的。所以以坐标(0,0)为基准时，坐标(10,0)，坐标(0,10)，坐标(10,10)的阻值是均等的。换句话说，将测定点放在对角线上，就可以测出整个面的温度。通过将这种检测矩阵细化，不仅可以检测出细小的面的温度，还可以根据变化测试点，检测出面的一部分的温度。
需要说明的是，图5所示的实施方式仅示出了10×10的矩阵的形式，事实上，这种矩阵的构成可以是无限大的。其电阻的计算可以如下式：
图6示出了一个示例的受温度变化影响电阻值变化的曲线图。其中，将根据本发明实施方式的电阻体在2.54mm间隔的基板上，按照2.54mm×9间隔，2根并列排成矩阵状，测定对角线间电阻受温度变化引起的电阻变化。如图6所示，通过使用模拟-数字转换(REF＝5V12bitAD)，判断可进行1℃(或0.5℃)单位的温度测量。
通过上述技术方案，提供了一种利用热电阻效应的温度检测元件，元件中的电阻体的基线可以根据温度检测要求被制作成任何合适的形状，此外，碳纳米管具有半导体的特性、比热高、能实现宽范围的温度检测。
使用附着有碳纳米管的具有均匀电阻值的纤维状材料，一方面可满足形状及加工性的需求，另一方面具有半导体的特点，比热高，可实现大范围的温度检测的同时，还具有可以在面上配置均匀电阻的特征。以前的热敏电阻，通过多个或者通过热传导媒介(均匀金属)进行测量，而本发明实施方式提供的温度检测元件，可以形成矩阵状均匀配置的电阻传感器，具有可进行面温度检测的特征。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，可以将电阻体改变为导电纤维。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种温度检测元件，其特征在于，该温度检测元件包括：
电阻体和电连接在所述电阻体的端部的金属件；其中
所述电阻体包括基线和均匀附着在所述基线上的碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的温度检测元件，其特征在于，所述基线为聚酯复丝线。
3.根据权利要求1所述的温度检测元件，其特征在于，所述金属件通过树脂类导电粘结剂与所述电阻体的端部电连接。
4.根据权利要求1所述的温度检测元件，其特征在于，所述电阻体还包括树脂材料，该树脂材料与所述碳纳米管混合或涂覆在所述电阻体的表面。
5.根据权利要求4所述的温度检测元件，其特征在于，所述树脂材料为聚碳酸酯。
6.根据权利要求1所述的温度检测元件，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
7.根据权利要求1所述的温度检测元件，其特征在于，所述电阻体的电阻值为1000Ω/cm。
8.一种温度检测器，其特征在于，该温度检测器包括温度检测电路和根据权利要求1-7中任一项权利要求所述的温度检测元件，其中
所述温度检测元件通过所述金属件接入所述温度检测电路；以及
所述温度检测电路被配置成根据所述温度检测元件的电阻体的阻值变化确定温度值。
9.根据权利要求8所述的温度检测器，其特征在于，所述电阻体为等距网，其中所述网的每个节点连接一个所述金属件。
10.根据权利要求8所述温度检测器，其特征在于，所述电阻体为螺线管，其中所述螺线管的两个端点各连接一个所述金属件。
11.根据权利要求8所述的温度检测器，其特征在于，所述电阻体为压接在两层绝缘基板之间的曲线，其中所述曲线的两个端点各连接一个所述金属件。
12.根据权利要求11所述的温度检测器，其特征在于，所述绝缘基板的材料包括以下至少之一者：环氧树脂、硅树脂、碳化硅、氮化铝以及聚碳酸酯。
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Address before: 102400 room 4, 4 floor, 2 building, 85 Hong Yuan Road, Fangshan District, Beijing.

Applicant before: Beijing carbon sun Technology Co., Ltd.

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Application publication date: 20171010

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