一种零热流温度传感器及其制备方法与流程

1.本发明涉及温度传感器技术领域，具体为一种零热流温度传感器。


背景技术：

2.对于一些不易直接测量温度的环境，如人体内核以及某些恶劣环境等，温度传感器无法直接置于待测环境中，或待测环境对传感器会造成极为不利的影响，因此需要通过非接触测温的方式获取待测环境的温度。
3.由热力学第二定律，热量从高温物体传递到低温物体自发进行，不能从低温物体自发转移到高温物体。因此，当待测环境与中间介质存在温度梯度时，完全阻隔中间介质热量的散失，使得热量不断储存，中间介质温度不断上升。当中间介质与待测环境处于热量平衡时，热量不能继续由待测环境向中间介质传递，此时中间介质温度不再上升。由热力学原理可知，此时中间介质表面的温度与待测环境温度相等。通过测量中间介质的温度，就可获得待测环境的温度，这种方法叫做零热流法。传统的零热流温度传感器，温度达到平衡的时间较长；另外，需要额外的恒温加热模块，增加了系统的复杂程度。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷或不足，本发明一种零热流温度传感器。
5.为此，本发明提供的零热流温度传感器包括由多层ltcc瓷片制成的传感器本体，所述传感器本体的底面设有相互连接的第一热敏电阻和第一金属导线，所述传感器本体顶面设有焊盘，所述传感器本体内设有空腔，所述空腔内顶面设有相互连接的第二热敏电阻和第二金属导线，所述空腔的横截面尺寸大于第一热敏电阻尺寸及第二热敏电阻的尺寸，所述空腔内还设有第一隔热体，该第一隔热体顶部与第二热敏电阻接触、底部与空腔内部底面接触，且第一隔热体不与空腔侧壁接触，同时第一隔热体底部与第一热敏电阻共轴或两者的局部共轴，传感器本体内设有连接第一金属导线和焊盘及连接第二金属导线和焊盘的通孔，该通孔内设有导电材料，用于实现第一金属导线与焊盘的电连接及第二金属导线与焊盘的电连接。
6.一些方案中，所述空腔内还设有第二隔热体，该第二隔热体位于所述第一隔热体的周围，所述第二隔热体的导热系数小于第一隔热体。
7.可选的，所述第一隔热体的制备选自氧化铝气凝胶或与氧化铝气凝胶导热系数相同或相近的材料。
8.可选的，所述第二隔热体的制备材料选自陶瓷纤维或与陶瓷纤维导热系统相同或相近的材料。
9.优选的，所述第一热敏电阻与第二热敏电阻阻值相同。
10.优选的，所述第一隔热体的顶面形状及尺寸、第一隔热体的底面形状与尺寸、第一热敏电阻形状与尺寸及第二热敏电阻的形状与尺寸相同，所述氧化铝气凝胶、第二热敏电阻及第一热敏电阻同轴设置。
11.一些方案中，所述第二热敏电阻和第二金属导线嵌入空腔的顶面。
12.可选的，所述空腔内为圆柱体形。所述第一隔热体为圆柱体结构。所述第二隔热体为圆环柱体结构。
13.进一步，所述传感器本体由底部至顶部依次由第一ltcc瓷片、第二ltcc瓷片和第三ltcc瓷片制成，第二ltcc瓷片在底部至顶部方向上的厚度大于第一ltcc瓷片的厚度及第二的ltcc瓷片厚度，所述空腔由开设在第二ltcc瓷片中的空间形成；连接第一金属导线和焊盘的通孔贯穿第一ltcc瓷片、第二ltcc瓷片和第三ltcc瓷片，连接第二金属导线和焊盘的通孔贯穿第三ltcc瓷片。
14.本发明还提供了上述零热流温度传感器的制备方法。所述提供的方法包括：
15.(1)在第一ltcc瓷片上打孔，形成过孔并在过孔中填充导电材料，然后在第一ltcc瓷片底面进行丝网印刷形成第一热敏电阻及第一金属导线；
16.(2)在第二ltcc瓷片上打孔，分别形成空腔的空间及过孔，接着在过孔中填充银浆；
17.(3)在第三ltcc瓷片上打孔，形成过孔并进行银浆填充，然后在第三ltcc瓷片底面进行丝网印刷形成第二热敏电阻及第二金属导线，并在第三ltcc瓷片上表面进行焊盘印刷；
18.(4)将第二ltcc瓷片叠放在第一ltcc瓷片上形成空腔，在空腔中放置第一隔热体；之后放置第三ltcc瓷片；
19.(5)将第三ltcc瓷片叠放于第一隔热体上方；
20.(6)将叠片后的器件在70-90℃、5-20mpa压力下静压；
21.(7)静压后在800℃-950℃下进行烧结得到零热流温度传感器。
22.进一步的方案中，步骤(4)中在空腔中放置第一隔热体和第二隔热体。
23.该温度传感器包括两个热敏电阻，其中一个热敏电阻与中间介质接触，根据两个热敏电阻测得的温度以及隔热材料和中间介质的导热系数可得到与中间介质接触的待测环境的温度。
24.本发明的温度传感器基于ltcc工艺制造，ltcc技术易于制作层数很高的器件，可将隔热材料埋入其中，免除了封装传感器的成本，并且可以实现无源和有源的集成，可将测试电路集成在器件中，进一步减小了体积和重量，大幅降低了温度传感器的温度响应时间并且便于狭窄空间等特殊环境的测试；该传感器在中间隔热材料氧化铝气凝胶的侧面有陶瓷纤维，能有效阻止热量从侧面散失，保证了测试的准确度；该传感器不需恒温控制，减小了系统的复杂程度。
附图说明
25.图1为本发明的零热流温度传感器的结构截面图。
26.图2为具体实施例中氧化铝气凝胶的三维结构图。
27.图3为具体实施例中陶瓷纤维的三维结构图。
28.图4为具体实施例中零热流温度传感器制备流程图。
29.图5为本发明的零热流温度传感器测试示意图。
具体实施方式
30.除非另有说明，本文中的术语或方法根据相关领域普通技术人员的认识理解或采用已有方法实现。
31.参见图1-3所示，本发明的传感器包括由多层ltcc瓷片制成的传感器本体，所述传感器本体的底面设有相互连接的第一热敏电阻1-1和第一金属导线8，所述传感器本体顶面设有焊盘9，所述传感器本体内设有空腔，所述空腔内顶面设有相互连接的第二热敏电阻1-2和第二金属导线8，所述空腔的横截面尺寸大于第一热敏电阻尺寸及第二热敏电阻的尺寸，所述空腔内还设有第一隔热体6，该第一隔热体顶部与第二热敏电阻接触、底部与空腔内部底面接触，且第一隔热体不与空腔侧壁接触，即第一隔热体与空腔侧壁留有空隙，同时第一隔热体底部与第一热敏电阻共轴或两者的局部共轴从而因第一隔热体的隔热在第一热敏电阻和第二热敏电阻之间产生温度差，传感器本体内设有连接第一金属导线和焊盘及连接第二金属导线和焊盘的通孔7，该通孔内设有导电材料，用于实现第一金属导线与焊盘的电连接及第二金属导线与焊盘的电连接。
32.参照图5，本发明的传感器适用测量一些不易直接测量温度的环境，如人体内核以及某些恶劣环境等，或用于检测对传感器会造成极为不利影响的待测环境的温度，即本发明的传感器适用非接触测温的方式。
33.本发明传感器的工作原理是：热量会自发地从高温处传导到低温处，则存在从待测环境传到中间介质再流过隔热层的热流。一定时间后，中间介质与隔热层中的传热会达到稳态，检测时，热敏电阻1-1与中间介质10(如生物质等固体)接触，根据公式(1)可得到待测介质(或待测环境)11的温度，其中，t为待测介质11的温度，t1为第一热敏电阻1-1测得的温度，t2为第二热敏电阻1-2测得的温度，k1为氧化铝气凝胶6的导热系数，k2为中间介质10的导热系数，
[0034][0035]
一些优选的方案中，为确保检测结果准确，所述空腔内还设有隔热材料5，该第二隔热体位于所述第一隔热体的周围，且第二隔热体的导热系数小于第一隔热体的导热系数。
[0036]
具体方案中，所述第一隔热体选自氧化铝气凝胶或与氧化铝气凝胶导热系数相近的材料。还有些具体方案中，所述第二隔热体的制备材料选自陶瓷纤维或与陶瓷纤维导热系统接近的材料。
[0037]
一些方案中，受加工条件的影响，所述第二热敏电阻和第二金属导线嵌入空腔的顶面。
[0038]
为确保检测结果准确，所述第一热敏电阻与第二热敏电阻阻值相同。进一步一些优选方案中，所述第一隔热体的顶面形状及尺寸、第一隔热体的底面形状与尺寸、第一热敏电阻形状与尺寸及第二热敏电阻的形状与尺寸相同，所述氧化铝气凝胶、第二热敏电阻及第一热敏电阻同轴设置。
[0039]
本领域技术人员可以根据实际加工条件，选择空腔的具体形状及其内容物的具体形状，一些方案中，所述空腔内为圆柱体形。所述氧化铝气凝胶为圆柱体结构。所述陶瓷纤维为圆环柱体结构。
[0040]
考虑到材料及加工条件，所述传感器本体由底部至顶部依次由第一ltcc瓷片、第二ltcc瓷片和第三ltcc瓷片制成，第二ltcc瓷片在底部至顶部方向上的厚度大于第一ltcc瓷片的厚度及第二的ltcc瓷片厚度，所述空腔由开设在第二ltcc瓷片中的空间形成；连接第一金属导线和焊盘的通孔贯穿第一ltcc瓷片、第二ltcc瓷片和第三ltcc瓷片，连接第二金属导线和焊盘的通孔贯穿第三ltcc瓷片。
[0041]
具体方案中，本领域技术人员可根据实际加工条件，在尽可能满足待测对象检测结果准确的条件下确定传感器内各部件、部位及结构的具体尺寸。
[0042]
实施例：
[0043]
该实施例的传感器本体由第一ltcc瓷片2、第二ltcc瓷片3和第三ltcc瓷片4构成，其中第一ltcc瓷片2的层数为一层，第二ltcc瓷片3的层数为24层，第三ltcc瓷片4的层数为4层，单层ltcc瓷片(杜邦dupont)的厚度为127μm；
[0044]
该实施例中空腔和第一隔热体均为圆柱形，隔热材料为圆环柱形，第一隔热体周围设有隔热材料，第一隔热体选自氧化铝气凝胶，隔热材料选自陶瓷纤维，参照图2，氧化铝气凝胶6为高度为3mm，直径为3mm，参照图3，陶瓷纤维5为空心圆柱高度为3mm，内径3mm，外径10mm，且热敏电阻1-1、热敏电阻1-2和氧化铝气凝胶6同轴放置。
[0045]
结合图4所示，该实施例的零热流温度传感器的制备方法包括：
[0046]
(a)对第一ltcc瓷片2进行打孔，形成过孔2-1；
[0047]
(b)对过孔2-1填充导电银浆7-1并在第一ltcc瓷片2的下表面对第一热敏电阻1-1及金属导线8进行丝网印刷；
[0048]
(c)对第二ltcc瓷片3的每层瓷片3-1进行打孔，形成过孔3-2及用于放置氧化铝气凝胶和陶瓷纤维的空腔区域3-3；
[0049]
(d)对过孔3-2进行填充银浆7-2；
[0050]
(e)对第三ltcc瓷片4的底层瓷片4-1进行打孔，形成过孔4-2；
[0051]
(f)对过孔4-2填充导电银浆7-3并对第二热敏电阻1-2和金属导线8进行丝网印刷；
[0052]
(g)对第三ltcc瓷片4顶层的3层瓷片4-3进行打孔，形成过孔4-4；
[0053]
(h)对过孔4-4填充导电银浆7-4并在第三ltcc瓷片顶层4-3的上表面印刷焊盘9；
[0054]
(i)按照第一ltcc瓷片2至中层ltcc瓷片3的顺序进行叠片，然后将氧化铝气凝胶6和陶瓷纤维5放置于中间区域；
[0055]
(j)按照ltcc瓷片4-1至ltcc瓷片4-3的顺序叠放于氧化铝气凝胶5和陶瓷纤维6的上方；
[0056]
(k)将叠片后的器件在70-90℃、5-20mpa压力下静压3-10分钟；
[0057]
(l)将ltcc瓷片进行切片形成单独的器件；
[0058]
(m)将器件在800℃-950℃下进行烧结，基于ltcc的零热流温度传感器的制作全部完成。