差示扫描量热仪及其制作方法

摘要

本发明提供一种差示扫描量热仪及其制作方法，包括采用厚膜工艺形成的主体核心部分以及设置于所述主体核心部分外侧的隔热层，所述主体核心部分包括：传导层；依次设置于所述传导层一侧的第一绝缘层、传感器层以及第二绝缘层；以及依次设置于所述传导层另一侧的第三绝缘层、加热层以及第四绝缘层；所述传感器层包括对称分布的样品侧传感器以及参比侧传感器，所述第二绝缘层完全覆盖所述样品侧传感器以及参比侧传感器。一体成型的主体核心部分与外界采用隔热层隔绝热损失，整机具有较小的热容，实现仪器高灵敏度和较小的时间常数。

说明书

技术领域

本发明涉及测量领域，具体涉及一种差示扫描量热仪及其制作方法。

背景技术

热流型差示扫描量热仪(DSC)其原理是按一定比例线性控制温度的 变化(如升温、降温或恒温)，在这种动态变化的温度下，按一定温度或时 间间隔测量参比物与样品的温度差；若已知仪器在某温度下的仪器常数， 则可以计算得到该温度下的热流值，进而可以获得动态扫描的温度范围内 的连续热流值的变化。从这个变化曲线可以分析样品材料的许多热物理性 质及其产生机理。

一般的DSC，在独立的电阻加热炉内，放置传感器到参比坩埚与样品 坩埚底部，来测量两者的温度差。在DSC的测量中，灵敏度、分辨率、噪 声、重现性等是性能的指标。所述重现性即是指在使用同一温度程序的反 复测量中获取的测量基线的反复一致性。在基线重现性较低(较差)的情况 下，即使反复进行使用同一温度程序的测量，基线在各次测量中也发生变 化，在比较测量结果时产生困难。另一方面，在基线重现性较高(较好)的情 况下，容易对各次测量间的结果进行比较，能够捕捉到更详细的试样的热 的变化，并且，也提高测量结果自身的可靠性。

影响DSC的灵敏度的因素主要是传感器的种类及其部署的位置与结 构，同时参比与样品两端的热影响、加热器的影响也是不可忽视的因素， 在传感器种类与结构即定的情况下，这成了关键的因素。

影响分辨率的关键因素是仪器的时间常数，时间常数越短，分辨率越 高，而时间常数则与仪器的热容有关，且与参比坩埚、样品坩埚的热交换 特性相关，热容越小，热交换越好，时间常数越小。

影响噪声的因素，在于各部件之间的传热特性，及其对信号处理系统 的干扰。

基线的水平性与重现性，主要由各部件的对称性及各部件之间的传热 特性影响。参比坩埚与样品坩埚的对称性、它们分别向传感器方向传热的 对称性，是影响基线水平性与重现性的关键因素。

传统的差示扫描量热仪分别由加热炉、传感器、外隔热层组成，通常 设计成圆筒状，加热器由电阻丝沿纵向缠绕。参比坩埚与样品坩埚被对称 放置于传感器盘片上。传感器盘片与加热炉耦合，实现传热升降温。

实践中发现，这种结构具体以下几个缺点：

1、炉体热容大，传感器盘片热容大，存在传热滞后的特点，因此，仪 器的时间常数大，对分辨率的提升不利；

2、由于传感器直接耦合在载体盘片上，盘片通常为了提高分辨率采用 高导热的金属如银制备，由于盘片的高导热造成参比与样品之间的传热干 扰变大，对提升仪器的灵敏度是不利的因素；

3、由于加热电阻丝与炉体缠绕耦合的质量，缠绕密度通常都在1mm 左右，并且传感器盘片与炉体的耦合对称性等问题，直接影响到基线的水 平性及其重现性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有较小的热容，实现仪器高灵敏度和较 小时间常数的差示扫描量热仪及其制作方法。

为解决上述问题，本发明提供一种差示扫描量热仪，包括：

采用厚膜工艺形成的主体核心部分；以及

设置于所述主体核心部分外侧的隔热层；

其中，所述主体核心部分包括：传导层；依次设置于所述传导层一侧 的第一绝缘层、传感器层以及第二绝缘层；以及依次设置于所述传导层另 一侧的第三绝缘层、加热层以及第四绝缘层；所述传感器层包括对称分布 的样品侧传感器以及参比侧传感器，所述第二绝缘层完全覆盖所述样品侧 传感器以及参比侧传感器。

可选的，在所述的差示扫描量热仪中，所述传导层、第一绝缘层、第 二绝缘层、第三绝缘层以及第四绝缘层均为圆片状结构，且所述传导层的 面积大于所述第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层以及第四绝缘层。

可选的，在所述的差示扫描量热仪中，所述加热层、样品侧传感器以 及参比侧传感器均为平面双螺旋状结构。

可选的，在所述的差示扫描量热仪中，所述隔热层包括上部隔热层、 下部隔热层以及侧壁隔热层；所述上部隔热层设置于所述传导层上方并包 围所述第一绝缘层、传感器层以及第二绝缘层形成一样品腔；所述下部隔 热层设置于所述传导层下方，并覆盖所述第四绝缘层以及传导层；所述侧 壁隔热层包围所述传导层的侧壁。

本发明还提供一种差示扫描量热仪的制作方法，包括：

采用厚膜工艺形成主体核心部分；以及

在所述主体核心部分外侧形成隔热层；

其中，所述主体核心部分包括：传导层；依次设置于所述传导层一侧 的第一绝缘层、传感器层以及第二绝缘层；以及依次设置于所述传导层另 一侧的第三绝缘层、加热层以及第四绝缘层；所述传感器层包括对称分布 的样品侧传感器以及参比侧传感器，所述第二绝缘层完全覆盖所述样品侧 传感器以及参比侧传感器。

可选的，在所述的差示扫描量热仪的制作方法中，采用印刷工艺将所 述第一绝缘层、传感器层以及第二绝缘层依次印刷在所述传导层一侧，并 采用印刷工艺将第三绝缘层、加热层以及第四绝缘层依次印刷在所述传导 层另一侧，然后烧结成型，形成所述主体核心部分。

可选的，在所述的差示扫描量热仪的制作方法中，烧结成型后进行热 处理工艺。

可选的，在所述的差示扫描量热仪的制作方法中，所述传导层、第一 绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层以及第四绝缘层均为圆片状结构，且所 述传导层的面积大于所述第一绝缘层、第二绝缘层、第三绝缘层以及第四 绝缘层的面积。

可选的，在所述的差示扫描量热仪的制作方法中，所述加热层、样品 侧传感器以及参比侧传感器均为平面双螺旋状结构。

可选的，在所述的差示扫描量热仪的制作方法中，所述隔热层包括上 部隔热层、下部隔热层以及侧壁隔热层；所述上部隔热层设置于所述传导 层上方并包围所述第一绝缘层、传感器层以及第二绝缘层形成一样品腔； 所述下部隔热层设置于所述传导层下方，并覆盖所述第四绝缘层以及传导 层；所述侧壁隔热层包围所述传导层的侧壁。

与现有技术相比，本发明提供一种差示扫描量热仪，包括采用厚膜工 艺形成的主体核心部分以及设置于所述主体核心部分外侧的隔热层，一体 成型的主体核心部分与外界采用隔热层隔绝热损失，整机具有较小的热容， 实现仪器高灵敏度和较小的时间常数。

附图说明

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明。为了 清楚起见，图中各个层的相对厚度以及特定区的相对尺寸并没有按比例绘 制。在附图中：

图1是本发明一实施例的差示扫描量热仪的整体结构示意图。

图2是本发明一实施例的差示扫描量热仪主体核心部分的结构示意图。

具体实施方式

以下对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其 应用或使用的任何限制。本领域中公知的技术可以被应用于没有特别示出 或描述的部分。

如图1所示，本发明提供一种差示扫描量热仪，包括采用厚膜工艺形 成的主体核心部分以及设置于所述主体核心部分外侧的隔热层。所述主体 核心部分包括：传导层3；依次设置于所述传导层3一侧的第一绝缘层2、 传感器层以及第二绝缘层1，所述第二绝缘层1完全覆盖所述传感器层；依 次设置于所述传导层3另一侧的第三绝缘层7、加热层4以及第四绝缘层8。 所述第一绝缘层2、传感器层、第二绝缘层1、第三绝缘层7、加热层4以 及第四绝缘层8采用厚膜工艺印刷在所述传导层3上，再烧结成型，一体 成型的主体核心部分与外界采用隔热层隔绝热损失，整机具有较小的热容， 实现仪器高灵敏度和较小的时间常数。

所述传导层3的形状为圆片状，且所述传导层3的面积大于主体核心 部分其他层的面积，可避免热损失的边缘效应带来的影响。所述传导层3 作为整体核心部分的基体，同时作为均热层与致冷层，其他各层层叠印刷 在其上而成。所述传导层3的材料为银基复合材料，该材料的比热小、导 热系数高，特殊设计的复合材料配方使其热膨胀系数接近于绝缘层的热膨 胀系数。

所述加热层4采用厚膜工艺印刷成平面双螺旋状，然后烧结成型。其 可采用铂材料制成，铂材料的抗腐蚀能力较佳，且作为标准电阻元器件材 料，加工工艺比较成熟。所述加热器4使用直流供电，采用PID控制温度 算法；直流供电的PID使很小比热的所述加热器4的温度控制非常精确。

所述传感器层包括样品侧传感器11以及参比侧传感器6，所述样品侧 传感器11以及参比侧传感器6对称分布于所述第一绝缘层2之上，所述第 二绝缘层1覆盖在所述样品侧传感器11、参比侧传感器6以及第一绝缘层 2上。所述传感器层采用铂电阻传感器(例如是Pt100或Pt1000)或E型薄 膜热电偶串联形成的热电堆。考虑磁场效应的因素，所述样品侧传感器11 以及参比侧传感器6均为平面双螺旋状结构。

所述第一绝缘层2、第二绝缘层1、第三绝缘层7以及第四绝缘层8是 采用厚膜工艺印刷于各层之间。考虑到各层间的热膨胀匹配问题，所述第 一绝缘层2、第二绝缘层1、第三绝缘层7以及第四绝缘层8的材料为膨胀 系数较小的单相α氧化铝(α-Al₂O₃)。

所述隔热层包括上部隔热层5、下部隔热层9以及侧壁隔热层13，用 以隔绝热损失。所述上部隔热层5设置于所述传导层3上方，并包围所述 第一绝缘层2、传感器层以及第二绝缘层1形成一样品腔，样品坩埚12设 置于所述样品侧传感器11正上方，参比侧坩埚10设置于参比侧传感器6 正上方。所述下部隔热层9设置于所述传导层3下方，并覆盖所述第四绝 缘层8以及传导层3。所述侧壁隔热层13包围所述传导层3的侧壁。所述 上部隔热层5、下部隔热层9以及侧壁隔热层13的材料均为气凝胶、隔热 棉或隔热陶瓷。

所述差示扫描量热仪还包括盖子(未图示)，以封闭所述样品腔。所述 盖子与所述样品腔的形状相匹配，在此样品腔的形状为圆筒状或椭圆筒状， 故而盖子的形状相应为圆形或椭圆形。

本实施例中，所述传导层3的厚度在4～6mm之间，所述第一绝缘层2、 第二绝缘层1、第三绝缘层7以及第四绝缘层8的厚度在0.1～0.3mm之间。 与现有技术相比，本实施例所述差示扫描量热仪的主体核心部分比较轻薄。

本发明还提供一种差示扫描量热仪的制作方法，包括：

采用厚膜工艺形成主体核心部分；以及

在所述主体核心部分外侧形成隔热层；

其中，所述主体核心部分包括：传导层3；依次设置于所述传导层3一 侧的第一绝缘层2、传感器层以及第二绝缘层1，所述第二绝缘层1完全覆 盖所述传感器层；以及依次设置于所述传导层3另一侧的第三绝缘层7、加 热层4以及第四绝缘层8。

在所述传导层3一侧上采用厚膜工艺印刷第一绝缘层2之后，再在第 一绝缘层2上印刷传感器层，所述传感器层包括对称分布的样品侧传感器 11以及参比侧传感器6，然后再其上印刷第二绝缘层1。在所述传导层3另 一侧上使用厚膜工艺印刷所述第三绝缘层7之后，再在第三绝缘层7上印 刷加热层4，所述加热层4印刷成平面双螺旋状，然后在其上印刷所述第四 绝缘层8。上述各层印刷完成后一起烧结成型。

烧结成型后，进行热处理工艺，所述热处理工艺的温度例如在500℃ ～700℃之间，以使各绝缘层无孔洞、变形，加热层4和传感器层成分均匀 无偏析、成型厚度一致，且各层耦合面无气孔，无裂纹，无剥离，耦合紧 密均匀。

采用本发明与现有技术中的差示扫描量热仪对比试验发现，对于相同 的纯In金属试样，本发明灵敏度与分辨率好得多，并且时间常数大大减小。

虽然已经通过示例性实施例对本发明进行了详细说明，但是本领域的 技术人员应该理解，以上示例性实施例仅是为了进行说明，而不是为了限 制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围 和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求 来限定。