[发明专利]热流传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种热流传感器(WFS)及其应用。

背景技术

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WFS根据需要被安装到目标上，或被集成到目标中。例如在VAN DER 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Hukseflux、Sequoia、Captec等名称(Bezeichnung，品牌)。

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辐射的能量。

根据现有技术的热流传感器可被分成三种不同的类型。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(CMOS)技术制造的小型热流传感器，以及总厚度＜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)。

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，这是由于薄热流传感器的较小的厚度以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】。该缺点可以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。

专利文献US2005/0105582 A1示出了薄热流传感器的结构，其基于热流的侧向扭曲(lateraler Verzerrung)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酰亚胺膜上。聚酰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)(例如聚酰亚胺)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。

在专利文献US2005/0105582A1中描述的传感器的结构同样在【Ph Herin and P Thery,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Cu膜构成的导热元件。这种导热元件对于均匀化热流用以抑制微效应是重要的。

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。这样总共三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

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，以满足各种应用的要求。

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。

这通过有源传感器元件(aktive Sensorelement，活性传感器元件)被极薄的、电绝缘性强的、化学惰性的、以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。

优选地，保护层被设计为呈一致的(konformen)覆层的形式，其匹配于热流传感器的表面结构。

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。

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(durchkontaktierten)中加入p和n型传感器活性材料(sensoraktiven Materialien)。这样设置的热电活性的被p和n掺杂的材料还可以被称为热柱。这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。

热柱可以是被填满的或是中空的。在空柱的情况下，可以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，可以通过导热、但电绝缘的材料(例如导热粘合剂)填满空腔。