[发明专利]微型热电偶

说明书

对相关申请的交叉引用

本发明要求享受2011年04月04日提出的临时申请号为S/N61/516432的权利，在此通过引用将其整体引入。

背景技术

技术领域

本发明主要涉及利用一对加长金属芯微丝制造的设计稳健的改良微型热电偶。更特别地，本发明涉及这种微型热电偶及其制备方法，其中至少一个该微丝是高强度、玻璃包覆、非晶态金属芯微丝，并且热电偶结包括围绕非晶态微丝的其他微丝的螺旋缠绕。

现有技术的描述

热电偶实质上是双金属结，其提供与热电偶结所经受的温度成比例的输出电压。热电偶在众多应用中是十分常见的。然而，在特定情况下热电偶必须具有极小的尺寸，通常称之为微型热电偶。将这些相当微小的热电偶用于各种装置中，例如用于医学装置(例如，消融导管)、或在制备或修补复合纤维飞机构件或类似物期间的温度监测中。在后面的实例中，在固化过程期间将该微型热电偶的热电偶结嵌入到复合材料中以监测温度。该微型热电偶必须在尺寸上与强化纤维相称以不会在制造或修补的部分引入弱点。此外，该微型热电偶必须具有足够的机械强度以承受住操作、扭绞以及在复合部分的制备或修补过程中所形成的应力和升高的压力，并且还应当在整个重复热循环期间具有稳定的热电势(也称之为热电动势或塞贝克系数)。在复合材料固化期间如果热电偶遭受了重复变形，则常规微型热电偶的缺陷在于其热电势EMF会变化。

美国专利号7361830公开了一种微型热电偶，通过以下步骤形成：将绝缘层从至少第一和第二微丝电极的相邻远端移除，然后通过利用无铅焊料而焊接该剥离后的端部，或者通过将该端部焊接在一起而在该远端形成了导电性热电偶结。随即，利用热收缩聚合物外皮覆盖该形成的热电偶结。这种类型的微型热电偶具有的难题在于由于该聚合物外皮的热特性它仅在有限的温度范围内工作。

另一种类型的微型热电偶在题目为Double Glass Drag Spinning Method of Fabrication of Thermoelectric Coaxial Cables and Microthermocouples，Kantster等，Journal of Optoelectronics and Advanced Materials，第8卷，第2期，2006年4月，第601-603页的文章里有所描述。为了利用碲化铋半导体和半金属芯制备较长的玻璃包覆同轴微丝，此微型热电偶设计采用了凭借热炉加热的双重软化玻璃拖动旋转法。所得到的微丝具有非常高的灵敏度，但是此同轴设计承受了碲化铋材料的脆性。

其他重要的背景文献包括美国专利号5240066、7041911和High Frequency Properties of Glass-Coated Microwire，Antonenko等，Journal ofApplied Physics，第83卷，第11期，1998年6月。

发明内容

本发明克服了以上概述的问题并且提供了大大改善的具有稳健设计和高强度的微型热电偶，特别地适用于在任何上下文所需要的微型热电偶中使用，尤其在碳纤维复合材料的制备和修补中。一般来说，根据本发明的微型热电偶包括第一和第二伸长微丝电极，在该电极之间遍及其长度的一部分具有一电绝缘屏障，且该电极的至少一个由非晶态金属材料形成。导电热电偶结提供在第一和第二电极之间，并且包括其中一个电极缠绕另一个电极的长度；优选地，该结形成在该第一和第二电极的并置端部。

在特别优选的方式中，每个微丝电极均是采用常规Taylor-Ulitovsky工艺制备的玻璃包覆微丝以使得该金属微丝芯具有从大约15-50微米、更优选为从大约25-40微米范围的直径，带有具有从大约1-10微米、更优选为从大约2-8微米厚度的玻璃覆层。该微丝实质上能够具有任何预定的长度，但是长度优选为从大约2cm-3m并且为并行毗邻的。为了最小化该微型热电偶的横向尺寸，第一和第二电极沿着其长度的至少一部分、并且优选地在玻璃覆层的全部长度范围内相互连接。

如以上所提出的，微型热电偶电极的至少一个是一非晶微丝。如在此所采用的，“非晶”意味着金属芯是实质上未结晶化、无分化的结构，在其中不具有原子或分子的可感测组织或形状，并且在其中具有不超过大约10重量％的结晶相。这些类型的非晶微丝具有强度、硬度以及热电特性，其在现在的微型热电偶中是非常理想的。