TWI426631B - 熱感知器及熱感應元件的製造方法 - Google Patents

熱感知器及熱感應元件的製造方法 Download PDF

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Description

熱感知器及熱感應元件的製造方法
本發明係關於一種熱感知器，其可在一監視區域內感應熱能並啟動一警報器或類似裝置，以及可應用於該熱感知器內的一熱感應元件的製造方法。
傳統上，熱感知器可以透過感應火警所產生的熱能而感測到火警的發生。傳統的熱感知器，一般而言，包含有一熱感應單元用以感應監視區域內的熱能以及一偵測器主體用以依據熱感應單元所偵測到的狀態來啟動一警報器。
熱感應單元具有一感應單元可感應其監視區域內的熱能並轉換所偵測的狀態成為另一狀態。感應單元係由，舉例而言，可隨著溫度上升所造成之空氣膨脹而變形的一隔板、可根據溫度改變電阻值的一電熱調節器，或是可根據溫度變形至一預定方向的一雙金屬所構成(舉例而言，日本特開平05-266377號專利)。
在具有隔板的熱感知器中，當一密閉空間內的空氣突然隨著火警所產生的高溫而膨脹，隔板便產生變形。熱感知器可藉由監視隔板的變化來監視溫度上升率是否等於或高於一預定值，而當上升率等於或高於該預定值時，熱感知器即判斷在監視區域內有火警 發生並輸出一警報訊號。
在具有電熱調節器的熱感知器中，電熱調節器的電阻值隨著火警的高溫改變。熱感知器可藉由監視電阻值的變化來監視溫度上升率是否等於或高於一預定值，而當上升率等於或高於該預定值時，熱感知器即判斷在監視區域內有火警發生並輸出一警報訊號。圖19係一傳統電熱調節器型熱感知器的正視圖；並且圖20係為熱感知器如圖19沿著切線A-A的局部剖面圖。如圖19及20所示，一熱感知器110包含一偵測器主體111與一電熱調節器112附著於偵測器主體111的一側表面，電熱調節器112係向外凸出。電熱調節器112係設置儘可能地遠離偵測器主體，如此可避免偵測器主體111與電熱調節器112之間的熱能傳導，並使得偵測器主體111外部的氣流能儘可能地直接接觸電熱調節器112，進而改善電熱調節器112的熱能反應。另外，為了從外面保護凸出的電熱調節器112，一電熱調節器導件113係設置圍繞電熱調節器112。
在具有雙金屬的熱感知器中，係利用雙金屬的一特徵，例如，雙金屬係根據溫度變形至一預定方向。當溫度變成等於或高於一預定標準，雙金屬的變形程度增加而形成電路接觸。隨後，熱感知器即判斷在監視區域內有火警發生並輸出一警報訊號(舉例而言，請參閱日本實開平6-30891號新型專利)。
傳統的熱感知器110具有下列的缺點；舉例而言，具有隔板的熱感知器必須備有一可擴張密閉空間以便正確感測等於或超過一預定率的上升溫度率。具有電熱調節器的熱感知器110的體積過於龐大，因為電熱調節器112向外凸出而電熱調節器導件113係圍繞電熱調節器112。因此，並不容易將熱感知器110的體積縮小。再者，具有雙金屬的熱感知器需要保留相當的空間給雙金屬變形。因此，如何縮小這些傳統熱感知器是一個難以解決的問題。
為了解決上述的問題，本申請之發明者與其他人員檢查如何使用鐵電陶瓷元件作為熱感應元件。鐵電陶瓷元件藉由運用於溫度變化的焦電效應來輸出焦電電流。在最近幾年，某些材料如鐵電陶瓷元件的壓電效應被研究，並應用陶瓷元件或類似元件在如警報器或擴音器等裝置，而形成壓電警報器、壓電擴音器或類似的裝置。在鐵電材料中所觀察到的壓電效應係為材料的一特徵，當力量係施加一預定方向時其藉由改變自發極性的磁性在結晶表面產生正電荷與負電荷。陶瓷元件係可運用於如被組裝於一薄板狀或一薄膜狀形狀。如果這樣的薄陶瓷元件可以被運用於熱感應，將有可能製造較薄的熱感知器。實際上，有關壓電材料運用於溫度測量的技術已被提出(舉例而 言，請參閱日本特開平5-296854號專利)。上述之技術的運用與陶瓷元件的使用也許可允許製造較小尺寸的熱感知器。
然而，陶瓷元件目前係運用於壓電擴音器或類似裝置。如果此一陶瓷元件被使用作為熱感應元件而不做任何改變，將會有許多的不便隨之產生。用於火警感應的裝置會有不同的限制與獨有的特徵但卻不存在於一般的電子裝置如擴音器或警報器中。因此，直接運用傳統熱感應元件於火警偵測器中可能會造成無法預期的問題。
舉例而言，陶瓷元件的介電常數的變化曲線可能會依據週遭溫度而呈現不同斜度。因為週遭溫度應該不會劇烈地變化，所以這樣的介電常數之變化曲線的溫度取決特徵會對傳統壓電擴音器或具有陶瓷元件的類似裝置造成些微影響。當傳統陶瓷元件直接使用於火警中，如，在具有特有溫度特徵的環境中，陶瓷元件可能不會顯示該有的溫度特徵，例如，陶瓷元件的介電常數的變化曲線可能會顯示極度平緩的斜度。然後，陶瓷元件將不會有預期的熱能反應。
另外，熱感知器的熱能反應係被熱感應元件之熱容量所影響。在傳統壓電擴音器或具有陶瓷元件的類似裝置中，熱容量會造成一些影響。因此，直接運用傳統陶瓷元件熱感知器可能不會產生所預期的熱能反應。
再者，傳統陶瓷元件通常需經過polling製程以達到壓電效應增加，因此壓電陶瓷元件可以在警報器或擴音器內運作。polling製程係為一處理程序，當中一等於或高於一預定標準的電壓被施加於鐵電材料。當一材料接受polling製程時，具有與一電場向量反向之極性的一分域會消失，相反地，具有與一電場向量同向之極性的一分域會出現。於是，鐵電材料內的複數個分域均合併，而在不同方向的自發極性均被定位。因此，polling製程會使得取決於自發極性之方向的特徵變得更加不同於鐵電陶瓷元件其他的特徵。舉例而言，壓電效應會變的更加明顯。當鐵電陶瓷元件的壓電效應因為polling製程而更顯的不同時，如果由週遭零件或類似膨脹所產生的一力量施加於鐵電陶瓷元件，鐵電陶瓷元件的介電常數可能會因壓電效應而改變。因此，直接在熱感知器運用有強烈壓電效應的鐵電陶瓷元件並不是最好的設計。
另外，當鐵電陶瓷元件的自發極性已被polling製程強制地定向，陶瓷元件內將會有殘餘應力產生，其可能會在往後導致介電常數改變。因此，熱感知器的長時間使用可靠度可能受損，這也不是最好的設計。
本發明係設計用以解決上述的問題，而本發明的一目的係為解決將壓電陶瓷元件運用於一特定裝置，如火警偵測器時會產生的問題。
為了解決上述的問題並達到上述的目的，根據本發明的一觀點，在可根據一陶瓷元件之一介電常數在一監視區域中測量溫度的熱感知器中，該陶瓷元件的一居里點溫度係設定在一範圍內以使得居里點溫度與熱感知器的靈敏溫度範圍之間有一預定關係。
另外，根據本發明的另一觀點，一種用以製造可根據電介質材料之介電常數在一監視區域中測量溫度之一熱感應元件的方法，包含加熱電介質材料至一溫度等於或高於電介質材料的一居里點溫度；並冷卻電介質材料至一溫度低於居里點溫度。
根據本發明，該陶瓷元件的居里點溫度可設定與熱感知器的靈敏溫度範圍有一預定關係，更詳細的說，居里點溫度的設定可使得在陶瓷元件溫度特徵曲線上的居里點溫度的鄰近範圍實質上符合靈敏溫度範圍，藉以在溫度特徵斜度曲線十分明顯的一範圍內進行溫度感應。如此，熱感知器的熱能反應將可增加。因此，壓電陶瓷元件達到火警偵測器所要求的特別溫度感應特徵，以及運用壓電陶瓷元件於火警偵測器中的問題也可被解決。
另外，根據本發明，在加熱過程中，經過polling製程並具有高壓電效應的鐵電陶瓷元件係逐漸加熱 至一溫度等於或高於陶瓷元件中所提供的鐵電材料之居里點溫度；而鐵電陶瓷元件使得相變過渡發生於不具有自發極性與分域的順電性材料。另外，在冷卻過程中，陶瓷元件係冷卻至一溫度低於居里點溫度，並使得相變過渡發生於具有複數個分域的鐵電材料，而每個分域的自發極性係不同方向。因此，即使有週遭零件或類似膨脹所產生的一力量施加於陶瓷元件，具有複數個不同方向之自發極性的分域的鐵電材料中的壓電效應會相互偏位，而壓電效應所造成的噪音可被抑制。另一方面，由於介電常數之溫度特徵曲線的斜度受到一些影響，只有壓電效應所產生的噪音可以被減少，而一適合的特徵例如溫度偵測要素將可獲得。另外，由於分域係任意地重新產生以穩定鐵電材料的能量狀態，殘餘應力的複雜力場並不會出現在陶瓷元件中，因此往後的介電常數變化將可被預防。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出本發明的第一實施例與第二實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。但本發明不應被限制於第一與第二實施例。
第一實施例：
第一實施例係有關於用以監視一監視區域的溫度的一熱感知器。熱感知器可用以監視任一監視區域而滿足不同的用途。在下列的第一實施例中，熱感知器應安裝於一般房屋的房間內或辦公室集團內，用以監視是否有火警發生。需要注意的是，第一實施例係被應用於類似一熱感知器(例如一溫度感應器)，用以量測一監視區域之溫度。
第一實施例的一目的是提供一種藉由最佳化陶瓷元件之熱感應元件的不同特徵而具有較佳熱能反應的熱感知器。舉例而言，熱能反應的改進係藉由下列方法所達成：(1)陶瓷元件之介電常數變化曲線的最佳化；以及(2)陶瓷元件之熱容量的最佳化。如此的做法是因為本發明的發明人發現為了確認熱感知器具有所要求的熱能反應，陶瓷元件的介電常數變化曲線應在熱感知器的靈敏溫度範圍考量中被決定，而陶瓷元件的熱容量需被設定於一適當範圍內。下面將描述一種具有上述各種結構的熱感知器。
圖1為根據本發明之一第一實施例中的一熱感知器之結構的功能方塊圖。熱感知器1包含一陶瓷元件10、一溫度計算單元20、一儲存單元30與一控制單元40。具有如此結構的熱感知器1可如下述進行火警偵測。首先，陶瓷元件10的溫度，係隨著在監視區域內的溫度而改變，並經由溫度計算單元20根據陶瓷元件10之介電常數進行計算。控制單元40 對陶瓷元件10的溫度與事先儲存於儲存單元30內的一低限值進行比較。當陶瓷元件10的溫度超過該低限值時，控制單元40即判斷有火警發生於監視區域內，並指示輸出一警報。下面將描述與溫度計算相關的熱感知器1之結構與製程。
首先，將會描述溫度計算單元20之主要部分的特定結構。溫度計算單元20係為溫度計算器，用以來計算在監視區域內的溫度根據陶瓷元件10之介電常數。圖2為顯示於圖1之溫度計算單元20之主要部分的電路圖。如圖2所示，溫度計算單元20的主要部分係由包含有相互連接之複數個電晶體TR1至TR3、電阻R1至R5與一比較器IC1的電路所構成。
接著，將描述溫度計算單元20所執行的溫度計算。當電晶體TR3的基端接收一放電啟動，陶瓷元件10進行放電。當溫度計算單元20的一輸入單元(圖未顯示)接收一輸入在陶瓷元件10放電之後，一固定電流係施加於陶瓷元件10，用以對陶瓷元件10進行充電。在充電過程中當陶瓷元件10的電力充電計量超過一預定標準，來自比較器IC1的一輸出會被轉至“高”。因此，陶瓷元件10所需要的充電時間會大約增加至超過預定標準的一標準，該預定標準係藉由測量從陶瓷元件10放電後輸入單元接收到該輸入直到比較器IC1的輸出被轉至“高”的時間點之間所經過之時間所獲得。陶瓷元件10之充電時間係單獨 地在實質上對應於陶瓷元件10之介電常數。另外，陶瓷元件10之介電常數對應於陶瓷元件10的溫度係實質上獨一無二的。因此，陶瓷元件10的溫度，如監視區域內的溫度將可依據陶瓷元件10的充電時間進行測量而得到。
圖3顯示溫度變化與一陶瓷元件的一充電時間之間的關係。如圖3所示，當輸入單元接收到一方形波輸入，若陶瓷元件10的溫度上升，在一初始充電期間充電波形的上升會逐漸變的緩慢。然後，一時間間段t(充電時間)在充電波形超過低限值之前變成更長的時間ts。因此，將可依據充電時間來決定溫度。此處，圖1中的儲存單元30儲存有界定充電時間與溫度兩者關係的一表格。溫度計算單元20可利用此表格決定對應於充電時間的溫度。充電時間與溫度兩者關係的特定數值可容易地由實驗或類似方法所獲得，因此在此將不再加以描述。
圖4係為陶瓷元件作為熱感應元件的示意圖。上述之陶瓷元件10係為一鐵電材料13(對應於在後述專利申請範圍中的“電介質材料”)，也就是一鐵電陶瓷，至少在熱感知器1的一溫度測量範圍內。鐵電材料13係由一PZT型鐵電材料所製成(對應於在後述專利申請範圍中的“具有一類鈣鈦礦結構的壓電陶瓷”)，其形成包含有隨機組合之複數個結晶粒14的多晶體。結晶粒14係為一細微晶體，每一個均被極 化成無施加電壓的狀態(而因此具有一自發極性16)，並被分隔成具有不同方向之自發極性16的複數個細微分域15。分域15與自發極性之方向16的形成使得每個結晶粒14或鐵電材料13是在穩定的能量狀態。polling製程可施加於鐵電材料13以使得每個結晶粒14與分域15的不同方向自發極性16將會被定向。然後，取決於自發極性16之方向的壓電效應將會變的更加明顯。
下面將另外描述陶瓷元件10之結構的一特例。圖5顯示陶瓷元件或類似與其他元件之關係的平面圖與垂直剖面。如圖5所示，陶瓷元件10係實質上形成具有一對電極11和12置於其相對表面的一圓盤。電極11和12係透過一電線(圖未顯示)用以供應自陶瓷元件10流向溫度計算單元20的焦電電流。電極11和12分別為一金屬板貼於陶瓷元件10上，或是經由氣相沉積所形成於陶瓷元件10上的金屬。
接著，下面將描述一種用以將陶瓷元件10之介電常數的溫度特徵結構最佳化的結構。為了達到溫度特徵的最佳化，陶瓷元件10的居里點溫度Tc應設定於一預定溫度範圍內較佳，例如，在一範圍從大約60℃至大約170℃。下面將進而描述原因。
首先，居里點溫度Tc高於熱感知器1的一般靈敏溫度範圍為較佳。而其原因是，當居里點溫度Tc係低於或在靈敏溫度範圍內時，如果所感測的溫度高 於電介質之居里點溫度Tc，陶瓷元件10會由鐵電材料轉化成順電性材料連帶轉化其特徵。由於熱感知器1的一般靈敏溫度範圍係為自20℃至60℃的範圍，因此居里點溫度Tc應等於或高於大約60℃為較佳。
另外，為了在熱感知器1的溫度測量中取得一高音噪比(signal to noise ratio)，熱感應較佳者應進行在陶瓷元件10之介電常數的溫度特徵斜度較為明顯的範圍內。換言之，陶瓷元件10之介電常數的溫度特徵明顯的範圍較佳者係使其更符合熱感知器1的靈敏溫度範圍。在本實施例中，陶瓷元件10之介電常數的溫度特徵的斜度傾向於成為陶瓷元件10之居里點溫度Tc的鄰近區域中的最大值；而當相關溫度與居里點溫度Tc之間的不同變的更明顯，斜度容易變的較為平緩。因此，使得居里點溫度Tc之鄰近範圍的部分，陶瓷元件10之其特徵曲線上具有較大斜度(例如，比居里點溫度Tc低大約30至50℃的溫度範圍，舉例而言，比居里點溫度Tc少40℃的溫度範圍)可更符合熱感知器1的靈敏溫度範圍。
可改變雜質加入率，以使居里點溫度Tc與靈敏溫度範圍之間有一預定關係，。舉例而言，圖6顯示居里點溫度Tc與相對介電常數ε之間的關係。假設類鈣鈦礦結晶之其中之一的鉛鈦酸鹽(PbTiO3 )被使用並加入Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 。如果雜質的加入率是 以“x”表示，鉛鈦酸鹽之結構則可用“(1-x)×Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 -x×PbTiO3 ”來表示。圖6顯示溫度特徵曲線a至e，其各自對應不同的雜質加入率x。如圖6所示，隨著加入率x的變化，居里點溫度Tc分別變成大約-10℃、20℃、60℃、80℃及170℃，如溫度特徵曲線a至e所示。如圖6所示，溫度特徵曲線a至d中的每一個溫度特徵曲線都具有不同的雜質加入率，在居里點溫度Tc的鄰近區域中的斜度變的更加地傾斜。舉例而言，在具有加入率x=0.17的特徵曲線d上代表溫度範圍從50至80℃的斜度比具有加入率x=0.33在特徵曲線e上代表同樣溫度範圍的斜度更傾斜。
接著，每個特徵曲線與音噪比之間的關係將被描述。假設居里點溫度Tc為大約60℃、80℃和170℃，而靈敏溫度為20℃和60℃。每個居里點溫度Tc在溫度20℃與60℃之間的介電常數變化率(例如，介電常數在溫度60℃/介電常數在溫度20℃)可被計算出來。當居里點溫度Tc為大約60℃時，介電常數的變化率為27.5E-3/14E-3=2.0；當居里點溫度Tc為大約80℃時，介電常數的變化率為22E-3/5E-3=4.4；而當居里點溫度Tc為大約170℃時，介電常數的變化率為3.9E-3/1.9E-3=2.1。因此，當居里點溫度Tc為大約60至170℃時，靈敏溫度範圍20至60℃內之溫度變化的音噪比係等於或高 於2.0，而當居里點溫度Tc不是在範圍大約60至170℃內時，音噪比係相等或低於2.0。
再者，熱感知器1所需要的音噪比將會描述。一般而言，有較高的音噪比的感應器較適合使用於熱感知器1中。為了維持穩定的感應特徵，音噪比需要至少是等於或高於2。原因如下。根據法令規章所規定之熱感知器1的性能(舉例而言，日本的“火警警報器安裝之感應器與發射器的相關技術標準行政命令規定”)，固定65度的溫度型熱感知器不應在被置於週遭溫度55℃(非操作測試)後的一分鐘內被使用。假設居里點溫度Tc為大約60℃、80℃和170℃，靈敏溫度20℃和靈敏溫度55℃的介電常數變化率可計算得到(亦即，55℃的介電常數/20℃的介電常數)。當居里點溫度Tc為大約60℃時，介電常數中的變化率為26.8E-3/14E-3=1.9；當居里點溫度Tc為大約80℃時，介電常數中的變化率為17E-3/5E-3=3.4；而當居里點溫度Tc為大約170℃時，介電常數中的變化率為3.6E-3/1.9E-3=1.9。簡短而言，此處的最小音噪比為大約1.9。
因此，為了使得熱感知器1能夠通過非操作測試，熱感知器1的控制單元40必須能夠分辨在非操作測試之環境溫度為55℃時所獲得的音噪比1.9與音噪比2.0或是較音噪比1.9更高出許多的音噪比。在操作時，當環境中有機械變動因素所造成之電 氣噪音與假訊號時，正確的分辨則是更為重要。假定噪音是5%的訊號，音噪比必須是2.0或至少更多。為了得到音噪比2.0或更多，若居里點溫度Tc係設定在上述之大約60至170℃的範圍將會更有效率。因此，可被了解的是使用於熱感知器1中之陶瓷元件10的居里點溫度Tc應在大約60至170℃的範圍為較佳。
接著將描述陶瓷元件10之一適當厚度。一般而言，陶瓷元件10的熱容量易隨著板狀陶瓷元件10厚度的增加而增加。然而當陶瓷元件10的熱容量增加，在一熱氣流從監視區域接觸陶瓷元件10後升高陶瓷元件10的溫度所需的時間會變的更長，而熱能反應則隨之下降。因此，只要陶瓷元件10能滿足電阻的必需要求或類似要求，較薄的陶瓷元件10為較佳。
接著將描述陶瓷元件10的熱容量。在週遭溫度達到Tf之後經過t秒的溫度T(t)可藉由下列方程式(1)表示。另外，如果熱容量係以C=γcV表示，時間常數則可藉由下列方程式(2)表示：T(t)-Tf=(T0-Tf)×Exp(-t/τ)...(1)， τ=C/hA...(2)，其中T0為初始溫度，τ為時間常數並以γcV/hA表示，其中γ為重量體積比，c為比熱，V為體積，h為熱傳導係數，而A為表面面積。
圖7顯示在固定65度溫度型熱偵測器的一操作測試中，根據利用方程式(1)所計算得到的熱能時間常數的熱靈敏度特徵的差異。根據上述技術標準行政命令所規定之熱感知器1性能，當固定65度溫度型熱偵測器被放置於週遭溫度為81℃的環境，必須在30秒內開始運作。在圖7中，熱感知器1之時間常數τ必須相等或低於24秒。
因為如方程式(2)所示，時間常數τ係與熱容量成正比，因此若要設定時間常數相等或低於24秒，熱容量則必須相等或低於一預定計量。熱容量係與陶瓷元件10的體積以及與陶瓷元件10相接觸之電極11和12的體積成正比。陶瓷元件10的直徑或電極11或12的直徑必須大到足夠使得陶瓷元件10與電極11和12能確實地接收來自監視區域的熱氣流。明確地說來，陶瓷元件10與電極11和12的厚度需要調整。
一試驗產品係由厚度為80μm的陶瓷元件10與厚度為50μm的電極11和12所組裝而成。當此試驗產品的熱靈敏度被量測時，陶瓷元件10與電極11和12的時間常數為大約21秒。如上所述，熱感知器1的時間常數τ為24秒，為了滿足熱感知器標準，此熱感知器1試驗產品必須包含具有大約110%(24/21)或更少的熱容量的陶瓷元件10與電極11和12。
圖8顯示陶瓷元件厚度(水平軸)與熱容量之相對值(垂直軸)之間的關係。圖9顯示陶瓷元件10與電極11和12的合併厚度(水平軸)和熱容量之相對值(垂直軸)之間的關係。如圖8與圖9所示，陶瓷元件10必須具有大約100μm或更少的厚度，而與陶瓷元件10與電極11和12的合併厚度則須具有大約130μm或更少的厚度。隨著熱容量的減少，當陶瓷元件10接收到由火警所產生的熱氣流，陶瓷元件10的溫度會馬上升高以容許即時的熱感應。
接著將根據第一實施例，描述一種用以製造陶瓷元件10的方法。圖10係為製造陶瓷元件之方法的流程圖。如圖10所示，首先，準備並混和用以形成陶瓷元件10的材料。特別的是，所要求的雜質加入率係加入於金屬氧化物(PbO，TiO2 ，ZrO2 或類似材料)中(步驟SA-1)。然後這些材料經過粉碎與混合(步驟SA-2)，經由一乾燥機乾燥(步驟SA-3)，再暫時在一坩堝中以800℃至850℃的溫度燒結，以轉換成已燒結材料(PbO3 、TiO3 、ZrO3 或類似材料)(步驟SA-4)。
隨後，再粉碎所取得的已燒結材料(步驟SA-5)。所得到的粉末再混合於黏結劑中(步驟SA-6)，並再塑造成一實質上為板狀的形狀(步驟SA-7)。接著，以打孔機將板狀塑模打出一盤狀成品(步驟SA-8)。所有的盤狀成品將分散成包含數個盤 狀成品的單元而將每個單元填入一耐火黏土中(步驟SA-9)。接著，將耐火黏土置於一隧式熔爐或類似裝置並進行大約1100至1200℃溫度大約兩天的主燒結程序(步驟SA-10)。然後以超音波或類似方式將盤狀成品從耐火黏土中取出(步驟SA-11)，而一銀濕黏土則於盤狀成品的一側表面印上一圖案以在後續製成中形成電極11(步驟SA-12)。在進行極性製程(polling製程)以增強壓電效應(步驟SA-13)之後，測量其電性特徵(步驟SA-14)，而電極12係附著於非印有銀濕黏土的盤狀成品之一側表面(步驟SA-15)。接著再進行檢驗步驟(步驟SA-16)，就可完成熱感知器。
根據第一實施例，該陶瓷元件的居里點溫度可設定與熱感知器的靈敏溫度範圍之間有一預定關係，尤其是，在陶瓷元件之溫度特徵曲線上的居里點溫度的鄰近區域實質上應符合靈敏溫度範圍。因此將可在溫度特徵斜度曲線十分明顯的一範圍中進行溫度偵測，而熱感知器之熱能反應將可增加。
另外，根據第一實施例，陶瓷元件的厚度可設計為相等或低於實質上是對應於火警感應中之預定時間常數的一厚度，而使得陶瓷元件的熱容量可減少。所以，熱感知器之熱能反應將可增加。
第二實施例：
第二實施例將在下文中解釋。
在上述第一實施例中，陶瓷元件10需經過polling製程以使得每個細微結晶與每個分域的自發極性均被定位於不同方向。然而，在polling製程進行時，上述之鐵電陶瓷元件10會顯示依自發極性之方向而定的明顯壓電效應。因此，當附近零件因膨脹或類似因素而對鐵電陶瓷元件10施加力量，陶瓷元件10的電荷會因為壓電效應而比未經過polling製程之陶瓷元件10更容易改變。
在第二實施例中，一種用以製造可減低由壓電效應所造成之噪音的熱感知器的方法將會被描述。第二實施例的主要特徵是：(1)係為一種用以製造可依據電介質材料之介電常數在一監視區域內測量溫度之熱感應元件的方法，而該方法包含加熱電介質材料至一溫度等於或高於電介質材料之居里點溫度，並冷卻電介質材料至一溫度低於電介質材料之居里點溫度；以及(2)在加熱電介質材料時，電介質材料係維持在等於或高於居里點溫度的溫度持續一預定時間長度。
首先，依據第二實施例，下面將描述利用製造熱感應元件之方法所製造的陶瓷元件。圖11係根據本發明之一第二實施例顯示陶瓷元件在polling製程之後以及在實施製造一熱感應元件方法之前的示意圖。由於施加高直流電流電壓，陶瓷元件10中的分 別的結晶粒14的複數個分域15係結合在一起，而自發極性16則被定位。另外，在多晶體鐵電材料13中，整體的自發極性一般已被定位。圖12顯示顯示陶瓷元件之輸出電壓之已因polling製程而定位自發極性的變化。圖12顯示當一壓力施加於固定溫度之陶瓷元件10時，陶瓷元件10之輸出電壓是如何地改變。由圖12可知，陶瓷元件10之輸出電壓在壓電效應所產生的壓力出現時會有明顯的變化。在第二實施例中的熱感應元件製造方法可實施於具有已結合分域的陶瓷元件10，而自發極性16則已因polling製程而被定位。其方法係用來改變具有已結合分域與已因polling製程而被定位之自發極性16的陶瓷元件10的狀態。接著，在第二實施例中的熱感應元件製造方法將會被描述成為一分域再造製程。
圖13係為係一分域再造製程的流程順序的流程圖。首先，陶瓷元件10係逐漸加熱至等於或高於鐵電材料13之居里點溫度的一溫度(步驟S101)，並持續維持在此等於或高於居里點溫度的溫度至一預定時間長度(對應於在後述專利申請範圍中的“加熱”)。舉例而言，當包含鐵電材料13的陶瓷元件10是PZT型鐵電材料13，PZT型鐵電材料13的居里點溫度為大約200℃。因此，鐵電材料13係逐漸加熱至等於或高於200℃的溫度並維持在等於或高於200℃的溫度約30分鐘。
如圖11所示，鐵電材料13會失去自發極性16與分域15，當它被加熱至一溫度等於或高於自身之居里點溫度，並產生相變過渡而轉化成為一順電性材料。圖14係為陶瓷元件加熱至一溫度等於或高於居里點溫度的示意圖。如圖14所示，一順電性材料17(對應於在後述專利申請範圍中的“電介質材料”)失去自發極性16與分域15。
回到圖13，上述之陶瓷元件10係冷卻至一溫度低於上述居里點溫度(步驟S102：對應於在後述專利申請範圍中的“冷卻”)。當陶瓷元件10冷卻至低於居里點溫度的溫度，順電性材料會產生相變過渡而再次轉換成鐵電材料13。在此相變過渡中，包含不同方向之自發極性16之複數個分域15將再次隨機產生以形成圖11中的鐵電材料13。此後，分域再造製程結束。
接著，將比較分域再造製程之前具有已定位自發極性16鐵電材料13與具有由分域再造製程所產生之不同方向自發極性於其複數個分域的鐵電材料13兩者的輸出電壓。圖15顯示陶瓷元件10之輸出電壓在分域再造製程之前與之後的變化。由圖15可知，與分域再造製程之前相比較，在分域再造製程之後壓力施加的過程中的輸出電壓變化變得十分微小。
因此，根據第二實施例，在加熱過程中，經過polling製程並包含有鐵電材料13的陶瓷元件10係 逐漸加熱至等於或高於陶瓷元件10中鐵電材料13的居里點溫度的溫度，以使得鐵電材料13產生相變過渡並轉換成不具自發極性16與分域15的順電性材料17。另外在上述冷卻過程中，陶瓷元件10係冷卻至低於居里點溫度的溫度，與順電性材料17產生相變過渡並轉換成鐵電材料13，其具有複數個分域15包含不同方向之自發極性16。因此，即使有因週遭零件或類似膨脹所產生的一力量施加於陶瓷元件10，由具有複數個分域15其不同方向之自發極性16的鐵電材料13所產生的壓電效應將會相互抵銷，進而降低壓電效應所產生的噪音。
另外，在上述加熱過程中，由於陶瓷元件10係維持在等於或高於居里點溫度的一溫度持續至一預定時間長度，因此在polling製程中所造成的變形或類似情況將會被消除。因此，在冷卻過程中，變形並不會影響順電性材料17相變過渡成為鐵電材料，而分域則是隨機地產生。
分域再造製程還可利用分域15的隨機再造使得每個結晶粒14或鐵電材料13的能量狀態變得穩定。因此，陶瓷元件10中將不會有複雜殘餘應力場，並可防止往後介電常數的變化。
特別的是，由於在分域再造製程與移除polling製程所產生的變形或類似情況之後，介電常數之溫度特徵實質上可維持在與分域再造製程之前之標準相 同的標準，因此便可獲得一較佳的溫度偵測元件特徵。圖16顯示溫度與在分域再造製程之前與之後的相對介電常數之間的關係。在圖16中，白點所標繪的是具有極性的陶瓷元件10的資料(如，在polling製程之後而在分域再造製程之前)，與黑點所標繪的是不具有極性的陶瓷元件10的資料(如，在polling製程之後並在分域再造製程之後)。
如圖16所示，在同樣的溫度時，不具有極性的陶瓷元件10之介電常數普遍低於具有極性的陶瓷元件10之介電常數。然而，介電常數之溫度特徵斜度係實質上則與極性存在與否相無關聯。由此可知，既然本發明之陶瓷元件10的溫度測量係利用上述的介電常數之溫度特徵斜度，並且其不會受到介電常數之絕對值影響；因此，一適合的溫度偵測元件特徵將可取得而與極性存在與否無關聯。
最後，將會描述居里點溫度的減低。在本應用中，在分域再造製程的加熱過程中，陶瓷元件10係維持在等於或高於居里點溫度的溫度，以使得polling製程所產生的變形或類似情況被移除。因此，當具有一低居里點溫度的陶瓷元件10被利用時，在加熱過程中所要求的溫度目標可變得較低，而加熱過程所需的時間可被縮短，因此分域再造製程時間所需的時間也可被縮短。下面將會描述用以達到上述目的的陶瓷元件的居里點溫度10的減低。
圖17顯示一陶瓷元件10的加入物質與居里點溫度之間的關係。假設Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 係作為加入鉛鈦酸鹽(PbTiO3 )的雜質，其為類鈣鈦礦結晶之一。雜質的加入率係以“x”為代表，鉛鈦酸鹽的結構則可以用“(1-x)×Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 -x×PbTiO3 ”來表示。如圖17所示，加入率x與居里點溫度Tc係呈一正比關係，而藉由降低加入率x將可減低居里點溫度Tc。
當居里點溫度Tc變得較低時，在分域再造製程中之熱處理所要求的溫度將會降低，而分域再造製程所要求的時間也可隨之縮短。若只考慮所需要的時間長短，最好是能夠降低居里點溫度越低越好。然而，伴隨著居里點溫度Tc的變化，介電常數之溫度特徵斜度也會改變。因此，為了去的最佳的斜度，居里點溫度Tc應調整至一固定標準。
圖18顯示居里點溫度Tc與相對介電常數ε之間的關係。圖18顯示當已改變之雜質加入率x摻入具有如圖17之相同結構的鉛鈦酸鹽(PbTiO3 )時所取得之溫度特徵曲線a至e。一般熱感知器的溫度偵測範圍最好是設定於一大約20℃至60℃的範圍內。另一方面，在熱感知器所執行的溫度測量中，使用介電常數之溫度特徵斜度較為明顯的範圍可取得高音噪比。因此，居里點溫度Tc最好是設定於具有明顯斜度的介電常數之溫度特徵並符合大約20℃至60℃ 的溫度偵測範圍。更明確的說來，當範圍位於大約20℃至60℃之間，雜質加入率x設定於大約0.33，以及居里點溫度Tc降低至大約170℃時，如同圖18中之溫度特徵曲線e的一適當的溫度特徵將可獲得。當居里點溫度Tc係設定於相等或低於大約170℃的一標準時，相較於PZT型鐵電材料13的居里點溫度(亦即大約200℃)，居里點溫度Tc可以降低大約30度。因此，居里點溫度Tc的降低對於分域再造製程整個熱處理之溫度的降低與製程所需時間的縮短均有幫助。相反地，如果居里點溫度Tc非常低，將被偵測的溫度會變得比鐵電材料的居里點溫度Tc還高。接著電介質陶瓷產生相變過渡以由一鐵電陶瓷轉化成順電性材料進而改變其特徵。為了預防如此的變化，居里點溫度Tc必須被設定於等於或高於熱感知器之溫度偵測範圍的一溫度，亦即等於或高於60℃。
根據第二實施例，在陶瓷元件中已完成polling製程並具有一高壓電效應的鐵電陶瓷元件係被逐漸加熱至等於或高於鐵電材料之居里點溫度的溫度，並在加熱過程中產生相變過渡以轉換成不具有自發極性與分域的順電性材料。另外，在冷卻過程中，陶瓷元件係冷卻至低於居里點溫度的一溫度，並再產生相變過渡以轉換成相變過渡轉換成具有不同方向自發極性之複數個分域的鐵電材料。因此，即使有因週遭 零件或類似膨脹所產生的一力量施加於鐵電陶瓷元件，具有不同方向自發極性之複數個分域的鐵電材料所產生的壓電效應將會抵銷此力量，因此壓電效應所產生的噪音可被抑制。另一方面，由於介電常數之溫度特徵斜度受到一些影響，只有壓電效應所造成的噪音會減低，因此將可獲得溫度偵測元件特徵。另外，由於分域是隨機再生以穩定鐵電材料的能量狀態，陶瓷元件中將不會有複雜殘餘應力場，因此將可避免往後的介電常數變化。
另外，根據第二實施例，由於電介質材料係維持在溫度等於或高於居里點溫度持續一預定時間期間，polling製程所產生的變形或類似情況會被移除。因此，變形並不會影響相變過渡使得順電性材料轉化鐵電材料，分域則隨機地形成。
另外，根據第二實施例，由於居里點溫度較低，而順電性材料之加熱過程所需的時間可被縮短與製造熱感應元件所需的時間也可被縮短。
另外，根據第二實施例，由於居里點溫度係設定於一大約60℃至170℃的範圍內，鐵電材料之溫度特徵可在熱能感應中得到最佳結果。
第一與第二實施例均已被描述。然而，本發明的一特定結構與一方法可以有其他的選擇或不違背本發明之技術概念的改進對應於詳述在後述專利申請範圍。下面將描述本發明的另一設計。
本發明不只可運用於上述熱感知器1，也可運用於任何在監視區域內感測熱並根據所感應之狀態啟動警報器，如運用於一熱偵測器中。
本發明所解決的問題與本發明所提供的結果不應被上面所提供的描述所限制。本發明還有可能解決上面未提到的一問題，並可能提供上面未提到的一優點。另外，本發明可能解決部分上面提到的一問題，可能提供部分上面所提到的優點。舉例而言，即使熱感知器之熱能反應1不能滿足所要求的熱能反應標準，但只要所達成的熱能反應至少比傳統熱感知器更為優良，本發明的一目的即可視為被達成。
熱感知器依據隨著陶瓷元件10之介電常數而變化的充電時間進行溫度計算。然而，溫度計算的執行並不應被限制於上面的描述，並可藉由隨著介電常數而改變之震盪頻率來執行。
另外，雖然實施例中的熱感知器是一固定溫度型熱感知器，其依據充電時間隨著介電常數而改變的充電時間進行溫度計算，但熱感知器的類型不應被限制於上述這一種，可以是不同類型熱感知器依據隨著介電常數而改變之充電時間變化率偵測溫度上升率。另外，熱感知器除了包含依據隨著陶瓷元件10之介電常數而改變之充電時間或震盪頻率進行計算溫度的溫度計算單元20外，還可另外包含：一溫度校正器，根據隨著陶瓷元件10之介電常數變化率所 產生之一焦電電流或類似來校正溫度；以及一開關，可切換於溫度計算單元20與溫度校正器之間。
在第二實施例中，PZT型陶瓷係為鐵電材料13所製成的陶瓷元件10。任何鋯與鈦的混合率均可被採用。另外，PZT型陶瓷可包含一添加物如鈮，鑭，鈣和鍶。另外，鐵電材料13所製成的陶瓷元件10並不僅限於上述之PZT型陶瓷或鉛鈦酸鹽(PbTiO3 )，也可以是具有其他類鈣鈦礦結晶線狀結構的鐵電陶瓷如鍶鈦酸鹽(SrTiO3)或鋇鈦酸鹽(BaTiO3 )。
由鐵電陶瓷所形成之陶瓷元件10具有高硬度的優點。然而當此項優點並不是必要時，其他非陶瓷的鐵電材料也可被用來形成陶瓷元件10。非陶瓷的鐵電材料13，舉例而言，高聚合物鐵電材料如壓電薄膜(Poly-vinyliden Fluorid,PVDF)，或鐵電結晶如氨基乙酸硫酸鹽。這些鐵電材料也可用以形成陶瓷元件10。因此即使陶瓷元件10係由鐵電材料而非鐵電陶瓷所形成，熱感知器1仍可根據介電常數或陶瓷元件10之介電常數的變化率進行溫度計算。
在第二實施例之步驟S101或步驟S102中，具有鐵電材料13的陶瓷元件10在接受the polling製程之後會逐漸變熱或變冷。只要形成陶瓷元件的鐵電材料13和電極12與鐵電材料13和電極12的黏性未損毀，陶瓷元件10將可被快速地加熱或快速地冷卻。另外，第二實施例之步驟S101或步驟S102可 藉由將陶瓷元件10置於其溫度係設定等於或高於居里點溫度的一加熱鎔爐，或置於其溫度係設定低於居里點溫度的一冷卻缸而獲得。另外，於步驟S102中，陶瓷元件10可藉由自然散熱來冷卻。
另外，在第二實施例之步驟S101中，陶瓷元件10係維持在溫度等於或高於該陶瓷元件10的居里點溫度持續一預定時間長度。維持該預定時間長度之目的在於移除polling製程與相變過渡轉換至順電性材料17所產生的變形或類似情形。然而，若不需要移除變形或變形可被立即移除，或只有少許變形，可以在陶瓷元件10加熱至等於或高於居里點溫度的一溫度後立即進行冷卻而不需維持陶瓷元件10於該溫度而等待該預定時間長度。當離開陶瓷元件10等於或高於居里點溫度的一溫度所需要的時間被縮短時，分域再造製程的生產率會改善。
另外，某些鐵電材料13所製成的陶瓷元件10可在一鐵電相態的一低溫端具有順電性相態。在此情況下，在第二實施例的步驟S101中，陶瓷元件10可被冷卻至等於或低於居里點溫度，並可在步驟S102中，被加熱至一溫度等於或高於居里點溫度。在此情況下，陶瓷元件10可維持在等於或低於居里點溫度的一溫度持續一預定時間期間。
另外，在第二實施例中，鐵電材料13所製成的陶瓷元件10係用以藉由溫度變化產生相變過渡於順 電性材料17。然而，導引相變過渡的方式並不應被限制於上述的方式，而作用於順電性材料17的相變過渡可藉由施加能量達到，如壓力或光能。
產業上的運用
本發明可改進熱感應單元(例如陶瓷元件)的熱能反應並產生快速熱能感應。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非 用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾， 因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍 所界定者為準。
1、110‧‧‧熱感知器
10‧‧‧陶瓷元件
11、12‧‧‧電極
13‧‧‧鐵電材料
14‧‧‧結晶粒
15‧‧‧分域
16‧‧‧自發極性
17‧‧‧順電性材料
20‧‧‧溫度計算單元
30‧‧‧儲存單元
40‧‧‧控制單元
111‧‧‧偵測器主體
112‧‧‧電熱調節器
113‧‧‧電熱調節器導件
R1-R5‧‧‧電阻
TR1-TR3‧‧‧電晶體
IC1‧‧‧比較器
圖1為根據本發明之一第一實施例中的一熱感知器之結構的功能方塊圖；圖2為顯示於圖1之溫度計算單元之主要部分的電路圖；圖3顯示溫度變化與一陶瓷元件的一充電時間之間的關係；圖4係為陶瓷元件的示意圖；圖5顯示陶瓷元件或類似元件與其他元件之關係的平面圖與垂直剖面； 圖6顯示居里點溫度Tc與相對介電常數ε之間的關係；圖7係根據一熱能時間常數顯示熱能靈敏度的不同特徵；圖8顯示陶瓷元件厚度(水平軸)與熱容量之相對值(垂直軸)之間的關係；圖9顯示陶瓷元件厚度與電極的合併厚度(水平軸)和熱容量之相對值(垂直軸)之間的關係；圖10係為製造陶瓷元件之方法的流程圖；圖11係根據本發明之一第二實施例顯示陶瓷元件在polling製程之後以及在實施製造一熱感應元件方法之前的示意圖；圖12顯示陶瓷元件之輸出電壓之已因polling製程而定位自發極性的變化；圖13係為一分域再造製程的流程順序的流程圖；圖14係為陶瓷元件加熱至一溫度等於或高於居里點溫度的示意圖；圖15顯示陶瓷元件之輸出電壓在分域再造製程之前與之後的變化；圖16顯示溫度與在分域再造製程之前與之後的相對介電常數之間的關係；圖17顯示一陶瓷元件加入物質與居里點溫度之間的關係；圖18顯示居里點溫度與相對介電常數之間的關 係；圖19係一傳統電熱調節器型熱感知器的正視圖；以及圖20係為熱感知器如圖19沿著切線A-A的局部剖面圖。
1‧‧‧熱感知器
10‧‧‧陶瓷元件
20‧‧‧溫度計算單元
30‧‧‧儲存單元
40‧‧‧控制單元

Claims (10)

  1. 一種熱感知器，可根據一陶瓷元件之一介電常數在一監視區域20度至60度的靈敏溫度範圍內測量溫度，其中該陶瓷元件的一居里點溫度係設定在使得該陶瓷元件的一溫度特徵曲線上的該居里點溫度的鄰近區域實質上符合該靈敏溫度範圍。
  2. 如專利申請範圍第1項所述之熱感知器，其中該居里點溫度係設定於一大約60℃至170℃的範圍內。
  3. 一種熱感知器，可根據一陶瓷元件之一介電常數在一監視區域中測量溫度熱感知器，其中該陶瓷元件之一厚度係等於或少於實質上對應於火警偵測中的一時間常數的一厚度，其中該厚度係等於或少於大約100微米，且該時間常數係等於或少於大約24秒。
  4. 如專利申請範圍第3項所述之熱感知器，其中在該陶瓷元件上該陶瓷元件和一電極的一結合厚度係等於或少於大約130微米。
  5. 如專利申請範圍第1項或第3項其中任一項所述之熱感知器，其中該陶瓷元件係為具有類鈣鈦礦(perovskite-like)結構的一壓電陶瓷元件。
  6. 一種製造熱感知元件的方法，該熱感知元件可根據一電介質材料之一介電常數在一監視區域中測量溫度，該方法包括：加熱該電介質材料至一溫度等於或高於該電介質材料的一居里點溫度；以及冷卻該電介質材料至一溫度低於該居里點溫度。
  7. 如專利申請範圍第6項所述之製造方法，其中該加熱過程包含維持該電介質材料在該溫度等於或高於居里點溫度停留一預定時間期間，其中該預定時間期間為30分鐘。
  8. 如專利申請範圍第7項所述之製造方法，其中該電介質材料係為具有類鈣鈦礦結構的一壓電陶瓷。
  9. 如專利申請範圍第8項所述之製造方法，其中冷卻至溫度低於該居里點溫度的步驟實質上是 加入一含有雜質的Pb(Mg1/3 Nb2/3 )O3 至該電介質材料內，而使該居里點溫度降低。
  10. 如專利申請範圍第6項所述之製造方法，其中該電介質材料的該居里點溫度係設定於大約60℃至大約170℃的一範圍。
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