專(zhuān)利名稱(chēng)：熱分析傳感器以及制造熱分析傳感器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有基板和熱電偶結(jié)構(gòu)的熱分析傳感器，基板能夠在與基板熱連接的熱源與形成在傳感器上的至少一個(gè)測(cè)量位置之間傳送熱流，熱電偶結(jié)構(gòu)形成在基板的大體上是平面的表面上以發(fā)出熱電信號(hào)。制造熱分析傳感器的方法也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
背景技術(shù)：
這類(lèi)熱分析傳感器用于物質(zhì)、物質(zhì)混合物、和/或經(jīng)歷反應(yīng)的混合物的物理和/或化學(xué)特性，其中，測(cè)量隨著溫度或者時(shí)間變化而進(jìn)行，并且被測(cè)量樣品受到受控溫度程序的作用。其它已知示例是微分熱流量熱法和微分功率補(bǔ)償量熱法。在這兩種應(yīng)用中，相對(duì)于參考樣品進(jìn)行樣品分析。在這些情況下使用的傳感器因此必須具有兩個(gè)測(cè)量位置，即，一個(gè)測(cè)量位置進(jìn)行樣品測(cè)量，另一個(gè)測(cè)量位置進(jìn)行參考樣品測(cè)量。在上述兩種應(yīng)用中的第一種應(yīng)用中，由熱電偶結(jié)構(gòu)發(fā)出的熱電信號(hào)表示對(duì)流到樣品的熱流與流到參考樣品的熱流之間的差值的測(cè)量。在第二種應(yīng)用中，由熱電偶結(jié)構(gòu)發(fā)出的熱電信號(hào)用于控制流到樣品和參考樣品的熱流率，使得樣品與參考樣品之間的溫差被調(diào)節(jié)為零。
熱分析傳感器應(yīng)當(dāng)具有盡可能最高的靈敏度，如果可能，該靈敏度覆蓋分析的整個(gè)溫度范圍，即，隨著熱流變化產(chǎn)生的熱電信號(hào)應(yīng)當(dāng)就信號(hào)電壓而言盡可能地強(qiáng)。因此，作為滿(mǎn)足該要求的一種方式，現(xiàn)有技術(shù)的熱分析傳感器(DE3916311C2和EP0990893A1)具有結(jié)合在一個(gè)電路上的熱電偶結(jié)構(gòu)的一系列熱電偶接點(diǎn)，使得熱電信號(hào)作為單個(gè)熱電偶電壓的總和產(chǎn)生。形成熱電偶結(jié)構(gòu)的熱電偶接點(diǎn)圍繞一個(gè)測(cè)量位置的中心(如果有多個(gè)測(cè)量位置，圍繞多個(gè)測(cè)量位置的中心)在方位(azimuthal)方向相互盡可能緊密地間隔而以圓形圖案布置。結(jié)果，在現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)中，沒(méi)有空間可用于增加熱電偶接點(diǎn)的數(shù)目。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種解決方案以增大上述類(lèi)型的熱分析傳感器的靈敏度，并且提出一種制造這種傳感器的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種熱分析傳感器，它具有基片，基片能夠在與基片熱連接的熱源與形成在傳感器上的至少一個(gè)測(cè)量位置之間傳導(dǎo)熱流，熱分析傳感器還具有形成在基片的大體上平的表面上以發(fā)出熱電信號(hào)的熱電偶結(jié)構(gòu)，其中，熱電偶結(jié)構(gòu)包括多個(gè)熱電偶接點(diǎn)形成的鏈，熱電偶接點(diǎn)由兩種不同熱電偶材料構(gòu)成、并且串聯(lián)連接以形成熱電偶隊(duì)列。熱電偶接點(diǎn)的鏈繞著測(cè)量位置的中心沿著方位方向延伸，各個(gè)熱電偶接點(diǎn)以與測(cè)量位置的中心相隔交替不同的徑向距離布置。根據(jù)本發(fā)明的方案，方位地限定在鏈中最靠近中心的一個(gè)第一種熱電偶接點(diǎn)與兩個(gè)緊鄰的第二種熱電偶接點(diǎn)之間的表面的至少一個(gè)空隙區(qū)域包括在鏈中相互直接相鄰的一個(gè)第三種熱電偶接點(diǎn)和一個(gè)第四種熱電偶接點(diǎn)。
在由熱電偶接點(diǎn)的串聯(lián)連接鏈形成的熱電偶隊(duì)列中，在鏈中直接相鄰的任何兩個(gè)熱電偶接點(diǎn)具有不同的徑向距離。因此，當(dāng)熱沿著向著測(cè)量位置中心或者遠(yuǎn)離測(cè)量位置中心的方向流動(dòng)時(shí)，由于傳感器的熱阻，將在鏈中任何兩個(gè)相鄰熱電偶接點(diǎn)之間產(chǎn)生溫差。該溫差又在鏈中相鄰熱電偶接點(diǎn)之間導(dǎo)致熱電壓，由于串聯(lián)鏈結(jié)構(gòu)，熱電壓累計(jì)為電壓總和。這樣，所形成的總的熱電信號(hào)表示在每個(gè)直接相鄰的第一種熱電偶接點(diǎn)與第二種熱電偶接點(diǎn)的對(duì)以及直接相鄰的第三種熱電偶接點(diǎn)與第四種熱電偶接點(diǎn)的對(duì)中產(chǎn)生的各自單獨(dú)的熱電壓的總和。熱電偶材料對(duì)可以對(duì)所有熱電偶接點(diǎn)是相同的。顯然，也可以使用多個(gè)不同的熱電偶材料對(duì)形成熱電偶，以代替僅一對(duì)不同材料。當(dāng)直接相鄰的第三種熱電偶接點(diǎn)與第四種熱電偶接點(diǎn)對(duì)中的每對(duì)布置在方位地限定在一個(gè)第一種熱電偶接點(diǎn)與兩個(gè)緊鄰的第二種熱電偶接點(diǎn)之間的自由空隙區(qū)域中時(shí)，在傳感器表面上可獲得的空間被優(yōu)化利用，以增加熱電偶接點(diǎn)的總數(shù)。在這種結(jié)構(gòu)中，第三種熱電偶接點(diǎn)可以布置在相對(duì)靠近第一種熱電偶接點(diǎn)的徑向位置，第一種熱電偶接點(diǎn)位于距測(cè)量位置的中心最短徑向距離處，而第四種熱電偶接點(diǎn)可以布置在相對(duì)靠近第二種熱電偶接點(diǎn)的徑向位置。用于支撐分析樣品的坩堝尺寸可選擇成，在測(cè)量位置坩堝的底表面覆蓋第一種熱電偶接點(diǎn)和第三種熱電偶接點(diǎn)，而第二種熱電偶接點(diǎn)和第四種熱電偶接點(diǎn)由于位于距離測(cè)量位置中心較大的半徑處而保持不被覆蓋。通過(guò)這樣設(shè)計(jì)坩堝，熱電偶結(jié)構(gòu)能夠特別有效地測(cè)量在坩堝附近產(chǎn)生并且與在熱源和坩堝之間交換的熱流相對(duì)應(yīng)的徑向溫差。
本發(fā)明特別優(yōu)選的實(shí)施例采用了一種結(jié)構(gòu)，其中，第一種熱電偶接點(diǎn)在其中點(diǎn)位于測(cè)量位置的中心的第一個(gè)圓上，第二種熱電偶接點(diǎn)在與第一個(gè)圓同心、并具有比第一個(gè)圓更大半徑的第二個(gè)圓上，第三種熱電偶接點(diǎn)在與第一個(gè)圓同心、并具有比第一個(gè)圓的半徑大但比第二個(gè)圓的半徑小的半徑的第三個(gè)圓上，第四種熱電偶接點(diǎn)在與第一個(gè)圓同心、并具有比第三個(gè)圓更大半徑的第四個(gè)圓上。這種結(jié)構(gòu)符合相對(duì)于中心的測(cè)量位置或多個(gè)測(cè)量位置(如果該結(jié)構(gòu)具有多個(gè)測(cè)量位置)的徑向?qū)ΨQ(chēng)的要求，而且也符合與對(duì)稱(chēng)要求一致的樣品坩堝的習(xí)慣性徑向?qū)ΨQ(chēng)形狀。設(shè)計(jì)用于熱分析傳感器的該實(shí)施例的坩堝的圓形底表面尺寸選擇成，其半徑大于第三個(gè)圓的半徑但小于第二個(gè)圓的半徑。
為了盡可能接近完美徑向?qū)ΨQ(chēng)，有利的是，熱電偶接點(diǎn)以相等角向間隔布置在它們各自的圓上。為了使徑向?qū)ΨQ(chēng)盡可能完全，在鏈中緊鄰的第一種和第二種熱電偶接點(diǎn)之間的熱電偶材料以直線(xiàn)條段的形狀延伸，在鏈中緊鄰并且位于同一空隙區(qū)域內(nèi)的第三種和第四種熱電偶接點(diǎn)之間的熱電偶材料以直線(xiàn)條段的形狀延伸。在這種情況下的整個(gè)熱電偶結(jié)構(gòu)具有雙星外觀，即一個(gè)套在另一個(gè)中、并且對(duì)中在測(cè)量位置中點(diǎn)的兩個(gè)單獨(dú)的星。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，可以非常有效地使用表面區(qū)域，獲得特別多數(shù)目的熱電偶接點(diǎn)的排布和傳感器的高測(cè)量靈敏度。優(yōu)選地，這種結(jié)構(gòu)通過(guò)增加另外嵌套的星被擴(kuò)展，只要最外部星的熱電偶接點(diǎn)的內(nèi)側(cè)圓具有比最內(nèi)部星的熱電偶接點(diǎn)的外側(cè)圓小的半徑。
為了實(shí)現(xiàn)徑向?qū)ΨQ(chēng)，連接每個(gè)第三種熱電偶接點(diǎn)與位于星的下一個(gè)空隙區(qū)域中的相鄰第四種熱電偶接點(diǎn)的熱電偶材料包括方位地指向的軌跡部分。方位軌跡部分可以采取圓的一部分的形狀，圓的半徑(與測(cè)量位置中點(diǎn)的距離)略微大于使星的空隙區(qū)域相互分隔的第二種熱電偶接點(diǎn)的圓半徑。在這種結(jié)構(gòu)中，方位部分的一端可與由兩種熱電偶材料中的另一種構(gòu)成的軌跡部分的另一端相交，以形成第四種熱電偶接點(diǎn)，方位部分的另一端可延伸成徑向部分，該徑向部分延伸到相鄰空隙區(qū)域的第三種熱電偶接點(diǎn)。
為了將本發(fā)明熱分析傳感器連接到處理電路，優(yōu)選地，連接終端形成在基片的表面上。這些連接終端分別連接到熱電偶隊(duì)列的端部，并用于分接熱電傳感器信號(hào)。它們可制作成扁平連接盤(pán)或者連接點(diǎn)的形狀，通向處理電路的連接導(dǎo)線(xiàn)可安裝到它們上。
尤其是，在本發(fā)明范圍內(nèi)可以想象，在傳感器上布置多個(gè)測(cè)量位置。具體地，一個(gè)測(cè)量位置可用作參考位置，而另一個(gè)測(cè)量位置可用于接收測(cè)量樣品。參考位置可以保持空著，或者已知特性的惰性參考樣品所占據(jù)。如果進(jìn)行微分量熱法試驗(yàn)，來(lái)自各個(gè)測(cè)量位置的相應(yīng)熱電信號(hào)可以通過(guò)合適的電路結(jié)構(gòu)結(jié)合，使得可以直接獲得參考位置與每個(gè)樣品位置之間的相應(yīng)微分信號(hào)。
本發(fā)明的重要實(shí)施例具有布置在傳感器單元上的兩個(gè)測(cè)量位置。在這種結(jié)構(gòu)中，一個(gè)測(cè)量位置可用作參考位置，另一個(gè)用作樣品位置。這種結(jié)構(gòu)類(lèi)似于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟悉的微分熱流量熱法所采用的結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，可以在傳感器單元上以一種結(jié)構(gòu)布置四個(gè)測(cè)量位置，其中，在一對(duì)測(cè)量位置的中心之間的直連線(xiàn)垂直平分另一對(duì)測(cè)量位置的中心之間的直連線(xiàn)，反之亦然。因此，四個(gè)測(cè)量位置的中心位于一個(gè)假象正方形的各個(gè)角。這種結(jié)構(gòu)是有利的，它優(yōu)化了所有測(cè)量位置的熱對(duì)稱(chēng)性。
上述討論的傳感器中的熱電偶結(jié)構(gòu)用于檢測(cè)測(cè)量位置與熱源之間的熱流或者檢測(cè)與不同測(cè)量位置相對(duì)應(yīng)的熱流之間的差值。此外，在熱分析應(yīng)用中，優(yōu)選考慮提供本發(fā)明實(shí)施例，其中另外的熱電偶結(jié)構(gòu)形成在基片的表面上的測(cè)量位置處，用于發(fā)出表示在該測(cè)量位置的絕對(duì)溫度的熱電信號(hào)，并具有用于分接表示絕對(duì)溫度的熱電信號(hào)的連接終端。已知，熱電偶僅提供溫度差值的直接測(cè)量。如果進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量，在一個(gè)測(cè)量位置的溫度必須已知或者保持恒定。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，暴露一個(gè)測(cè)量位置的已知溫度發(fā)生在傳感器外側(cè)。獲得的有關(guān)測(cè)量位置的絕對(duì)溫度的信息例如可用于在一些情況下在具有多個(gè)測(cè)量位置的傳感器中進(jìn)行偏離熱對(duì)稱(chēng)的數(shù)學(xué)校正，這些情況是指這種偏離逃避了測(cè)量位置之間的僅有的微分溫度測(cè)量、以及未能檢測(cè)這種偏離將導(dǎo)致分析結(jié)果的誤差，因?yàn)樽鳛椴粚?duì)稱(chēng)的結(jié)果，溫差不精確地與不同測(cè)量位置處的熱流之間的差相關(guān)。
在特定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中，用于供給表示絕對(duì)溫度的熱電信號(hào)的熱電偶結(jié)構(gòu)包括包含第一熱電偶材料的區(qū)域，第一熱電偶材料布置在由環(huán)繞測(cè)量位置的熱電偶接點(diǎn)界定的表面部分中，熱電偶結(jié)構(gòu)還包括通向布置在表面上的連接終端之一的連接部分。在這種結(jié)構(gòu)中，用于檢測(cè)絕對(duì)溫度的另外的熱電偶結(jié)構(gòu)繞著測(cè)量位置中心集中，并因而與測(cè)量位置直接熱接觸，即與占據(jù)測(cè)量位置的樣品直接熱接觸。作為盡可能優(yōu)化結(jié)構(gòu)的徑向?qū)ΨQ(chēng)的可行措施，提出將第一熱電偶材料的界定區(qū)域設(shè)計(jì)成圓環(huán)形狀。
為了產(chǎn)生表示絕對(duì)溫度的熱電信號(hào)并可分接信號(hào)，具有第二不同熱電偶材料的熱電偶接點(diǎn)布置在第一熱電偶材料的界定區(qū)域，使第二熱電偶材料延伸到形成在表面上的連接終端之一。
通過(guò)一種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)傳感器上的可用表面空間的簡(jiǎn)化和特別有效的利用，其中，兩個(gè)測(cè)量位置形成在傳感器上，在兩個(gè)測(cè)量位置的第二熱電偶材料之間的連接形成基片上、并且通向共用連接終端?？赏ㄟ^(guò)分接共用連接終端與連接到兩個(gè)測(cè)量位置處的第一熱電偶材料的兩個(gè)終端之間的相應(yīng)電壓，可獲得表示測(cè)量位置絕對(duì)溫度的熱電信號(hào)。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，為了使必須布置在結(jié)構(gòu)中的連接終端的圖案最小，兩個(gè)測(cè)量位置形成在傳感器上，連接形成在基片上位于兩個(gè)測(cè)量位置處的各個(gè)熱電偶隊(duì)列的電相同端之間，兩個(gè)熱電偶隊(duì)列的另一端連接到連接終端，連接終端形成在基片上、并用于分接兩個(gè)熱電偶隊(duì)列的各自熱電信號(hào)之間的差。在這種結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)熱電偶隊(duì)列連接成，使得它們電性相反，從而使在兩個(gè)終端處產(chǎn)生的熱電信號(hào)表示在兩個(gè)測(cè)量位置處的溫度差。
為了評(píng)估結(jié)果以及校正計(jì)算，優(yōu)選地是分別分接兩個(gè)熱電偶隊(duì)列的相應(yīng)的輸出信號(hào)。再次為了使基片上所需的連接終端結(jié)構(gòu)最小，優(yōu)選的是，上述熱電偶隊(duì)列的兩個(gè)電相同端之間的連接也連接到形成在基片上的共用連接終端。這樣，每個(gè)熱電偶隊(duì)列的各自輸出信號(hào)可在共用連接終端與在各個(gè)熱電偶隊(duì)列的另一端的終端之間分別被分接。
在本發(fā)明范圍內(nèi)，可以想象的是，形成在基片上的熱電偶結(jié)構(gòu)制作成厚膜結(jié)構(gòu)。使用厚膜工藝在基片上制作熱電偶結(jié)構(gòu)的概念提出在上述德國(guó)專(zhuān)利DE3916311C2中、以及討論通過(guò)采用厚膜工藝所獲得的優(yōu)點(diǎn)的德國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)DE3916311A1中。這兩個(gè)文獻(xiàn)在此作為參考引入。具體地，采用厚膜工藝提供了解決使熱電偶結(jié)構(gòu)的單個(gè)結(jié)構(gòu)元件與外側(cè)絕緣，即與放置在測(cè)量位置上的樣品坩堝或參考樣品坩堝絕緣的問(wèn)題的簡(jiǎn)單方案。
為了獲得傳感器的理想的熱惰性和耐用性，基片優(yōu)選地由陶瓷材料制成。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種熱分析傳感器，它具有基片，基片能夠在與基片熱連接的熱源與形成在傳感器上的至少一個(gè)測(cè)量位置之間傳導(dǎo)熱流，熱分析傳感器還具有形成在基片的大體上平的表面上以發(fā)出熱電信號(hào)的熱電偶結(jié)構(gòu)，所述熱電偶結(jié)構(gòu)包括多個(gè)串聯(lián)連接的熱電偶接點(diǎn)形成的鏈，熱電偶接點(diǎn)由兩種不同熱電偶材料構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的方案，熱電偶接點(diǎn)布置在一個(gè)位于另一個(gè)之上的兩個(gè)或者多個(gè)平面上，通過(guò)絕緣層將這些平面相互分隔開(kāi)，每個(gè)平面包含電路結(jié)構(gòu)的一個(gè)部分，并且每個(gè)部分通過(guò)連接熱電偶接點(diǎn)的連接導(dǎo)線(xiàn)形成，其中，通過(guò)將各個(gè)部分的合適端部由層間接觸相互連接而形成整個(gè)電路結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的上述方案，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)被分成至少兩個(gè)部分。當(dāng)屬于各個(gè)部分的熱電偶接點(diǎn)一個(gè)布置在另一個(gè)上時(shí)，傳感器上的可用表面區(qū)域根據(jù)一個(gè)層疊在另一個(gè)上的平面數(shù)目被加倍。結(jié)果，電路結(jié)構(gòu)可以獲得對(duì)應(yīng)的多倍的熱電偶接點(diǎn)數(shù)目。其結(jié)果是由電路結(jié)構(gòu)發(fā)出的熱電信號(hào)的強(qiáng)度測(cè)量值增大以及傳感器靈敏度增大。
作為實(shí)現(xiàn)上述概念的優(yōu)選方式，用于分接熱電偶結(jié)構(gòu)的熱電信號(hào)的多個(gè)終端相對(duì)于基片形成在頂部平面上，占據(jù)底部平面的電路部分的一個(gè)端部通過(guò)層間接觸連接到多個(gè)終端之一。從位于頂部平面的終端分接熱電信號(hào)的能力有助于將傳感器安裝和連接到熱分析儀器中。
在優(yōu)選實(shí)施例中，在電路結(jié)構(gòu)的一個(gè)部分中的熱電偶接點(diǎn)串聯(lián)連接，而各個(gè)部分又串聯(lián)連接以形成電路結(jié)構(gòu)，其結(jié)果是一個(gè)熱電偶隊(duì)列。
優(yōu)選地，熱電偶接點(diǎn)布置成，使得它們繞著測(cè)量位置的中心沿著方位方向前進(jìn)，并且位于與測(cè)量位置的中心相隔交替不同的徑向距離。
在另一優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，位于不同平面的電路結(jié)構(gòu)的部分具有大體上疊合的形狀。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，提出另一種方案，其中，一種熱分析傳感器具有基片，基片能夠在與基片熱連接的熱源與形成在傳感器上的至少一個(gè)測(cè)量位置之間傳導(dǎo)熱流，熱分析傳感器還具有形成在基片的大體上平的表面上以發(fā)出熱電信號(hào)的熱電偶結(jié)構(gòu)，其中熱電偶結(jié)構(gòu)包括與測(cè)量位置相關(guān)的多個(gè)熱電偶接點(diǎn)形成的串聯(lián)鏈，熱電偶接點(diǎn)由兩種不同熱電偶材料構(gòu)成并且連接成一個(gè)電路結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的方案，基片的熱導(dǎo)率不大于5W/(m.K)。
與現(xiàn)有氧化鋁基片相比減小的熱導(dǎo)率的效果是，在暴露于不同溫度水平的熱電偶接點(diǎn)之間形成更強(qiáng)的溫度梯度。結(jié)果，由熱電偶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱電信號(hào)在測(cè)量值上增大，因而提高了傳感器的靈敏度和信噪比。但是，作為警戒的評(píng)論，由于基片的熱導(dǎo)率減小，傳感器的時(shí)間常數(shù)增大。即使假定材料工藝對(duì)于降低熱導(dǎo)率沒(méi)有限制，不應(yīng)被橫斷的底部限制由基片時(shí)間常數(shù)還或多或少適當(dāng)時(shí)的熱導(dǎo)率水平表示。這樣，實(shí)際應(yīng)用的所關(guān)心的范圍包括熱導(dǎo)率部小于0.5W/(m.K)的材料。
根據(jù)采用低熱導(dǎo)率的概念，優(yōu)選地?zé)釋?dǎo)率值不大于3W/(m.K)，甚至更優(yōu)選地是不大于2W/(m.K)。與現(xiàn)有氧化鋁基片相比，導(dǎo)致特別顯著的改進(jìn)。
在本發(fā)明概念的一個(gè)實(shí)施例中，一種特定陶瓷材料被選用作基片，其熱導(dǎo)率值低于現(xiàn)有氧化陶瓷材料的值，但具有可與氧化陶瓷相比的有利的機(jī)械和電特性。例如，可獲得的商品名稱(chēng)為“PYTHAGORAS”的基片材料已經(jīng)發(fā)現(xiàn)是合適的，其熱導(dǎo)率為大約2W/(m.K)。盡管在機(jī)械特性方面稍微不理想，可獲得的產(chǎn)品名稱(chēng)為“MACOR”的陶瓷玻璃基片也合適，其熱導(dǎo)率明顯小于2W/(m.K)。
本發(fā)明的第四方面涉及制造熱分析傳感器的方法，其中，由至少兩種不同熱電偶材料膏構(gòu)成的圖案通過(guò)厚膜工藝印制在基片的大體上平的表面上。在印制之后被烘烤的該厚膜圖案表示熱電偶結(jié)構(gòu)，熱電偶結(jié)構(gòu)包括多個(gè)熱電偶接點(diǎn)形成的串聯(lián)連接鏈，熱電偶接點(diǎn)由兩種不同熱電偶材料構(gòu)成、并與至少一個(gè)測(cè)量位置相連，串聯(lián)連接鏈用于發(fā)出熱電信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的方法特征在于，電路圖案被分成至少兩個(gè)局部圖案，第一局部圖案以厚膜工藝形成在基片上，具有用于局部圖案連接的接觸通道孔的絕緣層疊置在第一局部圖案上，另一局部圖案形成在絕緣層上，重復(fù)前述工序，直到所有局部圖案已經(jīng)一個(gè)制造在另一個(gè)上面。
通過(guò)采用厚膜工藝，由局部圖案和絕緣層構(gòu)成的結(jié)構(gòu)可以較低成本制造在基片上。現(xiàn)有的膏可用作熱電偶材料，例如金膏可用作一種熱電偶材料，金/鈀膏可用作另一種熱電偶材料。如果需要，也可以使用其它材料以制造具有不同特性的熱電偶。膏可根據(jù)所述圖案采用絲網(wǎng)印制工藝以公知方法施加。每次圖案的施加緊接著進(jìn)行烘烤操作。具體地，可以根據(jù)各個(gè)局部圖案首先施加和烘烤每個(gè)局部圖案的一種熱電偶材料，接著施加和烘烤另一種熱電偶材料。分別進(jìn)行兩次烘烤操作對(duì)于以上述方式形成的熱電偶的熱電導(dǎo)率具有有利影響。
在本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施例中，局部圖案制作成，使得施加作為一個(gè)層的每個(gè)局部圖案的重復(fù)工序直接產(chǎn)生具有優(yōu)選電路結(jié)構(gòu)的熱分析傳感器。在這種類(lèi)型的第一實(shí)施例中，每個(gè)局部圖案通過(guò)僅僅一個(gè)連接串聯(lián)連接到另一個(gè)局部圖案，從而使層間連接的數(shù)目較少。在另一實(shí)施例中，在相對(duì)于基片的最頂部局部圖案疊置具有連接終端的絕緣層，熱電信號(hào)可從連接終端分接，并且至少一個(gè)連接終端通過(guò)層間接觸結(jié)合到相對(duì)于基片在底層的局部圖案。


以下將結(jié)合附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中圖1示意地表示了布置在測(cè)量位置區(qū)域中的根據(jù)本發(fā)明的熱分析傳感器的第一實(shí)施例的平面圖；圖2示意地表示了具有兩個(gè)測(cè)量位置的根據(jù)本發(fā)明的熱分析傳感器的第二實(shí)施例的平面圖；圖3表示了根據(jù)本發(fā)明的熱分析傳感器的第三實(shí)施例的分解圖；圖4示意地表示了根據(jù)本發(fā)明的熱分析傳感器的第四實(shí)施例的平面圖；以及圖5表示了根據(jù)本發(fā)明的熱分析傳感器的第五實(shí)施例的分解圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的熱分析傳感器的第一實(shí)施例具有圓柱形基片1，圓柱體高度相對(duì)于其半徑是較小的。圖1以示意形式表示了從基片1的圓柱體軸線(xiàn)方向看的具有圓盤(pán)形狀的基片頂部表面2的平面圖。在圓柱體軸線(xiàn)與表面2的徑向外邊緣之間限定的區(qū)域中，布置有測(cè)量位置3，測(cè)量位置3設(shè)置有通過(guò)厚膜工藝方法設(shè)置在位的熱電偶結(jié)構(gòu)。
在熱電偶結(jié)構(gòu)中，兩種不同熱電偶材料的條形段在它們的每個(gè)鄰接端重疊，從而通過(guò)這些重疊形成一系列熱電偶接點(diǎn)。熱電偶接點(diǎn)布置在四個(gè)同心圓上，共同的中心點(diǎn)4表示測(cè)量位置3的中心。位于最靠近中心的第一個(gè)圓上的第一種熱電偶接點(diǎn)在圖1中由標(biāo)號(hào)5表示。第一種熱電偶接點(diǎn)中的每個(gè)由兩種不同熱電偶材料6和7的重疊的、短方位端部構(gòu)成。熱電偶材料6和7從方位端部相互間隔較窄地、并且相互平行地相對(duì)于中心4沿著大體上徑向向外方向延伸到第二個(gè)圓。與第一種熱電偶接點(diǎn)5類(lèi)似，在第二個(gè)圓處類(lèi)似地通過(guò)重疊短方位端部形成第二種熱電偶接點(diǎn)8。
第三種熱電偶接點(diǎn)9位于第三個(gè)圓上，第三個(gè)圓的半徑大于第一個(gè)圓的半徑但小于第二個(gè)圓的半徑。與第一種熱電偶接點(diǎn)5類(lèi)似，第三種熱電偶接點(diǎn)9由兩種熱電偶材料6和7的短的方位重疊端部構(gòu)成。熱電偶材料6和7從第三種熱電偶接點(diǎn)9大體上以條段形狀沿著徑向向外方向延伸到第四個(gè)圓，第四個(gè)圓的直徑大于第二個(gè)圓的半徑。熱電偶材料7的條的端部位于第四個(gè)圓上，在此它們與熱電偶材料6的端部相交并重疊以形成第四種熱電偶接點(diǎn)10。熱電偶材料6從第四種熱電偶接點(diǎn)10沿著第四個(gè)圓在方位方向上延伸。第一熱電偶材料6的每個(gè)方位條段從第四種熱電偶接點(diǎn)10延伸到熱電偶材料6的大體上徑向條段，熱電偶材料6的大體上徑向條段起源于方位上最接近的相鄰第三種熱電偶接點(diǎn)9。第一種、第二種、第三種和第四種熱電偶接點(diǎn)5，8，9，10分別以相等方位角間隔布置在它們各自的圓上。
偏離第一種熱電偶接點(diǎn)5的完全對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，一個(gè)第一種熱電偶接點(diǎn)5’具有如下不同，起源于接點(diǎn)5’的第一熱電偶材料6’的大體上徑向條段連續(xù)超過(guò)第二個(gè)圓的半徑到達(dá)形成在基片1表面2上的終端盤(pán)12。這個(gè)第一種熱電偶接點(diǎn)5’形成所有熱電偶接點(diǎn)5，5’，8，9和10按照串聯(lián)順序連接在其中的熱電偶隊(duì)列的端部。熱電偶隊(duì)列的另一端部由串聯(lián)地緊隨徑向緊鄰上述第一種熱電偶接點(diǎn)5’的第三種熱電偶接點(diǎn)9’的第四種熱電偶接點(diǎn)10’形成。從第三種熱電偶接點(diǎn)9’沿著大體上徑向向外方向延伸的熱電偶材料7’的條段位于第四個(gè)圓上的外端部與熱電偶材料6”的條段連接，以形成第四種熱電偶接點(diǎn)10’。熱電偶材料6”的條段延伸到形成在表面2上的終端盤(pán)12’。
該圖以及上述描述也清楚表明，熱電偶材料6，7，7’僅在它們相互重疊的區(qū)域疊置，從而通過(guò)重疊形成的觸點(diǎn)形成熱電偶接點(diǎn)5，5’，8，9，10，10’。熱電偶材料6，7，7’的所有其它部分在同一平面上并排延伸。
在形成位于第一種熱電偶接點(diǎn)5’處的熱電偶隊(duì)列起點(diǎn)的串聯(lián)連接順序中，每個(gè)第一種熱電偶接點(diǎn)5或5’具有一個(gè)第二種熱電偶接點(diǎn)8作為它的緊鄰，直到繞著中心點(diǎn)4的方位環(huán)已經(jīng)到達(dá)第一種熱電偶接點(diǎn)5”，第一種熱電偶接點(diǎn)5”沿著方位方向緊鄰熱電偶隊(duì)列起始的熱電偶接點(diǎn)5’。第一種熱電偶接點(diǎn)5”通過(guò)熱電偶材料7的大體上徑向延伸的條段連接到另一熱電偶接點(diǎn)8’，熱電偶接點(diǎn)8’沿著串聯(lián)順序具有一個(gè)第三種熱電偶接點(diǎn)9”作為它的緊鄰，接著是分別成對(duì)緊鄰的第四和第三種熱電偶接點(diǎn)10和9，直到到達(dá)形成熱電偶隊(duì)列另一端的第四種熱電偶接點(diǎn)10’。整個(gè)熱電偶排布具有雙星外觀。在第一種熱電偶接點(diǎn)5和第二種熱電偶接點(diǎn)8之間以直線(xiàn)條延伸的熱電偶材料6和7形成內(nèi)部星，并且在它們之間界定空隙區(qū)域13。在每個(gè)空隙區(qū)域13中具有沿著串聯(lián)順序緊鄰的一對(duì)第三種和第四種熱電偶接點(diǎn)9和10。第三種和第四種熱電偶接點(diǎn)9和10以及它們的熱電偶材料6和7的連接條段形成外部星。這種排布也可以類(lèi)似方式進(jìn)行，使方位界限沿著逆時(shí)針?lè)较蛟跓犭娕冀狱c(diǎn)10’開(kāi)始。
圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的熱分析傳感器的第二實(shí)施例，采用與圖1類(lèi)似的形式表示。在該實(shí)施例中，具有兩個(gè)測(cè)量位置3，3’，每個(gè)測(cè)量位置具有與參照?qǐng)D1所述測(cè)量位置3完全相同的結(jié)構(gòu)。讀者因此可以參考圖1的描述以了解第二實(shí)施例的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。第二實(shí)施例的兩個(gè)測(cè)量位置3，3’相對(duì)于基片1的圓柱體軸線(xiàn)徑向相對(duì)地布置在相等距離處。表示“樣品”的字母“S”印在緊靠測(cè)量位置3的基片表面2上，而表示“參考”的字母“R”緊靠測(cè)量位置3’的印制。這表示，樣品將被放置在測(cè)量位置3，惰性參考樣品將被放置在測(cè)量位置3’。
圖2中的排布與圖1的區(qū)別僅在于，在測(cè)量位置3形成的熱電偶隊(duì)列端部處的第四種熱電偶接點(diǎn)10’以及在測(cè)量位置3’形成的熱電偶隊(duì)列端部處的第四種熱電偶接點(diǎn)10’不是分別連接到與圖1中的終端盤(pán)12’類(lèi)似的單獨(dú)的終端盤(pán)12’。替代地，兩個(gè)熱電偶隊(duì)列的這些端部通過(guò)熱電偶材料6的條段連接。在測(cè)量位置3和3’形成的各自熱電偶隊(duì)列的另一端部的第一種熱電偶接點(diǎn)5’以與圖1中相同方式連接到終端盤(pán)12。通過(guò)這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，兩個(gè)熱電偶隊(duì)列布置成在電路中電性相反。通過(guò)第二實(shí)施例中的兩個(gè)終端盤(pán)12分支，可以獲得兩個(gè)熱電偶隊(duì)列各自的熱電信號(hào)之間的差，而第一實(shí)施例在兩個(gè)終端盤(pán)12，12’之間傳送形成在測(cè)量位置3的熱電偶隊(duì)列產(chǎn)生的整個(gè)熱電信號(hào)。
在根據(jù)本發(fā)明的熱分析傳感器的第三實(shí)施例中，由熱電偶材料和熱電偶結(jié)構(gòu)的熱電偶接點(diǎn)形成的整個(gè)圖案被分成多個(gè)局部圖案，它們一個(gè)布置在另一個(gè)上，通過(guò)局部圖案的合適電終端相互連接。這種概念顯示在圖3中，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)以分解圖顯示，其中多層結(jié)構(gòu)的單層被顯示未沿著與圖1和2中的基片相同的基片1的圓柱體軸線(xiàn)方向相互分隔開(kāi)。圖3的結(jié)構(gòu)具有總共為三個(gè)的局部圖案14，15和16，它們中的每個(gè)以與形成表示在圖2中的第二實(shí)施例的熱電偶結(jié)構(gòu)的圖案類(lèi)似的方式形成。與圖2中的圖案的微小差別在于，需要形成局部圖案的電終端的連接。
在圖3中，在底部的局部圖案14以與圖2中相同方式布置在基片表面2上。與圖2中的類(lèi)似，來(lái)自形成由整個(gè)圖案表示的整個(gè)電路排列的一個(gè)端部的第一種熱電偶接點(diǎn)5’的熱電偶材料連接到終端盤(pán)12。還與圖2相同，顯示在左側(cè)的圖案部分通過(guò)熱電偶材料的連接條6與右側(cè)部分連接。但是，與圖2不同的是，在圖3的右側(cè)部分的端部的類(lèi)似第一種熱電偶接點(diǎn)連接到層間接觸盤(pán)17，層間接觸盤(pán)17與圖2和3中的左側(cè)終端盤(pán)12以及第二終端盤(pán)12間隔一定距離地設(shè)置，第二終端盤(pán)12對(duì)應(yīng)于圖2中的右側(cè)終端盤(pán)但在圖3中作為隔離盤(pán)，即不與局部圖案的其它部分連接。
布置在表面2上的局部圖案14由絕緣層18覆蓋，絕緣層18在與層間接觸盤(pán)17和兩個(gè)終端盤(pán)12對(duì)應(yīng)的位置具有層間接觸孔19。在遠(yuǎn)離局部圖案14的表面20上，絕緣層18承載局部圖案15。在底層局部圖案14具有與終端盤(pán)12的端部連接的類(lèi)似位置，中間層局部圖案15具有與層間接觸盤(pán)17’的端部連接，層間接觸盤(pán)17’通過(guò)層間接觸孔19與層間接觸盤(pán)17連接，層間接觸孔19與層間接觸盤(pán)17和17’疊合。在底層局部圖案14具有與層間接觸盤(pán)17的端部連接處，圖3中的局部圖案15的右側(cè)部分具有與層間接觸盤(pán)21的類(lèi)似端部連接，層間接觸盤(pán)21通過(guò)絕緣層18與底部層電絕緣。底部層的兩個(gè)終端盤(pán)12穿過(guò)疊合位置的層間接觸孔19從絕緣層18的表面20伸出，在此顯示為隔離盤(pán)。
絕緣層18承載局部圖案15的表面20由絕緣層22覆蓋，絕緣層22在與層間接觸盤(pán)21和兩個(gè)終端盤(pán)12對(duì)應(yīng)的位置具有層間接觸孔19’。絕緣層22的表面23承載形成為圖3中的最頂部局部圖案的局部圖案16。左側(cè)部分的端部連接通向?qū)娱g接觸盤(pán)17”，層間接觸盤(pán)17”通過(guò)絕緣層22的類(lèi)似疊合位置的層間接觸孔19’與中間層局部圖案15的疊合位置的層間接觸盤(pán)17’連接。右側(cè)部分的端部連接通向圖3中右側(cè)的終端盤(pán)12，右側(cè)的終端盤(pán)12分別通過(guò)絕緣層22和18的疊合位置的層間接觸孔19’和19穿過(guò)所有層直接接觸。左側(cè)的終端盤(pán)12通過(guò)類(lèi)似的層間接觸孔19’和19連接到圖3中的底層局部圖案14的左側(cè)的終端盤(pán)12。
絕緣層22承載最頂部局部圖案16的表面23的上方，設(shè)置有絕緣層24，絕緣層24僅具有與終端盤(pán)12的位置對(duì)應(yīng)的層間接觸孔19”。由整個(gè)電路結(jié)構(gòu)輸送的熱電信號(hào)可以在通過(guò)層間接觸孔19”被接觸的終端盤(pán)12被分接。該信號(hào)表示每個(gè)局部圖案的左側(cè)部分與右側(cè)部分之間由各自局部圖案14，15和16輸送的熱電壓差值的總和。
而且，除了上述參照?qǐng)D2已經(jīng)描述的符號(hào)“R”和“S”之外，絕緣層24的露出表面25具有弧形標(biāo)記26，以有助于將樣品和參考坩堝相對(duì)于各自測(cè)量位置的中心點(diǎn)4和4’(參看圖2)居中地放置。
圖3所示實(shí)施例尤其是通過(guò)采用厚膜工藝來(lái)制造。該工藝是通過(guò)絲網(wǎng)印刷和烘烤局部圖案14使合適的熱電偶材料粘貼在基片1的表面2上來(lái)進(jìn)行。該操作優(yōu)選地以?xún)蓚€(gè)步驟進(jìn)行，第一步驟包括施加和立即烘烤由第一熱電偶材料組成的圖案的結(jié)構(gòu)元件。在第二步驟中，由另一熱電偶材料組成的結(jié)構(gòu)元件被印制并且反復(fù)烘烤。該兩步驟工藝對(duì)熱電偶接點(diǎn)的質(zhì)量具有有利影響。在絕緣層18已經(jīng)被放置在位之后，以相同方式制造第二局部圖案15，重復(fù)上述工藝直到所有絕緣層和局部圖案已經(jīng)完成，此時(shí)最頂部絕緣層24被放置在位。
根據(jù)本發(fā)明的熱分析傳感器的第四實(shí)施例以與圖1類(lèi)似的表示方式顯示在圖4中。第四實(shí)施例具有總共四個(gè)測(cè)量位置，分別為30，31，32和33，每個(gè)測(cè)量位置具有與圖1中的測(cè)量位置3類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。關(guān)于單個(gè)測(cè)量位置，讀者可以參考顯示在圖1中的實(shí)施例的描述。尤其與圖1類(lèi)似的是，各個(gè)熱電偶隊(duì)列的端部部分連接到一對(duì)終端盤(pán)12，12’，由各個(gè)熱電偶隊(duì)列產(chǎn)生的熱電電壓可在此被分接。四個(gè)測(cè)量位置30，31，32和33的中心位于對(duì)角線(xiàn)相交在基片1的圓柱體軸線(xiàn)的正方形的四個(gè)角處。
根據(jù)本發(fā)明的熱分析傳感器的第五實(shí)施例以與分解圖表示在圖5中，該結(jié)構(gòu)的多個(gè)層沿著基片1的圓柱體軸線(xiàn)的方向分隔開(kāi)。關(guān)于通過(guò)連接件6和兩個(gè)終端盤(pán)12形成在兩個(gè)層疊星形圖案之間的微分電路結(jié)構(gòu)，第五實(shí)施例完全類(lèi)似于參照?qǐng)D2描述的第二實(shí)施例。就微分電路結(jié)構(gòu)而言，讀者可以參考圖2的描述。但是，圖5還顯示了也存在于第二實(shí)施例中但圖2中未顯示的絕緣層34。絕緣層34具有與熱電偶結(jié)構(gòu)的終端盤(pán)12的位置對(duì)應(yīng)的窗口35，使得可以在窗口35處獲取微分熱電信號(hào)。絕緣層34允許金屬坩堝放置在測(cè)量位置，而不會(huì)導(dǎo)致絕緣層34接點(diǎn)之間短路。
除了剛才已經(jīng)描述以及是圖2中的第二實(shí)施例的一部分的特征之外，第五實(shí)施例在兩個(gè)測(cè)量位置3，3’中的每個(gè)處還具有在絕緣層34的露出表面37上的另外的熱電偶結(jié)構(gòu)36和36’。另外的熱電偶結(jié)構(gòu)36和36’每個(gè)包括相對(duì)于測(cè)量位置3，3’的中心點(diǎn)4，4’對(duì)中布置的環(huán)形第一熱電偶材料38，38’。在圖5中，未清楚起見(jiàn)，另外的熱電偶結(jié)構(gòu)36和36’相對(duì)于分解圖的下部部分以放大比例繪制。實(shí)際上，環(huán)形第一熱電偶材料38，38’布置在第一種熱電偶接點(diǎn)5位于其上的相應(yīng)第一個(gè)圓內(nèi)。在分別由環(huán)形第一熱電偶材料38，38’的內(nèi)周邊39，39’限定的區(qū)域中，絕緣層34和基片分別具有各自的疊合軸向通道開(kāi)口40，40’和41，41’。這類(lèi)通道開(kāi)口也存在于先前描述的實(shí)施例中，并且在相應(yīng)的附圖中以對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào)表示。
環(huán)形第一熱電偶材料38，38’每個(gè)具有分別通向終端盤(pán)43，43’的條形徑向延伸部。而且，還具有布置在垂直于測(cè)量位置3，3’的各自中心點(diǎn)4，4’之間的假象連線(xiàn)延伸的中線(xiàn)上的共用終端盤(pán)44。起源于共用終端盤(pán)44的連接導(dǎo)線(xiàn)45沿著中線(xiàn)在兩個(gè)終端盤(pán)43，43’之間延伸成Y形接點(diǎn)，連接導(dǎo)線(xiàn)45在此分支成兩個(gè)條形臂46，46’，兩個(gè)條形臂46，46’相對(duì)于中線(xiàn)鏡像對(duì)稱(chēng)地延伸到環(huán)形第一熱電偶材料38，38’中。終端盤(pán)44、連接導(dǎo)線(xiàn)45和條形臂46，46’由第二熱電偶材料構(gòu)成，第二熱電偶材料在與第一熱電偶材料38，38’的連接處形成熱電偶接點(diǎn)。在這兩個(gè)熱電偶接點(diǎn)處產(chǎn)生的熱電信號(hào)可在共用終端盤(pán)44和各自的終端盤(pán)43，43’之間被分接。這兩個(gè)熱電信號(hào)分別對(duì)應(yīng)于在測(cè)量位置3，3’的各自絕對(duì)溫度。為了確定絕對(duì)溫度值，信號(hào)通過(guò)合適電路結(jié)構(gòu)以公知方式被處理。
在上述各個(gè)實(shí)施例中，傳感器通過(guò)在基片1的邊緣區(qū)域與熱源之間的熱接觸被熱連接到熱源。這可以被實(shí)現(xiàn)，例如，如果傳感器底側(cè)即頂部表面2的相反側(cè)的環(huán)形邊緣區(qū)域位于熱源的合適形狀的導(dǎo)熱凸緣上。具體地，環(huán)形邊緣區(qū)域在外側(cè)可由形成基片1的圓柱形盤(pán)的徑向外邊緣限定，并且在內(nèi)側(cè)可由扁平圓柱體形切口限定，扁平圓柱體半徑略微小于基片1的半徑。
相對(duì)于測(cè)量位置3，3’，30，31，32，33的中心點(diǎn)4，4’產(chǎn)生的徑向溫度梯度是在徑向間隔開(kāi)的熱電偶接點(diǎn)5和8之間以及熱電偶接點(diǎn)和10之間產(chǎn)生熱電電壓的原因。這些溫度梯度隨著基片1的熱導(dǎo)率降低而增大。因此，為了獲得傳感器的高靈敏度，使用具有相對(duì)小熱導(dǎo)率λ的基片，具體地，λ不大于5W/(m.K)，優(yōu)選地λ不大于3W/(m.K)，或甚至λ不大于2W/(m.K)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的合適基片是具有特殊性能的陶瓷，例如由名稱(chēng)為PYTHAGORAS的陶瓷材料制成、或由名稱(chēng)為MACOR的陶瓷材料制成的基片，它具有大約為1.5W/(m.K)的λ值。
標(biāo)號(hào)列表1基片2表面3測(cè)量位置4，4’ 中心點(diǎn)，中心5，5’，5”第一種熱電偶接點(diǎn)6，6’，6”熱電偶材料7，7’熱電偶材料8，8’第二種熱電偶接點(diǎn)9，9’，9”第三種熱電偶接點(diǎn)10，10’第四種熱電偶接點(diǎn)11方位條段12，12’終端盤(pán)13空隙區(qū)域14，15，16局部圖案17，17’，17”層間接觸盤(pán)18絕緣層19，19’，19”層間接觸孔20表面21層間接觸孔
22絕緣層23表面24絕緣層25表面26弧形標(biāo)記30，31，32，33測(cè)量位置34絕緣層35窗口36，36’另外的熱電偶結(jié)構(gòu)37表面38，38’第一熱電偶材料39，39’環(huán)內(nèi)周邊40，40’軸向通道開(kāi)口41，41’軸向通道開(kāi)口43，43’終端盤(pán)44終端盤(pán)45連接導(dǎo)線(xiàn)46，46’臂
權(quán)利要求
1.一種熱分析傳感器，它具有基片(1)，基片(1)能夠在與基片(1)熱連接的熱源與形成在傳感器上的至少一個(gè)測(cè)量位置(3，3’，30，31，32，33)之間傳導(dǎo)熱流，熱分析傳感器還具有形成在基片(1)的大體上平的表面(2)上以發(fā)出熱電信號(hào)的熱電偶結(jié)構(gòu)，其中，熱電偶結(jié)構(gòu)包括多個(gè)熱電偶接點(diǎn)(5，8，9，10)形成的串聯(lián)鏈，熱電偶接點(diǎn)由兩種不同熱電偶材料(6，7)構(gòu)成、并且串聯(lián)連接以形成熱電偶隊(duì)列，熱電偶接點(diǎn)的串聯(lián)鏈繞著測(cè)量位置(3，3’)的中心(4，4’)沿著方位方向延伸，各個(gè)熱電偶接點(diǎn)以與測(cè)量位置(3，3’)的中心(4，4’)相隔交替不同的徑向距離布置，其特征在于，方位地限定在串聯(lián)鏈中最靠近中心(4，4’)的一個(gè)第一種熱電偶接點(diǎn)(5)與兩個(gè)緊鄰的第二種熱電偶接點(diǎn)(8)之間的表面(2)的至少一個(gè)空隙區(qū)域(13)包括在串聯(lián)鏈中相互直接相鄰的一個(gè)第三種熱電偶接點(diǎn)(9)和一個(gè)第四種熱電偶接點(diǎn)(10)。
2.如權(quán)利要求1所述的熱分析傳感器，其特征在于，第一種熱電偶接點(diǎn)(5)在中點(diǎn)位于測(cè)量位置的中心(4，4’)的第一個(gè)圓上，第二種熱電偶接點(diǎn)(8)在與第一個(gè)圓同心、并具有比第一個(gè)圓更大半徑的第二個(gè)圓上，第三種熱電偶接點(diǎn)(9)在與第一個(gè)圓同心、并具有比第一個(gè)圓的半徑大但比第二個(gè)圓的半徑小的半徑的第三個(gè)圓上，第四種熱電偶接點(diǎn)(10)在與第一個(gè)圓同心、并具有比第三個(gè)圓更大半徑的第四個(gè)圓上。
3.如權(quán)利要求2所述的熱分析傳感器，其特征在于，熱電偶接點(diǎn)(5，8，9，10)以相等角向間隔布置在它們各自的圓上。
4.如權(quán)利要求1至3任一所述的熱分析傳感器，其特征在于，在串聯(lián)鏈中緊鄰的第一種和第二種熱電偶接點(diǎn)(5，8)之間的熱電偶材料(6，7)以直線(xiàn)條段的形狀延伸。
5.如權(quán)利要求1至4任一所述的熱分析傳感器，其特征在于，在串聯(lián)鏈中緊鄰并且位于同一空隙區(qū)域(13)內(nèi)的第三種和第四種熱電偶接點(diǎn)(9，10)之間的熱電偶材料(6，7)以直線(xiàn)條段的形狀延伸。
6.如權(quán)利要求1至5任一所述的熱分析傳感器，其特征在于，在串聯(lián)鏈中緊鄰并且位于不同空隙區(qū)域(13)內(nèi)的第三種和第四種熱電偶接點(diǎn)(9，10)之間的熱電偶材料(6，7)以方位條段(11)的形狀延伸。
7.如權(quán)利要求1至6任一所述的熱分析傳感器，其特征在于，連接終端(12，12’)形成在基片(1)的表面(2)上，所述連接終端分別連接到熱電偶隊(duì)列的兩端，其中，由熱電偶隊(duì)列發(fā)出的熱電信號(hào)可從所述連接終端(12，12’)被分接。
8.如權(quán)利要求1至7任一所述的熱分析傳感器，其特征在于，在傳感器上布置多個(gè)測(cè)量位置(3，3’)。
9.如權(quán)利要求8所述的熱分析傳感器，其特征在于，在傳感器上布置兩個(gè)測(cè)量位置(3，3’，30，31，32，33)。
10.如權(quán)利要求8所述的熱分析傳感器，其特征在于，在傳感器上以一種結(jié)構(gòu)布置四個(gè)測(cè)量位置(30，31，32，33)，其中，在一對(duì)測(cè)量位置的中心之間的直連線(xiàn)垂直平分另一對(duì)測(cè)量位置的中心之間的直連線(xiàn)，反之亦然。
11.如權(quán)利要求1至10任一所述的熱分析傳感器，其特征在于，另外的熱電偶結(jié)構(gòu)(36，36’)形成在基片(1)的表面(2)上的測(cè)量位置(3，3’)處，用于發(fā)出表示在該測(cè)量位置的絕對(duì)溫度的熱電信號(hào)，用于分接表示絕對(duì)溫度的熱電信號(hào)的連接終端(43，43’，44)形成在基片(1)的表面(2)上。
12.如權(quán)利要求11所述的熱分析傳感器，其特征在于，用于發(fā)出表示絕對(duì)溫度的熱電信號(hào)的熱電偶結(jié)構(gòu)(36，36’)包括包含第一熱電偶材料(38，38’)的區(qū)域，所述區(qū)域由環(huán)繞測(cè)量位置(3，3’)的熱電偶接點(diǎn)界定，熱電偶結(jié)構(gòu)(36，36’)還包括從包含第一熱電偶材料(38，38’)的所述界定區(qū)域通向布置在表面(2)上的連接終端(43，43’)之一的連接部分。
13.如權(quán)利要求12所述的熱分析傳感器，其特征在于，包含第一熱電偶材料(38，38’)的所述界定區(qū)域形成為圓環(huán)形狀。
14.如權(quán)利要求11至13任一所述的熱分析傳感器，其特征在于，在包含第一熱電偶材料(38，38’)的所述界定區(qū)域中，通過(guò)與第一熱電偶材料不同并且延伸到形成在表面上的連接終端(44)的第二熱電偶材料(46，46’)形成熱電偶接點(diǎn)。
15.如權(quán)利要求14以及如權(quán)利要求1至10任一所述的熱分析傳感器，其特征在于，兩個(gè)測(cè)量位置(3，3’)形成在傳感器上，連接(45，46，46’)形成在兩個(gè)測(cè)量位置(3，3’)的第二熱電偶材料之間的基片(1)上，所述連接(45，46，46’)通向共用連接終端(44)。
16.如權(quán)利要求1至15任一所述的熱分析傳感器，其特征在于，兩個(gè)測(cè)量位置(3，3’)形成在傳感器上，連接(6)形成在基片(1)上位于兩個(gè)測(cè)量位置(3，3’)處的各個(gè)熱電偶隊(duì)列的兩個(gè)電相同端之間，兩個(gè)熱電偶隊(duì)列的另一端連接到連接終端(12)，連接終端(12)形成在基片(1)上、并用于分接兩個(gè)熱電偶隊(duì)列的各自熱電信號(hào)之間的差。
17.如權(quán)利要求16所述的熱分析傳感器，其特征在于，連接(6)連接到形成在基片(1)上的共用連接終端。
18.如權(quán)利要求1至17任一所述的熱分析傳感器，其特征在于，形成在基片(1)上的熱電偶結(jié)構(gòu)制作成厚膜結(jié)構(gòu)。
19.如權(quán)利要求1至18任一所述的熱分析傳感器，其特征在于，基片(1)是陶瓷材料。
20.一種熱分析傳感器，它具有基片(1)，基片(1)能夠在與基片(1)熱連接的熱源與形成在傳感器上的至少一個(gè)測(cè)量位置(3，3’，30，31，32，33)之間傳導(dǎo)熱流，熱分析傳感器還具有形成在基片(1)的大體上平的表面(2)上以發(fā)出熱電信號(hào)的熱電偶結(jié)構(gòu)，所述熱電偶結(jié)構(gòu)包括多個(gè)熱電偶接點(diǎn)(5，8，9，10)形成的專(zhuān)用于所述測(cè)量位置的串聯(lián)鏈，熱電偶接點(diǎn)(5，8，9，10)在一個(gè)電路結(jié)構(gòu)中相互連接，并且每個(gè)熱電偶接點(diǎn)由兩種不同熱電偶材料(6，7)構(gòu)成，尤其如權(quán)利要求1至19任一所述，其特征在于，熱電偶接點(diǎn)(5，8，9，10)布置在一個(gè)位于另一個(gè)之上的至少兩個(gè)平面上，通過(guò)絕緣層(18，22)將這些平面相互分隔開(kāi)，其中，電路結(jié)構(gòu)的各個(gè)部分(14，15，16)通過(guò)熱電偶接點(diǎn)(5，8，9，10)之間的連接導(dǎo)線(xiàn)形成在每個(gè)平面中，并且各個(gè)電路部分的對(duì)應(yīng)端部通過(guò)層間接觸孔(19，19’，19”)相互連接。
21.如權(quán)利要求20所述的熱分析傳感器，其特征在于，用于分接熱電偶結(jié)構(gòu)的熱電信號(hào)的多個(gè)終端(12)相對(duì)于基片(1)形成在頂部平面上，占據(jù)底部平面的電路部分(14)的一個(gè)端部通過(guò)層間接觸連接到多個(gè)終端(12)之一。
22.如權(quán)利要求20所述的熱分析傳感器，其特征在于，電路結(jié)構(gòu)是熱電偶接點(diǎn)串聯(lián)連接在其中的熱電偶隊(duì)列，電路結(jié)構(gòu)的部分(14，15，16)是熱電偶隊(duì)列的部分。
23.如權(quán)利要求20至22任一所述的熱分析傳感器，其特征在于，熱電偶接點(diǎn)(5，8，9，10)布置成，使得它們繞著測(cè)量位置(3，3’)的中心(4，4’)沿著方位方向前進(jìn)，并且位于與測(cè)量位置的中心相隔交替不同的徑向距離處。
24.如權(quán)利要求20至23任一所述的熱分析傳感器，其特征在于，位于不同平面的電路結(jié)構(gòu)的部分(14，15，16)具有大體上疊合的形狀。
25.一種熱分析傳感器，它具有基片(1)，基片(1)能夠在與基片(1)熱連接的熱源與形成在傳感器上的至少一個(gè)測(cè)量位置(3，3’，30，31，32，33)之間傳導(dǎo)熱流，熱分析傳感器還具有形成在基片(1)的大體上平的表面(2)上以發(fā)出熱電信號(hào)的熱電偶結(jié)構(gòu)，所述熱電偶結(jié)構(gòu)包括多個(gè)熱電偶接點(diǎn)(5，8，9，10)形成的專(zhuān)用于所述測(cè)量位置(3，3’，30，31，32，33)的串聯(lián)鏈，熱電偶接點(diǎn)(5，8，9，10)在一個(gè)電路結(jié)構(gòu)中相互連接，并且每個(gè)熱電偶接點(diǎn)由兩種不同熱電偶材料(6，7)構(gòu)成，尤其如權(quán)利要求1至24任一所述，其特征在于，基片(1)是陶瓷基片，其熱導(dǎo)率不大于5W/(m.K)，優(yōu)選地小于3W/(m.K)，特別優(yōu)選地是小于2W/(m.K)。
26.如權(quán)利要求25所述的熱分析傳感器，其特征在于，基片(1)包括玻璃-陶瓷材料。
27.一種制造尤其如權(quán)利要求1至24任一所述的熱分析傳感器的方法，其中，由至少兩種不同熱電偶材料膏(6，7)構(gòu)成的圖案通過(guò)厚膜工藝印制在基片(1)的大體上平的表面(2)上，該圖案表示熱電偶結(jié)構(gòu)，所述熱電偶結(jié)構(gòu)包括多個(gè)熱電偶接點(diǎn)(5，8，9，10)形成的串聯(lián)連接鏈，該串聯(lián)連接鏈與至少一個(gè)測(cè)量位置(3，3’，30，31，32，33)相連、由兩種不同熱電偶材料(6，7)構(gòu)成并且可運(yùn)行以發(fā)出熱電信號(hào)，并且在印制之后，該圖案被烘烤，其特征在于，該圖案被分成至少兩個(gè)局部圖案(14，15，16)，局部圖案(14，15，16)中的一個(gè)以厚膜工藝形成在基片(1)上，局部圖案中的所述一個(gè)被絕緣層(18，22)覆蓋，絕緣層(18，22)具有用于局部圖案連接的層間接觸孔(19，19’)，局部圖案(14，15，16)中的另一個(gè)以厚膜工藝形成在絕緣層上，重復(fù)前述工序，直到所有局部圖案已經(jīng)一個(gè)制造在另一個(gè)上面。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，局部圖案(14，15，16)具有大體上疊合的形狀。
29.如權(quán)利要求27或28所述的方法，其特征在于，在局部圖案(14，15，16)的結(jié)構(gòu)中，每個(gè)局部圖案(14，15，16)通過(guò)僅僅連接(17，17’，17”)連接到另一個(gè)局部圖案。
30.如權(quán)利要求27至29任一所述的方法，其特征在于，具有連接終端的絕緣層(24)形成在相對(duì)于基片(1)的最頂部局部圖案(16)的上面，熱電信號(hào)可從所述連接終端分接，并且至少一個(gè)連接終端通過(guò)層間接觸結(jié)合到相對(duì)于基片在底層的局部圖案(14)。
全文摘要
在具有基片(1)和形成在基片(1)上的測(cè)量位置(3)的熱電偶結(jié)構(gòu)(5，6，7，8，9，10)的熱分析傳感器中，通過(guò)熱電偶結(jié)構(gòu)的特定形狀以及基片(1)的材料選擇可獲得提高的靈敏度。此外，本發(fā)明還涉及這種傳感器的制造方法。
文檔編號(hào)G01N25/20GK1611931SQ20041008794
公開(kāi)日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2004年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月28日
發(fā)明者托馬斯·許特爾, 貝恩德·丹哈馬爾, 烏爾斯·尼德曼 申請(qǐng)人:梅特勒-托萊多有限公司