微型熱電偶的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種改良的、高強度的微型熱電偶(10)，其包括每個均優(yōu)選為細(xì)長金屬芯(18,22)形式的第一和第二微絲(12，14)，第一和第二微絲(12，14)具有外部玻璃覆層(20,24)；至少一個微絲(12，14)為非晶微絲(12)，并且優(yōu)選方式是其他微絲為結(jié)晶的微絲(14)。通過將微絲(12,14)的遠(yuǎn)端剝除而形成熱電偶結(jié)(16)以提供剝離的端部(18a，22a)。該剝離的結(jié)晶微絲端部(22a)纏繞該剝離的非晶微絲端部(18a)以形成一連串的相鄰盤旋結(jié)構(gòu)(30)。在例如飛機元件的碳纖維復(fù)合材料的制備和修復(fù)中該微型熱電偶(10)達(dá)到了特別的效用。
【專利說明】微型熱電偶
[0001]對相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本發(fā)明要求享受2011年04月04日提出的臨時申請?zhí)枮镾/N61/516432的權(quán)利，在此通過引用將其整體引入。
【背景技術(shù)】【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明主要涉及利用一對加長金屬芯微絲制造的設(shè)計穩(wěn)健的改良微型熱電偶。更特別地，本發(fā)明涉及這種微型熱電偶及其制備方法，其中至少一個該微絲是高強度、玻璃包覆、非晶態(tài)金屬芯微絲，并且熱電偶結(jié)包括圍繞非晶態(tài)微絲的其他微絲的螺旋纏繞。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)的描述
[0005]熱電偶實質(zhì)上是雙金屬結(jié)，其提供與熱電偶結(jié)所經(jīng)受的溫度成比例的輸出電壓。熱電偶在眾多應(yīng)用中是十分常見的。然而，在特定情況下熱電偶必須具有極小的尺寸，通常稱之為微型熱電偶。將這些相當(dāng)微小的熱電偶用于各種裝置中，例如用于醫(yī)學(xué)裝置(例如，消融導(dǎo)管)、或在制備或修補復(fù)合纖維飛機構(gòu)件或類似物期間的溫度監(jiān)測中。在后面的實例中，在固化過程期間將該微型熱電偶的熱電偶結(jié)嵌入到復(fù)合材料中以監(jiān)測溫度。該微型熱電偶必須在尺寸上與強化纖維相稱以不會在制造或修補的部分引入弱點。此外，該微型熱電偶必須具有足夠的機械強度以承受住操作、扭絞以及在復(fù)合部分的制備或修補過程中所形成的應(yīng)力和升高的壓力，并且還應(yīng)當(dāng)在整個重復(fù)熱循環(huán)期間具有穩(wěn)定的熱電勢(也稱之為熱電動勢或塞貝克系數(shù))。在復(fù)合材料固化期間如果熱電偶遭受了重復(fù)變形，則常規(guī)微型熱電偶的缺陷在于其熱電勢EMF會變化。
[0006]美國專利號7361830公開了一種微型熱電偶，通過以下步驟形成:將絕緣層從至少第一和第二微絲電極的相鄰遠(yuǎn)端移除，然后通過利用無鉛焊料而焊接該剝離后的端部，或者通過將該端部焊接在一起而在該遠(yuǎn)端形成了導(dǎo)電性熱電偶結(jié)。隨即，利用熱收縮聚合物外皮覆蓋該形成的熱電偶結(jié)。這種類型的微型熱電偶具有的難題在于由于該聚合物外皮的熱特性它僅在有限的溫度范圍內(nèi)工作。
[0007]另一種類型的微型熱電偶在題目為Double Glass Drag Spinning Method ofFabrication of Thermoelectric Coaxial Cables and Microthermocouples, Kantster等，Journal of Optoelectronics and Advanced Materials,第 8 卷，第 2 期，2006 年 4 月，第601-603頁的文章里有所描述。為了利用碲化鉍半導(dǎo)體和半金屬芯制備較長的玻璃包覆同軸微絲，此微型熱電偶設(shè)計采用了憑借熱爐加熱的雙重軟化玻璃拖動旋轉(zhuǎn)法。所得到的微絲具有非常高的靈敏度，但是此同軸設(shè)計承受了碲化鉍材料的脆性。
[0008]其他重要的背景文獻(xiàn)包括美國專利號5240066、7041911和High FrequencyProperties of Glass-Coated Microwire,Antonenko 等，Journal ofApplied Physics,第83卷，第11期，1998年6月。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明克服了以上概述的問題并且提供了大大改善的具有穩(wěn)健設(shè)計和高強度的微型熱電偶，特別地適用于在任何上下文所需要的微型熱電偶中使用，尤其在碳纖維復(fù)合材料的制備和修補中。一般來說，根據(jù)本發(fā)明的微型熱電偶包括第一和第二伸長微絲電極，在該電極之間遍及其長度的一部分具有一電絕緣屏障，且該電極的至少一個由非晶態(tài)金屬材料形成。導(dǎo)電熱電偶結(jié)提供在第一和第二電極之間，并且包括其中一個電極纏繞另一個電極的長度；優(yōu)選地，該結(jié)形成在該第一和第二電極的并置端部。
[0010]在特別優(yōu)選的方式中，每個微絲電極均是采用常規(guī)Taylor-Ulitovsky工藝制備的玻璃包覆微絲以使得該金屬微絲芯具有從大約15-50微米、更優(yōu)選為從大約25-40微米范圍的直徑，帶有具有從大約1-10微米、更優(yōu)選為從大約2-8微米厚度的玻璃覆層。該微絲實質(zhì)上能夠具有任何預(yù)定的長度，但是長度優(yōu)選為從大約2cm-3m并且為并行毗鄰的。為了最小化該微型熱電偶的橫向尺寸，第一和第二電極沿著其長度的至少一部分、并且優(yōu)選地在玻璃覆層的全部長度范圍內(nèi)相互連接。
[0011]如以上所提出的，微型熱電偶電極的至少一個是一非晶微絲。如在此所采用的，“非晶”意味著金屬芯是實質(zhì)上未結(jié)晶化、無分化的結(jié)構(gòu)，在其中不具有原子或分子的可感測組織或形狀，并且在其中具有不超過大約10重量％的結(jié)晶相。這些類型的非晶微絲具有強度、硬度以及熱電特性，其在現(xiàn)在的微型熱電偶中是非常理想的。
[0012]首選為形成微型熱電偶的部分的其他微絲是一實質(zhì)上結(jié)晶化的微絲，其特征為遍及其中的實質(zhì)上一致的結(jié)晶化結(jié)構(gòu)，在其中具有不超過大約10重量％的非結(jié)晶相。該實質(zhì)上結(jié)晶化的微絲比非晶微絲更加容易變形，并且因此該結(jié)晶化微絲的剝離端部優(yōu)選被非晶微絲的剝離端部所環(huán)繞以形成該微型熱電偶結(jié)。
[0013]可以利用高導(dǎo)電性金屬(例如，銀、金或銅)薄層(自大約1-10微米)覆蓋該形成的微型熱電偶結(jié)，并且如果適于一給定端部用途，可以具有施加到該微型熱電偶結(jié)的一絕緣材料(例如，環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺清漆)薄層，其具有或不具有高導(dǎo)電性金屬覆蓋層的存在。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明的微型熱電偶的充分放大的截面圖；并且
[0015]圖2是圖1的微型熱電偶的垂直截面圖，其圖解了首選的熱電偶結(jié)。
【具體實施方式】
[0016]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，較佳的微型熱電偶10在圖1和2中圖示出，并且主要包括第一和第二相鄰、相互連接的微絲12和14以及與微型熱電偶10的一個端部相鄰的“熱端”或熱電偶結(jié)16。
[0017]在圖解實施方式中，微絲12形成為具有細(xì)長的金屬的非晶芯18以及在芯18周圍的電絕緣玻璃外皮20。同樣地，該微絲14具有也被電絕緣玻璃外皮24包圍的細(xì)長的實質(zhì)上結(jié)晶的金屬芯22。如圖所示，借助適當(dāng)?shù)恼辰Y(jié)劑28，例如環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺清漆，微絲12和14在微型熱電偶10的“冷”端26之間沿著其長度相互連接。這種粘結(jié)劑可以涂敷在微絲12和14的全部玻璃涂層長度之上，或者沿著此長度在選定的相隔開的區(qū)域上。[0018]采用已知的Taylor-Ulitovsky工藝通過將熔融的金屬芯鑄造到連續(xù)拉制玻璃微細(xì)管上而方便地制造微絲12和14。例如，此工藝在美國專利號5240066中公開，在此通過引用將其全部引入，并且可應(yīng)用到非晶和微晶微絲這二者的形成中。此外，市場上提供了各種玻璃覆層微絲，例如，來自西班牙圣塞瓦斯蒂安的Tamag Iberica有限公司以及在摩爾多瓦的基希納烏的Microfir Tehnologii Industriale公司。能夠購買具有5-110微米直徑的金屬芯和1-10微米厚度的玻璃覆層的這種微絲。金屬芯的非晶或微晶結(jié)構(gòu)能夠采用合適的金屬合金復(fù)合物和工藝參數(shù)制備。
[0019]通過將外皮20和24從相應(yīng)的微絲芯18和22剝除以形成剝脫的微絲端部18a和 22a從而形成該熱電偶結(jié)16。接著，該剝脫芯22a纏繞該剝脫芯18a以在芯22a與18a之間提供一優(yōu)良電學(xué)結(jié)。為此目的，較佳的是將該剝脫芯22a纏繞以提供一連串沿著剝脫芯 18a的緊湊且緊密相鄰的盤旋結(jié)構(gòu)30(優(yōu)選為大約4-10圈）。該纏繞的熱電偶結(jié)16還可以采用無鉛焊料進(jìn)行焊接?？梢岳酶邔?dǎo)電性金屬（例如，銀、金或銅）薄層（自大約1-10 微米）覆蓋該形成的微型熱電偶結(jié)16，并且如果適于一給定端部用途，該形成的微型熱電偶結(jié)16可以具有施加到所述結(jié)的一電絕緣材料（例如環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺清漆）薄層，其具有或不具有高導(dǎo)電性金屬覆蓋層的存在。
[0020]剝除該外皮20和24以提供芯端部18a和22a能夠由機械方法或者通過在氫氟酸溶液中刻蝕該玻璃而實現(xiàn)。芯端部22a圍繞芯端部18a的纏繞能夠利用由優(yōu)質(zhì)鋼管制備且具有形成于其中的狹窄的縱向溝槽的簡單回轉(zhuǎn)工具實現(xiàn)且按照夾緊微絲端部22a的尺寸制造。
[0021]特別優(yōu)選的是，該微絲12為非晶玻璃覆層微絲。這是因為這種微絲具有理想的機械特性，并且尤其是硬度和高達(dá)3GPa的高拉伸強度（比低碳鋼高10倍以上并且接近碳化纖維強化聚合物復(fù)合物）。這種特性是因為非晶金屬微絲芯18的基本無瑕疵且非晶化的結(jié)構(gòu)。示例非晶金屬合金包括具有15%硅和10%硼（均是原子數(shù)百分比）添加物的Co-基合金。然而，在本領(lǐng)域也可以采用許多其他的適用合金組分。結(jié)晶化微絲芯22可以由鎳、 鎳-鉻或銅-鎳（康銅類型）合金鑄造。
[0022]實施例
[0023]根據(jù)本發(fā)明利用非晶正微絲電極和負(fù)微絲電極制備了一批微型熱電偶。該正電極按照常規(guī)由含鐵、鉻、硼和硅的非晶84KXCP鈷基合金制備，并且具有大約35微米直徑的合金芯，且在該芯周圍具有大約3-5微米厚度的玻璃外皮。該負(fù)電極由康銅合金（45%鎳和 55%銅）制備，且具有大約20-25微米直徑的金屬芯且在該芯周圍具有厚度大約為5微米的玻璃外皮。這兩種微線均由摩爾多瓦的基希納烏`的Microfir Tehnologii Industriale 公司制造。
[0024]然后通過很小劑量環(huán)氧樹脂膠的施加而將正和負(fù)微絲電極沿著若干米的長度粘合到一起。接著將該粘合的微絲對切割為大約30cm的長度。為了產(chǎn)生熱電偶結(jié)，這兩微絲的玻璃外皮在其一個端部被剝離大約4-5_長度。通過采用微型滾輪工具在20倍顯微鏡下機械性實施該玻璃去除。接著使用上面所述的管狀回轉(zhuǎn)工具將露出的負(fù)微絲電極纏繞到正微絲電極以得到7-10匝的緊密螺旋結(jié)構(gòu)。接著利用銅進(jìn)行電鍍該纏繞的線熱電偶結(jié)以提供大約3-5微米厚度的外部銅層。
[0025]在熱電偶中遠(yuǎn)離熱電偶結(jié)的相反端部的微絲也是暴露且分離的，并且各自焊接到常規(guī)小印刷電路板的兩個焊盤上，該印刷電路板用于將該微型熱電偶連接到精密數(shù)字電壓表。
[0026]當(dāng)熱電偶結(jié)暴露于不同溫度時，對七個這些微型熱電偶樣品的所生成的熱EMF的一致性和穩(wěn)定性進(jìn)行測試。在此測試中，包括電路板焊盤以及所連接的微絲的熱電偶的冷結(jié)保持在環(huán)境溫度并且由一標(biāo)準(zhǔn)T-型熱電偶(銅+康銅)監(jiān)控。具有0.1微伏精度的數(shù)字電壓表用于測量來自該微型熱電偶的輸出電壓。
[0027]在測試中，每一微型熱電偶的纏繞絲熱電偶結(jié)首先浸入到融化冰浴((TC )中，并且接著在保持為使純錫熔融(231.93°C)的恒溫器中。經(jīng)由交替浸入在熔融錫和融化冰中而通過對纏繞絲熱電偶結(jié)進(jìn)行多次加熱和冷卻而測試該熱電偶的穩(wěn)定性。對于該七個所制備的樣品，通過在O與231.93°C之間比較所生成的EMF的總數(shù)值而定義該熱電偶的一致性。
[0028]該平均(0-231.930C )EMF值設(shè)定為6550微伏，對于不同樣品具有偏差，包括那些承受重復(fù)加熱和冷卻循環(huán)，為± 15微伏或0.25%。通過比較，市場所售的最佳熱電偶例如為由Omega公司制備、具有0.5%的精度水平。
【權(quán)利要求】
1.一種微型熱電偶，包括第一細(xì)長微絲電極和第二細(xì)長微絲電極，在該第一和第二電極之間遍及于其長度的一部分上具有電絕緣屏障，所述電極中的一個由非晶金屬材料形成；以及導(dǎo)電熱電偶結(jié)，包括一個電極纏繞另一電極的一段長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型熱電偶，每一所述微絲電極具有大約2cm-3m的長度，并且相互并行相鄰。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型熱電偶，每一所述微絲電極包括金屬材料芯，利用絕緣材料外皮沿其長度部分包圍該芯。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型熱電偶，所述芯具有大約15-50微米的直徑，所述外皮具有大約1-?ο微米的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型熱電偶，所述芯直徑為大約25-40微米，所述外皮厚度為大約2-8微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微型熱電偶，所述微絲電極沿著所述部分的長度方向相互連 接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的微型熱電偶，所述微絲電極由施加到其所述外皮上的粘結(jié)劑而相互連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型熱電偶，所述第二電極纏繞所述第一電極以形成所述熱電偶結(jié)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微型熱電偶，纏繞所述第二電極以形成一連串所述第二電極環(huán)繞所述第一電極的相鄰且緊密的回旋結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的微型熱電偶，所述第一電極為由非晶金屬材料形成的所述的一個電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的微型熱電偶，所述第二電極為由實質(zhì)上結(jié)晶的金屬材料形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型熱電偶，具有施加于所述熱電偶結(jié)的高導(dǎo)電金屬薄層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的微型熱電偶，所述層由銅、銀或金形成且具有大約1-10微米的厚度。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型熱電偶，具有施加于所述熱電偶結(jié)的絕緣材料薄層。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的微型熱電偶，所述絕緣材料包括環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺清漆。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型熱電偶，所述熱電偶結(jié)形成在所述第一和第二電極的并列端部。
17.一種制備微絲熱電偶的方法，采用細(xì)長的第一和第二微絲電極，第一和第二微絲電極在所述第一和第二電極之間沿著其長度的一一部分具有電絕緣屏障，所述方法包括以下步驟: 通過將一個電極纏繞于另一個電極而形成導(dǎo)電熱電偶結(jié)， 所述電極中的一個由非晶金屬材料形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，每一所述微絲電極具有大約2cm-3m的長度，并且并行相鄰。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，每一所述微絲電極均包括金屬材料芯，利用絕緣材料外皮沿其長度部分包圍該芯。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，所述芯具有大約15-50微米的直徑，所述外皮具有大約1-10微米的厚度。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，所述芯直徑為大約25-40微米，所述外皮厚度為大約2-8微米。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，所述微絲電極沿著所述部分的長度方向相互連接。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，所述微絲電極由施加到其所述外皮上的粘結(jié)劑而相互連接。
24.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，包括以下步驟:將所述第二電極纏繞所述第一電極以形成所述熱電偶結(jié)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，包括以下步驟:纏繞所述第二電極以形成一連串所述第二電極環(huán)繞所述第一電極的相鄰且緊密的回旋結(jié)構(gòu)。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，所述第一電極為由非晶金屬材料形成的所述的一個電極。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，所述第二電極為由實質(zhì)上結(jié)晶的金屬材料形成。
28.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，包括以下步驟:將高導(dǎo)電率金屬薄層施加于所述熱電偶結(jié)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，所述層由銅、銀或金形成且具有大約1-10微米的厚度。
30.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，包括以下步驟:將絕緣材料薄層施加于所述熱電偶結(jié)。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，所述絕緣材料包括環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺清漆。
32.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，包括以下步驟:在所述第一和第二電極的并列端部形成所述熱電偶結(jié)。
【文檔編號】H01L35/02GK103563112SQ201180069896
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2011年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月4日
【發(fā)明者】E·索凱恩 申請人:Tsi技術(shù)有限公司