CN110672235B - 热流传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

热流传感器包括具有一系列热电偶并具有第一侧和相对的第二侧的热电堆，布置在第一侧上的第一电和热绝缘层；布置在第二侧上的第二电和热绝缘层；多个第一导热垫，通过第一层与热电堆间隔开，并基本上平行于第一侧延伸；多个第二导热垫，通过第二层与热电堆间隔开，并基本上平行于第二侧延伸；多个导热的第一柱，其中，每个第一柱均从热电偶中的一个至少部分地延伸至第一层中，并且附接至第一垫中的相应的一个，并具有大于相应第一垫的厚度的长度。

Description

热流传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种热流传感器，该热流传感器包括热电堆，热电堆包括多个串联连接的热电偶，热电堆具有第一侧和与第一侧基本平行的相对的第二侧，其中，热电偶中的每个均设有第一部分和第二部分，其中，第一部分由第一导电材料制成，第二部分由第二导电材料制成且附接至第一部分；热流传感器还包括设置在第一侧上的第一电和热绝缘层；设置在第二侧上的第二电和热绝缘层；多个第一导热垫，由第一层与热电堆间隔开，并基本上平行于第一侧延伸；以及多个第二导热垫，通过第二层与热电堆间隔开，并且基本上平行于第二侧延伸。本发明还涉及一种制造热流传感器的方法。
背景技术
从US 2005/0105582中已知一种热通量传感器，US 2005/0105582描述了一种薄的热通量比较器，该热通量比较器设计成在其输入面中的每个上接收通过接触传输的热通量，即传导的和/或对流的热通量。已知的热通量传感器包括两个基本上平面且相互平行的输入面，每个均能够接收热通量，并且包括热电电路，该热电电路包括至少一个第一金属材料的条带，第二金属材料的第一金属垫在第一金属材料的条带的表面中的一个上至少部分地覆盖第一金属材料的条带。该热通量比较器还包括布置在热电电路的任一侧的电和热绝缘材料层、以及布置在两个绝缘材料层的相应面上的第二垫和第三垫，所述第二垫和第三垫远离热电电路。绝缘材料层具有相同的厚度。第二垫和第三垫的导热率大于绝缘材料层的导热率，并且优选地由相同的材料制成，例如，铜，具有基本相同的厚度。
已知传感器的输出很大程度上取决于在其中使用传感器的材料的热导率。例如，当传感器附接至导热率相对高的材料时，由于微观效应，其输出可能与传感器附接至导热率较低的材料时显着不同。
本发明的一个目的是提供一种热流传感器，该热流传感器提供的输出不易受微观效应的影响。
发明内容
为此，根据第一方面，本发明提供一种热流传感器，该热流传感器包括：热电堆，包括多个串联连接的热电偶，热电堆具有第一侧和与第一侧基本平行的相对的第二侧，其中，热电偶中的每个均设置有第一导电材料的第一部分和不同的第二导电材料的、附接至第一部分的第二部分；第一电和热绝缘层，设置在第一侧上；第二电和热绝缘层，设置在第二侧上；多个第一导热垫，通过第一层与热电堆间隔开，并且基本上平行于第一侧延伸；多个第二导热垫，通过第二层与热电堆间隔开，并且基本上平行于第二侧延伸；多个导热的第一柱，其中，每个第一柱均从所述热电偶中的一个至少部分地延伸至第一层中，并且附接至第一垫中的相应的一个，并且具有大于相应的第一垫的厚度的长度；以及多个导热的第二柱，其中，每个第二柱均从所述热电偶中的一个至少部分地延伸至第二层中，并且附接至第二垫中的相应的一个，并且具有大于相应的第二垫的厚度的长度。
导热的第一垫和第二垫中的每个均适于沿着垫的表面分配入射在其上的能量。由于垫通过柱热连接至它们相应的热电偶，因而在第一垫和第二垫、第一绝缘层、第二绝缘层和/或嵌入传感器的材料中局部积聚的热能引起的微观效应显着降低。通过一起提供大的导热表面的垫进一步减小微观效应。
因而，热能从热传感器的第一侧通过热电堆至第二侧的传递，或者热能从热传感器的第二侧通过到热电堆传递至第一侧的传递，较少地依赖于第一绝缘层和第二绝缘层和/或传感器嵌入的材料的热绝缘特性，从而导致传感器的输出受到微观效应的影响很小。在许多情况下，这允许本发明的传感器以其第一侧或第二侧附接至物体，而不需要相对于制造物体的材料预先校准传感器。例如，相同的传感器可用于对低密度纤维绝缘材料进行热通量测量，例如，密度小于30kg/m3的低密度纤维绝缘材料，随后用于对高密度纤维绝缘材料上进行热通量测量，例如，密度为80至100kg/m3的高密度纤维绝缘材料，当传感器从其嵌入低密度绝缘材料的位置切换到其嵌入高密度绝缘材料的位置时，不必重新校准传感器。
当第一柱和第二柱分别将第一垫和第二垫热连接至热电堆时，从传感器的第一侧到传感器的第二侧(或从传感器的第二侧到传感器的第一侧)的热阻减小，以及通过第一绝缘层和第二绝缘层至热电偶层的热量流得以改善。每个柱均使得能够有效地将热能从其在热电堆一侧处连接的垫传递通过热电堆的热电偶，然后经由传感器相对侧上的相应柱，传送至所述相对侧上的垫。因为第一垫和第二垫中的每个均热连接至热电堆的热电偶，通过热电偶传导的热量增加，从而也增加了每单位传感器面积的、传感器的输出信号。这通常导致改善的信噪比和/或传感器的灵敏度。
优选地，第一垫和/或第二垫等距分布和/或具有基本相同的尺寸。除了第一垫和第二垫与热电偶的接触点之外，柱不形成热电堆电路的部分。
柱与热电堆之间的总接触表面优选地比热电堆中的热电偶的第一部分和第二部分的总面积小至少2倍，优选地小至少10倍。因而，即使柱由与其所连接的热电偶部分的材料不同的材料制成，当与热电偶对灵敏度的电气贡献相比时，柱对传感器的电气灵敏度的贡献程度也是微不足道的。具体地，对于热电堆的每个热电偶而言，热电偶和与其直接连接的柱之间的接触表面的总面积优选地比热电偶垫的第一部分和第二部分的表面的总面积小至少5倍，更优选地，小至少10倍。
垫中的每个均适于沿着垫的表面分配入射在其上的能量。优选地，当投射到热电堆的平面上时，第一垫和第二垫基本上彼此完全重叠。当这种传感器围绕其纵轴线翻转180度时，与传感器翻转之前产生的电压相比，传感器可产生大小相等但符号相反的电压。
在热电堆的同一侧上的柱优选地在相同的热电堆材料过渡处进行连接。例如，如果所有第一柱均在第一导电材料至第二导电材料的过渡处进行连接，则第二柱可在从第二导电材料到第一导电材料的过渡处进行连接。
第一导电垫的数量通常基本上等于热电堆中的热电偶的数量，其中，每个热电偶均经由第一柱中的一个或多个仅连接至一个相关的第一导电垫，其中，附接至所述第一导电垫的所有的一个或多个第一柱均附接至所述热电偶。更优选地，每个第一柱均仅附接至一个第一导电垫，以及每个第一导电垫仅附接至一个第一柱。
在一个优选实施方式中，每个热电偶均连接至一个第一柱，优选地仅连接至一个第一柱，并经由所述柱连接至其相应的第一垫。同样地，每个热电偶优选地连接至一个第二柱，优选地，仅连接至一个第二柱，并经由所述柱连接至其对应的第二垫。因而，避免在垫中的一个与热电堆之间形成导电回路。
第一电和热绝缘材料层和第二电和热绝缘材料层优选地每个都具有面向外的侧部，该侧部背离热电堆，其中，两个面向外的侧部之间的距离是两个层中的每个的长度和/或宽度的20倍或更小。绝缘层可由薄膜或箔制成，优选为诸如的聚酰亚胺薄膜，或具有根据ASTM D150-11测量的、至少为4.0的介电常数的另一种薄膜或箔，并具有根据ASTM D5470-17测量的、0.5或更小的导热性(W/m*K)。
优选地，第二柱完全布置在热电堆的第二侧，即，不突出穿过第一侧或从第一侧突出。具体地，优选的是，第二柱与第一绝缘层完全间隔开。
在实施方式中，每个热电偶均在其第一柱与第二柱之间具有第一热阻，其中，在所述热电偶的第一柱与热电堆中直接相邻的热电偶的最接近的第二柱之间限定第二热阻率，其中，这些热阻率中的最大热阻率与这些热阻率中的最小热阻率的差异不大于50％或更小的预定百分比。例如，如果第一热阻率为1开尔文/瓦特，且第二热阻率为1.3开尔文/瓦特，则这些阻率中的最大阻率与这些阻率中的最小阻率相差30％。优选地，预定百分比为20％或更低，更优选为10％或更低，更优选为10％或更低，例如5％。当第一热电偶和相邻的第二热电偶沿纵向布置时，如通常在根据本发明的热电堆中的情况，通过其对应的第一柱进入第一热电偶的热能可沿着纵向方向在两个方向上流动。在这些方向中的任何一个方向上的热阻率差异越小，则热电偶的开尔文/(瓦特/平方米)的灵敏度就越大。可根据热电偶和柱的尺寸和材料特性和/或通过数值模拟来计算第一热阻率和第二热阻率的估计值。这样的估计通常可以以至多10％的误差范围来执行。具体地，第一部分和第二部分的长度和宽度可以以这种方式确定，和/或以实验为主地确定，以确保第一热阻率和第二热阻率中的最大热阻率与第一热阻率和第二热阻率中的最小热阻率的差异不超过预定百分比。为了便于制造，优选的是，第一部分的宽度基本上等于第二部分的宽度，以及第一部分均具有基本相同的厚度，以及第二部分均具有基本相同的厚度，并且对于第一部分和第二部分的不同长度确定第一热阻率和第二热阻率。通常，第一部分的长度较小，例如，比第二部分的长度小70％或更少。
在实施方式中，每个热电偶的第一部分和第二部分的长度和宽度使得这些热阻率中的最大热阻率与这些热阻率中的最小热阻率的差异不超过所述预定百分比。
在实施方式中，每个热电偶的第一柱均布置在距沿着热电堆的相邻热电偶的最接近的第一柱的中心距离处，使得这些热阻率中的最大热阻率与这些热阻率中的最小热阻率的差异不超过所述预定百分比，和/或每个热电偶的第二柱均布置在具沿着热电堆的相邻热电偶的最接近的第二柱的中心距离处，使得这些热阻率中的最大热阻率与这些热阻率中的最小热阻率的差异不超过所述预定百分比。中心距离在第一柱之间和第二柱之间是相等的。
其中，第一热阻率取决于热电偶的第一柱与相同热电偶的第二柱之间的距离。其中，第二热阻率取决于相同热电偶的第一柱与另一直接相邻的热电偶的最近的第二柱之间的距离。通过适当地选择这些距离而使得第一热阻率和第二热阻率中的最大热阻率与最小热阻率之间的差异在预定百分比内，可优化热电偶的灵敏度。
在实施方式中，第一多个柱布置在偏离第二多个柱的位置处，使得第一热阻率与第二热阻率相差不超过所述预定百分比。在该实施方式中，第一柱布置在与相邻的第一柱基本恒定的中心距离处，以及第二柱布置在与相邻的第二柱基本相等的中心距离处。通过选择第一多个柱与第二多个柱之间的偏移而使得第一热阻率和第二热阻率中的最大热阻率与第一热阻率和第二热阻率中的最小热阻率的差异不超过预定百分比，可优化热电偶的灵敏度。
在实施方式中，传感器对于从第一侧到第二侧的热流的灵敏度基本上等于传感器对从第二侧到第一侧的热流的灵敏度。因而，翻转传感器而使得第一侧和第二侧反转导致输出信号的大小相等，但符号与翻转传感器之前相反。关于热量流过传感器的方向的灵敏度，这种传感器也可以说是对称的。
在实施方式中，第一垫和/或第二垫中的每个的宽度均大于其经由柱所附接的热电偶的相应宽度。
在实施方式中，热电偶的第一部分和第二部分基本上是平面的，并且彼此平行，其中，每个热电偶均适于产生电信号，该电信号指示在从第一柱的附接点至第二柱的附接点的方向上通过的热流。因而，当热能通过每个热电偶从冷接点流至热接点时，热电堆适于提供在所有热电偶中产生的电动势的累积的指示，其中，冷接点例如在热电偶至连接至热电偶的第一柱或第二柱中的一个的附接点处，热接点例如在热电偶至连接至热电偶的第一柱或第二柱中的另一个的附接点处。
在实施方式中，当热电堆处于平面配置时，多个热电偶跨越平面区域，该平面区域的长度和宽度基本上大于热电堆在垂直于所述平面区域的方向上的最大厚度。热电堆在垂直于由多个热电偶跨越的平面区域的长度和宽度的方向上的最大厚度优选地小于所述长度和宽度的二十分之一的最小值。例如，当热电堆在由多个热电偶跨越的区域内具有0.2mm的最大厚度时，由热电偶跨越的区域的长度和宽度都会大于4mm。
在实施方式中，第一柱和第二柱由导电率大于制造第一绝缘层和第二绝缘层的材料的导电率的材料制成。因而，每个导电垫均通过其相应的柱直接导电地连接至其相应的热电偶。例如，柱可由金属或金属合金制成，以及第一绝缘层和第二绝缘层可由诸如的塑料制成。
在实施方式中，串联的多个热电偶形成导电电路，该导电电路具有起点和终点以及在起点与终点间延伸的主支路，其中，第一垫和/或第二垫中的每个均形成导电电路的死端支路，死端支路可从导电电路断开，而导电电路从起点到终点没有中断。因而，即使第一垫或第二垫或其相应的柱损坏，例如，从相应的热电偶脱离，导电电路也从起点到终点保持完整，以及传感器可继续用于测量热量流。以这种方式，可提供具有改进的鲁棒性和可靠性的传感器。
在实施方式中，热流传感器包括第一导电材料的基本上平面的条带，其中，热电偶的第一部分是条带的部分，以及其中，第二部分布置在所述导电条上，并且彼此间隔开。因而，条带可形成为单个连续条带，从而允许以特别方便的方式来制造热电堆。例如，条带可形成为第一导电材料的连续的、优选曲折的条带，其中，第一导电材料例如为康铜，在条带的部分上沉积例如铜，以形成第二部分，其中，沉积的第二部分沿着条带彼此间隔开。条带通常会弯曲，并包括多个基本平行的直线迹线，这些迹线中的每个均具有第一端和第二端以及在第一端与第二端串联连接的多个热电偶，其中，迹线的第一端连接至相邻迹线的第二端，使得热电堆可跨越纵横比在1与4之间的平面区域。为了进一步便于制造，条带优选是连续的。
在实施方式中，热流传感器是可在基本平面配置和非平面配置之间弯曲的柔性箔型热流传感器。在非平面配置中，传感器或至少其热电堆可具有1mm或更大的弯曲半径。优选地，热电堆基本上在传感器的中心平面中或中心平面附近延伸，使得当传感器处于非平面配置时，热电堆上的剪切应力最小化。
在实施方式中，第一柱从仅在热电堆的第一侧上的每个热电偶延伸，和/或其中，第二柱从而仅在热电堆的第二侧上的每个热电偶延伸。因而，热电偶中的每个均可制造成没有通孔和/或盲孔，柱中的一个或多个通过该通孔和/或盲孔从热电堆的第一侧延伸到第二侧。
在实施方式中，多个第一柱的柱布置在第一中心距离处，以及多个第二柱的柱沿着热电堆布置在彼此相距基本相等的第二中心距离处，以及其中，多个第一柱与多个第二多个柱之间的偏移是所述中心距离的至少0.05倍。一系列热电偶中的相邻热电偶的第一部分的长度、宽度和/或厚度可不等于所述第二部分的长度、宽度和/或厚度。通过改变热电堆部分的该长度、宽度或厚度、和/或多个第一柱与多个第二多个柱之间的中心距，可优化传感器的灵敏度。沿着条带测量中心距离。跳闸。例如，取一个热电堆，其中，第二热电偶部分形成为局部沉积在康铜带上的铜部分，其中，第一热电偶部分由带的在两个相邻且间隔开的第二热电堆部分之间的那些部分形成，以及其中，铜第二热电偶部分的厚度是康铜第一部分厚度的一半，第一部分和第二部分的宽度基本相等。由于铜的导热率比康铜的高大约20倍，因而，为了使灵敏度最大化，第二热电偶部分应比将铜第二部分间隔开的第一部分长约10倍。然后，多个第一柱和多个第二柱之间的偏移变为中心距离的0.1倍。偏移优选小于中心距离的0.4倍。
在实施方式中，当在投影到热电偶上观察时，从所述热电偶延伸的第一柱和从所述热电偶延伸的第二柱彼此偏离，并且优选地彼此完全间隔开。因而，当热量通过传感器从传感器的第一侧流向传感器的相对的第二侧时，热阻最小的路径首先沿着所述第一柱的纵向方向通过第一柱，随后在基本垂直于第一柱且在热电堆的平面中的方向上通过热电偶，然后沿其纵向方向穿过第二柱。以这种方式，避免热能基本上直接从第一柱流向第二柱而不经过热电偶的至少大部分。
在实施方式中，第一柱和/或第二柱基本上包括或由与其所附接的第一垫或第二垫相同的材料组成。例如，第一垫和附接至其上的第一柱、和/或第二垫和附接至其上的第二柱可包括铜、银或铝、或这些金属的合金。由于每个第一柱和/或第二柱因而基本上与其所附接的相应垫具有相同的材料，所以柱可容易地连接至垫，具体地，在柱连接至垫的位置处不形成局部热电偶。另外，可基本上避免由于柱和相应垫之间的热膨胀差异而导致的在连接部上的张力，其中，柱和相应垫之间的热膨胀差异由于其成分差异导致。
在实施方式中，第一导电材料包括金属或金属合金，例如镍合金，诸如康铜(Cu55Ni45)或锰铜(Cu86Mn12Ni2)。在制造传感器期间，这种材料可容易地附接或沉积在第一电和热绝缘材料层上作为薄层或条带，即厚度小于1mm，优选等于或小于0.2mm。替代地，第一绝缘层最初可用基本上连续的金属或金属合金层覆盖，然后通过蚀刻除去连续层的部分，从而产生形成热电堆的基础的导电条，该条带优选具有曲折形状。
在实施方式中，第一导电材料的电阻率比第二导电材料的电阻率更高。当第一部分形成较大条带的、第二材料的第二部分沉积在其上的部分时，条带优选地由第一材料和第二材料中电阻率较高的材料制成。
在实施方式中，第一垫与热电偶完全间隔开和/或第二垫与热电偶完全间隔开，优选地，分别与热电偶间隔开与第一柱的长度相等的距离。每个热电偶的第二柱。
在实施方式中，第一电和热绝缘层和/或第二电和热绝缘层的导热率比相应的第一垫和/或第二垫的导热率小至少20倍，并且具有比相应的第一垫和/或第二垫的导电率小至少100倍的比电导率。优选地，第一层和第二层具有基本相同的导热性和导电性。
在实施方式中，传感器至少沿着由热电堆跨越的区域具有大于或等于1×10-3m的弯曲半径。传感器可适于在基本上平面的配置与弯曲配置之间弯曲，在基本上平面的配置中，第一垫和第二垫基本上是平面的，并且彼此平行，以及热电堆基本上沿着第一垫与第二垫之间的平面延伸，在弯曲配置中，在热电堆的第一侧上的第一点处的切面与在第一侧上的不同的第二点处的切平面之间的角度为至少30度，优选地，为至少60度。
在实施方式中，传感器至少沿着由热电堆跨越的区域是柔性传感器，具有根据ASTM D 790-17测量的、至少40MPa的、高达1000MPa的弯曲模量。
在实施方式中，热电堆的导电材料覆盖热电堆跨越的区域的至少50％。
在实施方式中，当在投影到热电堆在其中延伸的平面上观察时，第一垫的面积之和等于或大于热电堆的热电偶所跨越的面积的50％，优选地，为至少80％。该面积通常包括热电堆的迹线之间的间隙。优选地，当在所述投影中观察时，第二垫的面积之和等于或大于热电堆的热电偶所跨越的面积的50％，优选地，至少80％，其中更优选地，第一垫的面积的总和基本上等于第二垫的面积之和。因而，第一垫和/或第二垫覆盖热电堆的大表面积，使得基本上避免传感器的第一侧和/或第二侧上的局部热量积聚，并且减小了微观效应。垫可形成几乎均匀但不连续的导热表面。
在实施方式中，当在投影到热电堆在其中延伸的平面上观察时，第一垫的面积之和大于多个热电偶的第一部分和第二部分的面积之和。优选地，第二垫的面积之和大于多个热电偶的第一部分和第二部分的面积之和。因而，当在投影到热电堆在其中延伸的平面上观察时，第一垫和/或第二垫可延伸超过热电堆的热电偶。具体地，沿着热电偶串联连接的方向，第一垫和/或第二垫的宽度可大于其热连接的相应热电偶的宽度。以这种方式，在传感器的第一侧或第二侧上入射的热能分布在相对大的区域上，并且微观效应减小。另外，以这种方式，传感器的灵敏度增加，因为来自较大区域的热通量被迫通过垫、其相应的柱，并且通过热电偶。
在实施方式中，当传感器处于基本上平面的配置且在投影到其中心平面上观察时，第一垫与第二垫完全重叠，和/或第二垫与第一垫完全重叠。第一垫和/或第二垫优选地也基本上完全与其经由柱所附接的相应热电偶重叠。
根据第二方面，本发明提供一种制造热流传感器的方法，优选地是根据本发明的热传感器，该热流传感器包括具有多个串联连接的热电偶的热电堆，该方法包括以下步骤：
设置第一电和热绝缘层；
在第一层上施加导电导热材料的条带；
在条带上，在条带的背离第一绝缘层的侧部上，施加不同于第一导电材料的、第二导电材料的多个第二部分，其中，第二部分彼此间隔开，每个第一部分均与在其上相邻的第二部分形成多个热电偶的热电偶，以这种方式形成热电堆；
在热电堆的顶部上施加第二电和热绝缘材料层，使得热电堆布置在第一绝缘层与第二绝缘层之间；
其中，对于每个热电偶，该方法还包括，：
生成穿过第一绝缘层的第一孔和穿过第二绝缘层的第二孔，两个孔均在热电偶上形成；
用导热材料填充第一孔和第二孔，以形成第一柱和第二柱，其中，柱中的每个均附接至热电偶；
将导热材料垫附接至第一柱，其中，所述垫通过第一孔延伸穿过的第一绝缘层与热电偶间隔开；以及
将导热材料垫附接至第二柱，其中，所述垫通过第二孔延伸穿过的第二绝缘层与热电偶间隔开。
以这种方式制造的热流传感器具有通过柱热耦合到热电偶的导热垫，不易受到由传感器中发生的微观效应导致的测量不准确的影响。另外，垫，柱和热电堆一起提供从传感器的一侧通过热电堆到传感器的另一侧的低热阻的路径，从而可改善输出信号的绝对值。
热电堆优选地使用来自“柔性电路”工业的蚀刻和电镀技术制造为基本上平面的热电堆。该技术广泛用于由如HuksefluxThermal Sensors和Kipp&Zonen等领先制造商制造的用于日射强度计的热电堆。孔通常通过钻孔产生，以及可通过使用从“具有电镀通孔的柔性电路”工业中已知的电镀技术在孔中形成柱。
在实施方式中，所述热电堆的第一侧上的所有柱均由相同材料制成，和/或，所述热电堆的与第一侧相对的第二侧上的所有柱均由相同材料制成，优选地，其中，连接至热电堆的所有柱均由相同材料制成。因而，第一绝缘层和/或第二绝缘层中的所有孔均用相同材料填充，从而允许在同一制造步骤中形成柱。
在实施方式中，填充第一孔和第二孔的步骤包括：仅用所述导热材料填充孔，优选地，在用所述导热材料电镀孔的单个步骤中。
在实施方式中，形成柱的导热材料与柱所附接的热电偶的部分的材料基本相同。以这种方式，柱和热电偶之间的连接不易受到由不均匀的热膨胀和/或材料成分的差异引起的应力的影响，并且在测量热通量时不太可能产生热偏移。
在实施方式中，第一绝缘层和第二绝缘层包括柔性箔，优选包括聚酰亚胺箔。优选地，热电偶本身能够沿着第一层和第二层沿着10mm或更大的弯曲半径弯曲。
附图说明
下面将参考附图来更详细地讨论本发明，在附图中：
图1A和图1B分别示意性地示出了现有技术热传感器的俯视剖视、以及该传感器的部分的纵向剖视图；
图2示意性地示出了根据本发明的热传感器的部分的剖视图；
图3示出了图2的热传感器的俯视图；
图4A示出了图2中所示的热传感器的部分的分解图；以及
图4B示意性地示出了图4A的部分的分解图。
具体实施方式
图1A和图1B分别示意性地示出了现有技术的热传感器100的俯视图及其纵向剖视图，其中，传感器的热电堆的部分的横截面可见。传感器100包括两个由热和电绝缘材料制成的薄柔性层120、130。为了更好地显示热电堆的布局，层120和该层上方的任何物质均未在图1A中示出，但层120和层130均在图1B中示出。在层130的顶部布置有热电堆110，热电堆110包括连续且曲折的康铜的条带113，多个由铜制成的部分114沉积在条带113上。铜部分114布置在条带113上，并且沿着条带113彼此间隔开。在图1A的俯视图中，铜部分114通过条带113的部分彼此间隔开。康铜条带113与铜部分114共同形成热电堆，热电堆包括多个热电偶，热电偶沿着条带串联导电连接。条带具有曲折形状，热电偶布置在多个基本平行的迹线103、104、105、106中，除了在迹线的端部之外，每个迹线均与其相邻的一个或多个迹线间隔开。通过热电堆110的热量的流量可测量为传感器的端子101和端子102处的电压差，端子101和端子102连接至条带的端部。
图1B示出了在相应的柔性层120、130的背离热电堆110的外表面121、131上，铝辐射反射器122、132分别沿着条带的纵向方向布置在铜部分114的端部的上方和下方。铝反射器适于至少部分地反射入射在其上远离热电堆的辐射。塑料材料的层127、137分别覆盖层120和层130的顶侧和底侧以及其上的铝垫122、132。类似的热传感器在美国专利申请US2005/01015582的图1B中示出，该申请通过引用整体并入本文。
图2示出了根据本发明的热通量传感器1的部分的纵向剖视图。传感器1包括热电堆10，热电堆10包括基本上由康铜制成的连续条带13，但是也可使用另一种导电良好的材料。所示的条带13的部分被分隔成部分13a'、13b、13b'、13c、13c'、13d、13d'，其中部分13b、13c、13d分别形成热电偶15a、15b、15c、15d的第一部分。热电偶15b、15c、15d还包括由导电材料制成的相应第二部分14b、14c、14d，该导电材料的导电性与条带13的材料的导电性不同，其中每个第二部分均已沉积在条带13上。第二部分14b、14c、14d沉积在部分13b'、13c'和13d'上，并在条带13上彼此间隔开，并且平行于条带延伸。
在本示例中，第二部分14a、14b、14c、14d由铜制成，铜的导电率比条带13的第一材料的导电率更高。然而，替代地，可使用导电率与第一材料的导电率不同的任何其他金属或金属合金。因而，沉积在条带的部分13b'、13c'和13d'上的第一部分13b、13c和13d以及相邻的第二部分14b、14c、14d形成热电堆的热电偶15a、15b、15c、15d，热电偶15a、15b、15c、15d串联连接。
热电堆10具有第一侧11和相对的第二侧12，其中，在第一侧11上布置有热和电绝缘材料的第一层20，在第二侧12上布置有热和电绝缘材料导电材料的第二层30。为了基本上防止在第一层20中发生微小影响，在第一绝缘层20中设置多个第一导热垫22a、22b、22c，垫22a、22b、22c中的每个均平行于热电堆10延伸。第一垫22a、22b、22c沿每个垫分布入射在其上的热能40，以这种方式减少传感器中的微观效应。第一垫22a、22b、22c中的每个均通过相应的由导电和导热材料制成的第一柱23a、23b、23c导电地和导热地连接至相应的热电偶15a、15b、15c。每个第一柱23a、23b、23c均从热电堆10延伸穿过第一绝缘层20的部分，并且附接至相应的第一垫22a、22b、22c，柱的长度大于柱所附接的垫在相同方向上的厚度。尽管在图2中每个垫仅附接有一个柱，但可想到的是，两个或多个柱附接至垫。每个第一柱23a、23b、23c均由与柱从其延伸的热电偶部分基本相同的材料制成。在本示例中，每个第一柱23a、23b、23c均从热电堆的热电偶的第一部分14a、14b、14c延伸，因而第一部分14a、14b、14c也由铜制成。应当理解的是，如果热电偶的第一部分由另一种材料制成，例如，不含镍的铜合金或铝，那么替代地，第一柱优选由该材料制成。由于第一垫22a、22b、22c覆盖热电堆10的大部分表面，并且经由柱23a、23b、23c热连接至相应的热电偶，因而显着改善热能40从热电堆的第一侧11通过绝缘层20至热电堆10作为在第二侧处发射的热能41的传递。该热流产生热电偶的热接头H和冷接头C。
塑料电绝缘材料的层27施加在第一垫22和第一绝缘层20的顶部上，其中，该塑料电绝缘材料优选地与第一绝缘层20的材料相同。层27在本示例中比第一绝缘层20薄，防止垫与传感器外部的物体或材料之间的直接热接触以及导电接触。在替代实施方式中，层27可比绝缘后20厚。
在热电堆10的第二侧12上，多个第二垫32b、32c、32d设置在第二绝缘层30中，其中，塑料电绝缘材料的层37覆盖第二垫32b、32c、32d和第二绝缘层30。当在投影到第一垫的平面顶表面在其中延伸的平面上看时，第一垫22a、22b、22c和第二垫32b、32c、32d具有基本相等的尺寸，并且基本上彼此完全重叠。第二垫32b、32c、32d中的每个均连接至相应的第二柱33b、33c、33d，其导热地、导电地将第二垫32a、32b、32c连接至热电堆10的相应热电偶15b、15c、15d。每个第二柱33b、33c、33d的长度均大于其所附接的第二垫32b、33c、33d的厚度。例如，每个第一柱和/或第二柱的长度均可在0.1mm至0.2mm的范围内，以及柱连接的相应的第一垫或第二垫可沿柱的长度方向具有为所述长度的十分之一或更少的厚度10。
为了防止从第一侧11至第二侧12的热能流基本上绕过热电偶，并使热电堆输出信号的绝对值最大化，第一柱23b、23c、23d沿着条带13延伸的方向偏离相应的第二柱33b、33c、33d。在所示的实施方式中，热电堆的相对良好导电的第二部分14b、14c、14c的长度大于第一部分13b、13c、13d沿条带13的方向的长度。
图3中示出了根据本发明的完整热传感器1的立体图，其中，图2仅示出了一部分。虽然在图3中不可见，但是热电堆的热电偶跨越具有角点80、81、82、83的大致正方形区域。多个第一导热垫22覆盖该区域的至少50％，在当前情况下，约为其75％。当第一热垫22中的每个均通过有传导性的第一柱23热连接至热电堆时，垫有助于将热能从传感器1的外部传递至热电堆10。端子2和3连接至条带13的各个端部。热流传感器1实施为所谓的箔热流传感器，其可施加在基本平坦的表面上或诸如管的弯曲表面上，用于测量通过所述表面或流到所述表面的热流。
图4A示意性地示出了传感器1的部分的分解立体图，示出了条带13的两个平行迹线。虽然图中未示出，但是这些迹线以图1A中所示的类似方式彼此串联连接。可看出的是，图4A示出了热电偶，该热电偶包括铜第二部分14a、14b、14c，铜第二部分14a、14b、14c沉积在康铜条带的部分13a'、13b'、13c'上，并且附接至作为条带的一部分的、热电偶的第一部分13b、13c。每个热电偶的第二部分14a、14b经由相应的第一柱23a、23b连接至相应的第一导热垫22a、22b。热电偶的第一部分13b、13c分别经由相应的第二柱33b、33c连接至第二导热垫32b、32c。第一垫和第二垫的宽度w2大于条带13的两个迹线的宽度w1，使得它们还覆盖条带13不在其下方延伸的、传感器的一部分。然而，垫22a、22b中的每个的宽度和长度不超过沿着条带13的、热电偶的第一部分和第二部分13b、14b、13c、14c的长度之和的1.5倍。以这种方式，垫覆盖由热电堆的热电偶跨越的区域的重要部分，即，50％或更多，从而减少或防止在绝缘层20、30中发生微观效应，同时仍然允许每个热电偶联接至相应的第一垫和第二垫，同时允许传感器弯曲。
图4B示意性地示出了图4A的条带13、第一部分13b、13c和第二部分14a、14b、14的分解图。第一柱23a、23b、23c中的每个的长度L1比厚度y1和y2之和大至少6倍，其中，y1是条带13的厚度，以及y2是附接柱的第二部分14a、14b、14c的厚度。同样地，第二柱中的每个的长度L2比在附接第二柱的位置处添加在一起的这两个厚度大至少6倍。另外，热电偶的每个第二柱与热电堆之间的接触表面的面积小于所述热电偶的第一部分的面对表面的总面积的三分之一。
由于通常也导电的导热垫形成热电堆所连接的电路的死端分支，因而对垫或与其连接的柱的任何损坏都不会导致热电偶系列之间的电路中断。
两种不同的热阻对每个热电偶起着重要作用。可在包括部分13b和部分14b的热电偶的第一柱23b与相同热电偶的第二柱33b之间限定第一热阻。第二热阻可限定在热电堆中直接相邻的热电偶的第一柱23b与最近的第二柱33c之间。通过设定或改变第一部分和第二部分的长度和宽度，可设定或改变这些第一阻率和第二阻率，以便优化传感器的灵敏度。例如，第一部分13b、13c的长度x1的变化、第二部分14a、14b、14c的长度x2的变化、和/或第二部分的长度x2与第一部分13b、13c的长度x1的比率的变化会改变第一阻率和/或第二阻率，从而改变传感器的灵敏度。同样，条带13的宽度W1的变化和/或第二部分的宽度W3的变化会影响传感器的灵敏度。可估计使传感器的灵敏度最大化的、第一部分和第二部分的长度和宽度，例如，在计算机中，和/或可基于经验数据。在所示的实施方式中，选择长度和宽度，使得第一热阻和第二热阻的最大值与这两个阻率中的最小值相差小于30％。
总之，本发明提供一种热流传感器，包括具有一系列热电偶的热电堆，并具有第一侧和相对的第二侧，第一侧上设置有第一电和热绝缘层；第二电和热绝缘层设置在第二侧上；多个第一导热垫，由第一层与热电堆隔开，并基本上平行于第一侧延伸；多个第二导热垫，通过第二层与热电堆隔开，并基本上平行于第二侧延伸；多个导热的第一柱，其中，每个第一柱均从所述热电偶中的一个至少部分地延伸至第一层中，并且附接至第一垫中的相应一个，并且长度大于相应的第一垫的厚度。多个第二导热垫可设置成通过第二层与热电堆间隔开，并且基本上平行于第二侧延伸；其中，每个第二柱均从所述热电偶中的一个至少部分地延伸至第二层中，并且附接至第二垫中的相应一个，并且其长度大于相应的第二垫的厚度。
上面已参考如附图中所示的多个示例性实施方式描述了本发明。一些部件或元件的修改和替代实施是可能的，并且包括在所附权利要求中限定的保护范围内。

Claims (24)

1.一种热流传感器（1），包括：
热电堆（10），包括串联连接的多个热电偶（15a、15b、15c、15d），所述热电堆具有第一侧（11）和与所述第一侧平行的相对的第二侧（12），其中，所述多个热电偶中的每个均设有第一导电材料的第一部分（13b、13c、13d）和不同的第二导电材料的第二部分（14a、14b、14c，14d），所述第二部分附接至所述第一部分；
第一电和热绝缘层（20），设置在所述第一侧（11）上；
第二电和热绝缘层（30），设置在所述第二侧（12）上；
多个第一导热垫（22a、22b、22c），通过所述第一电和热绝缘层（20）与所述热电堆间隔开，并平行于所述第一侧延伸；
多个第二导热垫（32b、32c、32d），通过所述第二电和热绝缘层（30）与所述热电堆间隔开，并平行于所述第二侧延伸；
多个导热的第一柱（23a、23b、23c），其中，所述多个导热的第一柱中的每个均从所述多个热电偶中的一个至少部分地延伸至所述第一电和热绝缘层中，并且附接至所述多个第一导热垫（22a、22b、22c）中的相应的一个，并具有长度（L1），所述长度（L1）大于所述多个第一导热垫中的相应一个的厚度（h1）；以及
多个导热的第二柱（33a、33b、33c），其中，所述多个导热的第二柱中的每个均从所述多个热电偶中的一个至少部分地延伸至所述第二电和热绝缘层（30）中，并且附接至所述多个第二导热垫中的相应的一个，并且具有长度（L2），所述长度（L2）大于所述多个第二导热垫中的相应的一个的厚度（h2）。
2.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，所述多个热电偶（15b、15c）中的每个均在所述多个导热的第一柱（23b、23c）中的每个与所述多个导热的第二柱（33b、33c）中的每个之间具有第一热阻率，以及其中，在所述多个热电偶的所述多个导热的第一柱（23b、23c）中的每个与在所述热电偶中直接相邻的所述多个热电偶（15c、15d）中的每个的所述多个导热的第二柱（33c、33d）中的最接近的第二柱（33c、33d）之间限定第二热阻率，其中，这些热阻率中的最大热阻率与这些热阻率中的最小热阻率的差异不超过50％或更小的预定百分比。
3.根据权利要求2所述的热流传感器，其中：
所述多个热电偶中的每个的第一部分（13b、13c、13d）具有长度（x1）和宽度（W1），以及所述多个热电偶中的每个的第二部分（14a、14b、14c、14d）具有长度（x1）和宽度（W3），使得这些热阻率中的最大热阻率与这些热阻率中的最小热阻率的差异不超过所述预定百分比；
所述多个热电偶中的每个的所述多个导热的第一柱中的每个均沿着所述热电堆布置在距离所述多个热电偶中的相邻一个热电偶的所述多个导热的第一柱中的最接近的第一柱的中心距离处，使得这些热阻率中的最大热阻率与这些热阻率中的最小热阻率的差异不超过所述预定百分比；以及/或
所述多个热电偶中的每个的所述多个导热的第二柱中的每个均沿着所述热电堆布置在距离所述多个热电偶中的相邻一个热电偶的所述多个导热的第二柱中的最接近的第二柱的中心距离处，使得这些热阻率中的最大热阻率与这些热阻率中的最小热阻率的差异不超过所述预定百分比。
4.根据权利要求2或3所述的热流传感器，其中，所述多个导热的第一柱布置在偏离所述多个导热的第二柱的位置处，使得这些热阻率中的最大热阻率与这些热阻率中的最小热阻率的差异不超过所述预定百分比。
5.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，所述串联连接的多个热电偶形成导电电路，所述导电电路具有起点和终点，其中，所述多个第一导热垫和/或所述多个第二导热垫中的每个分别与所述多个导热的第一柱和/或所述多个导热的第二柱形成所述导电电路的死端支路，所述死端支路能够从所述导电电路断开，而所述导电电路从所述起点到所述终点没有中断。
6.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，所述传感器对于从所述第一侧（11）到所述第二侧（12）的热流的灵敏度等于所述传感器对从所述第二侧（12）至所述第一侧的热流的灵敏度。
7.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，所述多个导热的第一柱和所述多个导热的第二柱由具有比制造所述第一电和热绝缘层（20）和所述第二电和热绝缘层（30）的材料的电导率大的特定电导率的材料制成。
8.根据权利要求1所述的热流传感器，包括所述第一导电材料的平面的条带（13），其中，所述热电偶的所述第一部分（13b、13c、13d）是所述条带（13）的部分，以及其中，所述第二部分（14a、14b、14c、14d）布置在导电条带上，并彼此间隔开。
9.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，所述热流传感器是柔性箔型热流传感器，能够在平面的配置与非平面配置之间弯曲。
10.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，所述多个导热的第一柱（23a、23b、23c）从仅在所述热电堆（10）的第一侧（11）上的所述多个热电偶中的每个延伸，和/或其中，所述多个导热的第二柱（33b、33c、33d）从仅在所述热电堆的第二侧（12）上的所述多个热电偶中的每个延伸。
11. 根据权利要求1所述的热流传感器，其中，所述多个导热的第一柱（23a、23b、23c）布置在第一中心距离处，以及所述多个导热的第二柱（33a、33b、33c）布置在沿着所述热电堆（10）彼此相距相等的第二中心距离处，以及其中，所述多个导热的第一柱和所述多个导热的第二柱之间的偏移是中心距离的至少0. 05倍。
12.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，当在投影到多个热电偶中的一个上观察时，从所述多个热电偶延伸的所述多个导热的第一柱和从所述多个热电偶延伸的所述多个导热的第二柱彼此偏离。
13.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，所述多个导热的第一柱和/或所述多个导热的第二柱包括与其所附接的相应所述多个第一导热垫和所述多个第二导热垫相同的材料，或由与其所附接的相应所述多个第一导热垫和所述多个第二导热相同的材料组成。
14.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，所述第一电和热绝缘层和/或所述第二电和热绝缘层的导热率分别比所述多个第一导热垫和/或所述多个第二导热垫的导热率小至少20倍，并且具有比所述多个第一导热垫和/或所述多个第二导热垫的相应导电率小至少100倍的特定电导率。
15. 根据权利要求1所述的热流传感器，其中，所述传感器至少沿着由所述热电堆跨越的区域具有大于或等于1×10-3 m的弯曲半径。
16. 根据权利要求1所述的热流传感器，其中，所述传感器至少沿着由所述热电堆跨越的区域是柔性传感器，具有根据ASTM D 790-17测量的至少40 MPa的弯曲模量。
17.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，当在投影到所述热电堆在其中延伸的平面上观察时，所述多个第一导热垫的面积之和等于或大于所述热电堆的所述多个热电偶所跨越的面积的50％。
18.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，当在投影到所述热电堆在其中延伸的平面上观察时，所述多个第一导热垫的面积之和大于所述多个热电偶的第一部分和第二部分的面积之和。
19.根据权利要求1所述的热流传感器，其中，当所述传感器处于平面的配置并且在投影到其中心平面上观察时，所述多个第一导热垫与所述多个第二导热垫完全重叠，或所述多个第二导热垫与所述多个第一导热垫完全重叠。
20.一种制造热流传感器的方法，所述热流传感器包括具有多个串联连接的热电偶的热电堆，所述方法包括以下步骤：
设置第一电和热绝缘层；
在所述第一电和热绝缘层上施加第一导电材料的多个第一部分的条带；
在所述条带上，在所述条带的背离所述第一电和热绝缘层的侧部上，施加不同于第一导电材料的第二导电材料的多个第二部分，其中，所述多个第二部分彼此间隔开，每个第一部分和在其上的相邻第二部分共同形成多个热电偶中的一个热电偶，以这种方式形成热电堆；
在所述热电堆的顶部上施加第二电和热绝缘材料的第二电和热绝缘层，使得所述热电堆布置在所述第一电和热绝缘层与所述第二电和热绝缘层之间；
其中，对于所述多个热电偶中的每个，所述方法还包括：
生成穿过所述第一电和热绝缘层的第一孔和穿过所述第二电和热绝缘层的第二孔，两个孔均在所述热电偶上形成；
用导热材料填充所述第一孔和所述第二孔，以形成第一柱和第二柱，其中，所述第一柱和所述第二柱中的每个均附接至所述热电偶；
将导热材料垫附接至所述第一柱，其中，所述垫通过所述第一孔延伸穿过的第一电和热绝缘层与所述热电偶间隔开；以及
将导热材料垫附接至所述第二柱，其中，所述垫通过所述第二孔延伸穿过的第二电和热绝缘层与所述热电偶间隔开。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述热电堆的第一侧上的所述第一柱和所述第二柱均由相同材料制成，和/或其中，所述热电堆的与所述第一侧相对的第二侧上的所述第一柱和所述第二柱均由相同材料制成。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，填充所述第一孔和所述第二孔的步骤包括：仅用所述导热材料填充所述孔。
23.根据权利要求20所述的方法，其中，形成所述第一柱和所述第二柱的导热材料与所述柱所附接的所述热电偶的部分的材料相同。
24.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一电和热绝缘层和所述第二电和热绝缘层包括柔性箔。
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