热流传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种热流传感器（WF巧及其应用。
【背景技术】
[0002] 热流传感器测量在每个时间单元中从较热侧流向较冷侧的热能（热功率、热流）。 在应用中，平坦的WS根据需要被安装到目标上，或被集成到目标中。例如在VANDER GRAAF中有集成和应用示例。通过产生取决于流经传感器的面的热流大小的电压，来测量热 流（量）。WFS是公知的，并已经在工业上使用，例如化kseflux、Sequoia、Captec等名称 (Bezeichnung，品牌）。
[0003] 此外，热流传感器还在建筑工程技术中用于测量壁的隔热性能，或在量热学中用 于测量化学反应能量或用于测量电磁福射的能量。
[0004] 根据现有技术的热流传感器可被分成=种不同的类型。厚热流传感器（最薄 的位置的厚度> 1mm)，利用互补金属氧化物半导体（CM0巧技术制造的小型热流传感器， W及总厚度< 1mm的薄热流传感器。厚热流传感器（> 1mm)由于其结构和其保护套， 在采用0. 4W/m/K的导热能力时具有非常高的30cm2*K/W至数个100cm2*K/W的垂直于面 (t化chennormierten.)的热阻。由于该热阻影响或者说降低了待测量的热流，会使对真实 存在的热流的测量结果发生错误（侵入性（Invasivi访t))。
[0005] 薄热流传感器比厚热流传感器更小地使测量结果发生错误，该是由于薄热流传 感器的较小的厚度W及相应地较小的侵入性。然而，薄热流传感器具有所谓的微效应 (Mikroeffekten)的缺点【见VAN DER GRAAF，引用第312页，第8. 2. 5章】。该缺点可W通 过传感器的热的一侧和冷的一侧上的导热良好的均匀层来克服。
[0006] 专利文献US2005/0105582A1示出了薄热流传感器的结构，其基于热流的侧向扭 曲（lateralerVerzerrung)工作。在该传感器中，热电活性材料有条件地通过生产过程被 施涂到薄聚酷亚胺膜上。聚酷亚胺膜构成相对于热流成直角的封闭的面。由于与金属或陶 瓷相比聚合物膜（Polymerfolien)(例如聚酷亚胺）更可能具有低导热能力（~0. 2-0. 6W/ m/K)，该膜呈现出相对于传感器的总热阻而言不可忽略的热阻。
[0007] 在专利文献US2005/0105582A1中描述的传感器的结构同样在【Ph Herin and P Hiery, Meas. Sci. Technol. 3 (1992) 495-500】中示出。因此，Captec传感器在上方和下方被 聚合物膜包裹。该聚合物膜提供了抵抗外部影响和电击穿的保护。在该膜上安装有由化 膜构成的导热元件。该种导热元件对于均匀化热流用W抑制微效应是重要的。
[0008] 薄热流传感器的另一方法在专利文献US 3607445中描述。薄热电偶被安装在聚 合物膜上，并被折叠和封装为，使得薄聚合物膜上的温度差导致热电偶的不同的温度，并由 此通过热电效应来感应得到电压。抵靠热的一侧和冷的一侧，该传感器被覆盖薄聚合物膜。 该样总共=层薄聚合物膜导致了传感器的高的热侵入性，即使传感器非常薄。
【发明内容】
[0009]因此，本发明的目的在于，改进一种热流传感器（WFS)，其具有尽可能小的热侵入 性，并且仍然足够结实，W满足各种应用的要求。
[0010] 该目的通过权利要求1的特征来实现。提出一种WFS的构造，其特别的封装结构 仅具有小的热阻，并且仍然提供对于电、热和化学影响的足够的保护。
[0011] 该通过有源传感器元件（aktiveSensorelement，活性传感器元件）被极薄的、电 绝缘性强的、化学惰性的、W及附着性强的保护层覆盖来实现。优选地，借助极薄的粘合剂， 在该保护层上并且在传感器的平坦侧上相对于热流成直角地粘附有高导热能力的导热元 件。
[0012] 优选地，保护层被设计为呈一致的化on化rmen)覆层的形式，其匹配于热流传感 器的表面结构。
[0013] 由于在材料的层厚度降低时，热阻线性地减小，该结构能够实现热流传感器的侵 入性的降低。
[0014] 为了进一步降低侵入性，有利地，不是在两层膜之间，而是在膜（基体（Matrix)) 的通孔（durchkontaktie;rtenLdchern)中加入P和n型传感器活性材料（sensoraktiven Materialien)。该样设置的热电活性的被P和n渗杂的材料还可W被称为热柱。该些热柱 彼此在基体的平坦的上侧和下侧上互相电串联或并联地被电导体电路（开关元件）连接。
[0015] 热柱可W是被填满的或是中空的。在空柱的情况下，可W利用极薄的保护层覆盖 内部的、朝向空腔的一侧，或完全利用该保护层填满空腔。为了进一步降低侵入性，可W通 过导热、但电绝缘的材料（例如导热粘合剂）填满空腔。
[0016] 在传感器中使用的热电活性材料可W例如是Ni、化、康铜（镶铜合金）、BisTes和 /或其它热电材料。
[0017] 与聚合物相比，通过提升了 5倍至10000倍的导热能力，该样与热流平行设置的材 料提供了从传感器的冷侧到热侧的热流的提高，并由此除优化的封装之外降低了传感器的 侵入性。
[0018] 该设置中，有利地，热柱的外表面不被导热性差的介质（例如空气或真空）包围， 而是被固定在导热性较好的材料（例如聚合物）中。聚合物具有比空气高10到20倍的导 热能力。由此，热能不仅流经热柱，而且大部分还流经聚合物。该设置对降低侵入性产生附 加的积极作用。
[0019] 其他有利的设计方案在从属权利要求中公开。电绝缘并且化学惰性的保护层应当 具有足W满足产品要求的厚度，但另一方面是尽可能薄且均匀的，从而提升整个传感器的 导热能力。对WFS的保护层的电绝缘强度（击穿强度）和化学强度的要求设及所述层必 须承受的行业上典型的老化试验和保护试验，例如热循环（thermischesZyklikern)、HAST 试验（高加速应力试验）或抵抗静电击穿W及防水性的试验。根据材料而定，该保护层为 0. 1ym至20ym之间，优选为0. 1至10ym之间，最优选为0. 1至7ym之间。有利的材料 是保护漆，例如丙締酸漆或环氧树脂，所述保护漆能够通过浸漆覆层、旋转覆层或喷射覆层 被施涂。还可W为此使用陶瓷，特别是AL203,其通过侣的喷涂、蒸发和随后的阳极氧化或通 过"原子层沉积"被施涂。非常稳定的有机分子（例如聚对二甲苯）的覆层的蒸发呈现出 构造良好的保护层的其他可能性。
[0020] 高要求还体现在粘合层上。该粘合层的厚度必须被选择为，使得在所有情况下 使有源传感器元件的表面上的不平坦变为平坦，并且附着性必须足够强，使得层不会脱层 (delaminied)。同时，粘合层必须足够薄，从而保持热阻尽可能小。该粘合层的厚度应在 1ym与100ym之间，优选在5ym与30ym之间。
【附图说明】
[0021] 下面参照附图在实施例中详细说明本发明。在图中示出：
[002引图1是WS的功能原理W及典型的应用示例（a-c)，
[002引图2是借助现有技术的WFS封装的结构（a-b)，
[0024] 图3是WS的根据本发明的结构（a-d)。
【具体实施方式】
[00巧]WFS的示意性视图在图la中示出。热流传感器12被热流13穿过。热流13从具 有温度T1的热侧流动至具有温度T2的冷侧。由于热流13而在WFS12中感应产生的电压 在导电线缆17上被测量。该种传感器的使用在图化和图Ic中示出。在图化中将WS安 装在测量对象上（例如壁）。流经壁的、还穿过WFS12的热流13,通过在WFS上施加的电 压在导电线17上被电压测量仪器（电压表）测量。在图Ic中，WFS12嵌入测量对象（例 如壁）16中，并且被测量对象包围。流经壁的、还穿过WFS12的热流13,通过在WS上施加 的电压在导电线17上被电压测量仪器（电压表）测量。根据前述现有技术的实施方式中 的WFS由图2可见。图2a示出了由康铜10和铜11构成的热流传感器的剖面，该热流传感 器在冷侧8和热侧9上设有由热侵入的聚合物膜、大多为聚酷亚胺化apton) 7,W及典型的 导热元件（导热板）组成的保护层。传感器不是被极薄的、电绝缘的、并且化学惰性的保护 层覆盖。
[0026] 反之