热电阻感温元件及其制造方法和设备与流程

本发明涉及一种热电阻感温元件，尤其涉及一种热电阻感温元件及其制造方法和设备。

背景技术：

温度检测领域选用热电阻作为温度感测元件，或以热电阻为核心元件制成各式温度传感器。热电阻感测温度是利用某些金属导体的电阻率随温度变化而呈单调改变的特性来进行温度测量的。随着技术进步，铂膜电阻得以规模化生产，性价比令人满意，采用铂膜电阻作为感温元件的温度传感器普遍使用，但在感温区域面积上以及温度急剧变化条件下其具有局限性，所以线绕铂(或其它标准的感温电阻丝)电阻依然有大量应用市场。

目前国内外线绕铂电阻测温元件通常采用单线或双线绕法，主要有以下四种类型结构：(1)铂丝内绕陶瓷管式，即将细铂丝绕成螺旋后吊在两孔或四孔的陶瓷壳中，这种结构的铂电阻测温元件属于单线绕法，抗震性较差，抗电扰性差。(2)铂丝外绕陶瓷骨架式，即将细铂丝绕在陶瓷杆外表面，涂釉而成，这种结构的测温元件属于双线绕法，热稳定性较差，有一定抗电扰性。(3)铂丝外绕玻璃骨架式，即将细铂丝绕在刻槽的玻璃棒上，外封玻璃套管，易碰碎。(4)铂丝外绕云母骨架式，即将铂丝绕在片状云母片上而成，这种结构的测温元件也属于双线绕法，有一定热稳定性、抗电扰性，但易受云母热膨胀或者高温放气影响。上述几种线绕铂电阻具有一定的热容量，均不易做成超小、超薄或超扁平化的感温元件；强电磁环境下结构上的抗扰性缺陷完全凸现。

感温元件是温度测量的传感核心关键部件，尤其在复杂的电磁环境中，感温元件的结构设计须有严格的抗电磁干扰要求，因为不同的产品在不同的测温应用环境中对感温元件有不同的技术需求，以便于实时反映出测温区域或测温点在线温度的变化，通常在连续生产工艺条件下也许某个点温度就能够完全反映出实际温度，但在某些应用条件下则需选择一个较大的测温区域内均值才能反映出实际温度变化。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种抗电磁干扰能力强、抗震性好、感温区域面积可根据需要定制的热电阻感温元件。

本发明的另一目的在于提供一种热电阻感温元件的制造方法，其能够根据感温区尺寸和客户需要定制相应的感温元件。

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

根据本发明的一方面，提供了一种热电阻感温元件，包括基材和感温电阻丝，所述感温电阻丝固定设置于所述基材的一个表面上，所述感温电阻丝绕制出至少一个阵列线圈，所述感温电阻丝在每个所述阵列线圈中向着该阵列线圈的中心位置逐圈绕进，并在所述中心位置反向绕回后逐圈绕出。

在一实施例中，该元件的所述感温电阻丝绕制出偶数个阵列线圈。

在一实施例中，该元件的基材上设置有布线区域，所述阵列线圈设置于所述布线区域内，所述阵列线圈关于所述布线区域的几何中心对称设置。

在一实施例中，该元件的所述感温电阻丝还绕制出多个调阻区域，所述调阻区域与所述阵列线圈串联。

在一实施例中，该元件的所述调阻区域包括至少一个调阻粗调区域和至少一个调阻细调区域，所述调阻粗调区域和所述调阻细调区域串联。

根据本发明的另一方面，提供了一种热电阻感温元件的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、获取热电阻感温元件的相关数据；步骤二、根据获得的相关数据确定设计参数；步骤三、设计包含有偶数个阵列线圈的布线路径；步骤四、按照设计的布线路径进行布线。

在一实施例中，该方法的所述相关数据包括感温元件工作温度范围、感温区长度l、宽度w和厚度h、感温电阻丝温度系数α和电阻分度值。

在一实施例中，该方法的所述步骤二具体包括：依据感温元件工作温度范围选择感温元件基材材质；依据感温区长度l、宽度w和厚度h确定基材厚度和基材长度；依据感温区长度l和宽度w以及电阻分度值对应的不同线径感温电阻丝长度值l，选择合适的感温电阻丝线径值d；

在一实施例中，该方法的所述步骤三具体包括：依据选定的金属丝线径值d以及该电阻分度值下标准长度l，粗算出每个阵列线圈中感温电阻丝的绕制圈数s，进而概算出在阵列线圈中每圈感温电阻丝的间距g＝(w-1)/(2s+2)，对g取整到小数点后两位；每个阵列线圈内的感温电阻丝间距g和绕制圈数s对应关系须满足(2g+2d)*s<w(l>w条件下)以及g≥10d；依据金属丝间距值g和绕制圈数s，反算感温电阻丝长度值l进行复核，确定明确的g、s值。

根据本发明的又一方面，提供了一种热电阻感温元件的制造设备，包括工装平台、布线工装和控制器，所述工装平台和布线工装均与所述控制器连接，所述基材置于所述工装平台上，所述布线工装将所述感温电阻丝绕制于所述基材上的一个表面上，所述感温电阻丝绕制出至少一个阵列线圈，所述感温电阻丝在每个所述阵列线圈中向着该阵列线圈的中心位置逐圈绕进，并在所述中心位置反向绕回后逐圈绕出。

本发明实施例的有益效果是：通过阵列线圈中向着该阵列线圈的中心位置逐圈绕进，并在所述中心位置反向绕回后逐圈绕出的感温电阻丝，确保了任一对相邻感温电阻丝内流过的电流均呈反向，利于抑制电磁干扰且抗震性好。

其次，通过对称设置的偶数个阵列线圈，抗电磁干扰能力更强。通过设计至少两个调阻区域，并设计调阻粗调区域和调阻细调区域，有利于简化调阻过程。

此外，感温电阻丝的间距、绕制圈数可按定制感温区尺寸进行设计，特别适用于超小、超薄或超扁平化的感温元件制作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1是本发明实施例中热电阻感温元件的结构示意图；

其中：1-阵列线圈；2-调阻粗调区域；3-调阻细调区域；4-引线转接板；5-感温电阻丝首端；6-感温电阻丝尾端。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例中热电阻感温元件的结构示意图，如图1所示，一种热电阻感温元件，包括基材和感温电阻丝，基材为柔性绝缘薄膜，例如聚酰亚胺薄膜或铁氟龙薄膜等。感温电阻丝为电阻随温度变化的材质，包括但不限于铂、铜、镍、铁、锗、铟、铑、锰、铂-铑、铁-镍或铑-铁，在本实施例中优选为铂丝。

感温电阻丝按“迷宫式”绕法布绕在基材上，本申请中所述的“迷宫式”绕法(或称阵列式绕法)具体为：感温电阻丝在每个阵列线圈1中向着该阵列线圈1的中心位置逐圈绕进，并在中心位置反向绕回后逐圈绕出，以确保任两圈相邻感温电阻丝内流过的电流均呈反向。从而本元件具有较好的抗电磁干扰能力和抗震性。

需要注意的是，现有技术中存在着使用聚酰亚胺薄膜作为基材的感温元件，但是其金属丝是立体地缠绕在聚酰亚胺薄膜上的，需要两根金属丝，而本发明中的感温电阻丝绕布在基材的一个表面上的，且只用一根金属丝完成绕设。

除了每根感温电阻丝自身的电磁效应，阵列线圈整体的电磁效应也应纳入考量。因此，进一步地，将阵列线圈1设置为偶数个，在本实施例中包含两个阵列线圈1。更进一步地，在基材上设置有布线区域，偶数个阵列线圈1设置于布线区域内，偶数个阵列线圈1关于所述布线区域的几何中心对称设置(点对称)，以进一步提高抗电磁干扰能力。

在可能的实施例中，感温电阻丝还绕制出至少两个调阻区域，调阻区域与阵列线圈串联。进一步地，调阻区域包括至少一个调阻粗调区域2和至少一个调阻细调区域3，调阻粗调区域2和调阻细调区域3串联。其中，调阻粗调区域2用于补偿调整感温金属丝的线径非均一性和电阻比非均匀性引起的阻值偏差，即线径粗细不一和不同段金属丝温度系数的差异所导致的阻值变化；调阻细调区域3用于生产不同允差等级的各分度号感温元件，即实际意义上的调阻。

在本实施例中，感温电阻丝通过引线转接板4与外电路连接，感温电阻丝首端5与引线转接板4焊接，感温电阻丝尾端6与引线转接板4焊接。

本发明还公开了一种感温金属丝感温元件的制造方法(以铂丝为例)，按照以下步骤进行：

1、获取热电阻感温元件的相关数据。

从客户温度传感器需求数据调查表或相关技术规范取得温度有关技术数据。获取如下数据：

依据r＝ρ·l/s＝ρ·l/(πd²/4)，金属丝0℃时电阻率(铂丝ρ＝9.8＊10^-8ω·m)，可制成20ω、100ω、500ω、1000ω等任一分度号下的不同线径铂金属丝所对应的长度l表1:

2、确定金属丝布线路径信息(金属丝线径、基材材料及厚度)，设计布线路径。

首先依据感温元件工作温度范围来选择感温元件基材材质；在本实施例中，选择聚酰亚胺作为铂丝布线的载体；

然后依据感温元件外形尺寸数据h来选型感温元件基材厚度σ，σ<h/2，基材长度应大于l值；

依据感温元件外形尺寸数据l、w以及分度号对应的不同线径金属丝长度值l，并综合考虑铂丝制造工艺复杂度以及阵列布线工艺技术难度，选择合适的金属丝的线径值d，在本实施例中选择线径d＝0.03mm铂丝为感温电阻丝。查询表1得到l＝721mm(取整后)；

外形尺寸已确定的感温元件基材通常设计成2个对称的阵列线圈，也可设计成其它偶数个对称阵列线圈，在本实施例中，根据基材的尺寸设计为两个相连的阵列线圈，两个阵列线圈关于布线区域几何中心对称。去除留给转接板的8mm以及布线区域和转接板之间的间隔1mm，因此布线区域总面积为28mm＊6.5mm，这两个阵列线圈到基材侧边的距离为0.5mm。

依据选定的金属丝线径值d以及该分度号下标准长度l，根据2s(28/2+6.5)＝l/2,粗算出阵列绕制金属丝的每组绕制圈数s，进而概算出间距g＝(w-1)/(2s+2)；每个阵列线圈内的金属丝间距g和绕制圈数s对应关系须满足(2g+2d)＊s<w(l>w条件下)以及g≥10d；概算确定这里取值s＝8，g＝0.35mm。

依据金属丝间距值g和绕制圈数s，反算金属丝长度值进行复核，确定明确的g、s值，并预留出一定长度空间以便于调阻时的粗调、细调。

至此，感温区尺寸有要求的阵列绕法金属丝感温元件的金属丝线径d、金属丝长度l、金属丝间距g、金属丝绕制每组圈数s均得到确认。

3、按照设计的布线路径进行布线。

(1)检查布线工装运行正常与否；无误后，将基材置于工装平台，启动执行金属丝布线工作程序；

(2)按照计算出金属丝间距值g、绕制圈数s设置阵列布线工装参数，确认后启动金属丝布线工装，首先将金属丝首端固定在基材上，布线工装自动按″迷宫式″绕法布线直至结束，剪断金属丝尾端；将载有成型后铂丝的基材从工装平台取下待用；

(3)将批次首个成型完成的感温元件的金属丝首端焊接到引出转接板上，置入调阻平台进行测试，数字电阻测试仪的测试笔夹到引出转接板两个焊盘上，调整金属丝尾端，测r(0℃)值如在+0.2ω范围内为合格，否则继续调试至符合对应的分度号等级精度要求；在感温电阻丝尾端电阻值达标处做好标记，将金属丝尾端焊接到引出转接板另一个焊盘上，校验金属丝温度系数α。至此，一个金属丝感温元件制作完成。

(4)首个金属丝感温元件测试成功后，则按调试验证完成后工装参数进行铂丝布线，批量制作金属丝感温元件。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

综上所述，本发明提出了一种热电阻感温元件及其制造方法，该元件通过“迷宫式”绕线方法绕制的阵列线圈，确保了任一对相邻感温电阻丝内流过的电流均呈反向，配合对称设置的偶数个阵列线圈，更利于抑制电磁干扰；通过设计至少两个调阻区域，并设计调阻粗调区域和调阻细调区域，有利于简化调阻。感温电阻丝的间距、绕制圈数可按定制感温区尺寸进行设计，特别适用于超小、超薄或超扁平化的感温元件制作。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

以上所述仅为本申请的较佳实例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。