專利名稱：測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工程熱物理及測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶。
背景技術(shù)：
溫度的測(cè)量，是利用物質(zhì)或結(jié)構(gòu)的某種特性與其所處溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把溫度的變化轉(zhuǎn)換成為這種物質(zhì)或結(jié)構(gòu)與溫度相對(duì)應(yīng)的某個(gè)物理量的變化，而這個(gè)物理量是可以直接測(cè)量或顯示的。
常見(jiàn)的水銀溫度計(jì)，是以封閉的玻璃泡內(nèi)的水銀隨溫度升降而產(chǎn)生的體積變化(表現(xiàn)為玻璃毛細(xì)管內(nèi)水銀柱位置的變化)來(lái)表示溫度的高低；電阻溫度計(jì)，是利用某些導(dǎo)電物質(zhì)如鉑或銅的電阻值隨溫度而變化的特性，由測(cè)量其電阻值并經(jīng)過(guò)換算得到溫度值；熱電偶溫度計(jì)，則是由兩種不同物質(zhì)構(gòu)成電回路，以其結(jié)合點(diǎn)在不同溫度下產(chǎn)生熱電勢(shì)的原理來(lái)測(cè)量溫度。
以上所述的各種溫度計(jì)在測(cè)量流體或固體的溫度時(shí)，由于溫度計(jì)本身具有一定的熱容量，至少會(huì)從兩個(gè)方面影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，產(chǎn)生測(cè)溫誤差。首先是測(cè)溫元件的存在對(duì)被測(cè)介質(zhì)的溫度場(chǎng)可能產(chǎn)生干擾，使其發(fā)生變化；其次是測(cè)溫元件的實(shí)際溫度滯后于被測(cè)介質(zhì)溫度的變化。特別是在對(duì)小空間和劇烈變化中的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)溫元件的熱容量(或稱熱慣性)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差，甚至使測(cè)量失去意義。因此減小測(cè)溫元件的結(jié)構(gòu)尺寸和熱容量，一直是減小誤差，提高測(cè)溫精度和響應(yīng)速度的一個(gè)主要的努力方向。
以水銀溫度計(jì)為代表的液體溫度計(jì)，利用液體的體積變化來(lái)測(cè)量溫度，需要有一個(gè)封閉的空間如玻璃泡來(lái)存放測(cè)溫液體，其典型的尺寸為直徑2～5毫米。如果結(jié)構(gòu)不做重大的改變，液體溫度計(jì)感溫部分的體積和熱容量很難進(jìn)一步減小。
典型的電阻溫度計(jì)，是用極細(xì)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(hù)套。最小的鉑電阻，外徑僅約1毫米，長(zhǎng)度小于10毫米。但是由于熱電阻溫度計(jì)包括電阻絲、繞線支架和保護(hù)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(cè)溫場(chǎng)合，熱電阻的熱慣性仍然太大，另外其保護(hù)外殼增加了導(dǎo)熱熱阻，也使熱電阻的溫度響應(yīng)進(jìn)一步降低。
熱電偶溫度計(jì)的測(cè)溫端是由兩種不同物質(zhì)形成的觸點(diǎn)，如鎳鉻絲和康銅絲在其末端相交并焊接形成的結(jié)點(diǎn)，只要使用極細(xì)的絲，如直徑小至1-50微米的細(xì)絲，測(cè)溫結(jié)點(diǎn)的體積可以做得非常小，其熱容量達(dá)到鉑電阻溫度計(jì)的千分之一甚至更小，熱響應(yīng)速度也大大提高[Temperature fluctuation measurements with finethermocouples(微細(xì)熱電偶用于溫度波動(dòng)測(cè)量)，Talby，R.，Anselmet，F(xiàn).，F(xiàn)ulachier，L.，Experiments in Fluids v 9，n 1-2，1990，p 115-118；]。
但是由于采用了極細(xì)的金屬絲，使表面處理和測(cè)溫點(diǎn)焊接等制作工序的難度明顯加大，在測(cè)溫處的固定也變得困難。此外熱電偶在用于非穩(wěn)態(tài)測(cè)量時(shí)通常不帶保護(hù)套，直接暴露在被測(cè)介質(zhì)中，由于細(xì)絲的強(qiáng)度和剛度極小，非常容易受到被測(cè)介質(zhì)如流體在流動(dòng)時(shí)的作用力而產(chǎn)生位移、變形甚至損壞。
隨著半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步，又出現(xiàn)了薄膜形狀的電阻和熱電偶測(cè)溫元件。這是采用真空鍍膜或其他制作薄膜的方法，在某種片狀基底上，或直接在待測(cè)溫的零部件表面上形成厚度僅為微米量級(jí)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(jié)構(gòu)的剛度取決于基底的材料和尺寸，因而不易損壞。在某些使用條件下，適當(dāng)選擇熱偶材料，還可以制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(guó)專利#4,969,956 1990)。
薄膜形狀的電阻或熱電偶測(cè)溫元件，其自身的厚度與熱容量非常小，若直接附著在被測(cè)物體的表面，用于測(cè)量固體表面的溫度，對(duì)物體的溫度場(chǎng)干擾極小，是非常理想的。但若用于測(cè)量液體或氣體的溫度，則由于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(zhì)量和熱容量，使熱電偶對(duì)溫度變化的響應(yīng)速度明顯降低，甚至可能低于某些細(xì)絲型熱電偶。另外較大的基底在插入流體時(shí)會(huì)對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生干擾，影響流體的溫度場(chǎng)和測(cè)量精度。為克服這一缺陷，美國(guó)專利(RISGIN O.，Method of Fabricating Film-Type Sensing Structures，USPatent #3715288，膜狀傳感結(jié)構(gòu)的制造方法，1973)采用氧化鋁薄膜作為熱電偶薄膜的基底，用于熱輻射傳感器，可以減小接點(diǎn)熱容量，但是仍然需要有基底支持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種由薄膜或超細(xì)金屬絲構(gòu)成的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶，該熱電偶感溫結(jié)點(diǎn)處的薄膜在制作完成時(shí)不再依附于基底材料上，而是呈懸浮狀態(tài)，可以顯著減小結(jié)點(diǎn)的熱慣性，提高對(duì)所測(cè)量對(duì)象溫度變化的響應(yīng)速率。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶，包括由固體絕緣材料制作的永久性基底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分別鍍覆于永久性基底1的表面上，其相重疊的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)5與永久性基底1表面不接觸，呈懸浮狀；測(cè)溫結(jié)點(diǎn)5懸浮于永久性基底1的上方或一側(cè)；永久性基底1的材質(zhì)為陶瓷、硅片、玻璃或有機(jī)聚合物；形狀為薄片、細(xì)管或細(xì)桿形狀；熱電偶薄膜3和熱電偶薄膜4的厚度為1納米-0.1毫米，采用配對(duì)的熱電偶材料，該配對(duì)的熱電偶材料為鉑銠-鉑、鎳鉻-康銅、半導(dǎo)體或金屬氧化物。
本發(fā)明的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶，由于測(cè)溫的結(jié)點(diǎn)5與永久性基底1相脫離，形成懸空或懸臂結(jié)構(gòu)，因此可以顯著減小結(jié)點(diǎn)的熱慣性，提高對(duì)所測(cè)量對(duì)象溫度變化的響應(yīng)速率。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2-1至附圖2-3為本發(fā)明一實(shí)施例方案，為表達(dá)清楚起見(jiàn)，圖中膜的厚度方向比實(shí)際結(jié)構(gòu)有明顯的放大；圖3-1至圖-5為本發(fā)明制作過(guò)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之后，結(jié)點(diǎn)呈懸浮狀態(tài)的示意圖；圖3-1為永久性基底1的結(jié)構(gòu)示意3-2為非永久性基底2附著于永久性基底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前端相重疊，形成本發(fā)明的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)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(zhǎng)度方向)旋轉(zhuǎn)90°的視圖；圖3-5為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中已將非永久性基底2除去，其結(jié)點(diǎn)呈懸浮狀態(tài)；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(cè)溫結(jié)點(diǎn)具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明由圖可知，本發(fā)明提供的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶，包括由固體絕緣材料制作的永久性基底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分別鍍覆于永久性基底1的表面上，其相重疊的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)5與永久性基底1表面不接觸，呈懸浮狀；測(cè)溫結(jié)點(diǎn)5懸浮于永久性基底1的上方或一側(cè)；永久性基底1的材質(zhì)為陶瓷、硅片、玻璃或有機(jī)聚合物；形狀為薄片、細(xì)管或細(xì)桿形狀；熱電偶薄膜3和熱電偶薄膜4的厚度為1納米-0.1毫米，采用配對(duì)的熱電偶材料，該配對(duì)的熱電偶材料為鉑銠-鉑、鎳鉻-康銅、半導(dǎo)體或金屬氧化物。
由于測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮，可以顯著減小結(jié)點(diǎn)的熱慣性，提高其對(duì)測(cè)量對(duì)象溫度變化的響應(yīng)速率；其測(cè)溫響應(yīng)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(jié)構(gòu)，形狀或厚度無(wú)關(guān)。
實(shí)施例1圖3-1至圖3-5為本發(fā)明制作過(guò)程示意圖；如圖3-1所示永久性基底1作為該實(shí)施例的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，使熱電偶薄膜依附于其上，并提供引線接點(diǎn)；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(gòu)成該測(cè)溫結(jié)點(diǎn)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(cè)溫結(jié)點(diǎn)5；圖3-4是圖3-3沿其軸線(即永久性基底1的長(zhǎng)度方向)旋轉(zhuǎn)90°的視圖；圖3-5為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中已將非永久性基底2除去，其結(jié)點(diǎn)呈懸浮狀態(tài)；非永久性的基底2只是在該測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶的制作過(guò)程中用于附著熱電偶薄膜3和4，并且作為熱電偶兩種熱電偶薄膜3和4連接點(diǎn)的附著基底；在電極材料及其結(jié)點(diǎn)制作完成以后，非永久性的基底2將以適當(dāng)?shù)姆绞匠?，從而使本發(fā)明的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)與永久性基底1不接觸，呈懸浮狀態(tài)；本實(shí)施例的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)5懸浮于永久性的基底1的有端。
非永久性基底2只是在熱電偶的制作過(guò)程中附著在永久性基底1上，并且作為熱電偶兩種電極材料連接點(diǎn)的附著基底；在電極材料及其結(jié)點(diǎn)的制作完成以后，非永久性基底2將以適當(dāng)?shù)姆绞饺缬袡C(jī)溶劑溶解除去，從而使熱電偶的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)處呈懸空狀態(tài)，非永久性基底2可以選用易溶于有機(jī)溶劑的塑料或能夠由化學(xué)腐蝕的固體材料。
適當(dāng)?shù)卦O(shè)置鍍膜的厚度、懸浮段的形狀、長(zhǎng)度、寬度及其與厚度的比例關(guān)系，可以使懸浮結(jié)點(diǎn)既具有足夠的強(qiáng)度，又具有極小的質(zhì)量和熱容量。通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)鍍膜方式與程序，懸浮結(jié)點(diǎn)處薄膜的厚度可以不同于其他部位薄膜的厚度，甚至懸空段從根部到頂部結(jié)點(diǎn)的長(zhǎng)度、寬度和厚度也可以逐漸改變，以實(shí)現(xiàn)保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與減小結(jié)點(diǎn)熱容量的優(yōu)化配合。實(shí)施例2本發(fā)明提供的薄膜熱電偶可有多種形式，圖2-1給出的另一種實(shí)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后，結(jié)點(diǎn)呈懸浮狀態(tài)的情形。
其制作過(guò)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(diǎn)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(shí)施例的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)5懸浮的薄膜熱電偶的制作。
按照本發(fā)明提出的使薄膜熱電偶在結(jié)點(diǎn)處脫離基底而懸空的思路，根據(jù)實(shí)際的使用條件，可以設(shè)計(jì)出各種不同的結(jié)構(gòu)及其制作工藝路線，而不局限于本發(fā)明的實(shí)施例所提出的具體方案。同樣的方法也可以用于制作由多個(gè)懸空薄膜熱電偶串聯(lián)形成的熱電堆，以獲得更高的溫差電勢(shì)值，作為溫度或熱輻射測(cè)量器件。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶，包括由固體絕緣材料制做的永久性基底(1)、熱電偶薄膜(3)和熱電偶薄膜(4)，其特征在于，所述熱電偶薄膜(3)和熱電偶薄膜(4)分別鍍覆于永久性基底(1)的表面上，其相重疊的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)(5)與永久性基底(1)表面不接觸，呈懸浮狀。
2.按權(quán)利要求1所述的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶，其特征在于，所述永久性基底(1)的材質(zhì)為陶瓷、硅片、玻璃或有機(jī)聚合物。
3.按權(quán)利要求1所述的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶，其特征在于，所述永久性基底(1)的形狀為薄片、細(xì)管或細(xì)桿形狀。
4.按權(quán)利要求1所述的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶，其特征在于，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(zhì)為相配對(duì)的金屬材料。
5.按權(quán)利要求4所述的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶，其特征在于，所述組成熱電偶薄膜(3)和熱電偶薄膜(4)的配對(duì)材料為鉑銠-鉑、鎳鉻-康銅、半導(dǎo)體或金屬氧化物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶，包括由固體絕緣材料制做的永久性基底，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于永久性基底的表面上，其相重疊的測(cè)溫結(jié)點(diǎn)與永久性基底表面不接觸，呈懸浮狀；測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮于永久性基底的上方或一側(cè)，永久性基底材質(zhì)為陶瓷、硅片、玻璃或有機(jī)聚合物；形狀為薄片、細(xì)管或細(xì)桿形狀；熱電偶薄膜厚度為1納米－0.1毫米，其材質(zhì)為相配對(duì)的金屬材料；配對(duì)材料為鉑銠－鉑、鎳鉻－康銅、半導(dǎo)體或金屬氧化物；該測(cè)溫結(jié)點(diǎn)懸浮的薄膜熱電偶，由于測(cè)溫的結(jié)點(diǎn)與永久性基底相脫離，形成懸空或懸臂結(jié)構(gòu)，因此可以顯著減小結(jié)點(diǎn)的熱慣性，提高對(duì)所測(cè)量對(duì)象溫度變化的響應(yīng)速率。
文檔編號(hào)H01L35/00GK1464292SQ02121349
公開(kāi)日2003年12月31日 申請(qǐng)日期2002年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月14日
發(fā)明者周一欣, 劉靜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所