CN103900727B - 一种用于瞬态温度测量的薄膜传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于瞬态温度测量的薄膜传感器及其制作方法，传感器包括热电极、不锈钢套筒及绝缘层，所述热电极包括热电极一及热电极二，热电极一包括导线部分及镀覆在绝缘层任一端面上的薄膜结构部分，热电极二为导线结构，热电极一的薄膜结构部分与热电极二接触形成热接点——即测温端；热电极一的导线部分及热电极二的长度均长于不锈钢套筒的长度，且自不锈钢套筒伸出，上述热电极伸出不锈钢套筒的部分直接作为各个热电极对应的补偿导线。本发明具有携带方便、响应时间短、测量精度高等优点；采用高温烧结纳米陶瓷粉制备而成的绝缘层具有结合性好，强度高等优点；且热电极导线和补偿导线一体化设计，避免了胶水粘结补偿导线风干后，硬、脆，易脱落的弊端。
Description
技术领域
本发明属于温度测量技术及传感器制备技术领域，具体的说是涉及一种用于瞬态温度测量的薄膜热电偶结构及其制作方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，在冶金建材、热工设备，动力机械、火箭发动机，化工容器、核能工程等多种学科领域中，瞬态温度的测量都占有非常重要的地位，尤其是瞬态表面温度。薄膜热电偶具有热容量小、体积小、响应速度快、对待测部件破坏小以及对测试环境干扰小等优点，因此在热辐射测量及表面温度测量中得到了重要的应用。对于薄膜热电偶，如利用物理气相沉积中溅射方式进行制备，则需要分两次分别完成不同材料薄膜的沉积，双重工艺难免会引入各种界面效应，如杂质、不同材料间的热应力等，这些都会对热电偶的稳定性和精确性造成影响；而且在薄膜接合部分薄膜厚度叠加也会对测试平面的平整度造成影响。同时薄膜热电偶输出的热电势一般在毫伏级别，要求热电偶和基体间具有良好的绝缘性能，否则会因热电势损耗而产生测量误差。由于一般绝缘材料其具有负电阻温度系数，在高温条件下阻值急剧减小，将失去绝缘性能，因此就对绝缘层薄膜的材料与制造方法提出了更高的要求。同时补偿导线与热电极薄膜连接也一直是困扰薄膜热电偶制备的问题之一。在进行科学实验时通常采用耐高温导电银胶粘结热电偶电极与导线，但是由于导电银胶在固体状态下非常脆弱容易脱落，及其不牢固，所以，现在急需一种解决引线连接问题的方法。
发明内容
鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种响应时间短、测量精度高，用于测量恶劣环境下瞬态连续温度的铠装便携式薄膜传感器及其制作方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案：
一种用于瞬态温度测量的薄膜传感器，包括热电极、套装在热电极外的不锈钢套筒以及设置于热电极、不锈钢套筒之间的绝缘层，其特征在于：所述热电极包括热电极一及热电极二，其中，热电极一包括导线部分以及镀覆在绝缘层任一端面上的薄膜结构部分，热电极二为导线结构，热电极一的薄膜结构部分与热电极二接触形成热接点——即测温端；所述热电极一的导线部分及热电极二的长度均长于不锈钢套筒的长度，且自远离测温端的不锈钢套筒端头处伸出，上述热电极伸出不锈钢套筒的部分直接作为各个热电极对应的补偿导线。
所述的绝缘层为高温烧结纳米陶瓷粉制备而成的绝缘层。
所述的热电极一薄膜结构和导线结构均采用镍硅合金材料。
所述的热电极二采用镍铬合金材料。
所述的不锈钢套筒外壁设置螺纹结构。
所述的热电极一的薄膜结构部分上镀覆一层Si3N4保护膜。
上述传感器具体制作方法：
首先将长于不锈钢套筒的热电极一、热电极二的导线材料按照相应的尺寸要求固定在导线支架上，将所述两根导线表层分别粉刷纳米陶瓷粉，然后垂直放入不锈钢套筒中，将不锈钢套筒一端口倒扣在平面上；
然后从另一端用纳米陶瓷粉填充不锈钢套筒，随后对装有纳米陶瓷粉的不锈钢套筒进行高温烧结；
将上述进行高温烧结的不锈钢套筒的倒扣在平面上的端面按照相应的薄膜制备要求进行金相研磨、抛光达到镜面，使其表面露出热电极一、热电极二导线的触点；
通过磁控溅射方式制备测量端的薄膜部分：通过磁控溅射方式制备热电极一薄膜部分即将热电极一材料靶材制备成薄膜沉积在抛光后的端面上，该热电极一薄膜部分与热电极二的连接处形成了本传感器结构的热接点即测温端A，同时伸出不锈钢套筒部分的热电极一、热电极二的导线可直接作为补偿导线；
最后在测量端的薄膜部分表面通过磁控溅射方式制备Si3N4保护膜。
所述的热电极一薄膜结构和导线结构为镍硅合金材料，所述的热电极二为镍铬合金材料。
所述的不锈钢套筒外壁设置螺纹结构。
所述的高温烧结条件是在960℃高温条件下烧结15分钟。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明具有携带方便、响应时间短、测量精度高等优点；其采用高温烧结纳米陶瓷粉制备而成的绝缘层具有结合性好，强度高等优点；且热电极导线和补偿导线一体化设计，避免了胶水粘结补偿导线风干后，硬、脆，易脱落的弊端。
附图说明
图1是本发明用于瞬态温度测量的薄膜传感器的结构示意图。
图2是本发明测量端局部放大图。
图3是本发明采用磁控溅射方法溅射薄膜时所用的掩膜夹具；
图4是本发明采用导线支架。
图中：1、热电极一—导线部分，2、热电极二，3、绝缘层，4、不锈钢套筒，5、热电极一—薄膜部分，A、测量端。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，本薄膜传感器主要包括热电极（1、2）、套装在热电极外的不锈钢套筒4以及设置于热电极、不锈钢套筒4之间的绝缘层3。
所述热电极包括镍硅材料制备的热电极一及镍铬材料制备的热电极二，其中，热电极一包括导线部分1以及镀覆在绝缘层端面上的薄膜结构部分5，热电极二2为导线状结构，热电极一的薄膜结构部分5与热电极二2接触形成热接点——即针状测温端A，如图2所示；所述热电极一的导线部分1及热电极二2的长度均长于不锈钢套筒4的长度，且自不锈钢套筒4端头（从图1看出，该端头是指远离测温端A的不锈钢套筒端头）一侧伸出，上述热电极伸出不锈钢套筒4的部分直接作为各热电极对应的补偿导线，测量端A将测量到的温度信号转化为电信号通过导线输送到冷端补偿与信号调理模块及计算机测试系统中。
利用热电极延长部分直接作为补偿导线，避免后续胶体粘结补偿导线连接强度低，易脱落的现象。
热电偶结构：将热电极一的镍硅导线部分1和热电极二镍铬导线2表层涂上纳米陶瓷粉，垂直放在不锈钢套筒中，然后向其内填充纳米陶瓷粉后进行高温烧结绝缘层3，所述绝缘层3起到防止产生的微弱电信号在所述补偿导线之间的传递而导致的电信号的耗损，避免造成测量误差，测量端A是采用磁控溅射方法将与热电极一材料相同的靶材溅射到露出导线状热电极二触点的绝缘层端面上形成微米级厚度的薄膜镀层，形成热电偶热接点－测量端。溅射薄膜时，按照相应的薄膜制备的要求，对陶瓷粉绝缘层端面打磨抛光，最后用粒度为1μm的金刚石研磨膏抛光到镜面，再分别放入丙酮、酒精和中使用超声波清洗，用氮气吹干后将热电偶结构固定在磁控溅射薄膜时所用的掩膜夹具（可采用如图3所示的夹具）中，再放入磁控溅射设备真空室内进行镀膜溅射成断面薄膜层。最后，采用不锈钢套筒封装，制作完成了铠装薄膜传感器。
本专利所提出的测量瞬态温度的薄膜传感器其具体制作过程：首先将长于不锈钢套筒的镍铬，镍硅导线按照相应的尺寸要求固定在导线支架（可采用如图4所示支架，该类支架通常采用高温材料制备，同时为了避免在高温炉内引入杂质，本例的支架采用镍铬材料）上，将镍铬，镍硅两根导线表层粉刷纳米陶瓷粉，然后垂直放入外壁旋有螺纹的不锈钢套筒中，将不锈钢套筒一端口倒扣在平面上；然后从另一端用纳米陶瓷粉填充不锈钢套筒，这样既固定了导线同时又避免了其互相接触，而且在端面起到绝缘层作用，屏蔽了外界干扰信号，而不锈钢套筒起到了外层封装作用，随后对装有陶瓷粉的套筒进行高温烧结（在960℃高温条件下烧结十五分钟）；将倒放在平面一端的填充有陶瓷的不锈钢套筒端面按照薄膜制备要求进行金相研磨，抛光达到镜面，使表面露出镍铬，镍硅导线触点；测量端A的薄膜部分5通过磁控溅射方式将镍硅材料靶材制备成薄膜沉积在抛光后的端面上；镍硅薄膜与镍铬导线的连接处形成了热电偶的热接点即测温端A，测量端直径最大可为0.3毫米，薄膜镀层为微米级别，伸出套筒部分的镍铬，镍硅导线作为补偿导线；最后在薄膜表面通过磁控溅射技术制备Si3N4保护膜。测量端A与被测温度接触，将被测的温度信号转化为电信号通过镍硅导线和镍铬导线输送到冷端补偿与信号调理模块及计算机测试系统中。
所述不锈钢套筒为封装结构，其将上述热电偶结构封装于其内并可屏蔽外界干扰信号。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于瞬态温度测量的薄膜传感器，包括热电极、套装在热电极外的不锈钢套筒以及设置于热电极、不锈钢套筒之间的绝缘层，其特征在于：所述热电极包括热电极一及热电极二，其中，热电极一包括导线以及镀覆在绝缘层任一端面上的薄膜结构，热电极二为导线结构，热电极一的薄膜结构与热电极二接触形成热接点——即测温端；所述热电极一的导线及热电极二的长度均长于不锈钢套筒的长度，且自远离测温端的不锈钢套筒端头处伸出，上述热电极伸出不锈钢套筒的部分直接作为各个热电极对应的补偿导线。
2.根据权利要求1所述的用于瞬态温度测量的薄膜传感器，其特征在于：所述的绝缘层为高温烧结纳米陶瓷粉制备而成的绝缘层。
3.根据权利要求1所述的用于瞬态温度测量的薄膜传感器，其特征在于：所述的热电极一薄膜结构和导线均采用镍硅合金材料。
4.根据权利要求1所述的用于瞬态温度测量的薄膜传感器，其特征在于：所述的热电极二采用镍铬合金材料。
5.根据权利要求1所述的用于瞬态温度测量的薄膜传感器，其特征在于：所述的不锈钢套筒外壁设置螺纹结构。
6.根据权利要求1所述的用于瞬态温度测量的薄膜传感器，其特征在于：所述的热电极一的薄膜结构上镀覆一层Si3N4保护膜。
7.一种制备如权利要求1所述的用于瞬态温度测量的薄膜传感器的制作方法，其特征在于：上述传感器具体制作方法：
首先将长于不锈钢套筒的热电极一、热电极二的导线材料按照相应的尺寸要求固定在导线支架上，将两根所述导线表层分别粉刷纳米陶瓷粉，然后垂直放入不锈钢套筒中，将不锈钢套筒一端口倒扣在平面上；
然后从另一端用纳米陶瓷粉填充不锈钢套筒，随后对装有纳米陶瓷粉的不锈钢套筒进行高温烧结；
将上述进行高温烧结的不锈钢套筒的倒扣在平面上的端面按照相应的薄膜制备要求进行金相研磨、抛光达到镜面，使其表面露出热电极一、热电极二导线的触点；
通过磁控溅射方式制备测量端的薄膜部分：通过磁控溅射方式制备热电极一薄膜部分即将热电极一材料靶材制备成薄膜沉积在抛光后的端面上，该热电极一薄膜结构与热电极二的连接处形成了所述薄膜传感器的热接点即测温端A，同时伸出不锈钢套筒部分的热电极一、热电极二的导线可直接作为补偿导线；
最后在测量端的薄膜部分表面通过磁控溅射方式制备Si3N4保护膜。
8.根据权利要求7所述的用于瞬态温度测量的薄膜传感器的制作方法，其特征在于：所述的热电极一薄膜结构和导线为镍硅合金材料，所述的热电极二为镍铬合金材料。
9.根据权利要求7所述的用于瞬态温度测量的薄膜传感器的制作方法，其特征在于：所述的不锈钢套筒外壁设置螺纹结构。
10.根据权利要求7所述的用于瞬态温度测量的薄膜传感器的制作方法，其特征在于：所述的高温烧结条件是在960℃高温条件下烧结12分钟。
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