CN101819074A - 一种薄膜式热流密度传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热流密度传感器，特别是关于一种薄膜式热流密度传感器以及制造方法。所述薄膜式热流密度传感器包括基底、第一热阻材料、第二热阻材料、热电极A与热电极B组成的热电堆以及引出线，所述热电极A和热电极B相互交错排列组成热电堆，所述热电堆上覆盖有热阻材料，且热电堆高温端上的热阻材料厚度小于热点堆低温端的热阻材料厚度。本发明薄膜式热流密度传感器及其制造方法通过真空离子溅射的方式直接在热阻材料基底上制作热电极A和热电极B，并通过由热电偶串联而成的热电堆测量温差电动势。因此效率高，成本较低，而且制造简单，能方便地实现对热流值的测量，精度较高，具有较大的实际应用价值。

Description

一种薄膜式热流密度传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种热流密度传感器，特别是关于一种薄膜式热流密度传感器以及制造方法。

背景技术

热流密度传感器主要用于辐射热流强度的测量，既可以进行纯辐射热流测量，也可以进行包括辐射、对流的复合热流测量。薄膜式热流密度传感器是基于热电堆原理的无源器件。请参阅图1，其是薄膜式热流密度传感器原理示意图。当受到与测量面垂直的热流1照射时，热阻层2将吸收部分能量并发展为温度梯度，此时薄膜式热流密度传感器的热阻层2内低温端3和高温端4交错排列。根据傅立叶定律可以得到通过测量面的热流密度：

q＝dQ/Ds＝-λ×dT/dX              (1)

式中：q为热流密度；dQ为通过测量面上微小面积dS的热量；dT/dX为垂直于测量面方向的温度梯度；λ为热阻层的导热系数；如果T和T+δΔT的两个等温面平行时：

q＝-λ×ΔT/ΔX              (2)

式中：q为热流密度；ΔT为两等温面的温差；ΔX为两等温面之间的距离。

只要知道热阻层的厚度ΔX，导热系数λ，通过测到的温差ΔT就可以知道通过的热流密度。当用热电堆测量温差ΔT时，这个温差是与热流密度成正比的，温差的数值也与热电堆产生的电动势的大小成正比例，因此测出温差电动势就可以反映热流密度的大小：

q＝C×E           (3)

式中：q为热流密度；C为传感器灵敏度系数w/(m²·mv)；E为温差电动势。

如2005年4月廖亚飞在重庆建筑大学学报第27卷第2期所发表的《热流计的发展、国际领先技术与改进方向研究》中所阐述的现有热电堆制作方法是用热电极材料(例如康铜)在绝缘板条上绕线圈，然后在此绕好的热电极材料线圈上的一半镀上另一种热电极材料(例如铜)组成热电堆。

由于在一片板条绕线圈只能在板条的两个端头固定，每一圈扁、圆不可能一致，而且一个测头有几百圈，使得各个测头千差万别。另外为了电镀，线圈必须是裸线，在制作过程中容易因碰线而改变性能，各线圈之间需要多点串连焊接，焊点多且焊点状况也各不相同。由于各测头的差别大，可靠性和精度较低，标定难度较高，需要较高精度的标定设备，因此成本较高。

发明内容

本发明的目的：为了解决现有技术热流密度传感器成本较高、可靠性和精度较低的问题，本发明提供了一种成本较低、可靠性和精度较高的热流密度传感器。

另外，本发明还提供了一种薄膜式热流密度传感器的制造方法。

本发明的技术方案：一种薄膜式热流密度传感器，其包括基底、第一热阻材料、第二热阻材料、热电极A与热电极B组成的热电堆以及引出线，所述热电极A和热电极B相互交错排列组成热电堆，所述热电堆上覆盖有热阻材料，且热电堆高温端上的热阻材料厚度小于热点堆低温端的热阻材料厚度，所述引出线为测量线，分别从热电极A和热电极B的末端引出。

所述热电堆由热电偶串联组成。

所述热电堆高温端上的热阻材料为第一热阻材料，热电堆低温端上的热阻材料为第二热阻材料，所述第一热阻材料和第二热阻材料设置在基底上，并分别覆盖热电堆不同测温点。

所述热电堆高温端上的热阻材料为第一热阻材料，热电堆低温端上的热阻材料为从上到小依次叠合的第二热阻材料和第一热阻材料。

所述基底为金属材料制成的水冷板。

一种薄膜式热流密度传感器的制造方法，其包括如下步骤：

步骤1：提供一热阻材料基底；

步骤2：在所述基底上通过真空离子溅射的方式生成交错排列的热电极A和热电极B，组成热电堆；

步骤3：在热电堆的两端分别设置引出线；

步骤4：在设置有热电堆的基底表面覆盖两层厚度不同的第一热阻材料和第二热阻材料，且分别设置在热电堆高温端和热电堆低温端。

其中，步骤2所述的在基底上通过真空离子溅射的方式生成热电极A和热电极B的工艺，可以进一步细分为如下步骤：

s1：提供并安装靶材和A组掩模版，其中，所述靶材为标准热电极材料；

s2：清洗基底，并安装基底；

s3：抽真空并烘烤，当真空抽到10^-3Pa时，加热烘烤到150℃～250℃，并保持气压不高于3.0×10^-3Pa；

s4：辉光清洗，充惰性气体至0.5～2.0×10^-3Pa，打开离子清洗电源，电压从1000V～2000V范围逐步调整，使辉光清洗由弱逐渐增强，真空室内出现清晰的辉光，整个辉光清洗过程约保持8～12分钟；

s5：在基底上溅射镀膜，启动溅射电源和偏压电源，减少惰性气体供给量，使真空度达到8×10^-2Pa，偏压电源电压从零V起逐步调高至60～100V，溅射电源电压从零V起逐步调高至500～700V，电流设定在3～5A，保持溅射镀膜过程10～20分钟，使镀膜厚度达到8～12微米，形成热电极A；

s6：冷却10～20分钟后，充惰性气体降低真空度至1～3×10^-1Pa，停留5分钟后充入大气；

s7：取出待测构件，将A组掩模版更换为B组掩模版，并重复步骤s2至步骤三s6，形成热电极B，且二次所镀薄膜之间存在作为测温点的交接点。

本发明的有益效果：本发明所提供的薄膜式热流密度传感器通过利用真空离子溅射技术将热电堆制作在热阻材料基底上，并在热电堆表面覆盖不同厚度的热阻材料。热阻材料在吸收辐射热或对流热之后，在不同厚度的胶膜下方会形成温差。然后通过热电堆测得温差，并输出温差电动势，再根据温差电动势与热流的比例关系实现对热流的测量。从而避免了现有技术热流密度绕线圈制作过程的不利因素，提高热电堆测头准确度，形成一种全新的薄膜式热流密度传感器的制造方法。

因为本发明薄膜式热流密度传感器及其制造方法通过真空离子溅射的方式直接在热阻材料基底上设置热电极A和热电极B，并通过有热电偶串联而成的热电堆测量温差电动势。因此效率高，成本较低，而且制造简单，能方便地实现对热流值的测量，精度较高，具有较大的实际应用价值。

附图说明

图1是绕线式热电堆俯视图及绕线式薄膜热流密度传感器示意图

图2是本发明薄膜式热流密度传感器第一实施方式的外形示意图；

图3是本发明薄膜式热流密度传感器第一实施方式的俯视示意图；

图4是本发明薄膜式热流密度传感器第一实施方式的侧视图；

图5是本发明薄膜式热流密度传感器第二实施方式的俯视示意图，

其中，1-热流、2-热阻层、3-低温端、4-高温端、5-基底、6-第一热阻材料、7-第二热阻材料、8-热电极A、9-热电极B、10-热电堆、11-热电堆高温端、12-热电堆低温端、13-引出线。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

请同时参阅图2和图3，其中图2是本发明薄膜式热流密度传感器一较佳实施方式的外形示意图，图3是图2的俯视示意图。其中，所述本发明薄膜式热流密度传感器包括基底5、第一热阻材料6、第二热阻材料7、热电极A8、热电极B9、引出线13。所述基底1为一定厚度的热阻材料，本实施方式中，为金属材料制成水冷板，当然也可以为其它普通热阻材料，只要能阻止热流传输即可。

再请参阅图4，其是图3的侧视图。所述热电极A和热电极B为两种标准热电极材料，二者通过真空离子溅射在基底1上，并相互交错成“Z”型排列，组成热电堆10，其中，所述热电堆为串联的热电偶。同时，相邻的热电极A和热电极B交接处严格重合并紧密接触，并分成热电堆高温端11和热电堆低温端12。所述引出线13为两个测量线，分别从热电堆高温端的两端引出。另外，第一热阻材料6和第二热阻材料7设置在基底1上，分别覆盖在热电堆高低温端上。其中，第一热阻材料6为厚度X1(约0.5～1mm根据采集仪器的灵敏度而定)的薄热阻材料，其设置在热电堆高温端11上；第二热阻材料7为厚度X2(约1～3mm根据采集仪器的灵敏度而定)的厚热阻材料，其设置在热电堆低温端12上。

本实施方式中，所述薄膜式热流密度传感器温差由表面铺覆的不同厚度第一热阻材料6和第二热阻材料7下的热电堆产生。在保证T和T+δΔT的两个等温面平行时，根据傅立叶定律可以得到通过测量面的热流密度：

q＝λ×(T₁-T₂)/(X₁-X₂)          (4)

式中：q为热流密度；T1为热电堆高温端温度；T2为热电堆低温端温度；X1为覆盖在热电堆高温端表面的薄热阻材料的厚度；X2为覆盖在热电堆低温端表面的厚热阻材料的厚度。

当薄膜式热流密度传感器受到热流辐射时，在不同厚度的胶膜下方会形成温差，第一热阻材料6下方的温度为T1，第二热阻材料7下方的温度为T2。所述热电堆10能探测到温差，即输出温差电动势n×(V1-V2)，n为热电偶的对数，并且热电堆输出的温差电动势n×(V1-V2)与感受到的热流的比例关系为：

V＝n×(V1-V2)       (5)

q＝C×V             (6)

式中q为测量热流密度(w/m2)；C为灵敏度系数(w/(m2·mv))；V为热电堆输出的温差电动势(mv)。经校准薄膜式热流密度传感器后可得到灵敏度系数C，因此通过测得温差电动势即可得到热流值。

另外，本发明还提供所述薄膜式热流密度传感器的制造方法，其步骤如下：

步骤1：提供一热阻材料基底1；

步骤2：在所述基底1上通过真空离子溅射的方式生成交错排列的热电极A8和热电极B9，组成热电堆10；

步骤3：在热电堆两端分别设置引出线13；

步骤4：在设置有热电极A8和热电极B9的基底1表面覆盖两层厚度不同的第一热阻材料6和第二热阻材料7，且分别覆盖在热电堆高温端和热电堆低温端上。

其中，步骤2所述的在基底1上真空离子溅射生成热电极A8和热电极B9的工艺如下：

1.制作靶材、掩膜版、卡具；

2.安装靶材；

3.清洗基底1测温点部位，去除油污；

4.安装基底1；

5.安装A组掩膜版；

6.抽真空、烘烤，真空度指示达到10^-3Pa启动加热器加热，烘烤电压控制在160V以内，温度到200℃，关加热器，真空度应优于3.0×10^-3Pa；

7.辉光清洗

7.1充Ar气至0.5～2.0×10^-3Pa；

7.2开离子清洗电源，电压从1000V～2000V范围逐步调整，使辉光清洗由弱逐渐增强，真空室内出现清晰的辉光；

7.3辉光清洗过程约保持8～12分钟，关清洗电源；

8.溅射镀膜

8.1启动溅射电源、偏压电源；

8.2减少Ar气供给量，使真空度达到8×10^-2Pa；

8.3偏压电源电压从零V起逐步调高至80V；

8.4溅射电源电压从零V起逐步调高至600V左右，电流设定在3～5A；

8.5溅射镀膜过程持续进行10～20分钟，使镀膜厚度约为10微米，并形成热电极A；

8.6冷却10～20分钟后，充Ar气降低真空度至1～3×10^-1Pa，停留5分钟后，充入大气；

9.取出工件，更换为B组掩膜版；

10.重复6-8.6过程；

11.镀膜后的外观检查。

本发明所提供的薄膜式热流密度传感器通过利用真空离子溅射技术将热电堆制作在热阻材料基底上，并在热电堆上表面覆盖不同厚度的热阻材料。热阻材料在吸收辐射热或对流热之后，在不同厚度的胶膜下方会形成温差。然后通过热电堆测得温差，并输出温差电动势，再根据温差电动势与热流的比例关系实现对热流的测量。其中，靶材、掩膜版、卡具的制作和安装可参考普通真空离子溅射工艺。

因为本发明薄膜式热流密度传感器通过真空离子溅射的方式直接在热阻材料基底上设置热电极A和热电极B，并通过由热电偶串联而成的热电堆测量温差电动势，因此效率高，成本较低，而且制造简单，能方便地实现对热流值的测量，精度较高，具有较大的实际应用价值。

请参阅图5，其是本发明薄膜式热流密度传感器第二实施方式的俯视示意图。本实施方式中，所述热电堆也是通过真空离子溅射成型在基底1上，并成星形辐射状排列，其中，其外辐射端点为热电堆高温端11，相邻两个外辐射端点之间的凹点为热电堆低温端12。而第一热阻材料6和第二热阻材料7均为圆形，其中，第一热阻材料6覆盖整个热电堆，包括其高温端和低温端，而第二热阻材料7设置在第一热阻材料6上，并覆盖热点堆低温端12。同时，本实施方式中的，引线13是从热点堆低温端引出的。本实施方式中，由于热点堆高温端11只覆盖第一热阻材料6，而热点堆低温端12覆盖有第一热阻材料6和第二热阻材料7两层热阻材料，因此二者之间存在温差，从而可以通过热点堆实现对温差电动势的测量。

另外，本发明薄膜式热流密度传感器的第一热阻材料和第二热阻材料之间的热电堆数目可以根据实际温差需要做变化，不限于实施方式中的数目。而且真空溅射形成热点堆的热电极A和热电极B之间的排列形状也不限于“Z”和星形，可以为其它排列方式。而且根据不同分度号的热电极材料，其制造方法中的各参数可作一定调整，如烘烤温度不限于200℃，可根据材料性质差异在150℃～250℃内作调整。辉光清洗时，不限于充入氩气，还可以为其它惰性气体，且辉光清洗时间不限于10分钟，可在上下作小幅浮动，如可以保持8～12分钟的辉光清洗。偏压电源电压从零V起可逐步调高至60～100V，溅射电源电压从零V起逐步调高至500～700V，且所镀的热电极厚度也可为8～12微米。

Claims (7)

1.一种薄膜式热流密度传感器，其特征在于：包括基底、第一热阻材料、第二热阻材料、热电极A与热电极B组成的热电堆以及引出线，所述热电极A和热电极B相互交错排列组成热电堆，所述热电堆上覆盖有热阻材料，且热电堆高温端上的热阻材料厚度小于热点堆低温端的热阻材料厚度，所述引出线为测量线，分别从热电极A和热电极B的末端引出。

2.根据权利要求1所述的薄膜式热流密度传感器，其特征在于：所述热电堆由热电偶串联组成。

3.根据权利要求2所述的薄膜式热流密度传感器，其特征在于：所述热电堆高温端上的热阻材料为第一热阻材料，热电堆低温端上的热阻材料为第二热阻材料，所述第一热阻材料和第二热阻材料设置在基底上，并分别覆盖热电堆不同测温点。

4.根据权利要求2所述的薄膜式热流密度传感器，其特征在于：所述热电堆高温端上的热阻材料为第一热阻材料，热电堆低温端上的热阻材料为从上到小依次叠合的第二热阻材料和第一热阻材料。

5.根据权利要求3或4任一项所述的薄膜式热流密度传感器，其特征在于：所述基底为金属材料制成的水冷板。

6.一种薄膜式热流密度传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：提供一热阻材料基底；

步骤2：在所述基底上通过真空离子溅射的方式生成交错排列的热电极A和热电极B，组成热电堆；

步骤3：在热电堆的两端分别设置引出线；

步骤4：在设置有热电堆的基底表面覆盖两层厚度不同的第一热阻材料和第二热阻材料，且分别设置在热电堆高温端和热电堆低温端。

7.根据权利要求6所述的薄膜式热流密度传感器的制造方法，其特征在于：步骤2所述的在基底上通过真空离子溅射的方式生成热电极A和热电极B的工艺，可以进一步细分为如下步骤：

s1：提供并安装靶材和A组掩模版，其中，所述靶材为标准热电极材料；

s2：清洗基底，并安装基底；

s3：抽真空并烘烤，当真空抽到10-3Pa时，加热烘烤到150℃～250℃，并保持气压不高于3.0×10-3Pa；

s4：辉光清洗，充惰性气体至0.5～2.0×10-3Pa，打开离子清洗电源，电压从1000V～2000V范围逐步调整，使辉光清洗由弱逐渐增强，真空室内出现清晰的辉光，整个辉光清洗过程约保持8～12分钟；

s5：在基底上溅射镀膜，启动溅射电源和偏压电源，减少惰性气体供给量，使真空度达到8×10-2Pa，偏压电源电压从零V起逐步调高至60～100V，溅射电源电压从零V起逐步调高至500～700V，电流设定在3～5A，保持溅射镀膜过程10～20分钟，使镀膜厚度达到8～12微米，形成热电极A；

s6：冷却10～20分钟后，充惰性气体降低真空度至1～3×10^-1Pa，停留5分钟后充入大气；

s7：取出待测构件，将A组掩模版更换为B组掩模版，并重复步骤s2至步骤三s6，形成热电极B，且二次所镀薄膜之间存在作为测温点的交接点。

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