薄而紧凑的热电偶及其制造方法与流程

本发明涉及印刷热电偶及其制造方法，特别应用于航空领域，用于测量航空设备，特别是发动机的密闭部件的温度。本发明还应用于微电子领域，探测集成电路芯片的温度，以优化其冷却，监控其性能并避免过热损坏。考虑到芯片的尺寸非常小，测量点的定位必须非常精确，并且测量点的尺寸非常小。

背景技术：

1、热电偶是用来测量温度的探头。这些温度探头在工业和科学领域具有广泛的应用，其温度范围从非常低的温度(例如大约-270℃)到非常高的温度(例如大约2300℃)。此类热电偶例如用于航空领域。

2、热电偶的典型设计包括两种不同性质的导电金属材料，也就是说，具有不同的热和电性能。这两种金属在一端接触，形成“热结”。该热结代表进行测量的点。

3、在目前的大多数应用中，都使用有线热电偶。热结仅代表两根导线的焊接点。然而，有线热电偶体积庞大，会扰乱航空设备内的气流，特别是当它们集成到飞机发动机中，与发动机中循环的气流接触时，发动机的性能会降低，同时影响待探测的环境。

4、为了提高热电偶的集成度，最近开发了具有二维几何形状的薄热电偶(即具有几百纳米到几十微米量级的小厚度)。这些薄热电偶更容易集成，它们与分别在电子和航空工业中实施的纳米和微米制造或沉积方法兼容。因此，这些薄热电偶允许在制造过程中设计集成有测量功能的组件，从而实现健康监控。

5、在这些薄热电偶中，热结由不同层的沉积叠加而成，通过热电偶的臂连接到连接端子，整体上几乎保持二维，连接端子连接到所谓的“冷结”。事实上，热电偶的工作原理是基于塞贝克(seebeck)效应。这种效应表明，当热电偶的热结和冷结之间出现温度梯度时，就会产生热电电压，通过测量该电压，可获得热结处的温度。

6、薄热电偶结构的一个问题在于它们仍然太庞大并且占据很大的表面积。

技术实现思路

1、本发明旨在减小热电偶的体积。

2、为此，本发明提供了一种热电偶，包括：包括上表面的基底、包括第一水平部分和第一连接端子第一臂、以及包括第二水平部分和第二连接端子的第二臂。第一臂设置在基底的上表面上，第二臂设置在第一臂上，使得第二水平部分与第一水平部分至少部分地重叠，并使得第二连接端子与基底的上表面接触，由第一臂和第二臂之间的接触区域限定热电偶的热结。

3、有利地，本发明由以下特征补充，这些特征单独使用或以它们的任何技术上可能的组合使用。

4、第一臂的第一水平部分与第二臂的第二水平部分完全重叠。

5、第一臂的第一水平部分与第二臂的第二水平部分部分重叠，以便在基底、第一臂以及第二臂之间限定第一自由空间，优选地，电介质材料设置在第一自由空间中。

6、第一臂包括内端和外端，第一连接端子从基底上从外端延伸。

7、第二臂包括内端和外端，第二连接端子从外端延伸。

8、第一臂与第二臂部分地重叠，以在第一连接端子和第二臂的内端之间限定第二自由空间。

9、热电偶包括设置在第二自由空间中的电介质材料。

10、电介质材料在热电偶的温度工作范围内是绝缘的。

11、第二自由空间的体积大于第一自由空间的体积。

12、基底是电绝缘的，且优选为由选自以下的材料制成的热障涂层：氧化钇化氧化锆、单硅酸钇或单硅酸镱、二硅酸钇或二硅酸镱、氧化铝、超合金的氧化层或任何其他电介质。

13、第一臂和第二臂均包封在与基底相同材料的绝缘材料中。

14、本发明还涉及一种用于制造根据本发明的热电偶的方法，该方法包括以下步骤：

15、将第一臂沉积在基底上；

16、将第二臂的第二连接端子沉积在基底上，以便可选地在第一臂和第二臂之间留下第一自由空间；

17、从第二连接端子朝向基底内侧，沉积第二臂的水平部分，以与第一臂至少部分地重叠，以形成热电偶的热结。

18、本发明还涉及一种测量涡轮机叶片的温度的装置，包括根据本发明的热电偶，基底设置在叶片上。

19、本发明还涉及一种测量电子电路的确定区域的温度的装置，包括根据本发明的热电偶，热电偶设置在确定区域中，以使得热结设置在确定区域上。

20、与已知的结构不同，本发明使用三维叠加而不是平面中的简单布置，与将热电偶视为两种不同材料以及互连导线或迹线的点接合的已知结构不同的是，热电偶的元件即可设置在基底的平面内，也可设置在基底的平面外。

21、所提出的热电偶的结构是紧凑的，通过堆叠热电偶的臂，以将互连区聚集在一起来使其更紧凑。然而，互连区可以根据需要与热结间隔开，但该结构仍然是紧凑的。

22、此外，本发明的热电偶更加坚固。事实上，在热电偶的经典结构的情况下，两种金属仅在非常有限的位置相交，这使得热结容易受到损坏(腐蚀、冲击等)。

23、本发明使得能够减少热电偶占据的表面积。该热电偶既能确保最小的占用表面积，同时还使热结的表面积最大化，这提供了冗余：部分破坏(如划伤)将不太可能损害热电偶的性能。

24、因此，本发明能够测量航空设备(特别是发动机)的密闭部件中的温度，其中测量必须尽可能地具有最小的侵入性，因为需要将气动流的干扰最小化。

技术特征：

1.一种热电偶，包括：

2.根据权利要求1所述的热电偶，包括设置在所述第一自由空间(4)中的电介质材料(5)。

3.根据权利要求1或2所述的热电偶，其中，所述第一臂(1)包括内端和外端，所述第一连接端子从所述基底上从所述外端延伸。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热电偶，其中，所述第二臂(2)包括内端和外端，所述第二连接端子从所述外端延伸。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的热电偶，其中，所述第二臂(2)与所述第一臂(1)部分重叠，以在所述第一连接端子和所述第二臂的内端之间限定第二自由空间(7)。

6.根据权利要求5所述的热电偶，包括设置在所述第二自由空间(7)中的电介质材料(8)。

7.根据权利要求2或结合权利要求2的权利要求6所述的热电偶，其中，所述电介质材料(5、8)在所述热电偶的温度工作范围内是绝缘的。

8.根据权利要求5所述的热电偶，其中，所述第二自由空间(7)的体积大于所述第一自由空间的体积。

9.根据前述权利要求中任一项所述的热电偶，其中，所述基底是电绝缘的，优选为由选自以下的材料制成的热障涂层：氧化钇化氧化锆、单硅酸钇或单硅酸镱、二硅酸钇或二硅酸镱、氧化铝、超合金的氧化层或任何其他电介质。

10.根据前述权利要求中任一项所述的热电偶，其中，所述第一臂(1)和所述第二臂(2)均包封在与所述基底(3)的材料相同的绝缘材料中。

11.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的热电偶的方法，所述方法包括以下步骤：

12.一种测量涡轮机叶片的温度的装置，包括根据权利要求1至10中任一项所述的热电偶，基底(3)设置在所述叶片上。

13.一种测量电子电路的确定区域的温度的装置，包括根据权利要求1至10中任一项所述的热电偶，所述热电偶设置在所述确定区域中，以使热结设置在所述确定区域上。

技术总结
本发明涉及一种热电偶，包括：包括上表面(32)的基板(3)；第一臂(1)，包括第一水平部分(12)和第一连接端子(11)；第二臂(2)，包括第二水平部分(22)和第二连接端子(21)；第一臂设置在基板的上表面(32)上，第二臂设置在第一臂(1)上，使得第二水平部分(22)至少部分地覆盖第一水平部分(12)，并且使得第二连接端子(21)与基板(3)的上表面(32)接触，热电偶的热结(6)由第一臂(1)和第二臂(2)之间的接触区域限定。

技术研发人员：玛亚·吉雅吉雅,扬尼斯·斯塔西诺普洛斯
受保护的技术使用者：赛峰集团
技术研发日：
技术公布日：2024/5/12