CN1464292A - 测温结点悬浮的薄膜热电偶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测温结点悬浮的薄膜热电偶，包括由固体绝缘材料制做的永久性基底，热电偶薄膜和热电偶薄膜，热电偶薄膜和热电偶薄膜分别镀覆于永久性基底的表面上，其相重叠的测温结点与永久性基底表面不接触，呈悬浮状；测温结点悬浮于永久性基底的上方或一侧，永久性基底材质为陶瓷、硅片、玻璃或有机聚合物；形状为薄片、细管或细杆形状；热电偶薄膜厚度为1纳米－0.1毫米，其材质为相配对的金属材料；配对材料为铂铑－铂、镍铬－康铜、半导体或金属氧化物；该测温结点悬浮的薄膜热电偶，由于测温的结点与永久性基底相脱离，形成悬空或悬臂结构，因此可以显著减小结点的热惯性，提高对所测量对象温度变化的响应速率。

Description

测温结点悬浮的薄膜热电偶

                            技术领域

本发明属于工程热物理及测量仪器领域，特别涉及一种测温结点悬浮的薄膜热电偶。

                            背景技术

温度的测量，是利用物质或结构的某种特性与其所处温度的对应关系，把温度的变化转换成为这种物质或结构与温度相对应的某个物理量的变化，而这个物理量是可以直接测量或显示的。

常见的水银温度计，是以封闭的玻璃泡内的水银随温度升降而产生的体积变化(表现为玻璃毛细管内水银柱位置的变化)来表示温度的高低；电阻温度计，是利用某些导电物质如铂或铜的电阻值随温度而变化的特性，由测量其电阻值并经过换算得到温度值；热电偶温度计，则是由两种不同物质构成电回路，以其结合点在不同温度下产生热电势的原理来测量温度。

以上所述的各种温度计在测量流体或固体的温度时，由于温度计本身具有一定的热容量，至少会从两个方面影响测量的准确性，产生测温误差。首先是测温元件的存在对被测介质的温度场可能产生干扰，使其发生变化；其次是测温元件的实际温度滞后于被测介质温度的变化。特别是在对小空间和剧烈变化中的温度场进行测量时，测温元件的热容量(或称热惯性)会导致严重的误差，甚至使测量失去意义。因此减小测温元件的结构尺寸和热容量，一直是减小误差，提高测温精度和响应速度的一个主要的努力方向。

以水银温度计为代表的液体温度计，利用液体的体积变化来测量温度，需要有一个封闭的空间如玻璃泡来存放测温液体，其典型的尺寸为直径2～5毫米。如果结构不做重大的改变，液体温度计感温部分的体积和热容量很难进一步减小。

典型的电阻温度计，是用极细的铂丝在绝缘骨架上绕制而成的铂电阻，通常外加绝缘的陶瓷保护套。最小的铂电阻，外径仅约1毫米，长度小于10毫米。但是由于热电阻温度计包括电阻丝、绕线支架和保护外壳，其热容量为各部件的热容量之和，在很多微小尺度或温度快速变化的测温场合，热电阻的热惯性仍然太大，另外其保护外壳增加了导热热阻，也使热电阻的温度响应进一步降低。

热电偶温度计的测温端是由两种不同物质形成的触点，如镍铬丝和康铜丝在其末端相交并焊接形成的结点，只要使用极细的丝，如直径小至1-50微米的细丝，测温结点的体积可以做得非常小，其热容量达到铂电阻温度计的千分之一甚至更小，热响应速度也大大提高[Temperature fluctuation measurements with finethermocouples(微细热电偶用于温度波动测量)，Talby，R.，Anselmet，F.，Fulachier，L.，Experiments in Fluids v 9，n 1-2，1990，p 115-118；]。

但是由于采用了极细的金属丝，使表面处理和测温点焊接等制作工序的难度明显加大，在测温处的固定也变得困难。此外热电偶在用于非稳态测量时通常不带保护套，直接暴露在被测介质中，由于细丝的强度和刚度极小，非常容易受到被测介质如流体在流动时的作用力而产生位移、变形甚至损坏。

随着半导体制造工艺的进步，又出现了薄膜形状的电阻和热电偶测温元件。这是采用真空镀膜或其他制作薄膜的方法，在某种片状基底上，或直接在待测温的零部件表面上形成厚度仅为微米量级甚至更薄的薄膜状电阻或热电偶(1.BernardFeldman，Thin film metal/metal oxide thermocouple，US Patent 6,072,165，June 6，2000，金属/金属氧化物薄膜热电偶；2.Hermanshu D Bhatt，RamakrishnaVedula，Seshu B.Desu，Gustave C.Fralick，Thin film TiC/TaC thermocouples，Thin Solid Films，342(1999)214-220，TiC/TaC薄膜热电偶)。

这种薄膜形状的热电阻或热电偶，其结构的刚度取决于基底的材料和尺寸，因而不易损坏。在某些使用条件下，适当选择热偶材料，还可以制成透明的薄膜热电偶(Kenneth G.Kreider，Moshe Yust，Transparent thin film thermocouple，US Patent #4,969,956 1990；透明薄膜热电偶，美国专利#4,969,956 1990)。

薄膜形状的电阻或热电偶测温元件，其自身的厚度与热容量非常小，若直接附着在被测物体的表面，用于测量固体表面的温度，对物体的温度场干扰极小，是非常理想的。但若用于测量液体或气体的温度，则由于薄膜所附着的基底材料通常具有比薄膜元件自身大得多的厚度、质量和热容量，使热电偶对温度变化的响应速度明显降低，甚至可能低于某些细丝型热电偶。另外较大的基底在插入流体时会对流体的运动产生干扰，影响流体的温度场和测量精度。为克服这一缺陷，美国专利(RISGIN O.，Method of Fabricating Film-Type Sensing Structures，USPatent #3715288，膜状传感结构的制造方法，1973)采用氧化铝薄膜作为热电偶薄膜的基底，用于热辐射传感器，可以减小接点热容量，但是仍然需要有基底支持。

                            发明内容

本发明的目的在于：提供一种由薄膜或超细金属丝构成的测温结点悬浮的薄膜热电偶，该热电偶感温结点处的薄膜在制作完成时不再依附于基底材料上，而是呈悬浮状态，可以显著减小结点的热惯性，提高对所测量对象温度变化的响应速率。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的测温结点悬浮的薄膜热电偶，包括由固体绝缘材料制作的永久性基底1，热电偶薄膜3和热电偶薄膜4，所述热电偶薄膜3和热电偶薄膜4分别镀覆于永久性基底1的表面上，其相重叠的测温结点5与永久性基底1表面不接触，呈悬浮状；测温结点5悬浮于永久性基底1的上方或一侧；永久性基底1的材质为陶瓷、硅片、玻璃或有机聚合物；形状为薄片、细管或细杆形状；热电偶薄膜3和热电偶薄膜4的厚度为1纳米-0.1毫米，采用配对的热电偶材料，该配对的热电偶材料为铂铑-铂、镍铬-康铜、半导体或金属氧化物。

本发明的测温结点悬浮的薄膜热电偶，由于测温的结点5与永久性基底1相脱离，形成悬空或悬臂结构，因此可以显著减小结点的热惯性，提高对所测量对象温度变化的响应速率。

                        附图说明图1为本发明的结构示意图；图2-1至附图2-3为本发明一实施例方案，为表达清楚起见，图中膜的厚度方向比实际结构有明显的放大；图3-1至图-5为本发明制作过程示意图；图2-1为除去非永久性基底2之前的示意图；图2-2为图2-1的俯视图；图2-3为除去非永久性基底2之后，结点呈悬浮状态的示意图；图3-1为永久性基底1的结构示意图图3-2为非永久性基底2附着于永久性基底1端部的示意图；图3-3为热电偶薄膜3和热电偶薄膜4附着于永久性基底1的表面上，并在和非永久性基底2前端相重叠，形成本发明的测温结点悬浮的薄膜热电偶的测温结点5的示意图；图3-4是从图3-3沿其轴线(即永久性基底1的长度方向)旋转90°的视图；图3-5为本发明的结构示意图，图中已将非永久性基底2除去，其结点呈悬浮状态；其中，永久性基底1     非永久性基底2         热电偶薄膜3

  热电偶薄膜4     测温结点5

                          具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明：

由图可知，本发明提供的测温结点悬浮的薄膜热电偶，包括由固体绝缘材料制作的永久性基底1，热电偶薄膜3和热电偶薄膜4，所述热电偶薄膜3和热电偶薄膜4分别镀覆于永久性基底1的表面上，其相重叠的测温结点5与永久性基底1表面不接触，呈悬浮状；测温结点5悬浮于永久性基底1的上方或一侧；永久性基底1的材质为陶瓷、硅片、玻璃或有机聚合物；形状为薄片、细管或细杆形状；热电偶薄膜3和热电偶薄膜4的厚度为1纳米-0.1毫米，采用配对的热电偶材料，该配对的热电偶材料为铂铑-铂、镍铬-康铜、半导体或金属氧化物。

由于测温结点悬浮，可以显著减小结点的热惯性，提高其对测量对象温度变化的响应速率；其测温响应仅由外界换热条件和自身的热容量决定，而与基底的材料，结构，形状或厚度无关。

实施例1：图3-1至图3-5为本发明制作过程示意图；

如图3-1所示：永久性基底1作为该实施例的测温结点悬浮的薄膜热电偶的结构基础，使热电偶薄膜依附于其上，并提供引线接点；

图3-2所示：在永久性基底1上的末端或其他特定部位，附着尺寸更小的一块非永久性基底2；

图3-3所示：构成该测温结点悬浮的薄膜热电偶的两种热电偶薄膜3和4分别镀覆在永久性基底1的表面上，两种热电偶薄膜相重叠的相交处即为该热电偶的测温结点5；

图3-4是图3-3沿其轴线(即永久性基底1的长度方向)旋转90°的视图；图3-5为本发明的结构示意图，图中已将非永久性基底2除去，其结点呈悬浮状态；非永久性的基底2只是在该测温结点悬浮的薄膜热电偶的制作过程中用于附着热电偶薄膜3和4，并且作为热电偶两种热电偶薄膜3和4连接点的附着基底；在电极材料及其结点制作完成以后，非永久性的基底2将以适当的方式除掉，从而使本发明的测温结点悬浮的薄膜热电偶的测温结点与永久性基底1不接触，呈悬浮状态；本实施例的测温结点5悬浮于永久性的基底1的有端。

非永久性基底2只是在热电偶的制作过程中附着在永久性基底1上，并且作为热电偶两种电极材料连接点的附着基底；在电极材料及其结点的制作完成以后，非永久性基底2将以适当的方式如有机溶剂溶解除去，从而使热电偶的测温结点处呈悬空状态，非永久性基底2可以选用易溶于有机溶剂的塑料或能够由化学腐蚀的固体材料。

适当地设置镀膜的厚度、悬浮段的形状、长度、宽度及其与厚度的比例关系，可以使悬浮结点既具有足够的强度，又具有极小的质量和热容量。通过仔细设计镀膜方式与程序，悬浮结点处薄膜的厚度可以不同于其他部位薄膜的厚度，甚至悬空段从根部到顶部结点的长度、宽度和厚度也可以逐渐改变，以实现保证结构强度与减小结点热容量的优化配合。实施例2：

本发明提供的薄膜热电偶可有多种形式，图2-1给出的另一种实施方案，是一种基底为平片型的悬空式薄膜热电偶，图2-2为除去非永久性基底2之前的俯视图，图2-3为除去非永久性基底2后，结点呈悬浮状态的情形。

其制作过程为：

1.在平片型的永久性基底1的中部附着尺寸很小的非永久性基底2，

2.在平片型的永久性基底1上，以非永久性基底2为重叠点分别向两端镀覆热电偶薄膜3和热电偶薄膜4，热电偶薄膜3和热电偶薄膜4在非永久性基底2上重叠；

3.去掉非永久性基底2，即完成本实施例的测温结点5悬浮的薄膜热电偶的制作。

实施例3：

本实施例的制作过程为：

1.在平片型、细管或细杆形状的永久性基底1的中部打一个孔，孔中附着非永久性基底2；

2.在永久性基底1上，以孔中附着的非永久性基底2为重叠点分别向两端镀覆热电偶薄膜3和热电偶薄膜4，热电偶薄膜3和热电偶薄膜4在非永久性基底2之上重叠；

3.去掉孔中附着的非永久性基底2，即完成本实施例的测温结点悬浮的薄膜热电偶的制作。

按照本发明提出的使薄膜热电偶在结点处脱离基底而悬空的思路，根据实际的使用条件，可以设计出各种不同的结构及其制作工艺路线，而不局限于本发明的实施例所提出的具体方案。同样的方法也可以用于制作由多个悬空薄膜热电偶串联形成的热电堆，以获得更高的温差电势值，作为温度或热辐射测量器件。

Claims (5)

1.一种测温结点悬浮的薄膜热电偶，包括由固体绝缘材料制做的永久性基底(1)、热电偶薄膜(3)和热电偶薄膜(4)，其特征在于，所述热电偶薄膜(3)和热电偶薄膜(4)分别镀覆于永久性基底(1)的表面上，其相重叠的测温结点(5)与永久性基底(1)表面不接触，呈悬浮状。

2.按权利要求1所述的测温结点悬浮的薄膜热电偶，其特征在于，所述永久性基底(1)的材质为陶瓷、硅片、玻璃或有机聚合物。

3.按权利要求1所述的测温结点悬浮的薄膜热电偶，其特征在于，所述永久性基底(1)的形状为薄片、细管或细杆形状。

4.按权利要求1所述的测温结点悬浮的薄膜热电偶，其特征在于，所述热电偶薄膜(3)和热电偶薄膜(4)的厚度为1纳米-0.1毫米，其材质为相配对的金属材料。

5.按权利要求4所述的测温结点悬浮的薄膜热电偶，其特征在于，所述组成热电偶薄膜(3)和热电偶薄膜(4)的配对材料为铂铑-铂、镍铬-康铜、半导体或金属氧化物。

Images