熱流センサー技術：プリント熱電対導体 vs. エッチング・メッキ導体
Hukx の箔型熱流センサーには、フルメタルの「エッチング・メッキ」熱電対導体が使用されています。 一方、競合製品では、金属粉を含むインクを印刷して作られた熱電対導体が用いられることがあります。
Hukx による評価試験では、特に 金属粉入りインクを用いて製造された熱流センサーの不安定性が確認されています。 センサーが安定していない場合、正確で再現性のある測定を継続的に行うことはできません。
ユーザーは、熱流センサーの電気抵抗を監視することで、こうした安定性の問題を検出できる場合があります。
はじめに
熱流センサーは、薄い材料層の両側に生じる温度差を測定することで熱流を求めます。 これらのセンサーには通常、熱電対を多数直列に接続したサーモパイルが用いられます。 サーモパイルは、一般に金属合金などの異なる2種類の導体を交互に配置したパターンを形成することで製造されます（図1参照）
プリントフレキシブル回路
プリントフレキシブル回路は、多くの用途で一般的に使用されています。 これらの回路で用いられる導電性インクは、通常、銅・ニッケル・銀などの微細な導電粒子を樹脂系の基材に分散させたもので構成されています。
スルーホールを備えた電気回路を用い、交互のスルーホールに2種類の異なる導電性インクを充填することで、サーモパイルを構成することができます（図2参照）。詳細については 米国特許 10,393,598 も参照してください。
エッチングおよびメッキ技術
エッチングおよびメッキ技術では、金属箔を基材として使用します。 金属箔の一部をエッチングで除去し、必要な箇所に別の金属を局所的にメッキすることで、サーモパイルを構成できます（図3参照）
違い：センサーの安定性
2つの製造技術の違いは、2つの実験によって明らかになりました。 これらの実験は、センサー安定性（すなわち感度変化）に関する潜在的な問題を評価するものです。
- 高温曝露下での安定性
- 曲げに対する安定性
センサーが不安定である場合、使用時間の経過とともに信頼性が低下します。 その結果、校正証明書に記載されている感度の不確かさはもはや有効ではなくなります。
試験結果を理解するための補足として： 本試験に使用したすべてのセンサーの校正不確かさは 5 % です。 したがって、数パーセントの不安定性でも重大な影響を持ちます。
試験結果
センサーの感度は、半径 25 × 10⁻³ m のパイプに1回巻き付けた後の 20 ℃ における状態、および 高温環境に24時間曝露した後に測定されました。 センサーはまず 120 ℃、続いて 150 ℃ に曝露されました。150 ℃ はプリント型センサーの定格動作範囲を超えていますが、これは 定格 120 ℃ の範囲内で長期使用した場合に起こり得る変化を示す参考値として用いられています。
感度の変化はすべて、Hukx による 20 ℃での初期測定値を基準としており、測定はすべて平坦な面上で実施されました。 感度測定における変化検出能力の再現性は 約 1 % のため、3 % 程度の変化であれば有意に検出可能です。本実験では、絶対精度は評価対象ではありません。
表1 2つの製造技術に基づく熱流センサーの感度および内部抵抗の安定性試験試験は、高温環境への24時間曝露の前後および 曲げ処理の前後で実施されました。 すべてのセンサーは 長期使用で 120 ℃ までの定格を持ち、販売時には「フレキシブル」として提供されており、販売者からは「半径 1.25 × 10⁻³ m までの曲げに対応」と確認されています。表中の変化量はすべて試験開始時を基準としており、正の値は試験後に値が増加したことを示します。
| センサー技術 | 試験条件 | 恒久的な感度変化 | 恒久的な抵抗変化 |
| [(V/(W/m²)/(V/(W/m²)] | [Ω / Ω] | ||
| エッチング | 曲げ半径 25 × 10⁻³ m | 検出不能 (< 3 %) | < 2 % |
| プリント | 曲げ半径 25 × 10⁻³ m | -7 % | +11 % |
| エッチング | 120 ℃ | 検出不能 (< 3 %) | < 2 % |
| プリント | 120 ℃ | + 6 % | + 250 % |
| エッチング | 150 ℃ | 検出不能 (< 3 %) | < 2 % |
| プリント | 150 ℃ | + 16 % | + 1200 % |
結論
- エッチングおよびメッキ技術に基づくセンサーは、定格動作範囲内において、曲げ処理や高温曝露に対して安定性が高いことが確認された。
- 金属粉入りインクを用いたセンサーは、慎重な取り扱いが必要であり、軽度の曝露条件でも安定性に問題が生じる可能性がある。
- 金属粉入りインクセンサーは、曲げと高温曝露で異なる故障メカニズムを示す可能性がある。 試験結果を比較すると、内部抵抗はすべての試験で増加した一方、感度は試験によって増加する場合と減少する場合があり、一貫性がないことが分かった。
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