CN115597736A - 快速响应的薄膜铂电阻温度传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种快速响应的薄膜铂电阻温度传感器及其制备方法，属于温度参数的实时测量技术领域。其中，该薄膜铂电阻温度传感器包括：金属底座、隔热件以及薄膜铂电阻；金属底座朝向待测介质的一侧设置有凹槽，所述隔热件与所述薄膜铂电阻依次叠设在所述凹槽内，以及，所述薄膜铂电阻背离所述隔热件的一侧还设置有介质隔离层，以提高薄膜铂电阻温度传感器的测温响应能力。本发明可以实现快速测温的目的，该封装结构以及方法无需在铂电阻外增加金属保护壳体防护，可以使薄膜铂电阻温度传感器的测温响应速度由原来的数十秒提升至数秒，产生明显测温快速响应效果。
Description
技术领域
本发明属于温度参数的实时测量技术领域，具体涉及一种快速响应的薄膜铂电阻温度传感器及其制备方法。
背景技术
温度传感器是指能感受温度并转换成可识别信号的传感器。温度传感器是最为常用的一种传感器，被广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。根据测量原理的不同，温度传感器可分为双金属、电容式、电阻式和微机电系统(Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS)等等。其中电阻式温度传感器是当前工业控制领域应用最为普遍的一种。电阻式温度传感器主要有铜电阻、铂电阻和其他非金属材料。
近年来，随着我国军事装备现代化的快速发展，在军事装备上提倡提高设备自动化水平，降低操作人员数量。在这种前提下，各种应用于自动化测试的传感器应用数量上升势头十分明显。而军事装备的特殊应用环境则反过来对传感器的环境适应性要求提出了更高的要求。
铂电阻温度传感器的封装方法一般分为两种，一种是将铂电阻暴露在被测介质中，以达到最快的测量响应速度和最准确的测量精度，但一般仅能用于洁净的、无腐蚀性的、干燥的气体测量；另一种是将铂电阻封装在金属保护管中，以适应各种恶劣的工作环境，测量各种不同的有污染的、有腐蚀性的介质的温度测量，而代价则是由于保护管的重量和热传导，严重降低温度测量响应速度和测量准确度。其中在军用领域更快的响应速度、更精确的测量要求与恶劣的工作环境之间的矛盾给温度传感器设计带来了更大的难度。特别是当前国产化要求的紧迫情况下，由于国内在铂电阻的技术积累较弱，在极小体积铂电阻的研发方面，相较于国外最新产品尚有较大差距，使得封装体积难以小型化。
对于铂电阻温度传感器中铂电阻的热响应时间的理论值通常τ0.9为1s～2s(一般以τ0.9衡量，以被测温度100℃为例，当温度传感器从常温条件，放入该温度场开始计时，至温度传感器输出90℃测试值时为止，所得的计时长度值为该传感器的τ0.9)，但当对铂电阻裸丝采取了绝缘、结构保护等设计措施之后，τ0.9会达到20秒甚至30秒，延长了测温响应时间。但若是不采取绝缘、保护措施的话，铂电阻的可靠性又难以得到保证。
因此，基于上述技术问题，本申请提出一种快速响应的薄膜铂电阻温度传感器及其制备方法。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种快速响应的薄膜铂电阻温度传感器及其制备方法。
本发明的一方面，提供一种快速响应的薄膜铂电阻温度传感器，包括：金属底座、隔热件以及薄膜铂电阻；其中，
所述金属底座朝向待测介质的一侧设置有凹槽，所述隔热件与所述薄膜铂电阻依次叠设在所述凹槽内，以及，所述薄膜铂电阻背离所述隔热件的一侧还设置有介质隔离层。
可选的，所述隔热件为隔热陶瓷片。
可选的，所述介质隔离层为玻璃烧结层。
可选的，所述金属底座上还设置有两个引脚，所述两个引脚分别通过引线与所述薄膜铂电阻电连接。
可选的，所述金属底座上设置有贯穿其厚度的两个通孔，两个所述引脚分别通过玻璃烧结穿设在对应的所述通孔内。
本发明的另一方面，提供一种快速响应的薄膜铂电阻温度传感器的制备方法，具体步骤包括：在金属底座朝向待测介质的一侧开设凹槽；
将隔热件与薄膜铂电阻依次叠设在所述凹槽内；
在所述薄膜铂电阻背离所述隔热件的一侧设置介质隔离层。
可选的，在金属底座朝向待测介质的一侧开设凹槽之后，还包括：
沿所述金属底座厚度方向开设有两个通孔，所述通孔与所述凹槽连通；
采用玻璃粉将两个引脚分别烧结固定在对应的所述通孔内。
可选的，所述将隔热件与薄膜铂电阻依次叠设在所述凹槽内之后，还包括：
将所述薄膜铂电阻的引线焊接在所述引脚上。
可选的，所述在所述薄膜铂电阻背离所述隔热件的一侧设置介质隔离层，包括：
在所述凹槽内填充玻璃粉，经烧结后一在所述薄膜铂电阻背离所述隔热件的一侧形成介质隔离层。
可选的，所述隔热件采用隔热陶瓷片。
本发明提供一种快速响应的薄膜铂电阻温度传感器及其制备方法，其中，该薄膜铂电阻温度传感器包括：金属底座、隔热件以及薄膜铂电阻；其中，金属底座朝向待测介质的一侧设置有凹槽，所述隔热件与所述薄膜铂电阻依次叠设在所述凹槽内，以及，所述薄膜铂电阻背离所述隔热件的一侧还设置有介质隔离层。本发明通过在薄膜铂电阻与被测介质之间设置介质隔离层，无需额外安装金属保护管和导热封装材料，尽可能的增大感温面积，加快热量传递的速度。再者，在薄膜铂电阻与金属底座之间增加了隔热件，减少铂电阻热量向后端部件的背景散热。通过上述两项措施，薄膜铂电阻的感温面能够尽量的靠近被测介质，增大了感温面积和减少铂电阻后端部件的背景散热，使铂电阻表面温度迅速达到被测温度值，从而实现快速测温的目的，可以使薄膜铂电阻传感器的测温响应速度由原来的20s～30s提升为5s～10s，产生明显的测温快速响应效果。
附图说明
图1为本发明一实施例的薄膜铂电阻温度传感器封装结构组成图；
图2为本发明另一实施例的薄膜铂电阻温度传感器封装结构组成图；
图3为本发明另一实施例的金属底座上凹槽的结构示意图；
图4为本发明另一实施例的金属底座上通孔的结构示意图；
图5为本发明另一实施例的引脚固定结构示意图；
图6为本发明另一实施例的一种快速响应的薄膜铂电阻温度传感器制备方法的流程框图。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
除非另外具体说明，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等既不限定所提及的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组，也不排除出现或加入一个或多个其他不同的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示技术特征的数量与顺序。
在发明的一些描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“相连”或者“固定”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是通过中间媒体间接连接，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的互相作用关系。以及，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
如图1至图5所示，本发明的一方面，提供一种快速响应的薄膜铂电阻温度传感器100，包括：金属底座110、隔热件120以及薄膜铂电阻130；其中，金属底座110朝向待测介质的一侧设置有凹槽110a，隔热件120与薄膜铂电阻130依次叠设在凹槽110a内，以及，薄膜铂电阻130背离隔热件120的一侧还设置有介质隔离层，以将待测介质与薄膜铂电阻相隔离，提高薄膜铂电阻温度传感器的测温响应能力。
本实施例将隔热件设置在金属底座和薄膜铂电阻之间，有效降低热量从铂电阻向金属底座的传导，提高铂电阻的温度响应时间。另外，通过在薄膜铂电阻朝向待测介质的一侧设置介质隔离层，通过该介质隔离层，其一可以与被测介质进行隔离，增加传感器的耐环境能力，其二在将薄膜铂电阻测温面尽量暴露在温度快速变化的被测介质中，能够迅速的响应介质的温度变化，从而实现快速测温的目的，且无需在铂电阻外增加金属保护壳体防护，可以使薄膜铂电阻温度传感器的测温响应速度由原来的数十秒提升至数秒，产生明显的测温快速响应效果。
需要说明的是，本实施例的隔热件为隔热陶瓷片，也就是说，将隔热陶瓷片设置在金属底座的凹槽内，之后，再将薄膜铂电阻设置在隔热陶瓷片背离金属底座的一侧，相当于隔热陶瓷片与薄膜铂电阻均设置在凹槽内，且通过隔热陶瓷片将薄膜铂电阻与金属底座相隔离，有效降低热量从薄膜铂电阻向金属底座传导，提高薄膜铂电阻的温度响应时间。当然，对两者如何设置在凹槽内不作具体限定，例如，采用胶粘的方式将隔热陶瓷片粘贴在凹槽底部，之后，再将薄膜铂电阻层叠粘贴在隔热陶瓷片上。
进一步需要说明的是，本实施例的介质隔离层为玻璃烧结层，一并结合图1所示，将隔热件120(例如，隔热陶瓷片)与薄膜铂电阻130均设置在凹槽110a中之后，在金属底座110的凹槽110a内填充玻璃粉150，用玻璃烧结的方法形成一体，以在薄膜铂电阻130的测温面上形成一层玻璃介质隔离层。
仍需要说明的是，本实施例对于金属底座的形状不作具体限定，例如，圆柱形金属底座。
进一步的，如图1至图5所示，金属底座110上还设置有两个引脚140，两个引脚140分别通过引线与薄膜铂电阻130电连接。
进一步的，请继续参考图1至图5，金属底座110上设置有贯穿其厚度的两个通孔110b，该两个通孔均与凹槽连通，即相当于在凹槽底部开设两个通孔，两个引脚140分别通过玻璃粉150烧结穿设在对应的通孔110b内，再将薄膜铂电阻引线钎焊在引脚上，作为导电通路将电阻信号输出至金属底座的另一侧。也就是说，在圆柱形的金属底座上开设有两个通孔，通孔内部用玻璃粉将两个引脚烧结固定在一起，该引脚的其中一端插置在通孔内且与薄膜铂电阻通过引线钎焊连接，引脚的另一端延伸至金属底座外部。
需要说明的是，本实施例对于引脚与引线的材质不作具体限定，例如，引脚可采用可伐合金，即将其制成可伐丝作为引脚，通孔内部用玻璃粉将两根可伐丝烧结固定在一起，形成引脚。以及，引线可采用金丝，薄膜铂电阻通过金丝焊接在可伐丝引脚上，将电信号引出至底座另一侧。
进一步需要说明的是，本实施例在通孔内填充玻璃粉作为可伐丝引脚的固定材料，是为了将铂电阻的输出电气通路与金属底座相隔离，降低外界对电信号的干扰。
本实施例在金属底座的凹槽以及通孔内均填充玻璃粉，然后通过整体烧结以形成金属烧结底座，该金属烧结底座作为固定薄膜铂电阻的固定装置，即薄膜铂电阻、金属烧结底座、隔热陶瓷片以及玻璃粉通过烧结的方法形成一个整体，仅露出感温面与待测介质接触。
本发明基于铂电阻原理的快速测量装置将铂电阻感温测部进行保护，即薄膜铂电阻的外侧与内侧引线均通过玻璃进行保护，与被测介质进行隔离，增加传感器的耐环境能力。再者在将铂电阻测温面尽量暴露在温度快速变化的被测介质中，能够迅速的响应介质的温度变化，从而实现快速测温的目的。本发明的薄膜铂电阻传感器的测温响应速度由原来的数十秒提升为数秒产生明显快速测温效果，可有效应用在航空军用中。
如图6所示，本发明的另一方面，提供一种快速响应的薄膜铂电阻温度传感器的制备方法S200，具体步骤包括S210～S230：
S210、在金属底座朝向待测介质的一侧开设凹槽。
进一步的，在沿金属底座厚度方向开设有两个通孔，通孔与凹槽连通，相当于在凹槽的底部开设有两个通孔，采用玻璃粉将两个引脚分别烧结固定在对应的通孔内。
S220、将隔热件与薄膜铂电阻依次叠设在凹槽内。
需要说明的是，本实施例的隔热件为隔热陶瓷片，也就是说，将隔热陶瓷片设置在金属底座的凹槽内，之后，再将薄膜铂电阻设置在隔热陶瓷片背离金属底座的一侧，相当于隔热陶瓷片与薄膜铂电阻均设置在凹槽内，且隔热陶瓷片将薄膜铂电阻与金属底座相隔离，有效降低热量从薄膜铂电阻向金属底座的传导，提高薄膜铂电阻的温度响应时间。当然，对两者如何设置在凹槽内不作具体限定，例如，采用胶粘的方式将隔热陶瓷片粘贴在凹槽底部，之后，再将薄膜铂电阻粘贴在隔热陶瓷片上。
进一步的，还包括将薄膜铂电阻的引线焊接在引脚上，即将引线的一端与薄膜铂电阻电连接，另一端与引脚电连接，作为导电通路将电阻信号输出至金属底座的另一侧。
需要说明的是，本实施例对于引脚与引线的材质不作具体限定，例如，引脚可采用可伐合金，将可伐合金制成可伐丝，通孔内部用玻璃粉分别将两根可伐丝烧结固定在一起，形成引脚。以及，引线可采用金丝，薄膜铂电阻通过金丝焊接在可伐丝上，将电信号引出至底座另一侧。
进一步需要说明的是，本实施例在通孔内填充玻璃粉作为可伐丝引脚的固定材料，是为了将薄膜铂电阻的输出电气通路与金属底座相隔离，降低外界对电信号的干扰。
S230、在薄膜铂电阻背离隔热件的一侧设置介质隔离层。
具体的，在凹槽内填充玻璃粉，经烧结后在薄膜铂电阻背离隔热件的一侧形成介质隔离层，也就是说，本实施例的介质隔离层为玻璃烧结层，将隔热陶瓷片与薄膜铂电阻均设置在凹槽中之后，在凹槽内填充玻璃粉，用玻璃烧结的方法形成一体，以在薄膜铂电阻的测温面上形成一层玻璃介质隔离层。
本实施例在金属底座的凹槽以及通孔内均填充玻璃粉，然后通过整体烧结以形成金属烧结底座，该金属烧结底座作为固定薄膜铂电阻的固定装置，即薄膜铂电阻、金属烧结底座、隔热陶瓷片以及玻璃粉通过烧结的方法形成一个整体，仅露出感温面与待测介质接触。
下面将以具体实施例对快速响应的薄膜铂电阻温度传感器及其制备方法进行说明：
如图1至图6所示，本实施例的提升薄膜铂电阻温度传感器实时测温响应能力的方法，该方法为：在圆柱形的金属底座110的平面上开设一个凹槽110a、2个通孔110b，并在2个通孔110b内安放由可伐丝形成的引脚140，用玻璃粉150填充两个通孔110b之间的空隙，隔热件120(例如，陶瓷片)粘贴在金属底座110上的凹槽110a内，薄膜铂电阻130粘贴在隔热件120上，薄膜铂电阻130引线焊接在可伐丝的引脚140上，金属底座110上的凹槽110a内的其余空隙同样用玻璃粉150进行填充，最后烧结为一个整体。
本实施例在圆柱体的金属底座110上开设一个凹槽110a，用于容纳薄膜铂电阻130和隔热件120(例如，陶瓷片)，凹槽110a的底部开设两个通孔110b分别用于固定由可伐丝形成的引脚140，参见图1至图5。
本实施例由可伐丝形成的引脚140和金属底座110的烧结结构示意如图5所示，在通孔110b内填充玻璃粉150作为引脚140的固定材料，是为了将铂电阻的输出电气通路与金属底座相隔离，降低外界对电信号的干扰。
本实施例在凹槽内首先粘贴隔热陶瓷片作为薄膜铂电阻的与金属底座之间隔热措施，以有效降低热量从铂电阻向金属底座的传导，提高薄膜铂电阻的温度响应时间。
本实施例在隔热陶瓷片上粘贴薄膜铂电阻，用于初步固定隔热陶瓷片和薄膜铂电阻，该薄膜铂电阻通过金丝焊接在可伐丝引脚上，将电信号引出至金属底座的另一侧。
本实施例在烧结底座凹槽内和薄膜铂电阻表面填充玻璃粉，然后整体烧结，使得铂电阻、隔热陶瓷片、金属底座形成一个整体封装结构。
本发明提供一种快速响应的薄膜铂电阻温度传感器及其制备方法，相对于现有技术具有以下有益技术效果：本发明是基于薄膜铂电阻原理的温度传感器，将薄膜铂电阻和玻璃粉通过烧结在金属烧结底座上的方式，实现在薄膜铂电阻和被测介质之间采用玻璃介质隔离层，无需额外安装金属保护管和导热封装材料，尽可能的增大感温面积，加快热量传递的速度。其次，本发明在薄膜铂电阻与金属烧结底座之间增加了隔热陶瓷片，减少薄膜铂电阻热量向后端部件的背景散热。通过上述措施，薄膜铂电阻的感温面能够尽量的靠近被测介质，增大了感温面积和减少薄膜铂电阻后端部件的背景散热，使薄膜铂电阻表面温度迅速达到被测温度值，从而实现快速测温的目的。本发明可以使薄膜铂电阻温度传感器的测温响应速度由原来的20s～30s提升为5s～10s，产生明显的测温快速响应效果。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种快速响应的薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于，包括：金属底座、隔热件以及薄膜铂电阻；其中，
所述金属底座朝向待测介质的一侧设置有凹槽，所述隔热件与所述薄膜铂电阻依次叠设在所述凹槽内，以及，所述薄膜铂电阻背离所述隔热件的一侧还设置有介质隔离层。
2.根据权利要求1所述的薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于，所述隔热件为隔热陶瓷片。
3.根据权利要求1所述的薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于，所述介质隔离层为玻璃烧结层。
4.根据权利要求1至3任一项所述的薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于，所述金属底座上还设置有两个引脚，所述两个引脚分别通过引线与所述薄膜铂电阻电连接。
5.根据权利要求4所述的薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于，所述金属底座上设置有贯穿其厚度的两个通孔，两个所述引脚分别通过玻璃烧结穿设在对应的所述通孔内。
6.一种快速响应的薄膜铂电阻温度传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤包括：在金属底座朝向待测介质的一侧开设凹槽；
将隔热件与薄膜铂电阻依次叠设在所述凹槽内；
在所述薄膜铂电阻背离所述隔热件的一侧设置介质隔离层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在金属底座朝向待测介质的一侧开设凹槽之后，还包括：
沿所述金属底座厚度方向开设有两个通孔，所述通孔与所述凹槽连通；
采用玻璃粉将两个引脚分别烧结固定在对应的所述通孔内。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述将隔热件与薄膜铂电阻依次叠设在所述凹槽内之后，还包括：
将所述薄膜铂电阻的引线焊接在所述引脚上。
9.根据权利要求6至8任一项所述的方法，其特征在于，所述在所述薄膜铂电阻背离所述隔热件的一侧设置介质隔离层，包括：
在所述凹槽内填充玻璃粉，经烧结后在所述薄膜铂电阻背离所述隔热件的一侧形成介质隔离层。
10.根据权利要求6至8任一项所述的方法，其特征在于，所述隔热件采用隔热陶瓷片。
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- 2022-09-07 CN CN202211099139.7A patent/CN115597736A/zh active Pending
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