热分析传感器的制作方法

专利名称：热分析传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于热量测量的热分析传感器。
技术背景热量湖!l量(calorimetric measurement)用于确定化学或物理过 程中转换的热量值以及物质的比热。为了实施这种测量，物质， 特别是物质试样，在受控的条件下在量热器中被加热，并且借助 于热分析传感器(thermoanalytical sensor)观测物质试样和恒温装 置(即用于加热和/或冷却的装置)之间的热流。热流通常通过沿 着试样和恒温装置之间的热流路径的温差来确定。量热器通常包括至少一个测量室，其具有热分析传感器，在 热分析传感器上布置着至少一个测量位置。传感器一方面热耦合 至恒温装置，另一方面热耦合至接触传感器的试样和/或参照物 (reference)。恒温装置和/或传感器通过适宜的方式连接到至少一个控制单元。量热器可被用于，例如，热分析领域，以测量大部分物质。 一般而言，物质试样安放于形成在传感器上的试样位置上，并且 借助于恒温装置被加热，在大多数情况下试样被保持在专用杯中， 杯可被封闭。恒温装置和试样之间出现的热流被测量和评估。这 可以提供关于物质结构和成分的信息，例如其热容量、相变和氧 化稳定性。还可以观察动态反应和/或确定纯度。在需要以高精度和大温度范围进行的热量测量中， 一般程序 是测量相对于参照物热流的试样热流。热量测量可以实施于量热 器中，量热器具有彼此分开的测量室，以及用于至少一个试样和 至少一个参照物的公共测量室。为了以高可再现性进行精确测量，重要的是传感器具有高机 械、化学以及热稳定性。本领域中当前公知的传感器经常包括盘 形载具，其具有至少一个热电偶装置和形成在传感器上的至少一个测量位置。热电偶装置以及测量位置可以例如借助于薄膜技术 或厚膜技术制成。具有通过薄膜技术产生的、构成热电偶装置的热电偶的一部分的传感器描述于例如F. X. Eder的Arbeitsmethoden der Thermodynamik (热动力学领域的工作方法)，巻2,施普林格出 版社1983年，第240页。借助于薄膜技术产生的传感器的缺点是 生产工艺昂贵，可以获得的最大厚度很小，在很多情况下具有低 机械和/或化学耐受性。借助于厚膜技术可以产生更多的电阻传感器。其上形成有一 个试样位置和一个参照物位置、并且具有至少两个热电偶装置的 传感器公开于DE 39 16 311 C2。利用厚膜技术产生的传感器可以具有形成在载体基板上的若 干厚膜涂层。涂层的最大整体厚度为大约100pm，各层的典型厚 度在5和20 pm之间。各个涂层可以包括电路例如热电偶装置， 并且通过绝缘层彼此分隔。各个层通过软膏和丝网印刷技术沉积， 并且通常每个印刷步骤之后需要跟着一个焙烧过程。结果，生产 过程，特别是对于若干涂层来说，是非常耗时的。多个烧结步骤 可以对结构和所涉及的涂覆材料和/或对载体基板产生有害作用。为了产生热电偶，至少两种不同的导热膏(thermo-pastes)沉 积在载体基板上，在大多数情况下载体基板由陶瓷材料形成。在 彼此之间相隔一段距离布置的两个热电偶之间可能具有电压差， 通过该电压差，温差可被确定。热电偶可以在为沉积相应的厚膜 涂层而预先规定的特定图案中布置。利用薄膜技术以及利用厚膜技术，可以实现大致二维热电偶 装置，其测量包含热电偶的各传感器层中的温度差。热电偶通常 沉积在大致水平的传感器层中，既可以在传感器表面本身上也可 以靠近其沉积。然而，传感器中的热流并非限定在一层中，而是在整个传感 器中三维传播。因此，利用由薄膜或厚膜技术产生的大致二维热 电偶装置，只有一部分的热流可被测量，因而测量结果携带着相 应的不稳定性。发明内容基于上述背景，本发明的目的是提供一种用于热量测量的热 分析传感器，其同传统传感器相比，可以提供更高级别的灵敏度， 更重要的是，具有更大的结构灵活性。上述目的可通过权利要求1中限定的传感器实现。用于热量测量的热分析传感器与恒温装置协作，并且包括形 成在传感器上的至少一个测量位置，和温度测量元件。热流路径 本身建立在测量位置和恒温装置之间。传感器主要包括由陶瓷元 件形成的多个层，所述陶瓷元件通过一起经历烧结过程而彼此牢 固粘合在对方上。陶瓷元件主要由陶瓷形成，陶瓷在其生料状态 下可以被提供为某种结构。用于形成传感器的陶瓷元件中的至少一部分被结构化(structured)。
本申请中使用的术语"层"指的是在结合烧结之后由传感器中 的陶瓷元件占据的位置和区域。以下使用的术语"陶瓷元件"可表 示处在未烧结或生料状态的陶瓷元件。为结合进行的烧结可在陶 瓷元件之间产生固实结合，从而形成近乎单体的单元。采用术语 "层"在大多数情况下是为了给传感器的构造提供更好的解释。各陶瓷元件可以在烧结之前单独结构化，从而传感器的形状 和结构可以以任何预期方式设定并且成形。传感器通常包括结构 化以及未结构化陶瓷元件。陶瓷元件在同一时间烧结在一起，并 且因此而全都承受相同的加热轮廓线，从而各陶瓷元件的热应力 保持为尽可能小。这一点是有利的，因为这样可以避免因各部分 不同的热暴露而在传感器中引起应力。陶瓷元件由陶瓷制成，即由陶瓷材料形成，优选所有元件使 用相同陶瓷。在其未烧结或生料状态，该陶瓷可以被构造为某一 结构。使用单一的陶瓷是有利的，因为这使得陶瓷元件可以通过 相同方法结构化，从而制造成本可以显著降低。为测量热流，传感器包括至少一个热电偶装置，其被沿着热 流路径形成。热电偶装置产生热电信号，利用该信号，热流可通 过传统方式被确定。一般而言，热流可直接或间接通过温度测量而被测量。取决 于具体构造，绝对温度或温差可借助于所述至少一个温度测量元 件而被测量。温度测量元件可以例如包括电阻器或具有至少两个 热电偶的测量链。彼此相隔一定距离定位的至少两个热电偶可以形成测量链， 所述测量链可以通过适宜的连接触点而构成热电偶装置的一部 分。利用测量链，构成测量链的热电偶之间的温差可被确定。如
果测量链为所谓的冷端电路，其中一个热电偶形成传感器内侧、 另一个热电偶形成传感器外侧，则测量链还可以被用于确定绝对 温度。
属于热电偶装置的至少一个热电偶被形成在传感器的层中或 层上。
在层中或层上传播的热流可通过至少一个测量链而被确定。 形成测量链的热电偶可以形成在层内和/或层上，或是形成在不同 的层内和/或层上。
确定在层上或层中二维传播的热流通常利用多个测量链实 现，测量链在大多数情况下构成热电偶装置的一部分并且安置在 层上和/或层中。
为了确定垂直于层传播的热流，热电偶装置可以设置成主要 包括在两个或更多个层之间延伸的测量链。
在优选实施方式中，传感器包括若干测量链，所述测量链包 括安置在层上和/或层中和/或安置在不同层上和/或不同层中的热 电偶。这使得可以测量三维传播的热流。
热电偶通常包括两种不同导电性材料，它们彼此接触。热电 偶优选通过向陶瓷元件上和/或陶瓷元件中沉积和/或注射含金属 的导热膏而制成。可行的是，例如通过丝网印刷向陶瓷元件施加 至少两种不同的导热膏，或者设在各陶瓷元件中的凹槽可以被充 填不同的导热膏。现有技术中的热电偶包括下述材料，例如金、 银、铜、钯、铂以及这些金属的合金。在本申请中，术语"凹槽" 包括陶瓷元件上的凹坑以及穿通陶瓷元件的通道。
传感器可以具有测量链，其可以相对于测量位置沿水平和/或 竖直方向延伸，其中一或多个测量链(每个包括至少两个热电偶)
优选不仅安置在一个层内和/或一个层上，而且安置在两个或更多 个层上和/或之间。
水平和/或竖直测量链的构造使得可以观察热流沿水平以及竖 直方向的传播。测量链的构造具有很高的灵活性，从而，取决于 传感器的设计，还可以例如将由热电偶构成的测量链安置在形成 于传感器中用于容置试样或参照物的凹槽的竖直壁中。取决于测 量链的构造，热流传播可以被二维或三维观测。
水平和竖直测量链的组合还能够实现真正的热电偶三维结 构，并因此而三维观测传感器中的热流模式。这一点非常有利， 因为热量测量的精度取决于热电偶在传感器中和/或传感器上的数 量和分布。已发现，围绕测量位置的大致圆形分布的热电偶特别 有益。热电偶因此而优选分布在传感器表面上和/或靠近传感器表 面的层中，以及在传感器内侧的所有空间尺度中分布，以便尽可 能多地俘获热流和建立在试样或参照物与恒温装置之间的温度梯 度。
在另一代表性实施方式中，热电偶装置包括至少一个热电偶， 其在烧结过程之后形成在传感器的表面上。该热电偶优选通过传 统厚膜或薄膜技术制成。还可以在烧结之后在传感器上制成一或 多个厚膜或薄膜涂层。 一或多个测量链可以作为热电偶装置的一 部分形成于这些涂层中，通过测量链，在传感器表面上传播的热 流可以俘获。
温度测量元件还可以包括电阻器，其可以形成在层中和/或层 上，和/或在烧结之后形成在传感器表面上。温度检测可以仅通过 一或多个电阻器实现，仅通过测量链实现，以及通过电阻器和测 量链的组合实现。设计有大表面面积的电阻器还可以被用作加热 电阻，从而局部加热装置被布置在传感器上或传感器中。
热电偶、电路、电阻器和/或加热电阻可以例如在烧结之前借 助于丝网印刷技术形成在陶瓷元件上，或在烧结之后形成在传感 器表面上。
在另一代表性实施方式中，传感器包括至少一个用于流体、 特别是用于恒温流体的管路。通过该管路，传感器和/或与传感器 相接触的试样或参照物可以被调温，即加热或冷却。所用的恒温 流体优选为液体、气体或液化气体。取决于恒温流体及其温度， 传感器可以被加热和/或冷却。管路可以被设计成任何预期形状。 为确保恒温流体和传感器之间均匀的热交换，可以设想，将流体 在管路中保持移动，这可以通过传统装置例如泵实现。
由于可以向陶瓷元件提供某一结构，因此可行的是，改变至 少一个传感器区域的导热率，从而该区域具有同陶瓷相比更高或 更低的导热率。这样的传感器区域既可以具有至少一个凹槽和/或 充填的凹槽，也可以包括印刷有导热率与陶瓷不同的材料的陶瓷 元件。
各陶瓷元件的结构化可行性取决于它们的尺寸和所用的陶 瓷。有利的是，陶瓷元件含有氧化铝。
根本上讲，传感器是通过在一个过程中一起烧结各结构化和/ 或未结构化陶瓷元件的构造而产生的。各陶瓷元件的大小被设置 成适合于成品传感器的尺寸和形状。取决于各陶瓷元件规定的结 构，可行的是，产生具有不同性能和形状的热分析传感器。
传感器的形状可能会影响其灵敏度、可再现性和动态性能， 因为这些性能主要是通过热流在传感器中的空间分布而确定的。 传感器的灵敏度主要受传感器中不同区域的热阻的影响，即受热 电偶之间的拓扑学结构和材料以及温度测量元件和/或测量链在传
感器中的布置方式的影响。根据本发明的传感器制造方法包括不同的步骤，并且主要遵从于所谓的LTCC (低温共烧结陶瓷)方法。制造陶瓷元件所用的基料为未烧结或生陶瓷材料。这种类型 的也被用于LTCC陶瓷的生陶瓷材料是商业供应的并且可以从不 同的制造商以巻料的形式或已经预切割成不同尺寸的片材的形式 获得，例如DuPont或Heraeus。基料的厚度为优选大约50至大约 300 pm。为产生各个具有给定尺寸的陶瓷元件或陶瓷元件阵列(类似 于硅晶片，在之后的时间包含多个彼此分隔的陶瓷元件)，以巻料 的形式或已经预切割成片材的形式获得的陶瓷材料可以例如通过 激光切割、锯切、模具冲裁、铣削或超声波切割而被切割成小板 块、陶瓷元件或陶瓷元件阵列。如有必要，各陶瓷元件或工业生产过程中的元件阵列可以随 后被结构化。各陶瓷元件的结构化可以实施于各陶瓷元件以及实 施于阵列。这样的阵列在过程的后续步骤中被分离为各陶瓷元件， 例如在层合或烧结后。在结构化后，陶瓷元件一般会被彻底清洗。最终将形成传感器的陶瓷元件以规定的次序彼此上下叠加。 传感器的性能和形状主要通过结构化和未结构化陶瓷元件的分布 顺序来确定。以这种方式组合的叠层在烧结之前经历层合操作，从而在烧 结之前陶瓷元件已经彼此附着，并且不能偏移彼此相对于对方的 位置。在低于大约ioo°c的温度在压力下或在真空中实施层合。随后，叠层被烧结一次。烧结温度高于层合温度，典型地低
于大约900。C。通过烧结，已经彼此附着的陶瓷元件将彼此牢固粘 合在对方上，并且形成几乎单体式单元。
陶瓷元件的结构化可以包括一或多个下述步骤可以通过例
如模具冲裁、激光切割、切割或钻削制出一或多个凹槽。在一些 情况下，这些凹槽同样可以被充填不同的材料，从而在陶瓷元件 中的这些部分，或后续的时间内在层中，可以在特定点和/或在特 定区域中改变材料成分。如果导热率不同于陶瓷的材料被用于充 填凹槽，则可以在点和/或在区域中改变传感器的导热率。可以使 用的材料包括例如金属，例如金、铂、钯、铜、银和这些金属的 合金，其具有高导热率或良导热率，和/或气体例如空气，其具有 低或差导热率。
金属可以以含金属的软膏的形式使用，其性能被设置成适合 于所使用的陶瓷。然而，其它有机、无机或金属材料也可以用于 充填凹槽。
另外，通过这种方式预先结构化的陶瓷元件以及未结构化陶 瓷元件可以被印刷或涂覆不同的材料。还可以在层合或烧结之后 向未精整的传感器表面涂覆或印刷附加的涂层。建议为该目的使 用在厚膜和薄膜技术领域公知的丝网印刷方法，还可以使用传统 公知的溶胶-凝胶工艺，因此而产生不同的图案。这些涂层可以包 括一或多个附加温度测量元件和/或一或多个测量位置，以及其它 可行措施。
作为结构化的另一种方式，可行的是，使用不同尺寸的陶瓷 元件，从而传感器的外形可以改变或单独设定。
形成凹槽并后续充填，和/或印刷陶瓷元件，和/或印刷烧结的 传感器，还可以用于在传感器上形成至少一个测量位置。
在许多情况下，所使用的陶瓷材料具有在烧结过程中收縮的 特性。因此实际上可以将各陶瓷元件制作得略大于传感器的期望 尺寸。如果层主要包括结构化陶瓷元件，还可能导致它们的收縮 不均匀。为了在生产过程中满足关于尺寸和形状的规定许用公差，可 能需要对传感器进行机械精整加工。机械精整可以包括例如分离 陶瓷元件阵列的叠层，使传感器的边缘平滑化，和/或通过例如切 割、磨削、钻削和/或铣削等方法对传感器的最终形式进行成形。 传感器的尺寸和形状也可能对传感器的灵敏度和测量精度具有影 响。在烧结之后，传感器可以被机械精整，并且形成于传感器中 的至少一个温度测量元件可以电连接至测量单元，并且可能还连 接至控制单元。在生产过程中形成于陶瓷元件和/或陶瓷元件上的结构，安置 到传感器上的和/或结构，构成了成品传感器中的不同元件，例如 下述一组中的至少一种温度测量元件、热电偶装置、电阻器、 加热电阻、热电偶、测量链、流体管路和/或导热率不同于陶瓷材 料的传感器区域。传感器的性能和形状主要通过相同地或不同地结构化和/或未 结构化陶瓷元件的分布顺序来确定。传感器内的较大中空空间可 以例如通过将若干在相同位置具有凹槽和/或切除部的陶瓷元件彼 此上下叠置而产生，在这种情况下，可能需要在层合和烧结过程 中用空间保持填料来充填较大空腔，以便确保凹槽或中空空间的 形状在烧结之后得以保持。还可以通过这种方式在传感器中形成一或多个管状管路。由
于在烧结过程中各陶瓷元件彼此牢固粘合在对方上，因此这些管 路在烧结之后将具有封闭的壁，并且可以被用于承载恒温流体。 作为恒温流体，优选地使用液体、气体或液化气体。取决于流体 及其温度，这可使得传感器被加热或冷却。通过例如对壁进行后 续的涂覆，管路的防漏性能可以进一步提高。
恒温流体管路可以被构造成任何理想的形状，其中管路可以 在测量位置下面以螺旋形状延伸，或以大致曲折形状延伸。管路 具有从传感器通向外侧的连接器，通过连接器，管路可以从外侧 供应恒温流体。为了通过流体均匀地传输或吸引热量，需要维持 流体在管路中的移动，这可以通过传统装置例如泵实现。
最后，所述至少一个温度测量元件和/或热电偶装置设有电触 点终端，从而传感器中和/或传感器上的一个位置和/或不同位置的 温度可被测量，并且热流可被确定。


下面将参照附图来描述热分析传感器的不同实施例，在附图
中
图1表示具有若干测量链的热分析传感器的示意性剖视图， 其热耦合至恒温装置，并且通过形成在传感器上的测量位置热耦
合至试样杯和参照物杯；
图2显示了图1的放大细节；
图3提供了具有水平和竖直布置的测量链的热分析传感器的 示意性放大图4提供了具有用于杯的升高支座区的热分析传感器的示意 性放大图5提供了具有用于杯的下沉支座区的热分析传感器的示意 性放大图；图6提供了具有整体组合式试样容器的热分析传感器的示意 性放大图；图7提供了具有导热率不同于陶瓷材料的区域的热分析传感 器的示意性放大图；图8提供了具有形成在传感器内的恒温流体管路的热分析传 感器的示意性放大图。
具体实施方式
图1和2示出了用于热量测量(测热)装置的热分析传感器 的优选实施方式的例子。盘形传感器1大致显示在图1中，其包 括通过一起经历烧结过程而彼此牢固粘合在对方上的多个层2，在 烧结之后施加在传感器1上的至少一个涂层33，以及恒温装置5 和用于试样和参照物的各一个杯12。为了更清楚，图2显示了图 1的局部放大图。下面将更详细地一起描述图1和2。为了更好地理解传感器的结构，各层显示在所有图中，尽管 在烧结之后这些层不能彼此完全区分开，而是构成近乎单体结构， 其中形成各功能元件。传感器1包括若干结构化陶瓷元件，其中，通过使多层的组 件经过低温下的结合烧结过程而产生包含多个层2的传感器。随 后，在图示的例子中，烧结的传感器被涂覆至少一个附加层33， 其通过例如厚膜技术施加。在烧结之前和/或在烧结之后，通过对各陶瓷层进行结构化， 在传感器1的与恒温装置5接触的底侧形成两个凹槽3。这些凹槽
定位在测量位置6、 7下面，并且减小传感器在这些区域中的厚度。 凹槽3包围着真空或被充填空气或气体。所述凹槽由恒温装置5 限定边界，在这种情况下，恒温装置主要为由银构成的加热块。与杯12接触的传感器表面大致为平表面，并且被涂覆至少一 个涂层33，其包括结构化部分和绝缘部分，并且在本例中通过使 用厚膜技术施加。结构化涂层部分包括两个测量位置6、 7，并且 分别围绕每个测量位置6、 7形成热电偶装置，每个热电偶装置分 别包括两个形成在涂层33的结构化部分中的测量链8、 9。每个测 量链8、 9具有至少两个热电偶。显示于图1和2中的传感器1包括若干测量链8、 9、 10、 11。 测量链8、 9形成于涂层33中，测量链IO、 ll形成于铺设在传感 器内侧的层2中和/或形成在其上。测量链8、 9、 10、 ll围绕测量 位置6、 7基本上沿径向延伸。这使得温度波动不仅可围绕各测量 位置6、 7沿径向被检测，还能在测量位置6、 7下面的不同深度 处被检测。此外，在每个杯下面设有大面积电阻器4，其在本例中形成于 涂层33中并且用作温度测量元件以确定绝对温度。传感器1包括由陶瓷材料构成的多个层2，陶瓷材料中含有氧 化铝，并且与现有技术的LTCC过程中使用的材料类型相同。为 了形成测量链10、 11，由两种不同导热膏构成的两个热电偶形成 在至少一个层上和/或层中。测量链设置在传感器1内。在通过对各陶瓷元件进行适宜的结构化以实现层合之前，测 量链10、 11已被形成。它们与测量链8、 9一起，允许实现在经 受调查的物质和/或参照物与恒温装置5之间移动的热流的三维测
通过测量链8、 9和测量链10、 11之间的空间分隔，特别是 竖直距离，同传统传感器相比，至少两倍数量的热电偶可以形成 于传感器1中，这是因为热电偶分布在一或多个层2上以及传感 器的涂层33中。传感器的灵敏度因此而同传统传感器相比提高。在烧结之后形成的两个测量位置6、 7限定了传感器的表面区 域，在测量过程中，经受调査的物质和/或参照物布置在所述表面 区域上。 一般而言，经受调査的物质被放入杯中，所述杯可以由 罩盖13封闭，如显示于图1。作为参照物，空杯可以使用，被充 填了纯物质或参照物质的杯也可使用。不同种类的杯是公知的， 但为了精确的热量测量，所使用的杯的热学、机械和化学性能需 要得知。为了热量测量，通常使用金属或合金的杯。相同的杯总 是被用于参照物和试样。典型的杯材料包括铝、陶瓷、钢和蓝宝 石等等。LTCC陶瓷的独特之处在于，它们包括大致上由相同陶瓷材料 构成的多个结构化陶瓷元件，这些陶瓷元件一起经受烧结过程。 典型的烧结温度低于大约900°C。由于相对低烧结温度，热电偶还 可以形成有导热膏，其含有低熔点金属例如金、银、铜、铂、钯 和这些金属的合金，而没有导致包含导热膏的图形和结构变形的 危险。除了测量链IO、 ll之外，通过结构化未烧结陶瓷元件并且在 烧结之后只机械精整而类似地产生了凹槽3。机械精整工作可能是 必需的，因为基板材料在烧结过程中收縮一定的比例，大约为10% 至20%。在前面描述的生产过程中，不同的温度测量元件例如热电偶 禾口/或电阻器可以形成在不同的陶瓷元件上和/或陶瓷元件内。这些 热电偶可以形成测量链，这些测量链不仅平行于传感器表面延伸，
而且垂直于传感器表面延伸，如显示于图3。图3表示热分析传感器的一部分的放大图，其中竖直测量链 15、水平测量链14和加热电阻16形成在杯12下面。传感器本身 在很大程度上类似于图1和2中的传感器，相同附图标记用于表 示相同的特征。加热电阻16被构造为层2上的大面积电阻器并且在本例中用 作传感器的局部电阻加热装置，从而既可以作为图1所示恒温装 置的附加而进行局部加热杯12，也可以仅仅利用电阻器16加热杯 12。传感器具有竖直测量链15和水平测量链14，它们优选构造为 围绕着设置在传感器表面上的测量位置的圆形图案。竖直测量链 15包括至少两个热电偶，它们形成在彼此之间具有竖直距离的两 个层内和/或层上。水平测量链14用于检测彼此水平相隔并且形成在层2内和/ 或层上的至少两个热电偶之间的温差。测量链包括彼此相连的至少两个热电偶，其中每个热电偶包 括具有不同的传导率的至少两种金属材料。各热电偶可以布置成 围绕测量位置的任何理想的二维或三维图案。围绕测量位置57布置并且分别具有至少两个热电偶的测量链 14、 15组合于一个热电偶装置中，热电偶装置可以检测沿着热流 路径的温度波动，热流路径本身建立在测量位置57和恒温装置(见 图1)之间。将测量链14、 15组合到热电偶装置中是通过形成测 量链14、 15的热电偶之间的适宜电连接部而实现的，其中不同的 热电偶通常被串联。触点终端可以用于印刷在各层或烧结之后沉 积的涂层上(见图1和2)的导电迹线，以及用于安装在成品传感
器上的导电体。位于传感器内和/或传感器上的水平和竖直布置的测量链允许三维检测在操作过程中在支靠于测量位置57上的试样或参照物与 恒温装置(见图1)之间的流动的热流。布置在传感器中的竖直测量链15和水平测量链14的热电偶 已经在结构化陶瓷元件的过程中制成，或至少被预先形成并且在 后续烧结中制成。图4显示了多层传感器的另一种可行构造。所显示的形式大 致类似于图3，并且相同的特征被赋予相同附图标记。在本实施方式中，热分析传感器具有两个水平测量链18、 20 和一个竖直测量链19，它们均布置在传感器内侧。每个测量链18、 19、 20具有至少两个热电偶，它们被大致构造成围绕测量位置17 的圆形图案。测量链18、 20布置于沿竖直方向彼此相隔的层中， 并且测量链19在传感器中的定向正交于测量链18、 20。测量位置17设置在升高支座区21上，该升高支座区类似地 通过结构化各陶瓷元件而形成。升高支座区21通过结构化若干较 小陶瓷元件而形成。完成后的传感器随后被层合和烧结，从而具 有前面描述的特征的多层传感器被形成。图5显示的传感器具有下沉支座区22，用于容置可封闭的试 样杯或参照物杯12。测量位置37形成在下沉区22的底板上，杯 12可以放置在底板上并且可以被罩盖13覆盖。完成后的传感器包 括烧结陶瓷层2，所述烧结陶瓷层包含彼此沿竖直方向相隔的若干 水平测量链23、 24、 25、 26。测量链23、 24、 25、 26布置在不同 的层2层上和/或层内，从而杯37被测量链23、 24、 25、 26沿横 向以及从下面围绕。
下沉区22可以通过从未烧结陶瓷元件上模具冲裁或切割相应 区域而产生，或通过后期在烧结的传感器中形成凹槽22而产生， 例如通过铣削或钻削。优选地在烧结过程之前形成下沉区或凹槽 22，因为后续的机加工可能引起各热电偶损坏。传感器的另一实施方式显示在图6中。传感器包括用于试样 或参照物的容器，其中容器大致上构成传感器的一部分。凹槽34 形成于传感器中，传感器表示为用于容置试样或参照物的杯。凹 槽34通过盖子28而被覆盖或封闭，盖子类似地优选由LTCC陶 瓷构成，LTCC陶瓷包括烧结在一起的若干陶瓷元件2。这样产生 了可以通过罩盖28封闭的试样室34，其中将被检测的试样29可 以直接安置于试样室34中。在凹槽或试样室34的底板上，同样形成有测量位置47，其被 测量链23、 24、 25、 26围绕，这些测量链布置在彼此竖直相隔的 多个层中。在本例中，通过向未烧结陶瓷元件上和/或其内沉积和/ 或注射不同的导热膏，形成测量链23、 24、 25、 26的热电偶被类 似地产生，其中至少两个空间分隔的热电偶之间的距离，以及因 此而测量链23、 24、 25、 26的长度，可以彼此不同，如图中通过 代表测量链23、 24、 25、 26的条的不同长度所示。根据本发明的热分析传感器中包含的多层陶瓷结构的导热率 可以在生产过程中如下改变，即通过将导热率高于陶瓷的材料嵌 入传感器的特定区域中，或通过在未烧结陶瓷元件中产生凹槽， 凹槽随后被充填材料导热率低于陶瓷的材料，例如空气或真空。具有高导热率的区域既可以通过将具有某种导热膏的图案印 刷在各陶瓷元件而产生，也可以通过在陶瓷元件中制作一或多个 凹槽并且在另一步骤中以导热材料填充所述凹槽而产生。
具有降低导热率的区域可以通过形成于这些区域内并被充填 具有较低导热率的材料的中空空间或凹槽而产生。中空空间的尺 寸一方面取决于制作在陶瓷元件中的切除部的尺寸，另一方面取 决于彼此的切除部相连的多个陶瓷元件的相互叠置。具有导热率设定区域的传感器的例子显示在图7。所示出的传 感器部分地类似于图2，并且相同的特征被赋予相同附图标记。在 位于凹槽3和测量位置7之间的传感器部分中，有些部分包含有 绝热材料31，例如空气或其它绝热体。由于绝热材料31，传感器 该区域中的导热率下降，从而凹槽3的绝热效果被进一步增强。 作为降低的导热率的结果，这些传感器部分被绝热，从而热电偶 装置和热流路径之间的相互作用程度降低了。在边界处或在两个测量位置之间的传感器区域应当具有较高 导热率，这是为了促进恒温装置和测量位置7之间的热传导。这 些区域至少部分地直接接触恒温装置。这些区域中导热率的提高 是通过被充填了导热率高于陶瓷材料的材料30的空腔而实现的， 或是通过在各陶瓷元件上以预先设定的局部限定图案来沉积材料 30而实现的。图8显示了一种热分析传感器，其具有用于恒温流体的管路 32，该管路在本例中具有曲折形状。在所示出的实施方式中，管 路32被主要布置在测量位置7下面，在理想情况下在形成测量位 置的整个区域下面延伸。管路还可以例如是螺旋形的。管路32包 括互联中空空间，它们形成在未烧结陶瓷元件中。在烧结过程中， 各陶瓷元件彼此永久性粘结在一起，从而具有实体限定壁的管状 管路32被产生，恒温流体可以被传输通过所述管路。管路32可 被用于冷却以及用于加热传感器和/或放置在其上的杯。取决于应 用领域，恒温液体或气体例如水、空气或液氮被发送通过管路32。
流体通过例如与管路32连接的传统泵(未显示在图中)而被移动。 管路32以下述方式安置在传感器中，即其具有至少一个由传感器 引出的开口。这里示出的实施方式代表具有不同性能和特征的热分析传感 器。为了更清楚地总览，不同的性能和特征显示在不同的实施方 式中，但也可以单独地实施所述特征和性能，以及在一个传感器 中组合所公开的特征和性能中的一些或全部。取决于至少一个传感器的构造，根据本发明的热分析传感器 可以是根据功率补偿原理或根据差分方法进行操作以用于热量测 量的传感器。这里作为示例给出的实施方式主要包括具有两个测量位置的热分析传感器，即试样位置和参照物位置。然而，传感器还可以 具有至少一个参照物位置和一个以上的试样位置；或者，至少一个试样以及一个参照物安置在至少两个传感器上，所述传感器彼 此分开并且只连接到至少一个测量单元，还可能连接到控制单元。根据本发明的传感器包括至少一个热电偶装置，其形成于传 感器中并且可以包括安置在传感器表面上的至少一个附加热电 偶。图1至8中所有的传感器均显示在纵向剖视图中。所示出的 传感器结构特征，例如热电偶、管路和具有降低的导热率的部分， 既可以是二维构造，也可以是三维构造。测量链可以被设计成根据任何理想的图案围绕测量位置，但 优选的图案在最大程度上为圆形或星形。如果传感器包括若干热 电偶以在传感器的不同层中形成不同的测量链，建议将热电偶在 各层中彼此相对于对方置于交错位置，从而热流可以总体上在更
大的区域中俘获。不仅在层内、而且还可以在多个层上面形成热 电偶和/或测量链。根据本发明的热分析传感器主要用于热量测量，但也可以利 用这种传感器确定物质和/或材料的导热率。每个测量链总是包括由不同材料构成的至少两个热电偶。热 电偶可以例如由含有金、铂、银、钯、铜和这些金属的合金的导 热膏形成。作为测量链的替代或附加，可以通过借助于电阻器测量温度 的温度测量元件来实现温度测量和/或确定绝对温度。电阻器可以 形成在一个层中或多个层中，和/或形成于在烧结过程之后通过例 如厚膜技术沉积的涂层中。 附图标记列表1 传感器 202 层 213 切除部，凹槽 224 电阻器 235 恒温装置 246 测量位置 257 测量位置 268 测量链 279 测量链 2810 测量链 2911 测量链 3012 杯 3113 罩盖，盖子 3214 水平测量链 3315 竖直测量链 3416 电阻器 3717 测量位置 4718 水平测量链 5719 水平测量链竖直测量链升高支座区凹槽，下沉区水平测量链水平测量链水平测量链水平测量链测量位置習生 坐； 早JHL 皿丁物质导热材料绝热区，中空空间管路涂层凹槽，试样室 测量位置 测量位置 测量位置
权利要求
1.一种用于热量测量的热分析传感器，其与恒温装置协作(5)协作，并且包括形成在传感器上的至少一个测量位置(6、7)，建立在恒温装置(5)和所述至少一个测量位置(6、7)之间的热流路径，以及至少一个温度测量元件，其特征在于，传感器具有实质上由陶瓷元件形成的多个层(2)，所述陶瓷元件通过一起经历烧结过程而彼此牢固粘合在对方上，并且在它们的生料状态下可被设置为一结构，以使得陶瓷元件的至少一部分被结构化。
2. 根据权利要求1所述的热分析传感器，其特征在于，所述 热分析传感器包括至少一个热电偶装置，其沿着所述热流路径形 成，用于产生热电信号。
3. 根据权利要求2所述的热分析传感器，其特征在于，温度 测量元件包括至少一个测量链(8-11、 14、 15、 18、 19、 23-26)，其包括至少两个热电偶并且构成热电偶装置的一部分。
4. 根据权利要求3所述的热分析传感器，其特征在于，热电 偶装置包括形成在层(2)中或该层上的至少一个热电偶。
5. 根据权利要求3或4所述的热分析传感器，其特征在于， 所述热分析传感器包括至少一个测量链(10、 11、 14、 15、 18、 19、 23-26)，其包括形成在层(2)中和/或该层上的至少两个热电偶。
6. 根据权利要求3至5中任一所述的热分析传感器，其特征 在于，所述热分析传感器包括至少一个测量链(15、 19)，其具有形成在不同层(2)中和/或所述层上的至少两个热电偶。
7. 根据权利要求2至6中任一所述的热分析传感器，其特征 在于，热电偶装置包括至少一个热电偶(8、 9)，其在烧结过程之 后形成在传感器的表面上。
8. 根据权利要求1至7中任一所述的热分析传感器，其特征 在于，温度测量元件包括至少一个电阻器(4、 16)。
9. 根据权利要求1至8中任一所述的热分析传感器，其特征 在于，至少一个加热电阻(16)形成于传感器中。
10. 根据权利要求1至9中任一所述的热分析传感器，其特征 在于，至少一个用于流体、特别是恒温流体的管路(32)形成于 传感器中。
11. 根据权利要求1至10中任一所述的热分析传感器，其特 征在于，所述热分析传感器的至少一个传感器部分的导热率不同 于未结构化陶瓷元件的导热率。
12. 根据权利要求11所述的热分析传感器，其特征在于，具 有给定导热率的所述传感器部分包括至少一个未充填的中空空间 (31)和/或至少一个充填的中空空间(30)。
13. 根据权利要求1至12中任一所述的热分析传感器，其特 征在于，陶瓷元件包括氧化铝。
14. 一种制造用于热量测量的热分析传感器的方法，其特征在于，所述制造方法包括以下述步骤制造低温共烧结陶瓷(LTCC) 的过程制造具有预定尺寸和厚度的陶瓷元件；结构化陶瓷元件 的至少一部分；叠置陶瓷元件；层合叠置的陶瓷元件；在单一的 焙烧过程中烧结叠置的陶瓷元件，从而各陶瓷元件彼此牢固粘合 在对方上。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，陶瓷元件的 结构化包括一或多个下述步骤形成至少一个中空空间，和/或充 填至少一个中空空间。
16. 根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述结 构化包括涂覆和/或印刷陶瓷元件的表面。
17. 根据权利要求14至16中任一所述的方法，其特征在于， 传感器在烧结之后被机械精整。
18. 根据权利要求14至17中任一所述的方法，其特征在于， 在传感器中和/或传感器上形成一或多个下述元件温度测量元件， 电阻器，热电偶，测量链，热电偶装置，流体管路，加热电阻， 和/或具有与陶瓷材料的导热率不同的导热率的传感器部分。
19. 根据权利要求14至18中任一所述的方法，其特征在于， 在烧结之后，构成热电偶装置一部分的至少一个热电偶形成在传 感器的表面区域上。
20. 根据权利要求18或19所述的方法，其特征在于，在烧结 之后，至少温度测量元件和/或热电偶装置被设置触点终端并且连 接至控制单元。
全文摘要
一种用于热量测量的热分析传感器与恒温装置协作，并且包括形成在传感器上的至少一个测量位置，建立在恒温装置和所述至少一个测量位置之间的热流路径，以及至少一个温度测量元件，其特征在于，传感器具有实质上由陶瓷元件形成的多个层，所述陶瓷元件通过一起经历烧结过程而彼此牢固粘合在对方上，并且在它们的生料状态下可被结构化，以使得陶瓷元件的至少一部分被结构化。
文档编号G01K17/00GK101163950SQ200680013812
公开日2008年4月16日 申请日期2006年4月21日 优先权日2005年4月25日
发明者M·祖姆巴赫, T·许特尔 申请人:梅特勒—托利多公开股份有限公司