ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к области метрологии и служит для измерения температуры поверхности.
Известно теплочувствительное устройство [см. Патент Японии №3420847, МПК 7 G 01 К 7/16; опубликован: 30.06.2003 г.] Устройство содержит подложку с кюветой, диафрагму из термочувствительного материала и защитной пленки. Изолирующую пленку наносят на подложку, затем с обратной стороны подложки протравливают кювету. В кювете создают вакуум и фиксируют ее на пластине при помощи адгезии. Устройство позволяет снизить влияние температуры окружающей среды на результаты измерения и уменьшить время отклика. Температуру можно измерять по изменению резистивного сопротивления термочувствительного материала.
Однако такой термочувствительный элемент имеет низкую чувствительность.
Наиболее близким по технической сущность к предлагаемой полезной модели является чувствительный элемент в виде датчика [см. Патент США №6655834, НПК 374-179 (МПК 7 G 01 К 7/16); опубликован: 02.12.2003 г.] содержащий теплопроемное основание в виде кремниевого элемента и самоподдерживающийся мембранный слой с термоэлектрической батареей в виде термопар, который имеет рабочие и опорные спаи. Мембранный слой в виде диэлектрической подложки отдален от кремниевого элемента с помощью опорного элемента в виде отдельных столбцов, прикрепленных к основанию. При этом мембранный слой поддерживается этим опорным элементом. Опорный элемент осуществляет электрический контакт с чувствительным элементом. Для изготовления мембранного слоя на опорный элемент вначале наносят полимерный слой. Данный полимерный слой структурируют и формируют на нем вырез. Вырез заполняют материалом, а мембранный слой наносят на полимерный слой. Затем полимерный слой удаляют.
Однако, такое устройства имеет большую погрешность измерения, обусловленную применением разнородных материалов.
Технической задачей является повышение точности измерения за счет снижения погрешностей обусловленной различием в степени черноты контролируемых поверхностей и отводом тепла от опорных спаев чувствительного элемента.
Эта техническая задача достигается тем, что известный чувствительный элемент, содержащий термоэлектрическую батарею с рабочими и опорными спаями, теплоприемное основание с опроными элементами, на котором расположена диэлектрическая подложка, снабжен зеркальным отражающим покрытием и защитным изолирующим слоем последовательно расположенными на поверхности термоэлектрической батареи выполненной в виде пленки, опорные элементы выполнены в виде выступов теплоприемного основания.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где показана чувствительный элемент.
Чувствительный элемент содержит термоэлектрическую батарею 1 выполненную в виде пленки с рабочими 2 и опорными спаями 3, расположенную на диэлектрической подложке 4. Подложка 4 расположена на теплоприемном основании 5 с опорными элементами в виде выступов 6. Рабочие спаи 2 находятся между выступов 6, а опорные спаи 3 над выступами 6 теплоприемного основания 5. На внешнюю поверхность термоэлектрической батареи 1 нанесен защитный изолирующий слой 7 с зеркальным отражающим покрытием 8. Опорные спаи 3 термоэлектрической батареи 1 плотно прижаты к опорным элементам 6 накладкой 9.
Чувствительный элемент работает следующим образом.
Принцип работы чувствительного элемента основан на эффекте Зеебека, заключающимся в возникновении термоэдс за счет разности температур между рабочими 2 и опорными спаями 3. Тепловая энергия поглощается рабочими 2 и опорными спаями 3. При этом рабочие 2 и опорные 3 спаи нагреваются. Отвод тепла от рабочих спаев 2 осуществляется через воздушный слой между
выступами 6, а от опорных спаев 3 непосредственно через выступы 6 к теплоприемному основанию 5. Таким образом, достигается разность температур рабочих 2 и опорных спаев 3. Термоэдс, возникающая между спаями 5 и 6 термоэлектрической батареи 1 суммируется, и образуется выходной сигнал.
Выполнение опорных элементов в виде выступов теплоприемного основания обеспечивает условия дискриминации рабочих и опорных спаев пленочной термоэлектрической батареи и позволяет определить параметры устройства.
Максимальная разность температуры спаев определяется как:
то
п
п
-3
2
-2
-3
где  q - плотность теплового потока, К - коэффициент теплоотдачи с поверхности термопреобразователя в окружающую среду (2·10 Вт/см·К), к - удельная теплопроводность подложки (3·10 Вт/см·К - для слюды и 3·10 Вт/см·К - для полиимида), d - толщина подложки и l - ширина канавки между выступами основания (~2 мм);
Термоэдс на единицу площади термобатареи характеризуется выражением:
p
n
где α и α - коэффициенты термоэдс p- и n-ветвей термобатареи соответственно (для сурьмы +38 мкВ/К и для висмута -56 мкВ/К), Δl - ширина выступов (~1 мм), а - ширина ветвей (-0,6 мм) и Δа - промежуток между рядами термопар (~0,4 мм);
При этом чувствительность термобатареи к тепловому потоку в этом случае будет равна
Следовательно, выбор оптимальной ширины канавки между выступами термоприемного основания позволяет получить максимальную чувствительность (для висмут-сурьмянного термопреобразователя оптимальные значения: на слюдяной подложке l=4,5 мм и на полиимидной подложке l=2,5 мм) термоэлектрической пленочной батареи.
Изменение температуры рабочих спаев во времени, приводит к возрастанию термоэдс по экспоненциальному закону с постоянной времени
п
3
где c - удельная теплоемкость материала подложки (для слюды 2, 74 Вт/см·К). Из расчетов следует, что уменьшение ширины канавки с 4 до 2 мм приводит к потери чувствительности на 1/3, но увеличивает быстродействие в 3 раза.
Выполнение термоэлектрической батареи 1 в виде пленки, зеркализация термоэлектрической батареи 1 и выполнение монолитного теплоприемного основания 5 с опорными элементами 6 в виде выступов позволяют обеспечить равномерный отток тепла, что приводит к снижению погрешности.
Использование предлагаемой полезной модели позволяет повысить точность измерений.