專利名稱：熱傳感器及熱感應(yīng)元件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱傳感器，其可在監(jiān)視區(qū)域內(nèi)感應(yīng)熱能并啟動警報器或 類似裝置，以及可應(yīng)用于該熱傳感器內(nèi)的熱感應(yīng)元件的制造方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，熱傳感器可以通過感應(yīng)火警所產(chǎn)生的熱能而感測到火警的發(fā) 生。傳統(tǒng)的熱傳感器， 一般而言，包含有熱感應(yīng)單元用以感應(yīng)監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的 熱能以及檢測器主體用以依據(jù)熱感應(yīng)單元所檢測到的狀態(tài)來啟動警報器。熱感應(yīng)單元具有感應(yīng)單元可感應(yīng)其監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的熱能并轉(zhuǎn)換所檢測的 狀態(tài)成為另一狀態(tài)。感應(yīng)單元由，舉例而言，可隨著溫度上升所造成的空氣 膨脹而變形的隔板、可根據(jù)溫度改變電阻值的電熱調(diào)節(jié)器，或是可根據(jù)溫度變形至預(yù)定方向的雙金屬所構(gòu)成(舉例而言，日本特開平05-266377號專利)。 在具有隔板的熱傳感器中，當(dāng)密閉空間內(nèi)的空氣突然隨著火警所產(chǎn)生的 高溫而膨脹，隔板便產(chǎn)生變形。熱傳感器可通過監(jiān)視隔板的變化來監(jiān)視溫度 上升率是否等于或高于預(yù)定值，而當(dāng)上升率等于或高于該預(yù)定值時，熱傳感 器即判斷在監(jiān)視區(qū)域內(nèi)有火警發(fā)生并輸出警報信號。在具有電熱調(diào)節(jié)器的熱傳感器中，電熱調(diào)節(jié)器的電阻值隨著火警的高溫 改變。熱傳感器可通過監(jiān)視電阻值的變化來監(jiān)視溫度上升率是否等于或高于 預(yù)定值，而當(dāng)上升率等于或高于該預(yù)定值時，熱傳感器即判斷在監(jiān)視區(qū)域內(nèi) 有火警發(fā)生并輸出警報信號。圖19為傳統(tǒng)電熱調(diào)節(jié)器型熱傳感器的正視圖； 并且圖20為熱傳感器如圖19沿著切線A-A的局部剖面圖。如圖19及20所 示，熱傳感器110包含檢測器主體111與電熱調(diào)節(jié)器112附著于檢測器主體 lll的一側(cè)表面，電熱調(diào)節(jié)器112向外凸出。電熱調(diào)節(jié)器112設(shè)置為盡可能 地遠離檢測器主體，如此可避免檢測器主體111與電熱調(diào)節(jié)器112之間的熱 能傳導(dǎo)，并使得檢測器主體111外部的氣流能盡可能地直接接觸電熱調(diào)節(jié)器 112，進而改善電熱調(diào)節(jié)器112的熱能反應(yīng)。另外，為了從外面保護凸出的
電熱調(diào)節(jié)器112，電熱調(diào)節(jié)器導(dǎo)件113設(shè)置為圍繞電熱調(diào)節(jié)器112。在具有雙金屬的熱傳感器中，利用雙金屬的特征，例如，雙金屬根據(jù)溫 度變形至預(yù)定方向。當(dāng)溫度變成等于或高于預(yù)定標準，雙金屬的變形程度增 加而形成電路接觸。隨后，熱傳感器即判斷在監(jiān)視區(qū)域內(nèi)有火警發(fā)生并輸出警報信號(舉例而言，請參閱日本實開平6-30891號新型專利)。 發(fā)明內(nèi)容傳統(tǒng)的熱傳感器110具有下列的缺點舉例而言，具有隔板的熱傳感器 必須備有可擴張密閉空間以便正確感測等于或超過預(yù)定率的上升溫度率。具有電熱調(diào)節(jié)器的熱傳感器110的體積過于龐大，因為電熱調(diào)節(jié)器112向外凸 出而電熱調(diào)節(jié)器導(dǎo)件113圍繞電熱調(diào)節(jié)器112。因此，并不容易將熱傳感器 110的體積縮小。再者，具有雙金屬的熱傳感器需要保留相當(dāng)?shù)目臻g給雙金 屬變形。因此，如何縮小這些傳統(tǒng)熱傳感器是一個難以解決的問題。為了解決上述的問題，本申請的發(fā)明者與其它人員檢查如何使用鐵電陶 瓷元件作為熱感應(yīng)元件。鐵電陶瓷元件通過運用于溫度變化的焦電效應(yīng)來輸 出焦電電流。在最近幾年，某些材料如鐵電陶瓷元件的壓電效應(yīng)被研究，并 應(yīng)用陶瓷元件或類似元件在如警報器或擴音器等裝置，而形成壓電警報器、 壓電擴音器或類似的裝置。在鐵電材料中所觀察到的壓電效應(yīng)為材料的一個 特征，當(dāng)力量施加于預(yù)定方向時其通過改變自發(fā)極性的磁性在結(jié)晶表面產(chǎn)生 正電荷與負電荷。陶瓷元件可運用于如被組裝于薄板狀或薄膜狀形狀。如果 這樣的薄陶瓷元件可以被運用于熱感應(yīng)，將有可能制造較薄的熱傳感器。實 際上，有關(guān)壓電材料運用于溫度測量的技術(shù)已被提出(舉例而言，請參閱曰本 特開平5-296854號專利)。上述的技術(shù)的運用與陶瓷元件的使用也許可允許 制造較小尺寸的熱傳感器。然而，陶瓷元件目前運用于壓電擴音器或類似裝置。如果此陶瓷元件被 使用作為熱感應(yīng)元件而不做任何改變，將會有許多的不便隨之產(chǎn)生。用于火 警感應(yīng)的裝置會有不同的限制與獨有的特征但卻不存在于一般的電子裝置 如擴音器或警報器中。因此，直接運用傳統(tǒng)熱感應(yīng)元件于火警檢測器中可能 會造成無法預(yù)期的問題。舉例而言，陶瓷元件的介電常數(shù)的變化曲線可能會依據(jù)周遭溫度而呈現(xiàn)不同斜度。因為周遭溫度應(yīng)該不會劇烈地變化，所以這樣的介電常數(shù)的變化 曲線的溫度取決特征會對傳統(tǒng)壓電擴音器或具有陶瓷元件的類似裝置造成 些微影響。當(dāng)傳統(tǒng)陶瓷元件直接使用于火警中，如，在具有特有溫度特征的 環(huán)境中，陶瓷元件可能不會顯示該有的溫度特征，例如，陶瓷元件的介電常 數(shù)的變化曲線可能會顯示極度平緩的斜度。然后，陶瓷元件將不會有預(yù)期的 熱能反應(yīng)。另外，熱傳感器的熱能反應(yīng)被熱感應(yīng)元件的熱容量所影響。在傳統(tǒng)壓電 擴音器或具有陶瓷元件的類似裝置中，熱容量會造成一些影響。因此，直接 運用傳統(tǒng)陶瓷元件熱傳感器可能不會產(chǎn)生所預(yù)期的熱能反應(yīng)。再者，傳統(tǒng)陶瓷元件通常需經(jīng)過極性(polling)工藝以達到壓電效應(yīng)增加，因此壓電陶瓷元件可以在警報器或擴音器內(nèi)運作。極性工藝為一個處理程 序，其中一個等于或高于預(yù)定標準的電壓被施加于鐵電材料，當(dāng)材料接受極 性工藝時，具有與電場向量反向的極性的分域會消失，相反地，具有與電場 向量同向的極性的分域會出現(xiàn)。于是，鐵電材料內(nèi)的多個分域均合并，而在 不同方向的自發(fā)極性均被定位。因此，極性工藝會使得取決于自發(fā)極性的方 向的特征變得更加不同于鐵電陶瓷元件其它的特征。舉例而言，壓電效應(yīng)會 變的更加明顯。當(dāng)鐵電陶瓷元件的壓電效應(yīng)因為極性工藝而更顯的不同時， 如果由周遭零件或類似膨脹所產(chǎn)生的力量施加于鐵電陶瓷元件，鐵電陶瓷元 件的介電常數(shù)可能會因壓電效應(yīng)而改變。因此，直接在熱傳感器運用有強烈 壓電效應(yīng)的鐵電陶瓷元件并不是最好的設(shè)計。另外，當(dāng)鐵電陶瓷元件的自發(fā)極性已被極性工藝強制地定向，陶瓷元件 內(nèi)將會有殘余應(yīng)力產(chǎn)生，其可能會在往后導(dǎo)致介電常數(shù)改變。因此，熱傳感 器的長時間使用可靠度可能受損，這也不是最好的設(shè)計。本發(fā)明設(shè)計用以解決上述的問題，而本發(fā)明的一個目的為解決將壓電陶 瓷元件運用于特定裝置，如火警檢測器時會產(chǎn)生的問題。為了解決上述的問題并達到上述的目的，根據(jù)本發(fā)明的觀點，在可根據(jù) 陶瓷元件的介電常數(shù)在監(jiān)視區(qū)域中測量溫度的熱傳感器中，該陶瓷元件的居 里點溫度設(shè)定在一定范圍內(nèi)以使得居里點溫度與熱傳感器的靈敏溫度范圍 之間有預(yù)定關(guān)系。另外，根據(jù)本發(fā)明的另一觀點， 一種用以制造可根據(jù)電介質(zhì)材料的介電 常數(shù)在監(jiān)視區(qū)域中測量溫度的熱感應(yīng)元件的方法，包含加熱電介質(zhì)材料至等 于或高于電介質(zhì)材料的居里點溫度的一個溫度；并冷卻電介質(zhì)材料至一個低 于居里點的溫度。
根據(jù)本發(fā)明，該陶瓷元件的居里點溫度可設(shè)定與熱傳感器的靈敏溫度范 圍有預(yù)定關(guān)系，更詳細的說，居里點溫度的設(shè)定可使得在陶瓷元件溫度特征 曲線上的居里點溫度的鄰近范圍實質(zhì)上符合靈敏溫度范圍，藉以在溫度特征 斜度曲線十分明顯的范圍內(nèi)進行溫度感應(yīng)。如此，熱傳感器的熱能反應(yīng)將可 增加。因此，壓電陶瓷元件達到火警檢測器所要求的特別溫度感應(yīng)特征，以 及運用壓電陶瓷元件于火警檢測器中的問題也可被解決。
另外，根據(jù)本發(fā)明，在加熱過程中，經(jīng)過極性工藝并具有高壓電效應(yīng)的 鐵電陶瓷元件逐漸加熱至等于或高于陶瓷元件中所提供的鐵電材料的居里點溫度的一個溫度；而鐵電陶瓷元件使得相變過渡發(fā)生于不具有自發(fā)極性與分域的順電性材料。另外，在冷卻過程中，陶瓷元件冷卻至一個度低于居里 點的溫度，并使得相變過渡發(fā)生于具有多個分域的鐵電材料，而每個分域的 自發(fā)極性為不同方向。因此，即使有周遭零件或類似膨脹所產(chǎn)生的力量施加 于陶瓷元件，具有多個不同方向的自發(fā)極性的分域的鐵電材料中的壓電效應(yīng) 會相互偏位，而壓電效應(yīng)所造成的噪音可被抑制。另一方面，由于介電常數(shù) 的溫度特征曲線的斜度受到一些影響，只有壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的噪音可以被減 少，而適合的特征例如溫度檢測要素將可獲得。另外，由于分域是任意地重 新產(chǎn)生以穩(wěn)定鐵電材料的能量狀態(tài)，殘余應(yīng)力的復(fù)雜力場并不會出現(xiàn)在陶瓷 元件中，因此往后的介電常數(shù)變化將可被預(yù)防。
具體實施例方式
下文特舉出本發(fā)明的第一實施例與第二實施例，并配合附圖，作詳細說 明如下。但本發(fā)明不應(yīng)被限制于第一與第二實施例。
第一實施例
第一實施例為有關(guān)于用以監(jiān)視監(jiān)視區(qū)域的溫度的熱傳感器。熱傳感器可 用以監(jiān)視任監(jiān)視區(qū)域而滿足不同的用途。在下列的第一實施例中，熱傳感器 應(yīng)安裝于一般房屋的房間內(nèi)或辦公室集團內(nèi)，用以監(jiān)視是否有火警發(fā)生。需 要注意的是，第一實施例被應(yīng)用于類似熱傳感器(例如溫度感應(yīng)器)，用以量 測監(jiān)視區(qū)域的溫度。第一實施例的目的是提供一種通過最佳化陶瓷元件的熱感應(yīng)元件的不 同特征而具有較佳熱能反應(yīng)的熱傳感器。舉例而言，熱能反應(yīng)的改進通過下列方法所達成(l)陶瓷元件的介電常數(shù)變化曲線的最佳化；以及(2)陶瓷元件的熱容量的最佳化。如此的做法是因為本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)為了確認熱傳 感器具有所要求的熱能反應(yīng)，陶瓷元件的介電常數(shù)變化曲線應(yīng)在熱傳感器的 靈敏溫度范圍考慮中被決定，而陶瓷元件的熱容量需被設(shè)定于一個適當(dāng)范圍 內(nèi)。下面將描述一種具有上述各種結(jié)構(gòu)的熱傳感器。圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例中的熱傳感器的結(jié)構(gòu)的功能方塊圖。熱傳感器1包含陶瓷元件10、溫度計算單元20、儲存單元30與控制單元40。 具有如此結(jié)構(gòu)的熱傳感器1可如下述進行火警檢測。首先，陶瓷元件10的 溫度，隨著在監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的溫度而改變，并經(jīng)由溫度計算單元20根據(jù)陶瓷 元件10的介電常數(shù)進行計算?？刂茊卧?0對陶瓷元件10的溫度與事先儲 存于儲存單元30內(nèi)的低限值進行比較。當(dāng)陶瓷元件10的溫度超過該低限值 時，控制單元40即判斷有火警發(fā)生于監(jiān)視區(qū)域內(nèi)，并指示輸出警報。下面 將描述與溫度計算相關(guān)的熱傳感器1的結(jié)構(gòu)與工藝。首先，將會描述溫度計算單元20的主要部分的特定結(jié)構(gòu)。溫度計算單 元20為溫度計算器，用以來計算在監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的溫度根據(jù)陶瓷元件10的介 電常數(shù)。圖2為顯示于圖1的溫度計算單元20的主要部分的電路圖。如圖2 所示，溫度計算單元20的主要部分由包含有相互連接的多個晶體管TR1至 TR3、電阻R1至R5與比較器IC1的電路所構(gòu)成。接著，將描述溫度計算單元20所執(zhí)行的溫度計算。當(dāng)晶體管TR3的基 端接收放電啟動，陶瓷元件10進行放電。當(dāng)溫度計算單元20的輸入單元(圖 未顯示)接收輸入在陶瓷元件10放電之后，固定電流施加于陶瓷元件IO，用 以對陶瓷元件10進行充電。在充電過程中當(dāng)陶瓷元件10的電力充電計量超 過預(yù)定標準，來自比較器IC1的輸出會被轉(zhuǎn)至"高"。因此，陶瓷元件10所需 要的充電時間會大約增加至超過預(yù)定標準的標準，該預(yù)定標準通過測量從陶 瓷元件10放電后輸入單元接收到該輸入直到比較器IC1的輸出被轉(zhuǎn)至"高" 的時間點之間所經(jīng)過的時間所獲得。陶瓷元件10的充電時間單獨地在實質(zhì) 上對應(yīng)于陶瓷元件10的介電常數(shù)。另外，陶瓷元件10的介電常數(shù)對應(yīng)于陶
瓷元件10的溫度是實質(zhì)上獨一無二的。因此，陶瓷元件10的溫度，如監(jiān)視 區(qū)域內(nèi)的溫度將可依據(jù)陶瓷元件10的充電時間進行測量而得到。圖3顯示溫度變化與陶瓷元件的充電時間之間的關(guān)系。如圖3所示，當(dāng)輸入單元接收到方形波輸入，若陶瓷元件10的溫度上升，在初始充電期間充電波形的上升會逐漸變的緩慢。然后， 一個時間段t(充電時間)在充電波形超過低限值之前變成更長的時間段ts。因此，將可依據(jù)充電時間來決定溫度。 此處，圖1中,的儲存單元30儲存有界定充電時間與溫度兩者關(guān)系的表格。 溫度計算單元20可利用此表格決定對應(yīng)于充電時間的溫度。充電時間與溫 度兩者關(guān)系的特定數(shù)值可容易地由實驗或類似方法所獲得，因此在此將不再 加以描述。圖4為陶瓷元件作為熱感應(yīng)元件的示意圖。上述的陶瓷元件10為鐵電 材料13(對應(yīng)于在后述專利申請范圍中的"電介質(zhì)材料")，也就是鐵電陶瓷， 至少在熱傳感器1的一個溫度測量范圍內(nèi)。鐵電材料13由PZT型鐵電材料 所制成(對應(yīng)于在后述權(quán)利要求中的"具有類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷")，其形 成包含有隨機組合的多個結(jié)晶粒14的多晶體。結(jié)晶粒14為細微晶體，每一 個均被極化成無施加電壓的狀態(tài)(而因此具有自發(fā)極性16)，并被分隔成具有 不同方向的自發(fā)極性16的多個細微分域15。分域15與自發(fā)極性的方向16 的形成使得每個結(jié)晶粒14或鐵電材料13是在穩(wěn)定的能量狀態(tài)。極性工藝可 施加于鐵電材料13以使得每個結(jié)晶粒14與分域15的不同方向自發(fā)極性16 將會被定向。然后，取決于自發(fā)極性16的方向的壓電效應(yīng)將會變的更加明 顯。下面將另外描述陶瓷元件10的結(jié)構(gòu)的一個特例。圖5顯示陶瓷元件或 類似與其它元件的關(guān)系的平面圖與垂直剖面。如圖5所示，陶瓷元件10實 質(zhì)上形成具有一對電極11和12置于其相對表面的圓盤。電極11和12通過 電線(圖未顯示)用以供應(yīng)自陶瓷元件10流向溫度計算單元20的焦電電流。 電極11和12分別為金屬板貼于陶瓷元件10上，或是經(jīng)由氣相沉積所形成 于陶瓷元件10上的金屬。(陶瓷元件10的居里點溫度Tc)接著，下面將描述一種用以將陶瓷元件10的介電常數(shù)的溫度特征結(jié)構(gòu) 最佳化的結(jié)構(gòu)。為了達到溫度特征的最佳化，陶瓷元件10的居里點溫度Tc
應(yīng)設(shè)定于一個預(yù)定溫度范圍內(nèi)較佳，例如，在一個范圍從大約60°C至大約
170°C。下面將進而描述原因。
首先，居里點溫度Tc高于熱傳感器1的一般靈敏溫度范圍為較佳。而 其原因是，當(dāng)居里點溫度Tc低于或在靈敏溫度范圍內(nèi)時，如果所感測的溫 度高于電介質(zhì)的居里點溫度Tc，陶瓷元件IO會由鐵電材料轉(zhuǎn)化成順電性材 料連帶轉(zhuǎn)化其特征。由于熱傳感器1的一般靈敏溫度范圍為自20°C至60°C 的范圍，因此居里點溫度Tc應(yīng)等于或高于大約60°C為較佳。
另外，為了在熱傳感器1的溫度測量中取得高音噪比(signal to noise ratio )，熱感應(yīng)較佳者應(yīng)進行在陶瓷元件10的介電常數(shù)的溫度特征斜度較為 明顯的范圍內(nèi)。換言之，陶瓷元件10的介電常數(shù)的溫度特征明顯的范圍較 佳者是使其更符合熱傳感器1的靈敏溫度范圍。在本實施例中，陶瓷元件10 的介電常數(shù)的溫度特征的斜度傾向于成為陶瓷元件10的居里點溫度Tc的鄰 近區(qū)域中的最大值；而當(dāng)相關(guān)溫度與居里點溫度Tc之間的不同變的更明顯， 斜度容易變的較為平緩。因此，使得居里點溫度Tc的鄰近范圍的部分，陶 瓷元件10的特征曲線上具有較大斜度(例如，比居里點溫度Tc低大約30至 50。C的溫度范圍，舉例而言，比居里點溫度Tc少40。C的溫度范圍)可更符 合熱傳感器1的靈敏溫度范圍。
為了使居里點溫度Tc與靈敏溫度范圍之間有預(yù)定關(guān)系，雜質(zhì)加入率可 能會改變。舉例而言，圖6顯示居里點溫度Tc與相對介電常數(shù)s之間的關(guān)系。 假設(shè)類鈣鈦礦結(jié)晶的其中之一的鉛鈦酸鹽(PbTi03)被使用并加入 Pb(Mgl/3Nb2/3)03。如果雜質(zhì)的加入率是以"x"表示，鉛鈦酸鹽的結(jié)構(gòu)則可 用"(l-x)xPb(Mgl/3Nb2/3)03-xxPbTi03"來表示。圖6顯示溫度特征曲線a 至e，其各自對應(yīng)不同的雜質(zhì)加入率x。如圖6所示，隨著加入率x的變化， 居里點溫度Tc分別變成大約-10°C、 20°C、 60°C、 80°C及170°C，如溫度 特征曲線a至e所示。如圖6所示，溫度特征曲線a至d中的每一個溫度特 征曲線都具有不同的雜質(zhì)加入率，在居里點溫度Tc的鄰近區(qū)域中的斜度變 的更加地傾斜。舉例而言，在具有加入率x二0.17的特征曲線d上代表溫度范 圍從50至80°C的斜度比具有加入率x=0.33在特征曲線e上代表同樣溫度范 圍的斜度更傾斜。
接著，每個特征曲線與音噪比之間的關(guān)系將被描述。假設(shè)居里點溫度Tc
為大約60°C、 80°C和170°C，而靈敏溫度為20°C和60。C。每個居里點溫度 Tc在溫度20°C與60°C之間的介電常數(shù)變化率(例如，介電常數(shù)在溫度60°C/ 介電常數(shù)在溫度20。C)可被計算出來。當(dāng)居里點溫度Tc為大約60°C時，介 電常數(shù)的變化率為27.5E-3/14E-3=2.0;當(dāng)居里點溫度Tc為大約80°C時， 介電常數(shù)的變化率為22E-3/5E-3=4.4;而當(dāng)居里點溫度Tc為大約170°C時， 介電常數(shù)的變化率為3.9E-3/1.9E-3=2.1。因此，當(dāng)居里點溫度Tc為大約60 至170°C時，靈敏溫度范圍20至60°C內(nèi)溫度變化的音噪比等于或高于2.0， 而當(dāng)居里點溫度Tc不是在范圍大約60至170°C內(nèi)時，音噪比相等或低于2.0。
再者，熱傳感器l所需要的音噪比將會描述。 一般而言，有較高的音噪 比的感應(yīng)器較適合使用于熱傳感器l中。為了維持穩(wěn)定的感應(yīng)特征，音噪比 需要至少是等于或高于2。原因如下。根據(jù)法令規(guī)章所規(guī)定的熱傳感器1的 性能(舉例而言，日本的"火警警報器安裝的感應(yīng)器與發(fā)射器的相關(guān)技術(shù)標準 行政命令規(guī)定")，固定65度的溫度型熱傳感器不應(yīng)在被置于周遭溫度 55。C(非操作測試)后的一分鐘內(nèi)被使用。假設(shè)居里點溫度Tc為大約60°C、 80°C和170°C，靈敏溫度20°C和靈敏溫度55°C的介電常數(shù)變化率可計算得 到(亦即，55°C的介電常數(shù)/20。C的介電常數(shù))。當(dāng)居里點溫度Tc為大約60°C 時，介電常數(shù)中的變化率為26.8E-3/14E-3=1.9;當(dāng)居里點溫度Tc為大約80。C 時，介電常數(shù)中的變化率為17E-3/5E-3=3.4;而當(dāng)居里點溫度Tc為大約 170。C時，介電常數(shù)中的變化率為3.6E-3/1.9E-3=1.9。簡短而言，此處的最 小音噪比為大約1.9。
因此，為了使得熱傳感器l能夠通過非操作測試，熱傳感器l的控制單 元40必須能夠分辨在非操作測試的環(huán)境溫度為55°C時所獲得的音噪比1.9 與音噪比2.0或是較音噪比1.9更高出許多的音噪比。在操作時，當(dāng)環(huán)境中 有機械變動因素所造成的電氣噪音與假信號時，正確的分辨則是更為重要。 假定噪音是5%的信號，音噪比必須是2.0或至少更多。為了得到音噪比2.0 或更多，若居里點溫度Tc設(shè)定在上述的大約60至170°C的范圍將會更有效 率。因此，可被了解的是使用于熱傳感器1中的陶瓷元件10的居里點溫度 Tc應(yīng)在大約60至170°C的范圍為較佳。
(陶瓷元件10的適當(dāng)厚度)
接著將描述陶瓷元件10的適當(dāng)厚度。 一般而言，陶瓷元件10的熱容量
易隨著板狀陶瓷元件10厚度的增加而增加。然而當(dāng)陶瓷元件10的熱容量增 加，在熱氣流從監(jiān)視區(qū)域接觸陶瓷元件10后升高陶瓷元件10的溫度所需的 時間會變的更長，而熱能反應(yīng)則隨之下降。因此，只要陶瓷元件10能滿足 電阻的必需要求或類似要求，較薄的陶瓷元件10為較佳。
接著將描述陶瓷元件10的熱容量。在周遭溫度達到Tf之后經(jīng)過t秒的 溫度T(t)可通過下列方程式(l)表示。另外，如果熱容量以C，cV表示，時間 常數(shù)則可通過下列方程式C2)表示
T(t) — Tf = (T0 - Tf) x Exp (-tAc)…(1)，
T = C/hA ...(2)，
其中TO為初始溫度，T為時間常數(shù)并以YcV/hA表示，其中Y為重量體積 比，c為比熱，V為體積，h為熱傳導(dǎo)系數(shù)，而A為表面面積。
圖7顯示在固定65度溫度型熱檢測器的操作測試中，根據(jù)利用方程式(l) 所計算得到的熱能時間常數(shù)的熱靈敏度特征的差異。根據(jù)上述技術(shù)標準行政 命令所規(guī)定的熱傳感器1性能，當(dāng)固定65度溫度型熱檢測器被放置于周遭 溫度為81。C的環(huán)境，必須在30秒內(nèi)開始運作。在圖7中，熱傳感器l的時 間常數(shù)T必須相等或低于24秒。
因為如方程式(2)所示，時間常數(shù)T與熱容量成正比，因此若要設(shè)定時間 常數(shù)相等或低于24秒，熱容量則必須相等或低于預(yù)定計量。熱容量與陶瓷 元件10的體積以及與陶瓷元件10相接觸的電極11和12的體積成正比。陶 瓷元件10的直徑或電極11或12的直徑必須大到足夠使得陶瓷元件10與電 極11和12能確實地接收來自監(jiān)視區(qū)域的熱氣流。明確地說來，陶瓷元件10 與電極11和12的厚度需要調(diào)整。
一個試驗產(chǎn)品由厚度為80pm的陶瓷元件10與厚度為50pm的電極11 和12所組裝而成。當(dāng)此試驗產(chǎn)品的熱靈敏度被量測時，陶瓷元件10與電極 11和12的時間常數(shù)為大約21秒。如上所述，熱傳感器1的時間常數(shù)T為24 秒，為了滿足熱傳感器標準，此熱傳感器1試驗產(chǎn)品必須包含具有大約110% (三24/21)或更少的熱容量的陶瓷元件10與電極11和12。
圖8顯示陶瓷元件厚度(水平軸)與熱容量的相對值(垂直軸)之間的關(guān)系。 圖9顯示陶瓷元件10與電極11和12的合并厚度(水平軸)和熱容量的相對值 (垂直軸)之間的關(guān)系。如圖8與圖9所示，陶瓷元件10必須具有大約100pm或更少的厚度，而與陶瓷元件10與電極11和12的合并厚度則須具有大約
130(im或更少的厚度。隨著熱容量的減少，當(dāng)陶瓷元件10接收到由火警所 產(chǎn)生的熱氣流，陶瓷元件10的溫度會馬上升高以容許實時的熱感應(yīng)。
接著將根據(jù)第一實施例，描述一種用以制造陶瓷元件10的方法。圖10 為制造陶瓷元件的方法的流程圖。如圖10所示，首先，準備并混和用以形 成陶瓷元件10的材料。特別的是，所要求的雜質(zhì)加入率是加入于金屬氧化 物(PbO， Ti02， Zr02或類似材料)中(步驟SA-1)。然后這些材料經(jīng)過粉碎與 混合(步驟SA-2)，經(jīng)由干燥機干燥(步驟SA-3)，再暫時在坩堝中以S00。C至 850°C的溫度燒結(jié)，以轉(zhuǎn)換成已燒結(jié)材料(Pb03、 Ti03、 Zr03或類似材料)(步 驟SA-4)。
隨后，再粉碎所取得的己燒結(jié)材料(步驟SA-5)。所得到的粉末再混合于 粘結(jié)劑中(步驟SA-6)，并再塑造成實質(zhì)上為板狀的形狀(步驟SA-7)。接著， 以打孔機將板狀塑模打出盤狀成品(步驟SA-8)。所有的盤狀成品將分散成包 含數(shù)個盤狀成品的單元而將每個單元填入耐火粘土中(步驟SA-9)。接著，將 耐火粘土置于隧式熔爐或類似裝置并進行大約1100至1200。C溫度大約兩天 的主燒結(jié)程序(步驟SA-10)。然后以超音波或類似方式將盤狀成品從耐火粘 土中取出(步驟SA-ll)，而銀濕粘土則于盤狀成品的側(cè)表面印上圖案以在后 續(xù)制成中形成電極11涉驟SA-12)。在進行極性工藝(polling工藝)以增強壓 電效應(yīng)(步驟SA-13)之后，測量其電性特征(步驟SA-14)，而電極12附著于 非印有銀濕粘土的盤狀成品的一側(cè)表面(步驟SA-15)。接著再進行檢驗步驟 (步驟SA-16)，就可完成熱傳感器。
根據(jù)第一實施例，該陶瓷元件的居里點溫度可設(shè)定與熱傳感器的靈敏溫 度范圍之間有預(yù)定關(guān)系，尤其是，在陶瓷元件的溫度特征曲線上的居里點溫 度的鄰近區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上應(yīng)符合靈敏溫度范圍。因此將可在溫度特征斜度曲線十 分明顯的范圍中進行溫度檢測，而熱傳感器的熱能反應(yīng)將可增加。
另外，根據(jù)第一實施例，陶瓷元件的厚度可設(shè)計為相等或低于實質(zhì)上是 對應(yīng)于火警感應(yīng)中的預(yù)定時間常數(shù)的厚度，而使得陶瓷元件的熱容量可減 少。所以，熱傳感器的熱能反應(yīng)將可增加。
第二實施例
第二實施例將在下文中解釋。
在上述第一實施例中，陶瓷元件10需經(jīng)過極性工藝以使得每個細微結(jié) 晶與每個分域的自發(fā)極性均被定位于不同方向。然而，在極性工藝進行時， 上述的鐵電陶瓷元件10會顯示依自發(fā)極性的方向而定的明顯壓電效應(yīng)。因 此，當(dāng)附近零件因膨脹或類似因素而對鐵電陶瓷元件10施加力量，陶瓷元 件10的電荷會因為壓電效應(yīng)而比未經(jīng)過極性工藝的陶瓷元件10更容易改 變。
在第二實施例中， 一種用以制造可減低由壓電效應(yīng)所造成的噪音的熱傳 感器的方法將會被描述。第二實施例的主要特征是(1)為一種用以制造可 依據(jù)電介質(zhì)材料的介電常數(shù)在監(jiān)視區(qū)域內(nèi)測量溫度的熱感應(yīng)元件的方法，而 該方法包含加熱電介質(zhì)材料至等于或高于電介質(zhì)材料的居里點溫度的一個 溫度，并冷卻電介質(zhì)材料至低于電介質(zhì)材料的居里點溫度的一個溫度；以及 (2)在加熱電介質(zhì)材料時，電介質(zhì)材料維持在等于或高于居里點的溫度的溫 度持續(xù)一段預(yù)定的時間長度。 (陶瓷元件10的概要)
首先，依據(jù)第二實施例，下面將描述利用制造熱感應(yīng)元件的方法所制造 的陶瓷元件。圖11根據(jù)本發(fā)明的第二實施例顯示陶瓷元件在極性工藝之后 以及在實施制造熱感應(yīng)元件方法之前的示意圖。由于施加高直流電流電壓，
陶瓷元件10中的分別的結(jié)晶粒14的多個分域15結(jié)合在一起，而自發(fā)極性 16則被定位。另外，在多晶體鐵電材料13中，整體的自發(fā)極性一般已被定 位。圖12顯示陶瓷元件的輸出電壓己因極性工藝而定位自發(fā)極性的變化。 圖12顯示當(dāng)壓力施加于固定溫度的陶瓷元件10時，陶瓷元件10的輸出電 壓是如何地改變。由圖12可知，陶瓷元件10的輸出電壓在壓電效應(yīng)所產(chǎn)生 的壓力出現(xiàn)時會有明顯的變化。在第二實施例中的熱感應(yīng)元件制造方法可實 施于具有已結(jié)合分域的陶瓷元件10，而自發(fā)極性16則己因極性工藝而被定 位。其方法用來改變具有已結(jié)合分域與已因極性工藝而被定位的自發(fā)極性16 的陶瓷元件10的狀態(tài)。接著，在第二實施例中的熱感應(yīng)元件制造方法將會 被描述成為分域再造工藝。 (分域再造工藝的概要)
圖13為分域再造工藝的流程順序的流程圖。首先，陶瓷元件10逐漸加 熱至等于或高于鐵電材料13的居里點溫度的一個溫度(步驟S101)，并持續(xù)
維持在此等于或高于居里點溫度的溫度至一段預(yù)定時間長度(對應(yīng)于在后述 專利申請范圍中的"加熱")。舉例而言，當(dāng)包含鐵電材料13的陶瓷元件10是
PZT型鐵電材料13， PZT型鐵電材料13的居里點溫度為大約200。C。因此， 鐵電材料13逐漸加熱至等于或高于200°C的溫度并維持在等于或高于200°C 的溫度約30分鐘。
如圖11所示，鐵電材料13會失去自發(fā)極性16與分域15，當(dāng)它被加熱 至等于或高于自身的居里點溫度的一個溫度，并產(chǎn)生相變過渡而轉(zhuǎn)化成為順 電性材料。圖14為陶瓷元件加熱至等于或高于居里點溫度的一個溫度的示 意圖。如圖14所示，順電性材料17(對應(yīng)于在后述權(quán)利要求中的"電介質(zhì)材 料")失去自發(fā)極性16與分域15。
回到圖13，上述的陶瓷元件10冷卻至低于上述居里點溫度的一個溫度 (步驟S102:對應(yīng)于在后述權(quán)利要求中的"冷卻")。當(dāng)陶瓷元件10冷卻至低于 居里點溫度的溫度，順電性材料會產(chǎn)生相變過渡而再次轉(zhuǎn)換成鐵電材料13。 在此相變過渡中，包含不同方向的自發(fā)極性16的多個分域15將再次隨機產(chǎn) 生以形成圖11中的鐵電材料13。此后，分域再造工藝結(jié)束。
接著，將比較分域再造工藝之前具有已定位自發(fā)極性16鐵電材料13與 具有由分域再造工藝所產(chǎn)生的不同方向自發(fā)極性于其多個分域的鐵電材料 13兩者的輸出電壓。圖15顯示陶瓷元件10的輸出電壓在分域再造工藝之前 與之后的變化。由圖15可知，與分域再造工藝之前相比較，在分域再造工 藝之后壓力施加的過程中的輸出電壓變化變得十分微小。
因此，根據(jù)第二實施例，在加熱過程中，經(jīng)過極性工藝并包含有鐵電材 料13的陶瓷元件IO逐漸加熱至等于或高于陶瓷元件10中鐵電材料13的居 里點溫度的溫度，以使得鐵電材料13產(chǎn)生相變過渡并轉(zhuǎn)換成不具自發(fā)極性 16與分域15的順電性材料17。另外在上述冷卻過程中，陶瓷元件10冷卻 至低于居里點溫度的溫度，與順電性材料17產(chǎn)生相變過渡并轉(zhuǎn)換成鐵電材 料13，其具有多個分域15包含不同方向的自發(fā)極性16。因此，即使有因周 遭零件或類似膨脹所產(chǎn)生的力量施加于陶瓷元件10，由具有多個分域15其 不同方向的自發(fā)極性16的鐵電材料13所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)將會相互抵銷，進 而降低壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的噪音。
另外，在上述加熱過程中，由于陶瓷元件10維持在等于或高于居里點
溫度的一個溫度持續(xù)至一段預(yù)定時間長度，因此在極性工藝中所造成的變形 或類似情況將會被消除。因此，在冷卻過程中，變形并不會影響順電性材料 17相變過渡成為鐵電材料，而分域則是隨機地產(chǎn)生。
分域再造工藝還可利用分域15的隨機再造使得每個結(jié)晶粒14或鐵電材
料13的能量狀態(tài)變得穩(wěn)定。因此，陶瓷元件10中將不會有復(fù)雜殘余應(yīng)力場，
并可防止往后介電常數(shù)的變化。
(分域再造工藝介電常數(shù)的溫度特征的影響)
特別的是，由于在分域再造工藝與移除極性工藝所產(chǎn)生的變形或類似情 況之后，介電常數(shù)的溫度特征實質(zhì)上可維持在與分域再造工藝之前的標準相
同的標準，因此便可獲得較佳的溫度檢測元件特征。圖16顯示溫度與在分 域再造工藝之前與之后的相對介電常數(shù)之間的關(guān)系。在圖16中，白點所標 繪的是具有極性的陶瓷元件10的數(shù)據(jù)(如，在極性工藝之后而在分域再造工 藝之前)，與黑點所標繪的是不具有極性的陶瓷元件10的數(shù)據(jù)(如，在極性工 藝之后并在分域再造工藝之后)。
如圖16所示，在同樣的溫度時，不具有極性的陶瓷元件10的介電常數(shù) 普遍低于具有極性的陶瓷元件10的介電常數(shù)。然而，介電常數(shù)的溫度特征 斜度實質(zhì)上則與極性存在與否相無關(guān)聯(lián)。由此可知，既然本發(fā)明的陶瓷元件 10的溫度測量是利用上述的介電常數(shù)的溫度特征斜度，并且其不會受到介電 常數(shù)的絕對值影響;因此，適合的溫度檢測元件特征將可取得而與極性存在與 否無關(guān)聯(lián)。
(居里點溫度的減低)
最后，將會描述居里點溫度的減低。在本應(yīng)用中，在分域再造工藝的加 熱過程中，陶瓷元件10維持在等于或高于居里點溫度的溫度，以使得極性 工藝所產(chǎn)生的變形或類似情況被移除。因此，當(dāng)具有低居里點溫度的陶瓷元 件10被利用時，在加熱過程中所要求的溫度目標可變得較低，而加熱過程 所需的時間可被縮短，因此分域再造工藝時間所需的時間也可被縮短。下面 將會描述用以達到上述目的的陶瓷元件的居里點溫度10的減低。
圖17顯示陶瓷元件10的加入物質(zhì)與居里點溫度之間的關(guān)系。假設(shè) Pb(Mgl/3Nb2/3)03作為加入鉛鈦酸鹽(PbTi03)的雜質(zhì)，其為類鈣鈦礦結(jié)晶之 一 。雜質(zhì)的加入率以"x"為代表，鉛鈦酸鹽的結(jié)構(gòu)則可以用
"(1-x)xPb(Mgl/3Nb2/3)03-xxPbTi03"來表示。如圖17所示，加入率x與居 里點溫度Tc呈正比關(guān)系，而通過降低加入率x將可減低居里點溫度Tc。
當(dāng)居里點溫度Tc變得較低時，在分域再造工藝中的熱處理所要求的溫 度將會降低，而分域再造工藝所要求的時間也可隨之縮短。若只考慮所需要 的時間長短，最好是能夠降低居里點溫度越低越好。然而，伴隨著居里點溫 度Tc的變化，介電常數(shù)的溫度特征斜度也會改變。因此，為了獲得最佳的 斜度，居里點溫度Tc應(yīng)調(diào)整至固定標準。
圖18顯示居里點溫度Tc與相對介電常數(shù)s之間的關(guān)系。圖18顯示當(dāng)己 改變的雜質(zhì)加入率x摻入具有如圖17相同結(jié)構(gòu)的鉛鈦酸鹽(PbTi03)時所取得 的溫度特征曲線a至e。 一般熱傳感器的溫度檢測范圍最好是設(shè)定于大約 20。C至60。C的范圍內(nèi)。另一方面，在熱傳感器所執(zhí)行的溫度測量中，使用 介電常數(shù)的溫度特征斜度較為明顯的范圍可取得高音噪比。因此，居里點溫 度Tc最好是設(shè)定于具有明顯斜度的介電常數(shù)的溫度特征并符合大約20°C至 60。C的溫度檢測范圍。更明確的說來，當(dāng)范圍位于大約20。C至60。C之間， 雜質(zhì)加入率x設(shè)定于大約0.33，以及居里點溫度Tc降低至大約170°C時， 如同圖18中的溫度特征曲線e的適當(dāng)?shù)臏囟忍卣鲗⒖色@得。當(dāng)居里點溫度 Tc設(shè)定于相等或低于大約170°C的標準時，相較于PZT型鐵電材料13的居 里點溫度(亦即大約200°C)，居里點溫度Tc可以降低大約30度。因此，居 里點溫度Tc的降低對于分域再造工藝整個熱處理的溫度的降低與工藝所需 時間的縮短均有幫助。相反地，如果居里點溫度Tc非常低，將被檢測的溫 度會變得比鐵電材料的居里點溫度Tc還高。接著電介質(zhì)陶瓷產(chǎn)生相變過渡 以由鐵電陶瓷轉(zhuǎn)化成順電性材料進而改變其特征。為了預(yù)防如此的變化，居 里點溫度Tc必須被設(shè)定于等于或高于熱傳感器的溫度檢測范圍的一個溫度， 亦即等于或高于60。C。
根據(jù)第二實施例，在陶瓷元件中已完成極性工藝并具有高壓電效應(yīng)的鐵 電陶瓷元件被逐漸加熱至等于或高于鐵電材料的居里點溫度的溫度，并在加 熱過程中產(chǎn)生相變過渡以轉(zhuǎn)換成不具有自發(fā)極性與分域的順電性材料。另 外，在冷卻過程中，陶瓷元件冷卻至低于居里點溫度的一個溫度，并再產(chǎn)生 相變過渡以轉(zhuǎn)換成相變過渡轉(zhuǎn)換成具有不同方向自發(fā)極性的多個分域的鐵 電材料。因此，即使有因周遭零件或類似膨脹所產(chǎn)生的力量施加于鐵電陶瓷
元件，具有不同方向自發(fā)極性的多個分域的鐵電材料所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)將會 抵銷此力量，因此壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的噪音可被抑制。另一方面，由于介電常 數(shù)的溫度特征斜度受到一些影響，只有壓電效應(yīng)所造成的噪音會減低，因此 將可獲得溫度檢測元件特征。另外，由于分域是隨機再生以穩(wěn)定鐵電材料的 能量狀態(tài)，陶瓷元件中將不會有復(fù)雜殘余應(yīng)力場，因此將可避免往后的介電 常數(shù)變化。
另外，根據(jù)第二實施例，由于電介質(zhì)材料維持在溫度等于或高于居里點 溫度持續(xù)一段預(yù)定時間期間，極性工藝所產(chǎn)生的變形或類似情況會被移除。 因此，變形并不會影響相變過渡使得順電性材料轉(zhuǎn)化鐵電材料，分域則隨機 地形成。
另外，根據(jù)第二實施例，由于居里點溫度較低，而順電性材料的加熱過 程所需的時間可被縮短與制造熱感應(yīng)元件所需的時間也可被縮短。
另外，根據(jù)第二實施例，由于居里點溫度設(shè)定于大約60。C至170。C的
范圍內(nèi)，鐵電材料的溫度特征可在熱能感應(yīng)中得到最佳結(jié)果。
第一與第二實施例均已被描述。然而，本發(fā)明的特定結(jié)構(gòu)與方法可以有
其它的選擇或不違背本發(fā)明的技術(shù)概念的改進對應(yīng)于隨附的權(quán)利要求。下面 將描述本發(fā)明的另一設(shè)計。 (本發(fā)明的適用領(lǐng)域)
本發(fā)明不只可運用于上述熱傳感器1，也可運用于任何在監(jiān)視區(qū)域內(nèi) 感測熱并根據(jù)所感應(yīng)的狀態(tài)啟動警報器，如運用于熱檢測器中。
(本發(fā)明所解決的問題與本發(fā)明所提供的結(jié)果) 本發(fā)明所解決的問題與本發(fā)明所提供的結(jié)果不應(yīng)被上面所提供的描述 所限制。本發(fā)明還有可能解決上面未提到的問題，并可能提供上面未提到的 優(yōu)點。另外，本發(fā)明可能解決部分上面提到的問題，可能提供部分上面所提 到的優(yōu)點。舉例而言，即使熱傳感器的熱能反應(yīng)1不能滿足所要求的熱能反 應(yīng)標準，但只要所達成的熱能反應(yīng)至少比傳統(tǒng)熱傳感器更為優(yōu)良，本發(fā)明的 目的即可視為被達成。
(熱傳感器)
熱傳感器依據(jù)隨著陶瓷元件10的介電常數(shù)而變化的充電時間進行溫度
計算。然而，溫度計算的執(zhí)行并不應(yīng)被限制于上面的描述，并可通過隨著介
電常數(shù)而改變的震蕩頻率來執(zhí)行。
另外，雖然實施例中的熱傳感器是固定溫度型熱傳感器，其依據(jù)充電時 間隨著介電常數(shù)而改變的充電時間進行溫度計算，但熱傳感器的類型不應(yīng)被 限制于上述這一種，可以是不同類型熱傳感器依據(jù)隨著介電常數(shù)而改變的充 電時間變化率檢測溫度上升率。另外，熱傳感器除了包含依據(jù)隨著陶瓷元件 10的介電常數(shù)而改變的充電時間或震蕩頻率進行計算溫度的溫度計算單元 20外，還可另外包含溫度校正器，根據(jù)隨著陶瓷元件10的介電常數(shù)變化 率所產(chǎn)生的焦電電流或類似來校正溫度；以及開關(guān)，可切換于溫度計算單元 20與溫度校正器之間。
(陶瓷元件IO)
在第二實施例中，PZT型陶瓷為鐵電材料13所制成的陶瓷元件10。任 何鋯與鈦的混合率均可被采用。另外，PZT型陶瓷可包含添加物如鈮，鑭， 鈣和鍶。另外，鐵電材料13所制成的陶瓷元件10并不僅限于上述的PZT型 陶瓷或鉛鈦酸鹽(PbTi03)，也可以是具有其它類鈣鈦礦結(jié)晶線狀結(jié)構(gòu)的鐵電 陶瓷如鍶鈦酸鹽(SrTi03)或鋇鈦酸鹽(BaTi03)。
由鐵電陶瓷所形成的陶瓷元件10具有高硬度的優(yōu)點。然而當(dāng)此項優(yōu)點 并不是必要時，其它非陶瓷的鐵電材料也可被用來形成陶瓷元件10。非陶瓷 的鐵電材料13，舉例而言，高聚合物鐵電材料如壓電薄膜(Poly-vinyliden Fluorid，PVDF)，或鐵電結(jié)晶如氨基乙酸硫酸鹽。這些鐵電材料也可用以形成 陶瓷元件10。因此即使陶瓷元件10由鐵電材料而非鐵電陶瓷所形成，熱傳 感器1仍可根據(jù)介電常數(shù)或陶瓷元件10的介電常數(shù)的變化率進行溫度計算。 (分域再造工藝)
在第二實施例的步驟S101或步驟S102中，具有鐵電材料13的陶瓷元 件10在接受極性工藝之后會逐漸變熱或變冷。只要形成陶瓷元件的鐵電材 料13和電極12與鐵電材料13和電極12的粘性未損毀，陶瓷元件10將可 被快速地加熱或快速地冷卻。另外，第二實施例的步驟S101或步驟S102可 通過將陶瓷元件10置于其溫度設(shè)定等于或高于居里點溫度的加熱鎔爐，或 置于其溫度設(shè)定低于居里點溫度的冷卻缸而獲得。另外，于步驟S102中，
陶瓷元件io可通過自然散熱來冷卻。
另外，在第二實施例的步驟S101中，陶瓷元件10維持在溫度等于或高
于該陶瓷元件10的居里點溫度持續(xù)一段預(yù)定時間長度。維持該預(yù)定時間長 度的目的在于移除極性工藝與相變過渡轉(zhuǎn)換至順電性材料17所產(chǎn)生的變形 或類似情形。然而，若不需要移除變形或變形可被立即移除，或只有少許變 形，可以在陶瓷元件10加熱至等于或高于居里點溫度的一個溫度后立即進 行冷卻而不需維持陶瓷元件10于該溫度而等待該預(yù)定時間長度。當(dāng)離開陶 瓷元件10等于或高于居里點溫度的一個溫度所需要的時間被縮短時，分域 再造工藝的生產(chǎn)率會改善。
另外，某些鐵電材料13所制成的陶瓷元件10可在鐵電相態(tài)的低溫端具 有順電性相態(tài)。在此情況下，在第二實施例的步驟S101中，陶瓷元件10可 被冷卻至等于或低于居里點溫度，并可在步驟S102中，被加熱至等于或高 于居里點溫度的一個溫度。在此情況下，陶瓷元件10可維持在等于或低于 居里點溫度的一個溫度持續(xù)一段預(yù)定時間期間。
另外，在第二實施例中，鐵電材料13所制成的陶瓷元件10用以通過溫 度變化產(chǎn)生相變過渡于順電性材料17。然而，導(dǎo)引相變過渡的方式并不應(yīng)被 限制于上述的方式，而作用于順電性材料17的相變過渡可通過施加能量達 到，如壓力或光能。
產(chǎn)業(yè)上的利用可能性
本發(fā)明可改進熱感應(yīng)單元(例如陶瓷元件)的熱能反應(yīng)并產(chǎn)生快速熱能感應(yīng)。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例中的熱傳感器的結(jié)構(gòu)的功能方塊圖； 圖2顯示圖1的溫度計算單元的主要部分的電路圖； 圖3顯示溫度變化與陶瓷元件的充電時間之間的關(guān)系； 圖4為陶瓷元件的示意圖5顯示陶瓷元件或類似元件與其它元件的關(guān)系的平面圖與垂直剖面； 圖6顯示居里點溫度Tc與相對介電常數(shù)S之間的關(guān)系； 圖7根據(jù)熱能時間常數(shù)顯示熱能靈敏度的不同特征；
圖8顯示陶瓷元件厚度(水平軸)與熱容量的相對值(垂直軸)之間的關(guān)系； 圖9顯示陶瓷元件厚度與電極的合并厚度(水平軸)和熱容量的相對值(垂
直軸)之間的關(guān)系；
圖IO為制造陶瓷元件的方法的流程圖11根據(jù)本發(fā)明的第二實施例顯示陶瓷元件在極性工藝之后以及在實 施制造熱感應(yīng)元件方法之前的示意圖12顯示陶瓷元件的輸出電壓已因極性工藝而定位自發(fā)極性的變化； 圖13為分域再造工藝的流程順序的流程圖14為陶瓷元件加熱至等于或高于居里點溫度的一個溫度的示意圖15顯示陶瓷元件的輸出電壓在分域再造工藝之前與之后的變化；
圖16顯示溫度與在分域再造工藝之前與之后的相對介電常數(shù)之間的關(guān)
系；
圖17顯示陶瓷元件加入物質(zhì)與居里點溫度之間的關(guān)系； 圖18顯示居里點溫度與相對介電常數(shù)之間的關(guān)系； 圖19為傳統(tǒng)電熱調(diào)節(jié)器型熱傳感器的正視圖；以及
圖20為熱傳感器如圖19沿著切線A-A的局部剖面圖。
其中，附圖標記說明如下
I、 iio熱傳感器
IO陶瓷元件
II、 12電極 13鐵電材料 14結(jié)晶粒 15分域 16自發(fā)極性 17順電性材料 20溫度計算單元 30儲存單元 40控制單元
111檢測器主體 112電熱調(diào)節(jié)器 113電熱調(diào)節(jié)器導(dǎo)件 R1—R5電阻TR1—TR3晶體管 IC1比較器.
權(quán)利要求
1.一種熱傳感器，可根據(jù)陶瓷元件的介電常數(shù)在監(jiān)視區(qū)域中測量溫度，其中該陶瓷元件的居里點溫度設(shè)定在一定范圍之內(nèi)以使得該居里點溫度與該熱傳感器的靈敏溫度范圍有預(yù)定關(guān)系。
2. 如權(quán)利要求1所述的熱傳感器，其中該陶瓷元件的居里點溫度設(shè)定在一定范圍之內(nèi)以使得在該陶瓷元件的 溫度特征曲線上的居里點溫度的鄰近范圍實質(zhì)上符合該靈敏溫度范圍。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的熱傳感器，其中 該居里點溫度設(shè)定于大約60°C至170°C的范圍內(nèi)。
4. 一種熱傳感器，可根據(jù)陶瓷元件的介電常數(shù)在監(jiān)視區(qū)域中測量溫度熱 傳感器，其中該陶瓷元件的厚度等于或少于實質(zhì)上對應(yīng)于火警檢測中的預(yù)定時間常 數(shù)的厚度。
5. 如權(quán)利要求4所述的熱傳感器，其中 該時間常數(shù)等于或少于大約24秒。
6. 如權(quán)利要求4或5其中之一所述的熱傳感器，其中 該陶瓷元件的該厚度等于或少于大約100微米。
7. 如權(quán)利要求4至6其中任一所述的熱傳感器，其中 在該陶瓷元件上該陶瓷元件和電極的結(jié)合厚度等于或少于大約130微米。
8. 如權(quán)利要求1至7其中任一所述的熱傳感器，其中 該陶瓷元件為具有類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷元件。
9. 一種制造熱傳感元件的方法，該熱傳感元件可根據(jù)電介質(zhì)材料的介電 常數(shù)在監(jiān)視區(qū)域中測量溫度，該方法包括加熱該電介質(zhì)材料至等于或高于該電介質(zhì)材料的居里點溫度的一個溫 度；以及冷卻該電介質(zhì)材料至低于該居里點溫度的一個溫度。
10. 如權(quán)利要求9所述的制造方法，其中 該加熱過程包含維持該電介質(zhì)材料在等于或高于居里點溫度的該溫度 停留一段預(yù)定時間期間。
11. 如權(quán)利要求io所述的制造方法，其中該電介質(zhì)材料為具有類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷。
12. 如權(quán)利要求9至11其中任一所述的制造方法，其中 該居里點溫度以預(yù)定加入率加入預(yù)定雜質(zhì)至該電介質(zhì)材料內(nèi)而被降低。
13. 如權(quán)利要求9至12其中任一所述的制造方法，其中 該電介質(zhì)材料的該居里點溫度設(shè)定于大約60°C至大約170°C的范圍。
全文摘要
一種可根據(jù)陶瓷元件的介電常數(shù)在監(jiān)視區(qū)域中測量溫度的熱傳感器，其中該陶瓷元件的居里點溫度設(shè)定在一定范圍之內(nèi)，以使得該居里點溫度與該熱傳感器的靈敏溫度范圍具有預(yù)定關(guān)系。
文檔編號G08B17/06GK101115978SQ200680004260
公開日2008年1月30日 申請日期2006年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月7日
發(fā)明者土肥學(xué), 大森靖男, 川端芳美, 長島哲也 申請人:報知機股份有限公司