CN104089717A - 一种热电堆 - Google Patents

Abstract

一种热电堆，涉及温度测量领域。包括多个热电偶，所述热电偶包括第一热电极和第二热电极，第一热电极的一端与第二热电极的一端相连接形成工作端，第一热电极的另一端为冷端一，第二热电极的另一端为冷端二，冷端一与冷端二相分离，第一热电极与第二热电极在同一衬底上呈V型或U型连接，各个热电偶通过冷端以串联或分组串联方式相连接。本发明中的热电堆基于多个串联或分组串联的呈V型或U型热电偶，结构简单，易于实现，集成度高，且能够有效提高灵敏度及测量精度，便于使用，实用性强。本发明适用于进行非接触式温度测量。

Description

一种热电堆

技术领域

本发明涉及温度测量领域，尤其是涉及一种热电堆。

背景技术

热电偶的工作原理是基于热电效应，即塞贝克效应(Seebeck effect)，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表(次级测量仪表)转换成被测介质的温度。热电偶包括两个热电极(即结点)，两个热电极采用了不同的半导体材料或者导体材料。热电偶的输出电压取决于两个结点的温差，温度较高的一个结点为工作端即温度传感点或测试点，温度较低的一结点为冷端即参考结点，参考结点通常处于某个恒定的温度即参考温度，参考温度一般为0℃，用冰就可以便利获得。热电偶的温差与电压的依赖关系由其材料决定，一般情况下，半导体材料的温差电动势要高于金属材料或其他导体材料的温差电动势。由于其耐用、价格低廉、操作简便以及测温范围大，热电偶被广泛用作温度传感器，然而，灵敏度和精确度较低却极大地制约了其使用范围。而由多个热电偶串联形成的热电堆能够有效改善热电偶的灵敏度，其输出电压为所有热电偶结点对上电压的总和，但目前缺乏灵敏度高且集成度高的热电堆结构。因此亟需一种新型结构高灵敏度的热电堆。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度的热电堆。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种热电堆，包括多个热电偶，所述热电偶包括第一热电极和第二热电极，第一热电极的一端与第二热电极的一端相连接形成工作端，第一热电极的另一端为冷端一，第二热电极的另一端为冷端二，冷端一与冷端二相分离，第一热电极与第二热电极在同一衬底上呈V型或U型连接，各个热电偶通过冷端以串联或分组串联方式相连接。

具体的，各个热电偶连接形成环形结构。

进一步的，所述环形结构的直径范围为50～500μm。

具体的，各个热电偶连接形成线形结构。

进一步的，第一热电极和第二热电极为不同成分材质的半导体材料或者导体材料。

优选的，每个热电偶的第一热电极和第二热电极分别采用P型材料和N型材料。

具体的，热电偶的个数范围为8～800。

本发明的有益效果是：本发明中的热电堆基于多个串联或分组串联的呈V型或U型热电偶，结构简单，易于实现，集成度高，且能够有效提高灵敏度及测量精度，便于使用，实用性强。本发明适用于进行非接触式温度测量。

附图说明

图1是本发明中V型热电偶的结构示意图；

图2是本发明中U型热电偶的结构示意图；

图3是本发明本发明实施例1的结构示意图；

图4是本发明本发明实施例2的结构示意图；

图5是本发明本发明实施例3的结构示意图；

图6是本发明本发明实施例4的结构示意图；

图7是本发明本发明实施例5的结构示意图；

其中，1为第一热电极，2为第二热电极，a为冷端一，b为冷端二，c为工作端，e为衬底。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，详细描述本发明的技术方案。

本发明的一种热电堆，包括多个热电偶，所述热电偶包括第一热电极和第二热电极，第一热电极的一端与第二热电极的一端相连接形成工作端，第一热电极的另一端为冷端一，第二热电极的另一端为冷端二，冷端一与冷端二相分离，第一热电极与第二热电极在同一衬底上呈V型或U型连接，各个热电偶通过冷端以串联或分组串联方式相连接。

第一热电极1与第二热电极2在同一衬底上呈V型即组成V型热电偶，其结构如图1所示。第一热电极1的一端与第二热电极2的一端相连接形成工作端c(即热点)，工作端c接收来自检测对象的红外信号，第一热电极1的另一端为冷端一a(即冷点)，第二热电极2的另一端为冷端二b，冷端作为温度参考点一般接一个恒温元件。第一热点极1和第二热电极2含有不同的材料，一般是半导体材料和金属材料。

同理，第一热电极1与第二热电极2在同一衬底上呈U型即组成U型热电偶，其结构如图2所示，第一热电极1的一端与第二热电极2的一端相连接形成工作端c，工作端c接收来自检测对象的红外信号，第一热电极1的另一端为冷端一a，第二热电极2的另一端为冷端二b，冷端作为温度参考点一般接一个恒温元件。第一热点极1和第二热电极2含有不同的材料，一般是半导体材料和金属材料。

本发明的热电堆以呈V型或U型连接的热电偶为基础单元，采用了环形或线形结构，串联集成了多个热电偶，大大提高了灵敏度，可以用在红外感应的可集成的非接触式温度传感器中。

实施例1

如图3所示，本例中的热电堆为8个V型热电偶串联形成的环形热电堆。衬底e上相邻热电偶的不同材料的电极串联形成环状，具体而言，第二个热电偶的冷端一与第一个热电偶的冷端二相连，第三个热电偶的冷端一与第二个热电偶的冷端二相连，如此类推，将第一个热电偶的冷端一与最后一个热电偶的冷端二作为引出端f、h，以便外接次级测量仪表。此外也可以是其他数目的热电偶连接形成的热电堆，如n个。

各个热电偶的工作端c只在环形热电堆的的圆心所在的很小一部分区域分布，该区域称为温度传感区。温度传感区是用于接收来自检测对象的红外信号的，其大小与环形热电堆的大小有关。在可集成设计中，环形热电堆的直径在50-500μm之间。以150μm直径的环形热电堆为例，温度传感区的范围是以热电堆的圆心为中心，直径30μm左右的圆形区域内。

基于实用性及成本考虑，所述热电偶的个数可以为几个到几百个不等，如8～800个。

实施例2

如图4所示，本例中的热电堆为8个V型热电偶串联形成的线形热电堆。相邻热电偶串联呈线形排列，大大提高了灵敏度。但本结构一般不用于集成式热电堆中。

实施例3

如图5所示，本例中的热电堆为8个V型热电偶分组串联形成的环形发射状热电堆。本例不同于实施例1之处在于，所有的热电偶分成两组，第一组热电偶和第二组热电偶交叉间隔分布，同时将同组中的相邻热电偶的不同热电极串接起来，以此种方式，同组热电偶串联。图中，第三个热电偶的冷端一与第一个热电偶的冷端二相连，第五个热电偶的冷端一与第三个热电偶的冷端二相连，第七个热电偶的冷端一与第五个热电偶的冷端二相连，第八个热电偶的冷端一与第七个热电偶的冷端二相连，第四个热电偶的冷端一与第二个热电偶的冷端二相连，第六个热电偶的冷端一与第四个热电偶的冷端二相连，第八个热电偶的冷端二与第二个热电偶的冷端一相连，第一个热电偶的冷端一与第六个热电偶的冷端二作为引出端f、h，以便外接次级测量仪表。

实施例4

如图6所示，本例中的热电堆为8个V型热电偶分组串联形成的线形热电堆。热电堆呈线形，所有的热电偶分成两组，第一组热电偶和第二组热电偶交叉分布，同时同组中的相邻热电偶的不同热电极串接起来，以此种方式，同组热电偶串联。图中，第三个热电偶的冷端一与第一个热电偶的冷端二相连，第五个热电偶的冷端一与第三个热电偶的冷端二相连，第七个热电偶的冷端一与第五个热电偶的冷端二相连，第八个热电偶的冷端一与第七个热电偶的冷端二相连；第四个热电偶的冷端一与第二个热电偶的冷端二相连，第六个热电偶的冷端一与第四个热电偶的冷端二相连，第八个热电偶的冷端二与第六个热电偶的冷端一相连，第一个热电偶的冷端一与第二个热电偶的冷端二作为引出端f、h，以便外接次级测量仪表。但本结构一般不用于集成式热电堆中。

实施例5

如图7所示，本例中的热电堆为8个U型热电偶串联形成的环形发射状热电堆。衬底e上相邻热电偶的不同材料的电极串联形成环状，具体而言，第二个热电偶的冷端一与第一个热电偶的冷端二相连，第三个热电偶的冷端一与第二个热电偶的冷端二相连，如此类推，将第一个热电偶的冷端一与最后一个热电偶的冷端二作为引出端f、h，以便外接次级测量仪表。

Claims (7)

1.一种热电堆，其特征在于，包括多个热电偶，所述热电偶包括第一热电极和第二热电极，第一热电极的一端与第二热电极的一端相连接形成工作端，第一热电极的另一端为冷端一，第二热电极的另一端为冷端二，冷端一与冷端二相分离，第一热电极与第二热电极在同一衬底上呈V型或U型连接，各个热电偶通过冷端以串联或分组串联方式相连接。

2.如权利要求1所述的一种热电堆，其特征在于，各个热电偶连接形成环形结构。

3.如权利要求2所述的一种热电堆，其特征在于，所述环形结构的直径范围为50～500μm。

4.如权利要求1所述的一种热电堆，其特征在于，各个热电偶连接形成线形结构。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种热电堆，其特征在于，第一热电极和第二热电极为不同成分材质的半导体材料或者导体材料。

6.如权利要求5所述的一种热电堆，其特征在于，每个热电偶的第一热电极和第二热电极分别采用P型材料和N型材料。

7.如权利要求1所述的一种热电堆，其特征在于，热电偶的个数范围为8～800。