专利名称：热电变换器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种电子计量测试领域中的交流电压测量敏感装置，即热电变换器，更具体地说，涉及一种宽频带(DC～2GHz)的源式多元热电变换器。
测量交流电压的热电变换器有低频、高频、和宽频带三类。目前普遍采用的低频热电变换器均为多元热偶形式，其多对热偶采用丝状线手工焊接而成。这种结构与工艺使多对热偶不能均匀分布，从而影响了测量精度。如
图1所示，通常的低频多元热电变换器主要由一云母基底1、多元热偶5、一根电阻加热丝(或称加热带)2以及加热丝引出电极6构成。多元热偶5由几十对热偶串联而成，通过引出端3、4与外部设备相连。电阻加热丝2与多元热偶5分别粘结在云母基底1的正、反两面，多元热偶5的热端5a与电阻加热丝2的位置相对应，其冷端5b用散热性能好的材料加以固定。这种多元热电变换器的工作频率范围为10KHz～20KHz。当频率高于20KHz时，由于器件本身分布参量的影响而引入了较大的测量误差。这种热电变换器的热电势输出的上限为16mv，因而影响了测量的灵敏度。
关于高频交流电压的测量器件，值得提及的是美国国家标准局研制出的测辐射热电压、电流标准(简称Bolovac)。Bolovac主要使用一种如图2A、2B所示的薄膜热变电阻(见美国国家标准局研究杂志Vol.72cNo.11968)。图2A、2B分别为Bolovac薄膜热变电阻的平面示意图和沿图2A中A-A′方向的剖面图。由图2A可见，聚脂薄膜或云母基底1上镀敷有高纯度的Pt或Ni，由此构成双薄膜电阻2a、2b，由Au或Ag真空蒸镀形成的内导体电极6a、6b分别与电阻2a、2b的内、外两侧相连，基底1的中心有一个孔12以供该装置与外接被测信号源直接接触。将该薄膜热变电阻装在一直径大于φ110毫米的高频座内，接入一电桥电路，即可测量输入交流信号的电压了。使用Bolovac测量10MHz以上的高频电压，其测量精度在±1%之内。图3简单示出了用Bolovac测量交流电压的工作原理图。图中，10代表接有高频座的薄膜热变电阻，R2a、R2b即对应于双薄膜热变电阻2a和2b，C/2为高频座的结构电容。采用这种装置进行交流电压的测量，不是使用热电变换元件，而是根据交、直流替代法进行计算，即通过双薄膜热变电阻在交、直流两种情况下的电阻变化所引起的功率变化求出交流电压。因此测量方法比较复杂，设备也比较庞大。此外，还存在着对薄膜热变电阻的加工精度要求高的缺点。由于进行测量时，薄膜热变电阻的外导体要靠结构电容进行耦合，所以限制了测量精度的频率范围，其工作频率的下限为10MHz。当所测电流频率较低时，高频座的结构电容不够大，因而就会引入较大的误差，例如，当频率为1MHz时，误差即在1%以上。再则，这种装置灵敏度不够高，只能测量0.3v以上的电压，如要测量0.3v以下的交流电压，则要通过多次测量，使操作过程复杂化，因而不能满足一般使用要求。
为了能较方便地测量交流电压，发展了多种金属薄膜热电变换元件和半导体薄膜热电变换元件，如日本安立公司生产的AL-59标准电平表和ME-642精密较准接收机应用的热电变换元件即为半导体薄膜热电变换元件，图4即为由这种热电变换元件构成的热电变换器的剖面示意图，其中，标号10代表热电变换器所用的薄膜热电变换元件。图5A、5B和5C说明了上述薄膜热电变换元件的具体结构。由图5A可见，聚脂薄膜基底1的一侧表面(正面)上有电阻加热带2a和2b、内导体电极11以及外导体电极6a、6b。它们是用真空蒸镀以及光刻等方法微细加工而成的，各电阻加热带为中间向内凹陷的长条状;内导体电极为圆形，它位于基底中心并与两电阻加热带相接;外导体电极为扇形，它们位于电阻加热带外侧并与之相连。在基底1的另一侧表面(反面)上有用直流辉光放电法得到的半导体材料所形成的两对热偶5a和5b，以及用真空蒸镀法形成的热偶引出电极7a、7b。两对热偶的热端5a′、5b′均位于与基底另一侧的电阻加热带中心凹缩部位相对应的地方。这种热电变换器具有一同轴腔体21，在进行电压测量时，被测信号需通过同轴腔体21中的内导体22(见图4)输入到联结电阻加热带的内导体11处，再经过电阻加热带2a、2b及外导体电极6a、6b返回。基底另一侧的两对热偶5a、5b的热端受热而产生出待测信号，由此方便地得出被测电流的交流电压数值。
但是，这种表式结构的电流传输距离大，从而限制了它的高频频响。当工作频率达到1GHz时，误差即达到5～10%，因此远不能满足高频测量的使用。这种表式结构存在的另一个问题是在用它作为标准来检测其它电压测量装置时，必需使用一种复杂的三通装置，因而不但使操作繁锁、装置复杂，而且还引入了不可忽视的失配误差和传输误差，影响了被检表的测量精度。此外，由于使用了两个如图5A所示形状的电阻加热带，不仅增加了对加工精度的要求，而且还造成了直流正反向差大(＞10-3)及交直流转换误差较大的缺点。这种薄膜热偶元件只有两对热偶，热电势输出最大仅可达10mv，所以影响了这种热电变换器的灵敏度。
本发明就是为了克服上述现有技术中的几种交流电压测量装置的缺点而提出的。
本发明的第一个目的是提供一种在直流到2GHz的宽频带范围内均可进行测量的高灵敏度、高测量精度的热电变换器;
本发明的第二个目的是提供一种便于加工、应用广泛，并可方便地检测多种电压计量装置的热电变换器。
本发明的第三个目的是提供一种制造上述热电变换器的方法。
为了达到上述目的，本发明提供了一种热电变换器，它包括一热电变换元件和一放置该元件的高频座。所述热电变换元件由边缘有两对称于中心的定位孔、中心有一通孔的绝缘材料(如聚脂薄膜或云母)基底组成，该基底的一侧表面上有用电阻温度系数小、汤姆逊系数小的合金材料蒸镀形成的两个矩形条状电阻加热带、位于电阻加热带内侧和中心导通孔外侧的环状内导体电极(该电极通过中心通孔与基底另一侧的环状内导体电极相连)，以及位于电阻加热带外侧并与之相连的两个扇形外导体电极;在基底的另一侧表面上利用掩模蒸镀形成有至少6对互相串联并分别对称于基底中心的向内弯曲的弧形热偶和两个位于多对热偶外侧并分别与串联热偶引出端相连的扇形热偶引出电极;各对热偶的热端均位于与电阻加热带相对应的位置上。所述高频座由一中心穿通的非磁性金属(如电镀Au或Ag的黄铜)制成的底座、两个扇形中极板、内导体、内导体销钉和压环等组成。压环通过螺纹拧入底座，将热电变换元件固定在底座当中。底座的一侧有一L16型阴性输入端口，另一侧有一直径大于薄膜热电变换元件的孔，该孔在靠近外端的内壁部分车有供压环拧入的内螺纹，孔的侧壁上开有供中极板联结引线通过的通孔，该孔的内端底部有一孔径等于热偶元件外导体电极内径的柱形孔穿通到底座另一侧的L16型阴性输入端口。用于接入待测信号源的内导体靠绝缘介质(如聚四氟乙烯)支撑在底座中心的通孔内。内导体的直径略大于热电变换元件中心通孔的直径并小于、等于其内导体电极的外径。内导体的内端面要放置得与中极板的外端面处在一个平面上，该端面有一直径等于热电变换元件中心通孔的螺纹孔，以供内导体销钉拧入或插入，内导体销钉的直径小于、等于中心通孔的直径，其一端可车有螺纹或为圆柱状。底座内导体借助于此销钉与电阻加热带的内导体电极达到良好的电学连接。两个扇形中极板的内径和外径分别等于薄膜热电变换元件中扇形热偶引出电极的内径和外径，一外径大于中极板外径、内径等于中极板内径的环形绝缘介质膜将中极板与底座隔开。薄膜热电变换元件的两个热偶引出电极分别与两个中极板压接在一起。薄膜热电变换元件蒸镀有电阻加热带的一侧朝向被检表方向(即底座安装压环的一侧)放置。压环为圆筒形，其外侧车有与底座内侧相配合的螺纹，内侧车有内螺纹，供更换各种形式的连接头使用，这样就能方便地与需进行检测的各种表的探头相连。
下面结合附图与实施例对本发明的热电变换器作详细说明。
图1A为现有技术的低频热电变换器的平面示意图;
图1B为图1A所示元件沿A-A′方向的剖面示意图;
图2A为Bolovac薄膜热变电阻的平面示意图;
图2B为图2A所示元件沿A-A′方向的剖面示意图;
图3是简略说明了Bolovac工作原理的示意图;
图4为现有技术中另一种热电变换器的剖面示意图;
图5A、5B为图4所示热电变换器所用薄膜热电变换元件的正、反两面的平面示意图;
图5C为沿图5A中A-A′方向的剖面图;
图6A为本发明的热电变换器的剖面示意6B为图6A中所示中极板及绝缘介质膜的平面示意图;
图7A、7B为图6A所示热电变换器中的薄膜热电变换元件正、反两面的平面示意图;
图7C为沿图7A的A-A′方向的剖面图;
图8为内、外导体电极掩膜板的平面示意图;
图9为电阻加热带、掩模板的平面示意图;
图10为多元热偶掩模板的平面示意图。
如图7A所示，本发明的薄膜热偶元件由一绝缘材料(如毋)基底1构成。基底1为圆片状，其边缘有两个对称于圆片中心的定位孔9，中心有一通孔12。在基底1的正面、通孔12的周围有由金真空蒸镀形成的环形内导体电极11，两个扇形外导体电极6a和6b用同样的方法和材料形成于基底外侧，并相互对称。近似为矩形条状的薄膜电阻2a和2b位于内导体电极11和外导体电极6a、6b之间，并与之相连。
图7B说明了基底1另一侧(反面)的结构情况，通孔12的周围有内导体电极11，该电极经中心通孔12与基底正面的内导体电极11相连。两扇形热偶引出电极7a、7b与正面的外导体电极6a、6b位置相对应，它们互相对称于基底的中心。在热偶引出电极7a、7b与内导体电极11之间用蒸镀方法形成至少6对互相串联连接的热偶，热偶的热端5a的位置与基底另一侧的电阻加热带的位置相对应，热偶的冷端基本对称于热端联成的联线，每对热偶均为向内弯曲的弧形，该多个互相串联的热偶的两端点8a、8b与热偶引出电极7a、7b相连。各侧的多对热偶分布均匀、长度相等，并分别对称于各矩形电阻加热带长度方向上的中点。各侧的多个热偶最好为奇数对，以便使其中间的一对热偶的热端恰好位于与各侧电阻加热带长度方向的中点相对应的地方。
图7A、7B所示的热电变换元件是借助于特殊设计的掩模板制备的。图8、9分别为内、外导体电极掩模15、电阻加热带掩模16的示意图。掩模16在相应于图7A所示内、外导体电极的位置上有一圆形通孔和两个扇形通孔。掩模16在相应于图7A所示的两个电阻加热带及内导体电极的位置处开有一个近似矩形的通孔，该通孔的矩形的两端为向内弯曲的弧形，矩形长度略大于掩模板15中扇形外导体电极的内径。图9为多元热偶掩模板17的示意图。掩模17在与图7B所示的热偶对中的一种金属条相对应的地方开有多个细长弧形孔，孔相应于热偶热端的一端沿弧形略延伸0.1～0.2mm左右，孔在相应于热偶冷端的那端沿横向延伸0.1～0.2mm左右，其中，两最外侧通孔与外导体电极内圆边的距离为0.3mm左右。两最内侧通孔与内导体电极外圆周的距离亦为0.3mm左右。将同样形状的上述掩模板以两定位孔连线为轴翻转180°即为相应于热偶另一种金属条的掩模板，这两块掩模上的弧形孔组合起来，即可形成图7B中所示的多对热偶的形状。各掩模板15～17，在与薄膜热电变换元件的定位孔9相应的位置均开有同样的定位孔，以使加工时便于对准操作。本发明的掩模板可由坡莫合金薄膜材料制成，其厚度为10～15μm。
图6A为本发明热电变换器的剖面示意图。薄膜热电变换元件10被压环25压接在高频座内，其内导体电极11与内导体22接触，两个扇形热偶引出电极7a、7b分别和两个扇形的中极板24接触，内导体销钉29穿过薄膜热偶元件10拧入或插入内导体22内端的孔内，两个中极板24上分别连有一根导线由底座侧的通孔28通到高频座外，将热偶上的信号送到外部测量设备。中极板24与底座21由绝缘介质膜23隔开，达到电绝缘。扇形中极板24和绝缘介质膜23的形状示于图6B。待测信号由底座21的输入端口进入内导体22，待检表通过与压环25螺纹连接的接头(图中未画出)接入，与薄膜热电变换元件的内导体电极直接接触，即可进行被检表和电压的测量操作。
下面结合本发明的实施例来描述本发明热电变换器及其所用热电变换元件的制造工艺，以便进一步说明本发明。
实施例1把加工清洗好的厚度为15～25μm的圆形聚酰亚胺薄膜基底装在不锈钢制的底模板上，基底直径为30mm，其上开有两个定位孔和一个中心孔，底模板上也开有与基底相同的定位孔，定位孔直径为1mm左右。底模板尺寸只要大于薄膜基底的尺寸即可。
将由坡莫合金薄膜材料制成的掩模板16放在待蒸镀的基底上，使掩模板、基底及底模板的定位孔对齐，并用紧固件通过定位孔将基底于掩模板固定住，然后将其装入真空镀膜机内进行真空蒸镀，镀膜机内的蒸发源为电阻温度系数小、汤姆逊系数小的合金材料(如卡码合金)，蒸镀结束即可得到宽0.1～0.2mm、长8mm左右厚1000A°左右的矩形条状电阻加热带。加热带阻值根据需要通过取样进行控制。
从已蒸镀好电阻加热带的基底上取下加热带掩模板16，把基底翻转过来使其另一面朝上放在底模板上并放上多元热偶掩模17，掩模板17的上、下两边各有7个条形热偶通孔，通孔弧长为2.5～3mm，宽为0.1～0.2mm，两通孔间距为0.2～0.3mm。将掩模板17、基底、压摸板的定位孔对齐固紧，然后放入装有Bi、Sb两蒸发源的真空镀膜机内，首先真空蒸镀一种蒸发源(Bi)，使其沿热偶条长度方向上的电阻为1～1.5kΩ，停机后取出摸具，将掩模板17按两定位孔的轴线转动180°后再对其固紧，将此模具再装入真空镀膜机内蒸镀另一种金属(如Sb)，同样使其沿热偶条长度方向上的阻值为1～1.5KΩ，这样得到了14对Bi-Sb热偶。
停止蒸镀后取出摸具，掉掩模板17再换上电极掩模板15，其上内导体电极孔的直径为3.04mm，两扇形电极孔的内径为7mm、外径为28mm、两扇形端部相距约1.5mm。把掩模板15和基底、压模板对齐固紧后装入真空镀膜机内，由金蒸发源在已有多元热偶的基底上蒸镀上图形与掩模板15的通孔形状相同的内导体电极和热偶引出电极，其厚度控制在5000°A～1μm。将一面已蒸镀好电极的基底翻过来使有电阻加热带的一面朝上，再放上掩模板15，对齐固紧，用和上面同样的方法蒸镀上内、外导体电极。
经过上述工序的基底即为成形的薄膜热电变换元件。将如此得到的元件通过外观筛选，然后再在真空度为10-4乇以上、温度为150℃的真空炉内连续放置6小时后自然冷却。对经过上述老化过程的薄膜热电变换元件进行测试，去掉阻值不合乎要求的基底，就得到了本发明的热电变换器所用的14元薄膜热电变换器。
实施例2把已加工清洗好的具有两定位孔和一个中心通孔的云母薄膜基底装在具有同样定位孔的底摸板上，基底直径为30mm，厚度为25μm，使用具有相应尺寸的掩模板15、16、17，其中掩模板17的上、下两侧各有15个条形热偶通孔，通孔尺寸与实施例1相同，两通孔间距为0.2mm左右。掩模板15的扇形孔内径为14mm。
用与实施例1同样的步骤进行蒸镀，即可获得本发明热电变换器用的具有30对热偶的30元薄膜热电变换元件。把该元件放在用金加工得到的黄铜底座内，由压环、中极板、绝缘介质膜将其压紧在高频座内。底座、压环、中极板、绝缘介质膜的尺寸均与热电变换元件相对应。由此得到的热电变换器可在直流到2GHz的频率范围内进行测量，且测量精度在30MHz时为10-6，1GHz时为0.2%，2GHz时仍＜1%。其输出热电势为80mv。
本发明的热电变换器克服了现有技术中几种交流电压测量装置不能在宽频带上准确测量、测量误差大、灵敏度低、使用不方便及热电变换元件加工工艺复杂等缺点。
本发明的热电变换器为热偶形式，不需要结构电容与外电路耦合，而是直接进行交、直流替代，所以可在DC～2GHz的频率范围内进行准确测量。由于使用了矩形加热带和多元热偶，所以其直流正、反向差小于10-4。此外，由于使用中心有导通孔的薄膜热电变换元件而减小了电流传输距离，所以本发明的源式热电变换器的测量精度高，例如，在低频(30MHz以下)时测量精度为10-6，在高频(30MHz～1GHz)时测量精度为0.2%。由于使用多元热偶，所以本发明的热电变换器灵敏度高，其热电势输出可达60～100mv。此外，由于本发明的热电变换器使用具有中心通孔的薄膜热电变换元件和能方便地连接被检表的压环，因此，在检测交流电压表时使用方便，且应用广泛。本发明用于制造热电变换器的热电变换元件的方法简单只需利用开有所需形状通孔的掩模板进行遮蔽式蒸镀。从而克服了手工焊接方法或先蒸镀、后光刻等微细加工方法的缺点，能便利地制造出微米级线条宽度的金属薄膜热电变换元件。
权利要求
1.一种热电变换器，它包括一薄膜热电变换元件和一放置该元件的高频座；所述热电变换元件由一绝缘材料制成的圆形基底组成，所述基底的一侧有用电阻系数小、汤姆逊系数小的合金材料蒸镀形成的电阻加热带，以及与电阻加热带相连的环形内导体电极和两个扇形外导体电极，基底的另一侧有蒸镀形成的金属薄膜热偶和与热偶引出端相连的两个扇形热偶引出电极；所述高频座由一中心穿通的非磁性金属制底座、两个非磁性金属制扇形中极板、一个车有外螺纹的非磁性金属制压环及一个绝缘介质膜组成，所述底座的一侧有L16型阴性输入端口，另一侧有直径大于薄膜热电变换元件的孔，该孔外端的内壁部分车有供压环拧入的内螺纹，内端底部有一孔径等于热电变换元件外导体电极内径的圆柱形孔穿通到底座另一侧，该孔的侧壁上有一通孔，供中极板联结引线通过，底座内有一由绝缘介质支撑在中心通孔内的非磁性金属制内导体；其特征在于在所述薄膜热电变换元件的基底边缘有两个对称于中心的定位孔，在其中心有一通孔。
2.一种如权利要求1所述的热电变换器，其特征在于所述基底一侧至少形成有6对互相串联并分别对称于基底中心的向内弯曲的热偶。
3.一种如权利要求2所述的热电变换器，其特征在于所述电阻加热带基本为矩形。
4.一种如权利要求3所述的热电变换器，其特征在于所述多对热偶的热端均位于与电阻加热带相对应的位置上。
5.一种如权利要求4所述的热电变换器，其特征在于所述基底形成有热偶的一侧，在中心部位有一环形内导体电极，该电极通过基底中心通孔与基底另一侧的内导体电极相连。
6.一种如权利要求5所述的热电变换器，其特征在于所述底座中的内导体的内端面与置于底座一侧孔内的中极板的外端面处于一个平面，且该端面上有一直径等于所述薄膜热电变换元件中心通孔直径的螺纹孔。
7.一种如权利要求6所述的热电变换器，其特征在于所述薄膜热电变换元件与内导体通过一非磁性金属制的内导体销钉达到电连接。
8.一种如权利要求7所述的热电变换器，其特征在于所述压环内侧有供更换被检表的连接头用的内螺纹。
9.一种热电变换器的制造方法，它包括下列步骤(1)用机械加工方法制造出高频座的底座、压环、中极板、绝缘介质膜、内导体、内导体销钉及绝缘材料制的圆形基底;(2)在清洗好的基底的一侧真空蒸镀上一矩形条状电阻加热带;(3)在基底另一侧蒸镀上至少6对热偶的一种金属条;(4)在基底该侧蒸镀热偶的另一种金属条;(5)在基底该侧蒸镀上金的内导体电极和热偶引出电极;(6)在基底有加热带的一侧蒸镀形成金的内、外导体电极;(7)将经过(2)～(6)工序的基底蒸镀有热偶的一侧朝向内地由压环拧入底座而安装在高频座内，其特征在于基底两热偶引出电极分别对应于两中极板，绝缘介质膜放在中极板下使之与底座绝缘，内导体销钉穿过薄膜元件中心通孔进入内导体端面上的螺纹孔内。
10.一种如权利要求9所述的热电变换器的制造方法，其特征在于其中(2)～(6)的蒸镀步骤是利用一种上面加工有所需形状通孔的掩模板作遮蔽而完成的。
11.一种如权利要求9所述的热电变换器的制造方法，其特征在于所述掩模板是用坡莫合金制备的。
全文摘要
本发明涉及一种热电变换器，更具体地说，涉及一种宽频带的源式多元热电变换器。它由一热电变换元件和高频座构成，所述热电变换元件包括中心有一通孔的绝缘材料基底，基底一侧蒸镀形成有一个电阻加热带、与加热带连接的一个环形内导体电极、两个扇形外导体电极，基底另一侧蒸镀形成有多元热偶，及与另一侧内导体电极相连的环形内导体电极和两个扇形热偶引出电极。本发明的热电变换器测量精度高、灵敏度高、使用方便。
文档编号H01L35/34GK1036299SQ8810171
公开日1989年10月11日 申请日期1988年4月1日 优先权日1988年4月1日
发明者郭存林 申请人:中国计量科学研究院