一種溫差傳感器的製作方法

2023-05-26 23:05:26 5

專利名稱：一種溫差傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種溫差傳感器，特別是用於測量微小溫差信號的溫差傳感器。
目前，能夠用於檢測溫差的溫差傳感器有許多種，如有用半導體熱敏電阻(如TX-A型，北京玻璃研究所製造)或鉑電阻(如RT100型)及其它元器件組成的有源或無源的橋式電路；熱電偶也可作溫差傳感器。這些溫差傳感器在大部分領域都得到了很好的應用，並且也是很有效的。但是，在某些應用領域(如用於補償式微量熱計)，這些傳感器均有不盡如人意的地方熱敏電阻只能感測到單點溫差，而且必須使用兩隻熱敏電阻，將他們接入電橋電路的兩對臂上，將其中一隻置於被測對象內，另一隻置於基準對象內，方可實現溫差檢測；熱電偶安裝工藝複雜，一般人很難將其一次裝焊成功，而且它也屬於感測點溫差的範疇，無非是多點而已。由於真實體系中往往存在著不同程度的溫度梯度，因此以上傳統的溫差傳感器不太適合作測量兩個真實體系間的溫差，即使能使用，精度也受到限制。
本發明的目的是提供一種能夠方便地用於測量兩個真實體系間微小溫差信號的溫差傳感器，以克服現有技術的不足之處。
為了達到上述目的，本發明是這樣實現的兩個陶瓷膜的外側各複合有一層導熱膜，陶瓷膜的內表面固定有導流片，依次串聯的半導體溫差電元件分別與相應的導流片固定連接。
本發明使用時，兩個陶瓷膜的外側分別置於環境與被測單元中，感應環境與被測單元的溫差，因此要求陶瓷膜必須具有良好的導熱性能。本發明通過在陶瓷膜的外表面複合一層導熱膜，所述的導熱膜是由導熱性能良好的材料製成，金屬或非金屬材料均可，一般金屬材料的導熱性能好，金屬材料如銀、銅、鋁或錫等。若為金屬材料，可通過蒸鍍或濺射於陶瓷膜上。陶瓷膜可採用氧化鋁陶瓷膜，其厚度為0．2-0．5mm。半導體溫差電元件為一對串聯的P型半導體與N型半導體，P型半導體材料的溫差電動勢為正值，而N型半導體的溫差電動勢為負值，本發明所用的P型半導體與N型半導體的溫差電動勢的絕對值需大於160μV／℃，如P型半導體為Bi2Te3-Sb2Te3或ZnSb，N型半導體為Bi2Te3-Bi2Se3、PbTe-PbSe、Bi2Se3、Bi2Te3、PbSe、CoSb3、PbS或PbTe。
本發明也可在導熱膜的內側複合一層陶瓷膜，通過陰極濺射方法將陶瓷粉濺射到導熱膜上，形成陶瓷膜，如用氧化鋁陶瓷粉。
本發明的工作原理是利用兩種半導體材料，當其兩端面互相接觸且兩端具有一定溫差時在它們構成的迴路內將會產生賽貝克電動勢這一原理。
下面結合附圖與實施例對本發明作進一步的說明附

圖1為本發明結構構造示意圖；附圖2為本發明實施例俯視結構投影圖；如附圖1所示，陶瓷膜(1)要具有良好的導熱性能，導熱率越大的材料性能越好，因此，具備以上性能的陶瓷膜(1)均可使用，目前通用的為氧化鋁陶瓷膜；陶瓷膜(1)太厚，其寄生溫差大，測量靈敏度小，熱惰性大，其厚度在0．2-0．5mm較好。陶瓷膜(1)的外側各複合有一層導熱膜(2)，所述的導熱膜(2)是由導熱性能良好的材料製成，金屬或非金屬材料，金屬材料如銀、銅、鋁或錫等，可通過蒸鍍或濺射於陶瓷膜上。陶瓷膜(2)的內表面固定有多組導流片(3)，依次串聯的半導體溫差電元件(6)分別與相應的導流片(3)固定連接，可通過在半導體溫差電元件(6)上焊接一層銦膜，然後將導流片(3)通過銦膜焊接在半導體溫差電元件(6)上。半導體溫差電元件(6)為一對串聯的P型半導體(4)和N型半導體(5)，導流片(3)對P型半導體(4)和N型半導體(5)起到連接線的作用，只要是具有良好導電性能的材料均可，一般為銅、銀或錫等。陶瓷膜(1)與導流片(3)固定連接，可通過粘合劑粘合，也可焊接，若通過焊接，可先在陶瓷膜(1)的內側焊接一層銦膜，然後將導流片(3)焊接在銦膜上。
根據實際需要，本發明可製成多種結構構造相同但外型不同的溫差傳感器，如可將陶瓷膜製成圓形、矩形或不定形；導流片和半導體溫差電元件可環形、矩形或不定形布置；根據靈敏度的需要可布置若干對導流片和半導體溫差電元件。在P型、N型半導體的製作選擇方面，若機械切片工藝能銑切出更薄的晶片的條件下，本發明可選用截面更小的元件，可以使單位面積上的元件對數增多，以進一步提高傳感器的靈敏度。
本發明的優點本發明用於溫差測量時，只需將其置於被測對象及基準對象之間就可實現溫差測量，安裝使用方便，接觸面可根據需要設置，測溫差均勻，可靠性高。
下面結合實施例進一步敘述本發明，本實施例只是為了更好的說明本發明的實現過程，而不能限制本發明。
本發明的一個應用對象是可用於補償式微量熱計，該量熱計主要由恆溫槽、量熱膽杯、溫差傳感器、補償電堆和計算機控制系統等組成，溫差傳感器是感測量熱膽杯內溫度相對於恆溫環境的基本檢測裝置，只有它的靈敏度高、穩定性好時，量熱計才具有高的重複精度。量熱膽杯為圓形底面，為了更好地反映和感測到這種溫度場，如附圖2所示，本發明選用厚度為0．5mm的氧化鋁陶瓷膜(1)，並將其設計為圓形，將上下兩個陶瓷膜(1)的外表面蒸鍍一層銅薄膜；將導流片(3a，3b)和半導體溫差電元件以同心圓的方式焊接在兩個陶瓷膜(1)內側，3a為上導流片，3b為下導流片，焊接過程中採用先蒸鍍一層銦膜，然後焊接。選用的溫差電元件為一對P型半導體(4)Bi2Te3-Sb2Te3(溫差電動勢α=180μV／℃)和N型半導體(5)Bi2Te3-Bi2Se3(溫差電動勢α=-170μV／℃)，其橫截面積為1．5×1mm2，元件高度為8mm，P型與N型半導體之間按串聯方式首尾連接。這一對P型半導體與N型半導體構成的電對的相對賽貝克電動勢αpn=180+170=350μV／℃，本實施例共應用了103對溫差電元件，其溫差電動勢的理論值為350×103=36．05mV／℃，本實施例實測的溫差電動勢為26mV／℃(在20℃溫差下)。
表1為應用了本發明溫差傳感器的補償式微量熱計脈衝能當量電能標定結果 理論電能是由測定加熱器的端電壓、通入的電流及加熱器電阻按式Q=V．I．R計算得到；實測電能是按下述過程進行的，當向置於量熱膽杯內的加熱器通入電能後，電能轉變為熱效應，引起量熱膽杯溫度變化，此時，這一變化被溫差傳感器感測到後，經放大、A／D轉換後送入計算機系統，計算出與被測熱效應相反的補償脈衝數，經轉換送至補償電堆，使之與被測熱效應對消，對消的特徵是溫差傳感器輸出電信號為零，因此，實測電能為Q=補償脈衝數×脈衝能當量。由上表可以計算得到電能標定的 電能標定的重複性指標方差s=0．094，由此可見，使用了本發明溫差傳感器的補償式微量熱計，其精度與重複性能均較高，進一步說明本發明是有積極效果的。
權利要求
1.一種溫差傳感器，其特徵是兩個陶瓷膜(1)的外側各複合有一層導熱膜(2)，陶瓷膜(1)的內表面固定有導流片(3)，依次串聯的半導體溫差電元件(6)分別與相應的導流片(3)固定連接。
2.根據權利要求1所述的溫差傳感器，其特徵是導熱膜(2)優選為導熱性能良好的金屬材料製成。
3.根據權利要求2所述的溫差傳感器，其特徵是導熱膜(2)是銀、銅、鋁或錫製成。
4.根據權利要求1或2所述的溫差傳感器，其特徵是半導體溫差電元件為一對串聯的P型半導體(4)與N型半導體(5)。
5.根據權利要求4所述的溫差傳感器，其特徵是所用的P型半導體(4)與N型半導體(5)的溫差電動勢的絕對值大於160μV／℃。
6.根據權利要求5所述的溫差傳感器，其特徵是所用的P型半導體(4)為Bi2Te3-Sb2Te3或ZnSb，N型半導體(5)為Bi2Te3-Bi2Se3、PbTe-PbSe、Bi2Se3、Bi2Te3、PbSe、CoSb3、PbS或PbTe。
7.根據權利要求1或2所述的溫差傳感器，其特徵是陶瓷膜(1)為氧化鋁陶瓷膜。
8.根據權利要求1或2所述的溫差傳感器，其特徵是陶瓷膜(1)的厚度為0．2-0．5mm。
全文摘要
本發明公開了一種用於測量微小溫差信號的溫差傳感器,其技術特徵是:兩個陶瓷膜的外側各複合有一層導熱膜,陶瓷膜的內表面固定有導流片,依次串聯的半導體溫差電元件分別與相應的導流片固定連接。本發明用於溫差測量時,只需將其置於被測對象及基準對象之間就可實現溫差測量,安裝使用方便,接觸面可根據需要設置,測溫差均勻,可靠性高。
文檔編號G01K7/02GK1289039SQ0011394
公開日2001年3月28日 申請日期2000年10月20日 優先權日2000年10月20日
發明者趙宏安, 歐陽鵬, 寧曉輝, 曾曉岑 申請人:西北大學