測溫結點懸浮的薄膜熱電偶的製作方法

2023-12-06 07:19:41 2

專利名稱：測溫結點懸浮的薄膜熱電偶的製作方法
技術領域：
本發明專利屬於工程熱物理及測量儀器領域，特別涉及一種測溫結點懸浮的薄膜熱電偶。
背景技術：
溫度的測量，是利用物質或結構的某種特性與其所處溫度的對應關係，把溫度的變化轉換成為這種物質或結構與溫度相對應的某個物理量的變化，而這個物理量是可以直接測量或顯示的。
常見的水銀溫度計，是以封閉的玻璃泡內的水銀隨溫度升降而產生的體積變化(表現為玻璃毛細管內水銀柱位置的變化)來表示溫度的高低；電阻溫度計，是利用某些導電物質如鉑或銅的電阻值隨溫度而變化的特性，由測量其電阻值並經過換算得到溫度值；熱電偶溫度計，則是由兩種不同物質構成電迴路，以其結合點在不同溫度下產生熱電勢的原理來測量溫度。
以上所述的各種溫度計在測量流體或固體的溫度時，由於溫度計本身具有一定的熱容量，至少會從兩個方面影響測量的準確性，產生測溫誤差。首先是測溫元件的存在對被測介質的溫度場可能產生幹擾，使其發生變化；其次是測溫元件的實際溫度滯後於被測介質溫度的變化。特別是在對小空間和劇烈變化中的溫度場進行測量時，測溫元件的熱容量(或稱熱慣性)會導致嚴重的誤差，甚至使測量失去意義。因此減小測溫元件的結構尺寸和熱容量，一直是減小誤差，提高測溫精度和響應速度的一個主要的努力方向。
以水銀溫度計為代表的液體溫度計，利用液體的體積變化來測量溫度，需要有一個封閉的空間如玻璃泡來存放測溫液體，其典型的尺寸為直徑2～5毫米。如果結構不做重大的改變，液體溫度計感溫部分的體積和熱容量很難進一步減小。
典型的電阻溫度計，是用極細的鉑絲在絕緣骨架上繞制而成的鉑電阻，通常外加絕緣的陶瓷保護套。最小的鉑電阻，外徑僅約1毫米，長度小於10毫米。但是由於熱電阻溫度計包括電阻絲、繞線支架和保護外殼，其熱容量為各部件的熱容量之和，在很多微小尺度或溫度快速變化的測溫場合，熱電阻的熱慣性仍然太大，另外其保護外殼增加了導熱熱阻，也使熱電阻的溫度響應進一步降低。
熱電偶溫度計的測溫端是由兩種不同物質形成的觸點，如鎳鉻絲和康銅絲在其末端相交並焊接形成的結點，只要使用極細的絲，如直徑小至1-50微米的細絲，測溫結點的體積可以做得非常小，其熱容量達到鉑電阻溫度計的千分之一甚至更小，熱響應速度也大大提高[Temperature fluctuation measurements with finethermocouples(微細熱電偶用於溫度波動測量)，Talby，R.，Anselmet，F.，Fulachier，L.，Experiments in Fluids v 9，n 1-2，1990，p 115-118；]。
但是由於採用了極細的金屬絲，使表面處理和測溫點焊接等製作工序的難度明顯加大，在測溫處的固定也變得困難。此外熱電偶在用於非穩態測量時通常不帶保護套，直接暴露在被測介質中，由於細絲的強度和剛度極小，非常容易受到被測介質如流體在流動時的作用力而產生位移、變形甚至損壞。
隨著半導體製造工藝的進步，又出現了薄膜形狀的電阻和熱電偶測溫元件。這是採用真空鍍膜或其他製作薄膜的方法，在某種片狀基底上，或直接在待測溫的零部件表面上形成厚度僅為微米量級甚至更薄的薄膜狀電阻或熱電偶(1.BernardFeldman，Thin film metal/metal oxide thermocouple，US Patent 6，072，165，June 6，2000，金屬/金屬氧化物薄膜熱電偶；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薄膜熱電偶)。
這種薄膜形狀的熱電阻或熱電偶，其結構的剛度取決於基底的材料和尺寸，因而不易損壞。在某些使用條件下，適當選擇熱偶材料，還可以製成透明的薄膜熱電偶(Kenneth G.Kreider，Moshe Yust，Transparent thin film thermocouple，US Patent #4,969,956 1990；透明薄膜熱電偶，美國專利#4,969,956 1990)。
薄膜形狀的電阻或熱電偶測溫元件，其自身的厚度與熱容量非常小，若直接附著在被測物體的表面，用於測量固體表面的溫度，對物體的溫度場幹擾極小，是非常理想的。但若用於測量液體或氣體的溫度，則由於薄膜所附著的基底材料通常具有比薄膜元件自身大得多的厚度、質量和熱容量，使熱電偶對溫度變化的響應速度明顯降低，甚至可能低於某些細絲型熱電偶。另外較大的基底在插入流體時會對流體的運動產生幹擾，影響流體的溫度場和測量精度。為克服這一缺陷，美國專利(RISGIN O.，Method of Fabricating Film-Type Sensing Structures，USPatent#3715288，膜狀傳感結構的製造方法，1973)採用氧化鋁薄膜作為熱電偶薄膜的基底，用於熱輻射傳感器，可以減小接點熱容量，但是仍然需要有基底支持。

發明內容
本實用新型的目的在於提供一種由薄膜或超細金屬絲構成的測溫結點懸浮的薄膜熱電偶，該熱電偶感溫結點處的薄膜在製作完成時不再依附於基底材料上，而是呈懸浮狀態，可以顯著減小結點的熱慣性，提高對所測量對象溫度變化的響應速率。
本實用新型的技術方案如下本實用新型提供的測溫結點懸浮的薄膜熱電偶，包括由固體絕緣材料製作的永久性基底1，熱電偶薄膜3和熱電偶薄膜4，所述熱電偶薄膜3和熱電偶薄膜4分別鍍覆於永久性基底1的表面上，其相重疊的測溫結點5與永久性基底1表面不接觸，呈懸浮狀；測溫結點5懸浮於永久性基底1的上方或一側；永久性基底1的材質為陶瓷、矽片、玻璃或有機聚合物；形狀為薄片、細管或細杆形狀；熱電偶薄膜3和熱電偶薄膜4的厚度為1納米-0.1毫米，採用配對的熱電偶材料，該配對的熱電偶材料為鉑銠-鉑、鎳鉻-康銅、半導體或金屬氧化物。
本實用新型的測溫結點懸浮的薄膜熱電偶，由於測溫的結點5與永久性基底1相脫離，形成懸空或懸臂結構，因此可以顯著減小結點的熱慣性，提高對所測量對象溫度變化的響應速率。


圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2-1至附圖2-3為本實用新型一實施例方案，為表達清楚起見，圖中膜的厚度方向比實際結構有明顯的放大；圖3-1至圖-5為本實用新型製作過程示意圖；圖2-1為除去非永久性基底2之前的示意圖；圖2-2為圖2-1的俯視圖；圖2-3為除去非永久性基底2之後，結點呈懸浮狀態的示意圖；圖3-1為永久性基底1的結構示意圖圖3-2為非永久性基底2附著於永久性基底1端部的示意圖；圖3-3為熱電偶薄膜3和熱電偶薄膜4附著於永久性基底1的表面上，並在和非永久性基底2前端相重疊，形成本實用新型的測溫結點懸浮的薄膜熱電偶的測溫結點5的示意圖；圖3-4是從圖3-3沿其軸線(即永久性基底1的長度方向)旋轉90°的視圖；圖3-5為本實用新型的結構示意圖，圖中已將非永久性基底2除去，其結點呈懸浮狀態；其中，永久性基底1非永久性基底2熱電偶薄膜3熱電偶薄膜4測溫結點具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例進一步描述本實用新型由圖可知，本實用新型提供的測溫結點懸浮的薄膜熱電偶，包括由固體絕緣材料製作的永久性基底1，熱電偶薄膜3和熱電偶薄膜4，所述熱電偶薄膜3和熱電偶薄膜4分別鍍覆於永久性基底1的表面上，其相重疊的測溫結點5與永久性基底1表面不接觸，呈懸浮狀；測溫結點5懸浮於永久性基底1的上方或一側；永久性基底1的材質為陶瓷、矽片、玻璃或有機聚合物；形狀為薄片、細管或細杆形狀；熱電偶薄膜3和熱電偶薄膜4的厚度為1納米-0.1毫米，採用配對的熱電偶材料，該配對的熱電偶材料為鉑銠-鉑、鎳鉻-康銅、半導體或金屬氧化物。
由於測溫結點懸浮，可以顯著減小結點的熱慣性，提高其對測量對象溫度變化的響應速率；其測溫響應僅由外界換熱條件和自身的熱容量決定，而與基底的材料，結構，形狀或厚度無關。
實施例1圖3-1至圖3-5為本實用新型製作過程示意圖；如圖3-1所示永久性基底1作為該實施例的測溫結點懸浮的薄膜熱電偶的結構基礎，使熱電偶薄膜依附於其上，並提供引線接點；圖3-2所示在永久性基底1上的末端或其他特定部位，附著尺寸更小的一塊非永久性基底2；圖3-3所示構成該測溫結點懸浮的薄膜熱電偶的兩種熱電偶薄膜3和4分別鍍覆在永久性基底1的表面上，兩種熱電偶薄膜相重疊的相交處即為該熱電偶的測溫結點5；圖3-4是圖3-3沿其軸線(即永久性基底1的長度方向)旋轉90°的視圖；圖3-5為本實用新型的結構示意圖，圖中已將非永久性基底2除去，其結點呈懸浮狀態；非永久性的基底2隻是在該測溫結點懸浮的薄膜熱電偶的製作過程中用於附著熱電偶薄膜3和4，並且作為熱電偶兩種熱電偶薄膜3和4連接點的附著基底；在電極材料及其結點製作完成以後，非永久性的基底2將以適當的方式除掉，從而使本實用新型的測溫結點懸浮的薄膜熱電偶的測溫結點與永久性基底1不接觸，呈懸浮狀態；本實施例的測溫結點5懸浮於永久性的基底1的右端。
非永久性基底2隻是在熱電偶的製作過程中附著在永久性基底1上，並且作為熱電偶兩種電極材料連接點的附著基底；在電極材料及其結點的製作完成以後，非永久性基底2將以適當的方式如有機溶劑溶解除去，從而使熱電偶的測溫結點處呈懸空狀態，非永久性基底2可以選用易溶於有機溶劑的塑料或能夠由化學腐蝕的固體材料。
適當地設置鍍膜的厚度、懸浮段的形狀、長度、寬度及其與厚度的比例關係，可以使懸浮結點既具有足夠的強度，又具有極小的質量和熱容量。通過仔細設計鍍膜方式與程序，懸浮結點處薄膜的厚度可以不同於其他部位薄膜的厚度，甚至懸空段從根部到頂部結點的長度、寬度和厚度也可以逐漸改變，以實現保正結構強度與減小結點熱容量的優化配合。實施例2本實用新型提供的薄膜熱電偶可有多種形式，圖2-1給出的另一種實施方案，是一種基底為平片型的懸空式薄膜熱電偶，圖2-2為除去非永久性基底2之前的俯視圖，圖2-3為除去非永久性基底2後，結點呈懸浮狀態的情形。
其製作過程為1.在平片型的永久性基底1的中部附著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為重疊點分別向兩端鍍覆熱電偶薄膜3和熱電偶薄膜4，熱電偶薄膜3和熱電偶薄膜4在非永久性基底2上重疊；3.去掉非永久性基底2，即完成本實施例的測溫結點5懸浮的薄膜熱電偶的製作。實施例3本實施例的製作過程為1.在平片型、細管或細杆形狀的永久性基底1的中部打一個孔，孔中附著非永久性基底2；2.在永久性基底1上，以孔中附著的非永久性基底2為重疊點分別向兩端鍍覆熱電偶薄膜3和熱電偶薄膜4，熱電偶薄膜3和熱電偶薄膜4在非永久性基底2之上重疊；3.去掉孔中附著的非永久性基底2，即完成本實施例的測溫結點懸浮的薄膜熱電偶的製作。
按照本實用新型提出的使薄膜熱電偶在結點處脫離基底而懸空的思路，根據實際的使用條件，可以設計出各種不同的結構及其製作工藝路線，而不局限於本實用新型的實施例所提出的具體方案。同樣的方法也可以用於製作由多個懸空薄膜熱電偶串聯形成的熱電堆，以獲得更高的溫差電勢值，作為溫度或熱輻射測量器件。
權利要求1.一種測溫結點懸浮的薄膜熱電偶，包括由固體絕緣材料製做的永久性基底(1)、熱電偶薄膜(3)和熱電偶薄膜(4)，其特徵在於，所述熱電偶薄膜(3)和熱電偶薄膜(4)分別鍍覆於永久性基底(1)的表面上，其相重疊的測溫結點(5)與永久性基底(1)表面不接觸，呈懸浮狀。
2.按權利要求1所述的測溫結點懸浮的薄膜熱電偶，其特徵在於，所述永久性基底(1)的材質為陶瓷、矽片、玻璃或有機聚合物。
3.按權利要求1所述的測溫結點懸浮的薄膜熱電偶，其特徵在於，所述永久性基底(1)的形狀為薄片、細管或細杆形狀。
4.按權利要求1所述的測溫結點懸浮的薄膜熱電偶，其特徵在於，所述熱電偶薄膜(3)和熱電偶薄膜(4)的厚度為1納米-0.1毫米，其材質為相配對的金屬材料。
5.按權利要求4所述的測溫結點懸浮的薄膜熱電偶，其特徵在於，所述組成熱電偶薄膜(3)和熱電偶薄膜(4)的配對材料為鉑銠-鉑、鎳鉻-康銅、半導體或金屬氧化物。
專利摘要本實用新型涉及一種測溫結點懸浮的薄膜熱電偶，包括由固體絕緣材料製做的永久性基底，熱電偶薄膜和熱電偶薄膜，熱電偶薄膜和熱電偶薄膜分別鍍覆於永久性基底的表面上，其相重疊的測溫結點與永久性基底表面不接觸，呈懸浮狀；測溫結點懸浮於永久性基底的上方或一側，永久性基底材質為陶瓷、矽片、玻璃或有機聚合物；形狀為薄片、細管或細杆形狀；熱電偶薄膜厚度為1納米－0.1毫米，其材質為相配對的金屬材料；配對材料為鉑銠－鉑、鎳鉻－康銅、半導體或金屬氧化物；該測溫結點懸浮的薄膜熱電偶，由於測溫的結點與永久性基底相脫離，形成懸空或懸臂結構，因此可以顯著減小結點的熱慣性，提高對所測量對象溫度變化的響應速率。
文檔編號H01L35/00GK2578988SQ0224053
公開日2003年10月8日 申請日期2002年6月14日 優先權日2002年6月14日
發明者周一欣, 劉靜 申請人:中國科學院理化技術研究所