WO2021237602A1

WO2021237602A1 - 薄膜式热电偶、温度传感器及智能穿戴设备

Info

Publication number: WO2021237602A1
Application number: PCT/CN2020/093007
Authority: WO
Inventors: 田雨洪
Original assignee: 南昌欧菲显示科技有限公司
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2021-12-02

Abstract

一种薄膜式热电偶，包括基材（10），设置于基材（10）一侧的热电偶单元（20）包括第一金属电极（22）和第二金属电极（24），第一金属电极（22）的一端与第二金属电极（24）的一端相连接，导热件（30），设置于基材（10）远离热电偶单元（20）的一侧，且对应第一金属电极（22）与第二金属电极（24）的连接处。薄膜式热电偶的体积较小且导热速率较快。同时提供一种具有薄膜式热电偶的温度传感器（200），及一种智能穿戴设备。

Description

薄膜式热电偶、温度传感器及智能穿戴设备

技术领域

本申请涉及温度检测技术领域，尤其涉及一种薄膜式热电偶、温度传感器及智能穿戴设备。

背景技术

在工业生产、智能加工及可穿戴电子设备等领域，对温度检测的需求越来越高。热电偶是温度测量中较为常用的温度传感器，其主要的优点为检测范围较宽及适应各种大气环境，而且其结实、价低，无需供电，成本也较低。

然而，在实现本申请的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：热电偶的体积较大，无法较好的集成在小型电子设备内部；热电偶的测温区域与待测部位之间的热传导不及时，检测数据存在时间差。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种薄膜式热电偶、温度传感器及智能穿戴设备，以解决上述问题。

本申请提供一种薄膜式热电偶，包括：

基材；

热电偶单元，设置于所述基材的一侧，包括第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极的一端与所述第二金属电极的一端相连接；

导热件，设置于所述基材远离所述热电偶单元的一侧，且对应所述第一金属电极与所述第二金属电极的连接处。

由于薄膜式热电偶的热电偶单元设于基材的一侧，占用空间较小；导热件对应第一金属电极与第二金属电极的连接处，测温精度高且导热较快，解决了现有技术中热电偶的体积较大、不易集成、导热速率慢且存在检测延迟的问题。

进一步地，所述薄膜式热电偶包括多个依次连接的所述热电偶单元；

多个所述第一金属电极与多个所述第二金属电极交替且串联设置。

通过串联多个热电偶，成倍的放大了检测的电势差值，提高了测温精度。

进一步地，所述第一金属电极包括相连接的第一延伸部和第一连接部，所述第二金属电极包括相连接的第二延伸部和第二连接部；

所述第一延伸部与所述第二延伸部平行且间隔设置，所述第一连接部与所述第二连接部相连接。

通过平行间隔设置第一延伸部与第二延伸部，避免了不同电极之间的干扰。

所述第一连接部与所述第二连接部相连接，所述第一延伸部的延伸方向与所述第二延伸部的延伸方向之间的夹角呈锐角、直角或钝角。

通过设置第一延伸部与第二延伸部之间的角度，热电偶单元可适配不同尺寸及不同形状的基材，扩展了薄膜式热电偶的使用场景。

进一步地，所述第一延伸部与所述第二延伸部在延伸方向上的长度均为200μm-10000μm。

第一延伸部与第二延伸部满足上述条件范围，可以在保证较好检测精度的条件下，避免热电偶单元占用空间过大。

进一步地，所述第一延伸部与所述第二延伸部沿垂直于延伸方向的间距为5μm-200μm。

第一延伸部与第二延伸部满足上述条件范围，可以避免第一金属电极与第二金属电极由于间距过短造成干扰。

进一步地，所述第一金属电极的材质为铜镍合金，所述第二金属电极的材质为铜。

铜镍合金与铜组成热电偶的两级，使得热电偶在保证较好检测精度的同时，也能做到较小的体积。

进一步地，所述基材的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的至少一种；

所述基材的厚度为30μm-300μm。

基材材质优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚酰亚胺(PI)，搭配合适的厚度，具有较好的绝缘属性与导热性。

进一步地，所述薄膜式热电偶还包括绝缘层；

所述绝缘层完全覆盖于所述热电偶单元远离所述基材的一侧。

绝缘层完全覆盖热电偶单元，可用于防止热电偶单元内的金属氧化。

进一步地，所述薄膜式热电偶还包括绝缘层；

所述绝缘层部分覆盖于所述热电偶单元远离所述基材的一侧。

绝缘层部分覆盖热电偶单元，可预留出热电偶单元的接线处，便于外接检测机构。

进一步地，所述绝缘层的厚度为5μm-10μm。

该优选厚度范围能够在保证绝缘效果的同时辅助隔热。

本申请还提供一种温度传感器，包括检测机构和上述薄膜式热电偶；

本申请还提供一种智能穿戴设备，包括本体及上述温度传感器，所述温度传感器设于所述本体中。

所述检测机构电连接所述第一金属电极和所述第二金属电极，用于感应所述第一金属电极与所述第二金属电极之间的电势差，并依据所述电势差获得检测温度。

本申请提出的薄膜式热电偶或温度传感器代替传统的测温元件运行于电子设备内部，占用空间较小且测温精度高。通过检测相连的第一金属电极和第二金属电极电势差判断温度，通过导热件加快了检测过程的导热速率，降低了检测的延迟，解决了传统热电偶存在的体积较大和导热速率慢的问题。本申请的薄膜式热电偶、温度传感器和智能穿戴设备还具有使用方便、成本可控的特点。

附图说明

图1为本申请第一实施例薄膜式热电偶的平面结构示意图。

图2为图1所示的薄膜式热电偶的侧面剖视图。

图3为本申请第二实施例薄膜式热电偶的平面结构示意图。

图4为本申请第三实施例温度传感器的结构框图。

主要元件符号说明

薄膜式热电偶 100

基材 10

热电偶单元 20

第一金属电极 22

第一延伸部 222

第一连接部 224

第二金属电极 24

第二延伸部 242

第二连接部 244

导热件 30

绝缘层 40

温度传感器 200

检测机构 210

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，当一个组件被称为“电连接”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“电连接”另一个组件，它可以是接触连接，例如，可以是导线连接的方式，也可以是非接触式连接，例如，可以是非接触式耦合的方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请同时参阅图1与图2，本申请第一实施例提供一种薄膜式热电偶100，用于测量温度，其包括基材10、热电偶单元20和导热件30。

在本实施例中，基材10呈板状，且厚度较薄，用于承载热电偶单元20和导热件30。

热电偶单元20设置于基材10的一侧，热电偶单元20包括第一金属电极22和第二金属电极24，第一金属电极22的一端与第二金属电极24的一端相连。

具体地，第一金属电极22与第二金属电极24均大致呈长条形，第一金属电极22与第二金属电极24的一端相连接并导通，另一端可连接外部检测模块。第一金属电极22与第二金属电极24采用不同材质的金属，当待测部位温度发生变化时，二者之间会产生相应的电势差，通过测量电势差的大小，可获得待测部位的温度。

导热件30设置于基材10远离热电偶单元20的一侧，且导热件30对应第一金属电极22与第二金属电极24的连接处。

具体地，导热件30用于直接传导热量至第一金属电极22和第二金属电极24的连接处，从而加快了两个电极间电势差的变化速度，使得热电偶单元20对待测部位的检测速度更快，延迟更低。

使用时，在外部检测模块连接第一金属电极22与第二金属电极24后，只需将导热件30靠近待测部位，即可通过对比分析两个电极间的电势差变化，得出待测部位的实时温度值。

本申请提出的薄膜式热电偶100可代替传统的测温元件，通过检测相连的第一金属电极22和第二金属电极24电势差判断温度，通过导热件30加快了检测过程的导热速率，降低了检测的延迟。由于占用空间较小、测温精度高且导热较快，解决了现有技术中热电偶的体积较大不易集成且导热速率慢存在检测延迟的问题。

在本实施例中，基材10的材质可选用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)中的至少一种，但不限于此。PET和PI材质能够兼顾整体的柔韧性、稳定性、可靠性，在导热能力方面较为适合，且同时具有绝缘特性，能够防止电势差测量时由于基材10的传导产生误差。

进一步地，基材10的厚度优选为30μm-300μm，例如100μm，但不限于此。该厚度范围能够对其承载的其他元件起到较好的支撑并保证了基材不会隔热影响检测数据。在实际运用的过程中，依据所需的测量范围及空间限制选用合适的厚度即可。

在本实施例中，第一金属电极22的材质为铜镍合金，第二金属电极24的材质为铜。使用铜-铜镍合金的热电偶，具有测量范围广、稳定性与灵敏度较好、机械强度高、耐压性好、成本低廉的优点。可以理解，在本申请的其他实施例中，第一金属电极22与第二金属电极24的材质不限于铜镍合金和铜，也可依据所需的检测范围或成本考量选用合适的金属材质。

具体地，铜镍合金中，铜与镍的质量比范围优选为4:6到5:5之间，但不限于此。第一金属电极22与第二金属电极24一般通过表面溅射的方式与基材10相结合，但不限于此。

进一步地，如图1所示，第一金属电极22包括相连接的第一延伸部222和第一连接部224，第二金属电极24包括相连接的第二延伸部242和第二连接部244，第一延伸部222与第二延伸部242均为长条形结构。第一连接部224位于第一延伸部222的一端，第二连接部244位于第二延伸部242的一端，即第一延伸部222和第一连接部224整体呈“L”形，第二延伸部242和第二连接部244整体呈“L”形。

具体地，第一延伸部222与第二延伸部242平行间隔设置，而第一连接部224与第二连接部244相连接，即第一金属电极22与第二金属电极24整体大致呈“U”形。

进一步地，在本申请的其他实施例中，第一延伸部222的延伸方向与第二延伸部242的延伸方向之间呈夹角设置，夹角的数值可选用锐角、直角或钝角。可以理解，在不同的实施例中，基材10的尺寸和形状不一致，需依据使用场景的限制做相应的调整，则热电偶单元20内的第一延伸部222与第二延伸部242之间的设置方式需依据实际情况合理的选择。

进一步地，第一延伸部222与第二延伸部242的长度范围优选为200μm-10000μm，例如：200μm、500μm、1000μm、5000μm、10000μm等。可以理解，长度越长，测得的电势差越大，相应的体积也会变大。该长度范围能够在保证检测精度的同时，避免过长导致占用空间过大。在实际生产制造过程中，依据所需要的集成要求和检测需求，选择合适的长度即可。

进一步地，在本实施例中，第一延伸部222与第二延伸部242沿垂直于延伸方向的间距优选为5μm-200μm，例如：5μm、10μm、50μm、100μm、200μm等。范围内的间距可较好的避免两个电极之间的干扰。如果间距太短则容易引发相互干扰，如果间距过长则会造成空间的浪费。

可以理解，为了方便外接检测模块，第一金属电极22与第二金属电极24在远离连接处的一端设有检测点。外部检测模块的导线直接接触检测点即可方便的检测电势差。

在本实施例中，导热件30的材质为铝，金属铝接触待测点时能够快速导热，而且金属铝本身质地较轻，成本较低，质地也较稳定。可以理解，导热件30的材质也可为铜、硅等单质或其他导热性较好的合金或化合物。

进一步地，薄膜式热电偶100还包括绝缘层40，绝缘层40覆盖于热电偶单元20远离基材10的一侧，绝缘层40用于防止热电偶单元20内的金属氧化。

具体地，绝缘层40可完全覆盖热电偶单元20或部分覆盖热电偶单元20。在本实施例中，绝缘层40覆盖热电偶单元20的大部分，未被覆盖的部分为第一延伸部222远离第一连接部224的一端及第二延伸部242远离第二连接部244的一端，未被覆盖的部分用于外接检测模块。

进一步地，绝缘层40的厚度优选为5μm-10μm，例如5um、6μm、7μm、8μm、10um等。该长度范围可以在实现较好绝缘效果的同时辅助隔温。

进一步地，在本实施例中，薄膜式热电偶100的整体体积为1000μm长，50μm宽，200μm厚。该体积设计在保证可靠检测精度的同时尽可能缩小了占用空间，能够较好的集成于智能穿戴设备等小型电子设备的内部。

请同时参阅图2与图3，本申请第二实施例提供一种薄膜式热电偶100，用于测量温度，与第一实施例相似，第二实施例的薄膜式热电偶100包括基材10、热电偶单元20和导热件30。

第二实施例与第一实施例的不同之处在于：热电偶单元20的数量为两个，两个热电偶单元20串联设置且整体呈“S”形，两个第一延伸部222与两个第二延伸部242交替平行间隔设置，两个第一连接部224与第二连接部244的连接处位于同侧。绝缘层40覆盖两个热电偶单元20的大部分，未被覆盖的部分为第一个热电偶单元20的第一延伸部222的端部及第二个热电偶单元20的第二延伸部242的端部，这两个端部设有检测点，外部检测模块的导线直接接触检测点即可方便的检测电势差。

可以理解，由于设置了两个以上的串联连接的热电偶单元20，每一个热电偶单元20内的第一金属电极22与第二金属电极24的连接处均为感应温度的区域，因此导热件30需对应每一个热电偶单元20内的第一金属电极22与第二金属电极24的连接处。

具体地，相邻的第一延伸部222与第二延伸部242沿垂直于延伸方向的间距优选为5μm-200μm。

可以理解，本实施例中串联多个热电偶单元20，在检测过程中，电极之间的电势差会成倍的放大，有助于提高薄膜式热电偶100的检测精度。

可以理解，在本申请的其他实施例中，第一延伸部222与第二延伸部242之间也可为夹角设置，例如：第一延伸部222与第二延伸部242之间呈锐角时，多个第一金属电极22与第二金属电极24可形成类似于“M”形的结构。

可以理解，在本申请的其他实施例中，热电偶单元20的数量也可为多个，且数量不限于上述实施例的一个或两个，可依据实际所需的测量精度设置合理的排列，只要满足多个热电偶单元20内的第一金属电极22与第二金属电极24交替且串联设置，相邻的第一金属电极22与第二金属电极24均具有长条形的延伸部即可。

可以理解，增加更多的热电偶单元20可以成倍的增加电势差，同时会增加热电偶单元20的整体体积，热电偶单元20的数量优选为1-20个。在设置多对热电偶单元20时，其整体宽度范围优选为100μm-8000μm，例如100um、200μm、500μm、1000μm、5000μm、8000um等。

进一步地，热电偶单元20的最小占用空间为50μm宽，200μm长。

请参阅图4，本申请第三实施例同时提出一种温度传感器200，用于检测温度。温度传感器200包括检测机构210和上述薄膜式热电偶100。

请同时参阅图1和图4，检测机构210电连接第一金属电极22和第二金属电极24，用于感应第一金属电极22与第二金属电极24之间的电势差，从而计算出待测区域的温度。

可以理解，温度传感器200依据使用环境的变化，检测机构210可连接不同的薄膜式热电偶100，从而实现在不同环境下使用。

本申请同时提出一种智能穿戴设备，包括本体(图未示)和上述温度传感器200。温度传感器200设计本体内。

具体地，智能穿戴设备可为智能手环、智能手表、智能戒指等，但不限于此。

智能穿戴设备内部集成了体积较小的温度传感器200，使体积受限的智能穿戴设备也具有较高精度的温度检测功能。

本申请提出的薄膜式热电偶100或温度传感器200代替传统的测温元件运行于电子设备内部，占用空间较小且测温精度高。通过检测相连的第一金属电极22和第二金属电极24电势差判断温度，通过导热件30加快了检测过程的导热速率，降低了检测的延迟，解决了传统热电偶存在的体积较大和导热速率慢的问题。本申请的薄膜式热电偶100、温度传感器200和智能穿戴设备还具有使用方便、成本可控的特点。

以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。本领域技术人员还可在本申请精神内做其它变化等用在本申请的设计，只要其不偏离本申请的技术效果均可。这些依据本申请精神所做的变化，都应包含在本申请所要求保护的范围之内。

Claims

一种薄膜式热电偶，其特征在于，包括：

基材；

热电偶单元，设置于所述基材的一侧，包括第一金属电极和第二金属电极，所述第一金属电极的一端与所述第二金属电极的一端相连接；

导热件，设置于所述基材远离所述热电偶单元的一侧，且对应所述第一金属电极与所述第二金属电极的连接处。
如权利要求1所述的薄膜式热电偶，其特征在于，所述薄膜式热电偶包括多个依次连接的所述热电偶单元；

多个所述第一金属电极与多个所述第二金属电极交替且串联设置。
如权利要求1所述的薄膜式热电偶，其特征在于，所述第一金属电极包括相连接的第一延伸部和第一连接部，所述第二金属电极包括相连接的第二延伸部和第二连接部；

所述第一延伸部与所述第二延伸部平行且间隔设置，所述第一连接部与所述第二连接部相连接。
如权利要求1所述的薄膜式热电偶，其特征在于，所述第一金属电极包括相连接的第一延伸部和第一连接部，所述第二金属电极包括相连接的第二延伸部和第二连接部；

所述第一连接部与所述第二连接部相连接，所述第一延伸部的延伸方向与所述第二延伸部的延伸方向之间的夹角呈锐角、直角或钝角。
如权利要求3或4所述的薄膜式热电偶，其特征在于，所述第一延伸部与所述第二延伸部在延伸方向上的长度均为200μm-10000μm。
如权利要求3所述的薄膜式热电偶，其特征在于，所述第一延伸部与所述第二延伸部沿垂直于延伸方向的间距为5μm-200μm。
如权利要求1所述的薄膜式热电偶，其特征在于，所述第一金属电极的材质为铜镍合金，所述第二金属电极的材质为铜。
如权利要求1所述的薄膜式热电偶，其特征在于，所述基材的材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的至少一种；

所述基材的厚度为30μm-300μm。
如权利要求1所述的薄膜式热电偶，其特征在于，所述薄膜式热电偶还包括绝缘层；

所述绝缘层完全覆盖于所述热电偶单元远离所述基材的一侧。
如权利要求1所述的薄膜式热电偶，其特征在于，所述薄膜式热电偶还包括绝缘层；

所述绝缘层部分覆盖于所述热电偶单元远离所述基材的一侧。
如权利要求9或10所述的薄膜式热电偶，其特征在于，所述绝缘层的厚度为5μm-10μm。
一种温度传感器，其特征在于，包括检测机构和如权利要求1-11任一项所述的薄膜式热电偶；

所述检测机构电连接所述第一金属电极和所述第二金属电极，用于感应所述第一金属电极与所述第二金属电极之间的电势差，并依据所述电势差获得检测温度。
一种智能穿戴设备，包括本体及如权利要求12所述的温度传感器，所述温度传感器设于所述本体中。