[发明专利]热电变换器及其制造方法

说明书

本发明涉及一种电子计量测试领域中的交流电压测量敏感装置，即热电变换器，更具体地说，涉及一种宽频带（DC～2GHz）的源式多元热电变换器。

测量交流电压的热电变换器有低频、高频、和宽频带三类。目前普遍采用的低频热电变换器均为多元热偶形式，其多对热偶采用丝状线手工焊接而成。这种结构与工艺使多对热偶不能均匀分布，从而影响了测量精度。如图1所示，通常的低频多元热电变换器主要由一云母基底1、多元热偶5、一根电阻加热丝（或称加热带）2以及加热丝引出电极6构成。多元热偶5由几十对热偶串联而成，通过引出端3、4与外部设备相连。电阻加热丝2与多元热偶5分别粘结在云母基底1的正、反两面，多对热偶5的热端5a与电阻加热丝2的位置相对应，其冷端5b用散热性能好的材料加以固定。这种多元热电变换器的工作频率范围为10KHz～20KHz，当频率高于20KHz时，由于器件本身分布参量的影响而引入了较大的测量误差。这种热电变换器的热电势输出的上限为16mv，因而影响了测量的灵敏度。

关于高频交流电压的测量器件，值得提及的是美国国家标准局研制出的测辐射热电压、电流标准（简称Bolovac）。Bolovac主要使用一种如图2A、2B所示的薄膜热变电阻（见美国国家标准局研究杂志Vol.72c No.1 1968）。图2A、2B分别为Bolovac薄膜热变电阻的平面示意图和沿图2A中A-A′方向的剖面图。由图2A可见，聚脂薄膜或云母基底1上镀敷有高纯度的Pt或Ni，由此构成双薄膜电阻2a、2b，由Au或Ag真空蒸镀形成的内导体电极6a、6b分别与电阻2a、2b的内、外两侧相连，基底1的中心有一个孔12以供该装置与外接被测信号源直接接触。将该薄膜热变电阻装在一直径大于φ110毫米的高频座内，接入一电桥电路，即可测量输入交流信号的电压了。使用Bolovac测量10MHz以上的高频电压，其测量精度在±1%之内。图3简单示出了用Bolovac测量交流电压的工作原理图。图中，10代表接有高频座的薄膜热变电阻，R_2a、R_2b即对应于双薄膜热变电阻2a和2b，C/2为高频座的结构电容。采用这种装置进行交流电压的测量，不是使用热电变换元件，而是根据交、直流替代法进行计算，即通过双薄膜热变电阻在交、直流两种情况下的电阻变化所引起的功率变化求出交流电压。因此测量方法比较复杂，设备也比较庞大。此外，还存在着对薄膜热变电阻的加工精度要求高的缺点。由于进行测量时，薄膜热变电阻的外导体要靠结构电容进行耦合，所以限制了测量精度的频率范围，其工作频率的下限为10MHz。当所测电流频率较低时，高频座的结构电容不够大，因而就会引入较大的误差，例如，当频率为1MHz时，误差即在1%以上。再则，这种装置灵敏度不够高，只能测量0.3v以上的电压，如要测量0.3v以下的交流电压，则要通过多次测量，使操作过程复杂化，因而不能满足一般使用要求。

为了能较方便地测量交流电压，发展了多种金属薄膜热电变换元件和半导体薄膜热电变换元件，如日本安立公司生产的AL-59标准电平表和ME-642精密较准接收机应用的热电变换元件即为半导体薄膜热电变换元件，图4即为由这种热电变换元件构成的热电变换器的剖面示意图，其中，标号10代表热电变换器所用的薄膜热电变换元件。图5A、5B和5C说明了上述薄膜热电变换元件的具体结构由图5A可见，聚脂薄膜基底1的一侧表面（正面）上有电阻加热带2a和2b、内导体电极11以及外导体电极6a、6b。它们是用真空蒸镀以及光刻等方法微细加工而成的，各电阻加热带为中间向内凹陷的长条状;内导体电极为圆形，它位于基底中心并与两电阻加热带相接;外导体电极为扇形，它们位于电阻加热带外侧并与之相连。在基底1的另一侧表面（反面）上有用直流辉光放电法得到的半导体材料所形成的两对热偶5a和5b，以及用真空蒸镀法形成的热偶引出电极7a、7b。两对热偶的热端5a′、5b′均位于与基底另一侧的电阻加热带中心凹缩部位相对应的地方。这种热电变换器具有一同轴腔体21，在进行电压测量时，被测信号需通过同轴腔体21中的内导体22（见图4）输入到联结电阻加热带的内导体11处，再经过电阻加热带2a、2b及外导体电极6a、6b返回。基底另一侧的两对热偶5a、5b的热端受热而产生出待测信号，由此方便地得出被测电流的交流电压数值。