热电偶、制造方法及适于执行该方法的基底的制作方法
【专利摘要】一种用于价格低廉地制造面式的热电偶的方法，该方法包括以下的步骤：制备具有至少一个贯穿部的能导电且能导热的基底，该贯穿部将基底划分为基底区域；为基底装备热偶腿，其中，每个热偶腿与热侧以及冷侧上的基底区域连接；安装罩体，从而至少使每个热偶腿都被包住并且将罩体与基底区域材料锁合地连接；以如下方式分开基底的部分，即，通过至少一个贯穿部防止基底区域之间的电流流通。此外，本发明还涉及一种适用于执行该方法的基底以及一种能根据该方法制成的热电偶。
【专利说明】热电偶、制造方法及适于执行该方法的基底
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于制造热电偶的方法、一种能根据该方法制成的热电偶以及一种针对该方法制备成的基底，该热电偶具有至少两个分别由P掺杂和η掺杂的半导体材料制成的热偶腿，它们交替地在热侧和冷侧上相互导电连接。
【背景技术】
[0002]热电偶的工作方式以热电效应为基础。按照塞贝克效应(Seebeck-Effekt)，在电导体或电半导体的具有不同温度的两点之间会产生电压。塞贝克效应描述了电压的产生，而帕尔贴效应(Peltier-Effect)仅通过外部的电流产生。当两个具有不同的电子热容量的导体或半导体发生接触并且通过由外部施加的电流电子从一个导体/半导体流向另一个时，出现帕尔贴效应。两种热电效应总是发生在有电流穿流的热偶中。
[0003]热电偶优选由不同掺杂的半导体材料构成，由此与具有两个不同的且在端部相互连接的金属的热电偶相比，效率可以显著提高。通常的半导体材料有Bi2Te3、PbTe, SiGe,BiSb 或 FeSi2。
[0004]传统的热电偶由两个或者多个由P掺杂和η掺杂的半导体材料制成的小长方体构成，这些长方体通过金属桥相互交替地上下连接。同时，金属桥形成了在热电偶的热侧或冷侧上的热接触面，并且多数布置在两个相互间隔布置的陶瓷板之间。η掺杂和P掺杂的长方体分别形成热偶，其中，长方体在热电元件的热侧与冷侧之间延伸。不同掺杂的长方体通过金属桥以如下方式相互连接，即，使它们得到串联电路。
[0005]只要向长方体输送电流，那么依赖于电流强度和电流方向，长方体在冷侧上的连接部位变冷，而它们在对置的热侧上变热。由此，施加的电流产生了在陶瓷板之间的温度差。但是如果在对置的陶瓷板上施加不同高的温度，那么依赖于温度差引起在热电偶的长方体中的电流。
[0006]长方体在所有方向上的边长为约I至3mm。长方体的形状近似于正六面体。长方体必须有很大的厚度，这是因为这不仅用于实现热电效应，而且此外还负责热电元件的机械稳定性。长方体需要大量半导体材料，这些半导体材料对于实现热电效应而言不是必需的。
[0007]GB 911 828 A公开了一种热电偶，在该热电偶的长方体上，金属板不仅钎焊在冷侧上而且也钎焊在热侧上。在热侧和冷侧上相互错开布置的金属板分别沿直线以90°弯边。金属板在热侧和冷侧上的弯边的区域彼此平行且相间隔地布置。长方体钎焊在对置的金属板的弯边的区域之间。接下来，长方体和板的部分浇铸成电隔离且不良导热的实心体。通过浇铸应当改进了热电偶的稳定性。公知的热电偶的缺点在于，为了在弯边的区域之间的安置和钎焊，长方体必须相对较大。在弯边的区域之间的安置和钎焊也与热电偶的批量的且价格低廉的制造相悖。
[0008]除了传统的热电偶外还公知有所谓的薄层热电偶，例如根据DE 101 22 679 Al公知了一种具有由塑料制成的柔性基底材料的薄层热电偶，其安设在薄层热偶上。并排布置的条状的热偶腿由第一材料和第二材料构成，其中，热偶腿在它们的端部上分别成对地通过尤其由第二材料制成的联接结构导电地相互连接。安设热偶腿和联接结构借助通常的沉积方法来实现。通过在热侧和冷侧上交替地联接的热偶腿形成多个具有很小的面积约8X 15mm的热偶的串联电路。薄层热电偶的热偶腿的厚度在I至1ym的范围内。
[0009]薄层技术具有如下缺点，S卩，由于很小的层厚度，热偶腿的电阻非常大，这不利地影响到效率。为了使不稳定的热偶腿稳定，必须将它们强制地全面施加在塑料基底上。虽然塑料基底的较小的导热能力原则上有利地影响薄层热电偶的效率，但问题在于热到热电偶在热侧和冷侧上的联接结构中的输入稱合(Einkopplung)和输出稱合(Auskopplung),这些联接结构施加在由塑料制成的基底上。最终，将热偶腿施加到塑料基底上以及进而制造热电偶都是费事的。
[0010]EP I 976 034 A公开了另一种薄层热电偶，该薄层热电偶的热偶腿布置在具有部分绝缘特性的基底上，该基底在热电偶的热侧和冷侧上的两个框架部分之间延伸。
【发明内容】
[0011]从现有技术出发，本发明的任务在于提出一种用于价格低廉地制造尤其是面式的热电偶的方法，该热电偶在减少热电材料使用的同时具有与传统的热电偶类似的稳定性。
[0012]此外，应当说明了适合于执行该方法的基底以及根据该方法制成的具有高稳定性的面式的热电偶。
[0013]在开头提到类型的方法中，该任务通过如下方式来解决，S卩，该方法包括以下步骤:
[0014]-制备基底，该基底仅由能导电且能导热的材料构成，并且具有至少一个贯穿部，该贯穿部将基底划分为热电偶的热侧上的基底区域和热电偶的冷侧上的基底区域，
[0015]-为基底装备热偶腿，其中，每个热偶腿安置在热侧上的基底区域以及冷侧上的基底区域上，并且与热侧上的基底区域以及冷侧上的基底区域导电且导热地连接，
[0016]-安装罩体，从而至少使每个热偶腿被包住，并且罩体与每个热偶腿的热侧上的基底区域以及每个热偶腿的冷侧上的基底区域材料锁合地(stoffschliissig)连接，
[0017]-以如下方式分开基底的部分，S卩，通过基底中的至少一个贯穿部防止基底区域之间的电流流通。
[0018]贯穿部在制备好的优选平面的基底上确定了在热侧和冷侧上的基底区域彼此间的位置。在装备后并且优选在加罩(kapseln)后，仅将设置用于稳定的基底部分，尤其是以框架形式包围基底区域的基底部分分开。在分开稳定的且将基底区域导电连接的基底部分后，通过至少一个贯穿部防止在冷侧以及热侧上的全部基底区域之间的直接的电流流通。现在，热偶腿以及优选在分开基底部分之前安装的罩体承担基底区域彼此间的位置的固定，这些热偶腿首先跨接贯穿部地与在热侧上的基底区域以及在冷侧上的基底区域连接。但是，所期望的基底区域之间经由跨接贯穿部的热偶腿的电流可以不受限制并且不受分开基底部分的影响。同时，在热侧和冷侧上的基底区域通过分开基底部分被热退耦(entkoppeln)。
[0019]根据本发明，为基底装备热偶腿，这些热偶腿具有在20 μ m至500 μ m范围内的厚度。该厚度范围位于开头所描述的薄层技术的厚度范围之上，但是明显位于传统的热电元件的长方体的最小边长之下。在根据本发明所使用的参量中间范围内，可以与薄层技术类似地在平面内构建热电偶。电流和热可以经由平面的能导电且能导热的基底区域传导到面式的热偶腿的置于其上的区域中。由于热偶腿的与在薄层技术中实施的热偶腿相比现在明显更大的横截面积，为了稳定可以安装罩体，而热效率不会受很大影响。不再需要通过不良导电且不良导热的塑料基底全面地支撑热偶腿；具体而言，热偶腿可以直接施加在能导电且能导热的、通过贯穿部间隔开的基底区域上。但是，在公知的薄层技术中，在使用在构造为层的热偶腿的方向上的热流时，由于很小的薄层厚度，热电阻是使每种技术上合理的罩体都可能导致热短路那么大。
[0020]在装备好的基底在分开基底的部分后在未加罩的基底区域中绕弯曲线弯曲时，接触区段可以以大约90度的角弯边，以便可以实现在热侧上的基底区域与热源以及在冷侧上的基底区域与热沉的稳定连接。
[0021]为了以根据本发明的方法制造出具有公知的由热偶腿和联接结构构成的回纹形的结构的热电偶，优选制备出具有权利要求6的特征的基底作为初始材料。
[0022]尤其可借助根据本发明的方法制成的热电偶具有权利要求7的特征:
[0023]由于热电偶的承载部分仅由能良好导电且能良好导热的材料构成，取消了设置特殊的联接结构以将热偶腿在热侧和冷侧上导电地相互连接的必要性。此外，承载部分的能良好导热的材料改善了热到联接结构中的输入耦合和输出耦合，这些联接结构通过承载部分自身形成。作为用于承载部分的能导电且能导热的材料尤其使用如下金属，这些金属此外还具有高导热能力并且由此进一步改善了热到热电偶的联接结构中的输入耦合和输出耦合。
[0024]全部位于一个平面中的承载部分的平面的装备面可以特别简单地在自动化的制造方法中装备面式的热偶腿。每个热偶腿的一个边沿区域安置于热侧上的承载部分上，而另一个端部安置于冷侧上的承载部分上。
[0025]承载部分如下这样彼此相间隔地布置，即，这些承载部分相互间不接触。由此，防止了在也用作联接结构的能导电的承载部分之间的短路。此外，承载部分之间的间距导致热侧上的承载部分与在冷侧上的承载部分的热退耦。该间距例如可以实施为具有大约
0.1mm的宽度的气隙。
[0026]为了在机械上进一步稳定承载部分与相对较薄的其厚度优选在20 μ m至500 μ m范围内的热偶腿的连接，热电偶具有至少一个罩体，该罩体与每个热偶腿的热侧上的承载部分以及每个热偶腿的冷侧上的承载部分材料锁合地连接，并且包住每个热偶腿。罩体导致结构部分彼此间的固定，并且此外还提高了热电偶的抗振动性和抗撞击性，这尤其在将热电偶安装在(运动的)机器上时是有意义的。此外，罩体还保护敏感的热偶腿以防触摸、潮湿以及污染。罩体尤其实施为浇铸件。罩体由不能导电且也相对不良导热的材料，例如泡沫陶瓷、玻璃或热固性塑料构成。由于热偶腿的厚度在所说明的优选的范围内，在合适的材料选择的情况下罩体几乎不影响热电偶的效率。
[0027]只要承载部分由可塑性变形或可弹性变形的材料构成，那么热电偶就可以使用在多种可能的应用中。此外，在未加罩的区域内的可变形的材料允许承载部分的弯曲。
[0028]当每个承载部分的接触区段都没有被罩体包住时，那么实现了对热到用作联接结构的承载部分中的输入耦合和输出耦合的改善。热可以经由这些接触区段无阻碍地穿过罩体输入耦合或者输出耦合。
[0029]为了确保与热侧上的热源或与冷侧上的热沉的稳定连接，接触区段可以从装备面的平面弯边。
[0030]弯边的接触区段可以固定在模块的两个彼此相间隔且相互平行布置的板之间，其中，承载部分的接触区段在热侧上与两个板中的一个连接，而承载部分的接触区段在冷侧上与两个板中的另一个连接。以该方式布置在模块的基板之间的热电偶可以一次地或多次地以180度绕垂直于板延伸的弯曲线进行弯曲(折叠的热电偶)。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]以下结合附图1至附图8来详细阐述根据本发明的热电偶及其制造。其中:
[0032]图1示出制备基底用以制造热电偶，
[0033]图2示出为按照图1的基底装备热偶腿，
[0034]图3示出安装罩体，
[0035]图4示出分开按照图1的基底的基底部分以及完成热电偶，
[0036]图5示出按照图4的热电偶，具有弯边的接触区段，
[0037]图6示出按照图5的热电偶，具有交替地以180度绕与基底的端边平行的弯曲线弯曲的区段，
[0038]图7示出具有按照图6的多次弯曲的热电偶的模块，以及
[0039]图8示出已完全填注的按照图7的模块。
【具体实施方式】
[0040]图1示出制备由能导电的材料制成的，尤其是薄板材形式的板状的基底(I)。面式的且呈长方体形的基底(I)的表面(Ia)在侧向通过端边(lb、Ic)，在热侧通过长边(Id)并且在冷侧通过长边(Ie)限定。
[0041]基底(I)中布置有贯穿部(3)，该贯穿部将基底(I)划分为在基底热侧上的能导电的基底区域(If)和在基底冷侧上的能导电的基底区域(Ig)。贯穿部⑶具有一个第一区段(3a)，该第一区段与基底(I)的长边(IcUle)平行延伸。三个第二区段(3b)在朝向长边(Ie)的方向上分别从第一区段(3a)延伸到基底的冷侧。此外，四个第三区段(3c)在朝向长边(Id)的方向上从第一区段(3a)延伸到基底的热侧，其中，第二和第三区段(3b、3c)相互错开地布置。此外，基底(I)还具有贯穿部(3)和环绕基底区域(lf、lg)的基底部分，这些基底部分构成稳定边沿，其沿着基底(I)的长边(IcUle)以及端边(lb、lc)延伸。
[0042]在示出的本实施例中，贯穿部(3)实施为基底中在不同基底区域(lf、lg)之间的开口。在示出的本实施例中，基底(I)实施为板材。但是，该基底也可以是由柔性的、能导电的、例如能作为膜卷绕在卷轴上的材料制成的基底。
[0043]图2示出如何给按照图1的基底(I)装备热偶腿(4)。由P掺杂的半导体材料(4a)以及η掺杂的半导体材料(4b)制成的热偶腿(4)交替地在热侧(Id)和冷侧(Ie)上借助用作联接元件的基底区域(lf、lg)相互导电连接。为此，每个热偶腿(4)与在热侧上的能导电的基底区域(If)以及与在冷侧上的能导电的基底区域(Ig)导电地连接，由此产生了在基底(I)上的由P掺杂和η掺杂的半导体材料制成的热偶腿(4a、4b)的公知的回纹形的结构。借助焊接膏或烧结膏或替代地通过能导电的粘合材料建立起导电连接。
[0044]接下来，将在图3中示出的罩体(5)安设在基底⑴上，该罩体在基底区域(If)和(Ig)中与基底(I)材料锁合地连接并且完全地包住热偶腿(4a、4b)。罩体(5)延伸经过贯穿部(3)的第一区段(3a)直到导电的基底区域(lf、lg)内，但是其中，每个能导电的基底区域(lf、lg)的至少一个能在图4中识别出的接触区段(Ih)没有被罩体(5)包住。
[0045]为了避免能导电的基底区域(lf、lg)之间的短路，罩体(5)由不能导电的无机或有机的材料构成。罩体可以用喷铸、浇铸的方式或者通过喷镀来安装。优选将设置用于罩体(5)的材料施加在基底的两个表面(Ia)上，从而使热偶腿(4)不仅在上侧而且在下侧完全被包住。
[0046]为了防止在热侧上的能导电的基底区域(If)与在冷侧上的能导电的基底区域(Ig)之间的直接的电流流通，按照装备(图2)和加罩(图3)，仅分开用于稳定的基底部分，即基底(I)的稳定边沿。可借助激光或者其他切割工具和冲压工具，在自动化过程中进行分开。在图4中示出已完成稳定边沿分开后的热电偶。
[0047]在接触区段(Ih)上，基底具有用于将每个接触区段(Ih)绕平行于长边(IcUle)的弯曲线(Ii)弯曲的弯曲区域。尤其在相对较小的基底厚度的情况下可以适宜的是，将接触区段(Ih)例如以90度的角弯曲，如这在图5中示出的那样，以便提供模块的相间隔地布置的陶瓷板与至少一个的按照图5的热电偶的稳定连接。只要是借助冲压工具将稳定边沿分开，就可在同一工作过程中实现以90度的弯曲。
[0048]长形伸展的热电偶可以分别在多个未加罩的弯曲区域的两个热偶腿(4a、4b)之间交替地以180度顺时针或逆时针地弯曲，以将基底绕与端边(lb、lc)平行的弯曲线(Ij)弯曲。由此，如在图6中可以看到的那样，得到了“折叠的三维的结构”。
[0049]按照图5的热电偶可以直接固定在长形伸展的热源或热沉上，例如管件上。如果该热源或热沉是具很小的纵向伸展尺寸的物体，那么优选将与图6相应的折叠的结构与该物体连接。用于连接的可行方案例如是钎焊、焊接或粘接。
[0050]其中一个或其中多个热电偶也可以与图4或图5相应地布置在两个陶瓷板之间。图7示出布置在两个板(8a、8b)之间的与图6相应的折叠的热电偶。将接触区段(Ih)与板(8a、8b)以相同的方式，即例如通过钎焊、焊接或粘接进行连接。重要的是，构成模块(8)的板(8a、8b)由具有良好导热能力的材料构成，其中，不允许通过板建立起在不同的接触区段(Ih)之间的能导电的连接。尤其可以考虑陶瓷材料。
[0051]最后，为了进一步提高机械的稳定性，按照图7的模块可以用填料(7)来填充。在图8示出的填充好的模块⑶中，将电接触部(6)引出用于热电偶的接触。
[0052]尤其根据本发明的方法制成的热电偶包括在图2中可识别出的、由P掺杂和η掺杂的半导体材料制成的热偶腿(4a、4b)，它们交替地在热侧和冷侧上导电地相互连接，其中，在图4中可识别出的接触区域(Ih)上可以施加或截取热电偶的热侧与冷侧之间的温度梯度。
[0053]热电偶具有多个在热电偶(10)的冷侧和热侧上的通过图4中示出的罩体(5)部分地覆盖的平面的承载部分，这些承载部分仅由为了制造而制备的且在图1中示出的基底(I)的能导电且能导热的材料构成。仅承载部分的接触区域(Ih)从罩体(5)伸出来，而每个承载部分的平面的全部处于一个平面内的装备面由罩体(5)包住。
[0054]每个热偶腿(4a、4b)都安置在热侧上的承载部分的装备面以及在冷侧上的承载部分的装备面上，并且都与在热侧上的装备以及在冷侧上的装备面导电且导热地连接。装备面尤其由制备好的基底(参见图1)的基底区域(lf、lg)构成。
[0055]承载部分全部以如下方式彼此相间隔地布置，即，承载部分相互间不接触。该间距尤其与在根据图1的基底中的贯穿部(3)的宽度相应。
[0056]热电偶优选具有尤其在图5中可识别出的罩体(5)，该罩体在两侧与每个热偶腿的在热侧上的承载部分和在冷侧上的承载部分材料锁合地连接并且包住每个热偶腿。由此，从下侧经由相邻的承载部分之间的间隔面到热偶腿的通道也被加罩。
[0057]在图2中可识别出的热偶腿(4a、4b)具有在20 μ m至500 μ m范围内的厚度。在根据本发明所使用的参量中间范围内，可以与薄层技术类似地在平面内构建热电偶。电流和热可以经由平面的能导电且能导热的承载部分传导到面式的热偶腿的置于其上的区域中。
[0058]承载部分由可塑性变形的材料，尤其是金属构成。这允许在装备区域外部的承载部分的弯边，以便例如构造出在图5中可识别出的接触区段。
[0059]附图标记列表
[0060]
【权利要求】
1.一种用于制造热电偶的方法，所述热电偶具有至少两个分别由P掺杂以及η掺杂的半导体材料制成的、交替地在热侧上和冷侧上相互导电连接的热偶腿(4)，所述方法包括以下步骤: -制备基底(I)，所述基底仅由能导电且能导热的材料构成并且具有至少一个贯穿部(3)，所述贯穿部将基底⑴划分为热电偶的热侧上的基底区域(If)和热电偶的冷侧上的基底区域(Ig)， -为基底(I)装备热偶腿(4)，其中，每个热偶腿(4)都安置于热侧上的基底区域(If)以及冷侧上的基底区域(Ig)上，并且与热侧上的基底区域(If)以及冷侧上的基底区域(Ig)导电且导热地连接， -安装罩体(5)，从而至少使每个热偶腿(4)都被包住并且罩体(5)与每个热偶腿(4)的热侧上的基底区域(If)以及每个热偶腿⑷的冷侧上的基底区域(Ig)材料锁合地连接， -以如下方式分开基底的部分，即，通过基底(I)中的所述至少一个贯穿部(3)防止基底区域(lf、lg)之间的电流流通。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为基底⑴装备具有在20μ m至500 μ m范围内的厚度的热偶腿(4)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在安装罩体(5)之后分开行基底(I)的部分。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，将装备好的基底(I)在分开基底的部分后在未加罩的基底区域中绕弯曲线(Ii)弯曲。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，由绝缘材料制成的两个板(8a、8b)彼此相间隔且相互平行地布置，并且基底(I)在热侧上与所述两个板中的一个(Sa)连接，而在冷侧上与所述两个板中的另一个(Sb)连接。
6.一种用于以根据权利要求1至5中任一项所述的方法进行制备的基底，其特征在于， -基底⑴仅由能导电且能导热的材料构成， -基底(I)是长方体形的， -基底(I)的表面(Ia)在侧向通过端边(lb、lc)限定，而在热侧和冷侧通过长边(Id、Ie)限定， -基底(I)具有至少一个贯穿部(3)，所述贯穿部将基底(I)划分为热电偶的热侧上的基底区域(If)和热电偶的冷侧上的基底区域(Ig)，其中， -在基底(I)中的贯穿部(3)具有第一区段(3a)，所述第一区段平行于长边(IcUle)延伸， -在基底(I)中的贯穿部(3)具有至少一个第二区段(3b)，所述第二区段从第一区段(3a)在朝向长边(Ie)的方向上在冷侧上延伸， -在基底(I)中的贯穿部(3)具有至少一个第三区段(3c)，所述第三区段从第一区段(3a)在朝向长边(Id)的方向上在热侧上延伸， -第二和第三区段(3b、3c)相互错开地布置。
7.一种热电偶，所述热电偶具有至少两个分别由P掺杂以及η掺杂的半导体材料制成的、交替地在热侧和冷侧上相互导电连接的热偶腿，其中，能施加或能截取在热电偶的热侧与冷侧之间的温度梯度，其特征在于， -热电偶具有多个在热电偶的热侧上的承载部分以及多个在热电偶的冷侧上的承载部分，所述承载部分仅由能导电且能导热的材料构成， -每个承载部分都具有平面的装备面， -全部承载部分的平面的装备面位于一个平面中， -承载部分以如下方式彼此相间隔地布置，即，所述承载部分相互间不接触， -每个热偶腿都与热侧上的承载部分的装备面以及与冷侧上的承载部分的装备面导电且导热地连接，并且 -热电偶具有至少一个罩体，所述罩体与每个热偶腿的热侧上的承载部分以及与每个热偶腿的冷侧上的承载部分材料锁合地连接，并且所述罩体包住所述每个热偶腿。
8.根据权利要求7所述的热电偶，其特征在于，热偶腿具有在20μ m至500 μ m范围内的厚度。
9.根据权利要求7或8所述的热电偶，其特征在于，承载部分由能塑性变形或能弹性变形的材料构成。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的热电偶，其特征在于，承载部分的接触区域(Ih)没有被罩体( 5)包住。
11.根据权利要求10所述的热电偶，其特征在于，接触区域(Ih)从装备面的平面弯边。
12.一种包括至少一个根据权利要求7至11中任一项或多项所述的热电偶的模块，其特征在于，模块(8)具有两个板(8a、8b)，所述两个板彼此相间隔且相互平行布置并且由绝缘材料制成，其中，热电偶在热侧与所述两个板中的一个(8a)连接，而在冷侧与所述两个板中的另一个(8b)连接。
【文档编号】H01L35/32GK104081549SQ201280052354
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2012年10月22日 优先权日:2011年10月24日
【发明者】斯特凡·霍佩 申请人:欧-弗莱克斯科技有限公司