CN106706167B - 一种高灵敏度快速响应热流传感器 - Google Patents

一种高灵敏度快速响应热流传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高灵敏度快速响应热流传感器采用康铜箔片制作曲折的线条，通过电镀工艺在线条上根据一定的规则进行镀铜。当出现沿传感器热阻材料法向的入射热流时，热阻材料上下平面产生温度差，此时差分热电偶会输出信号，由于传感器内的热电堆等效于将所有包含的差分热电偶输出进行累加，可以提高传感器的灵敏度，并且由于热阻材料的厚度较薄，当入射热流很小时，传感器也能够快速做出响应。本发明与传统的圆箔热流传感器相比具有如下优点：传感器体积小，重量轻；传感器为薄片形状，响应快速，并且安装方便，可直接贴于被测表面；传感器灵敏度高，可以覆盖圆箔式热流传感器无法测量的小量程热流；传感器的工艺简单，方便批量化生产。

Description

一种高灵敏度快速响应热流传感器
技术领域
本发明涉及的一种高灵敏度快速响应热流传感器，属于传感器测量领域。
背景技术
热流传感器又称为热流计，用于测量热流密度，是研究热量传递的重要测量装置。目前比较成熟的热流传感器为圆箔式热流传感器(Gardon计)，但圆箔式热流传感器多用于测量较大热流，传感器灵敏度难以做大，当用于测量微小热流时，传感器的输出信号十分微弱，难以检测，因此需要一种灵敏度高可用于测量微小热流密度的传感器。本发明中的热流传感器为热阻式热流传感器，采用热电堆的测量原理进行热流测量，热电堆可以在微小热流下输出较大的信号，同时由于传感器的厚度薄，响应速度很快，可以直接安装于被测位置表面，尽可能小的破坏被测位置的热分布，安装方便，为热量传递的研究提供了便利。
西南科技大学的罗浩等人设计了一种多级式热电堆型微量热流传感器，该传感器选用细康铜丝和酚醛树脂层压板作为实验材料，用硫酸铜酸性镀铜法制备热电堆，用多个热电堆串联的方式提高热电堆的级数，制备了一种多级式热电堆型热流传感器用于测量微小热流密度。但该设计存在以下缺点：
(1)采用酚醛树脂层压板作为热阻，酚醛层压板的耐高温性能差，且热物性参数会随着温度的变化而改变，会影响传感器的性能。
(2)采用细康铜丝制作热电堆，康铜丝截面为圆形，虽然采用了在酚醛树脂层压板表面挖槽的措施，但是康铜丝与热阻层结合仍然较差，导致的热阻与康铜丝之间的传热不通畅。
(3)酚醛树脂层压板的厚度较大，导致传感器的响应较慢。
(4)采用在层压板上绕丝后电镀的方式，制作工艺复杂，生产成本高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高灵敏度快速响应热流传感器，解决热流传感器无法快速响应微小热流的问题。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种高灵敏度快速响应热流传感器，包括n个依次连接的差分热电偶单元；每个热电偶单元为“几”字形结构，包括康铜箔线条和镀铜的康铜箔线；
康铜箔线条包括依次连接的L1至L5五个部分，水平部分L1，倾斜部分L2在水平部分L1的基础上向上弯折45°，竖直部分L3在倾斜部分L2的基础上向上弯折45°，倾斜部分L4在竖直部分L3基础上向下弯折45°，水平部分L5在倾斜部分L4的基础上向下弯折45°；康铜箔线条与镀铜的康铜箔线条对称设置，包括依次连接的L6至L10，水平部分L6与水平部分L5水平相连，倾斜部分L7在水平部分L6的基础上向下弯折45°，竖直部分L8在倾斜部分L7的基础上向下弯折45°，倾斜部分L9在竖直部分L8的基础上向上弯折45°，水平部分L10在倾斜部分L9的基础上向上弯折45°，水平部分L10与下一个热电偶单元的水平部分L1相连；
热电偶单元的竖直部分L3和竖直部分L8中部垂直热电偶单元所处平面向下弯折90°构成竖直面，竖直部分L3和竖直部分L8的下部竖直面向上弯折90°构成水平下表面；所述竖直部分L3上部、倾斜部分L4、水平部分L5、水平部分L6、倾斜部分L7和竖直部分L8的上部位于水平上表面，附着在热阻层的上面，总长度为d1；竖直部分L3和竖直部分L8的中部位于竖直面，嵌入热阻层内部；竖直部分L3下部、倾斜部分L2、水平部分L1、水平部分L10、倾斜部分L9和竖直部分L8的下部位于水平下表面，附着在热阻层下面，总长度为d2，且d1和d2相等。
优选的，包括多排热电偶单元，每排热电偶单元包含多对差分热电偶，每两排热电偶单元通过左右两端的竖直部分L3和竖直部分L8直接相连。
提供一种所述高灵敏度快速响应热流传感器的制作方法，包括如下步骤：
(1)根据传感器的灵敏度指标设计康铜箔线条和镀铜的康铜箔线的图形；
(2)将康铜箔片表面进行清洗后喷涂一层聚酰亚胺涂层，将康铜箔片整平并粘接固定于硅片上；
(3)对康铜箔片按图形进行光刻腐蚀处理后得到康铜箔线条；
(4)对“几”字形结构的一半进行电镀铜，并去除硅片；
(5)进行封装，对每排热电偶单元的竖直部分L3和竖直部分L8进行弯折处理，使每个热电偶单元形成水平上表面，竖直面和水平下表面，其中水平上表面附着在热阻层的上面，竖直面嵌入热阻层内部，水平下表面附着在热阻层的下面，形成热流传感器。
提供一种所述高灵敏度快速响应热流传感器的制作方法，包括如下步骤：
(1)根据传感器的灵敏度指标设计康铜箔线条和镀铜的康铜箔线的图形；
(2)将康铜箔片表面进行清洗后喷涂一层聚酰亚胺涂层，将康铜箔片整平并粘接固定于硅片上；
(3)将康铜箔片的一半进行电镀铜；
(4)对康铜箔片按图形进行处理后得到康铜箔线条，并去除硅片；
(5)进行封装，对每排热电偶单元的竖直部分L3和竖直部分L8进行弯折处理，使每个热电偶单元形成水平上表面，竖直面和水平下表面，其中水平上表面附着在热阻层的上面，竖直面嵌入热阻层内部，水平下表面附着在热阻层的下面，形成热流传感器。
优选的，聚酰亚胺涂层的厚度为0.02mm。
优选的，康铜箔片厚度小于0.03mm。
优选的，进行封装时，热阻层为厚度小于0.15mm的聚酰亚胺材料。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)传感器灵敏度高，可以测量微小的热流密度，在入射热流很小的情况下，传感器可以输出较大的信号，可以覆盖圆箔式热流传感器无法测量的小量程热流。
(2)传感器为薄片结构，响应速度快，同时安装方便，可直接贴于被测表面，安装时不破坏被测位置的结构，能够最大程度的减小对被测部位带来的热干扰。
(3)结构便于加工，安装方便。
附图说明
图1为本发明局部结构示意图；
图2为本发明第一种工艺路线示意图；
图3为本发明第二种工艺路线示意图；
图4为本发明中线条拐角设计示意图；
图5为本发明中线条镀铜示意图。
具体实施方式
参见图1，热流传感器采用很薄(小于0.03mm)的康铜箔片制作出规定尺寸的曲折线条(2)，在制备得到的线条(2)上根据规则分区域进行镀铜，然后将线条上形成的“铜-康铜”和“康铜-铜”热电偶接点按规律分别布置于薄膜热阻材料的表面两侧，形成可感受热阻表面两侧温差的热电堆，从而对入射热流进行测量。
本发明的关键工艺为制作康铜箔镀铜线条，具体工艺可以通过两种工艺路线实现，第一种路线如图2，包括下面步骤：
(1)根据传感器的灵敏度指标设计线条图形，灵敏度影响等面积上线条曲折的次数n。灵敏度要求越高，曲折次数n越大，一个几字形代表一次弯折，目前几字形结构可以达到2mm*2mm的尺寸。
(2)将康铜箔片表面进行清洗后喷涂一层0.02mm厚聚酰亚胺涂层，将康铜箔片整平并粘接固定于硅片(图中未示出)上。
(3)对康铜箔片按线条图形进行光刻腐蚀处理后得到康铜箔线条，由于聚酰亚胺涂层的存在成型后的线条不会松散脱落。
(4)对应线条的形状设计电镀的图形，将成型后的线条，对几字形的一半进行电镀铜。
(5)进行封装，对线条进行弯折处理，白色部分在上层，黑色部分在下层，形成上下交错的结构，参见图1左视图，由于康铜箔片较薄，忽略侧面的厚度，上层与侧面90度弯折，侧面与下层90度弯折。水平上表面附着在热阻层(1)(厚度小于0.15mm的聚酰亚胺材料)的上面，竖直面嵌入热阻层(1)内部，水平下表面附着在热阻层(1)的下面，多排热电偶单元均完成封装后，即形成热流传感器。上层与下层的长度相同，保证热分布均匀，避免热电偶单元间发生横向传热，灵敏度更高，一致性好。
第二种路线如图3，包括下面步骤：
(1)设计电镀的图形，电镀的形状同样是根据灵敏度指标进行设计，并根据电镀图形进行光刻后电镀铜。
(2)将康铜箔片表面进行清洗后喷涂一层0.02mm厚聚酰亚胺涂层，将箔片整平并粘接固定于硅片上。
(3)对应电镀图形设计线条图形。
(4)对箔片按线条图形进行光刻腐蚀等工艺处理后得到康铜箔线条；
(5)进行封装，上层与侧面90度弯折，侧面与下层90度弯折获得传感器。
其中腐蚀得到的线条形状设计为曲折的几字形，在几字的顶端与侧面的连接部位没有采用直角连接，而是设计了45°的倾角，该设计可以优化康铜导热的路径，从而增大传感器灵敏度。如图4所示，康铜箔线条包括依次连接的L1至L5五部分，水平部分L1，向上弯折45°形成倾斜部分L2，倾斜部分L2向上弯折45°形成竖直部分L3，竖直部分L3向下弯折45°形成倾斜部分L4，倾斜部分L4向下弯折45°形成水平部分L5；康铜箔线条与镀铜的康铜箔线条对称设置，包括依次连接的L6至L10，水平部分L6与水平部分L5相连，水平部分L6向下弯折45°形成倾斜部分L7，倾斜部分L7下弯折45°形成竖直部分L8，竖直部分L8向上弯折45°形成倾斜部分L9，倾斜部分L9向上弯折45°形成水平部分L10，水平部分L10与下一个热电偶单元的水平部分L1相连。
经过上述工艺得到的康铜箔线条就是热流传感器的主要敏感元件——热电堆(2)，热电堆的节点分别为镀铜与康铜的结合部位，如图5。根据热电偶的测量原理热电堆的冷热节点温度相同时输出为零，当两节点温度不同时才会由于热电效应产生输出。将热电堆(2)的“铜-康铜”和“康铜-铜”节点分别布置在薄热阻材料(1)两侧，并将热阻材料和敏感线条进行封装固定，如图2和图3中封装，得到热流传感器。
当传感器感受到入射热流时，沿热流方向热阻材料两侧会产生温度差异，分布于两侧的热电偶节点感受到不同的温度，差分热电偶会输出热阻两侧的温度差对应的热电势(热电偶测量基本原理)，热流传感器内部存在多对差分热电偶，通过串联会增大传感器的输出，当入射热流较小时，依靠信号累积能够输出较大的电势。
本发明采用康铜箔作为基础材料，运用特殊工艺制作出规定尺寸的曲折形状的康铜箔线条，通过线条的曲折外形可以增加单位面积内差分热电偶的数量，同时便于后续差分热电偶的铜-康铜”和“康铜-铜”接点在热阻两侧的布置；采用镀铜工艺，在制备好的康铜线条的规定区域进行镀铜，通过设计有规律的镀铜区域得到均匀分布的差分热电偶；采用薄膜热阻材料作为热阻层。
传感器体积小，重量轻；传感器为薄片形状，响应快速，并且安装方便，可直接贴于被测表面；传感器灵敏度高，可以覆盖圆箔式热流传感器无法测量的小量程热流；传感器的工艺简单，方便批量化生产。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种高灵敏度快速响应热流传感器，其特征在于：包括n个依次连接的差分热电偶单元；每个热电偶单元为“几”字形结构，包括康铜箔线条和镀铜的康铜箔线；
康铜箔线条包括依次连接的L1至L5五个部分，水平部分L1，倾斜部分L2在水平部分L1的基础上向上弯折45°，竖直部分L3在倾斜部分L2的基础上向上弯折45°，倾斜部分L4在竖直部分L3基础上向下弯折45°，水平部分L5在倾斜部分L4的基础上向下弯折45°；康铜箔线条与镀铜的康铜箔线对称设置，包括依次连接的L6至L10，水平部分L6与水平部分L5水平相连，倾斜部分L7在水平部分L6的基础上向下弯折45°，竖直部分L8在倾斜部分L7的基础上向下弯折45°，倾斜部分L9在竖直部分L8的基础上向上弯折45°，水平部分L10在倾斜部分L9的基础上向上弯折45°，水平部分L10与下一个热电偶单元的水平部分L1相连；
热电偶单元的竖直部分L3和竖直部分L8中部垂直热电偶单元所处平面向下弯折90°构成竖直面，竖直部分L3和竖直部分L8的下部竖直面向上弯折90°构成水平下表面；所述竖直部分L3上部、倾斜部分L4、水平部分L5、水平部分L6、倾斜部分L7和竖直部分L8的上部位于水平上表面，附着在热阻层的上面，总长度为d1；竖直部分L3和竖直部分L8的中部位于竖直面，嵌入热阻层内部；竖直部分L3下部、倾斜部分L2、水平部分L1、水平部分L10、倾斜部分L9和竖直部分L8的下部位于水平下表面，附着在热阻层下面，总长度为d2，且d1和d2相等。
2.根据权利要求1所述高灵敏度快速响应热流传感器，其特征在于，包括多排热电偶单元，每排热电偶单元包含多对差分热电偶单元，每两排热电偶单元通过左右两端的竖直部分L3和竖直部分L8直接相连。
3.一种权利要求1或2所述高灵敏度快速响应热流传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据传感器的灵敏度指标设计康铜箔线条和镀铜的康铜箔线的图形；
(2)将康铜箔片表面进行清洗后喷涂一层聚酰亚胺涂层，将康铜箔片整平并粘接固定于硅片上；
(3)对康铜箔片按图形进行光刻腐蚀处理后得到“几”字形结构；
(4)对“几”字形结构的一半进行电镀铜，并去除硅片；
(5)进行封装，对每排热电偶单元的竖直部分L3和竖直部分L8进行弯折处理，使每个热电偶单元形成水平上表面，竖直面和水平下表面，其中水平上表面附着在热阻层的上面，竖直面嵌入热阻层内部，水平下表面附着在热阻层的下面，形成热流传感器。
4.一种权利要求1或2所述高灵敏度快速响应热流传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)根据传感器的灵敏度指标设计康铜箔线条和镀铜的康铜箔线的图形；
(2)将康铜箔片表面进行清洗后喷涂一层聚酰亚胺涂层，将康铜箔片整平并粘接固定于硅片上；
(3)将康铜箔片的一半进行电镀铜；
(4)对康铜箔片按图形进行处理后得到“几”字形结构，并去除硅片；
(5)进行封装，对每排热电偶单元的竖直部分L3和竖直部分L8进行弯折处理，使每个热电偶单元形成水平上表面，竖直面和水平下表面，其中水平上表面附着在热阻层的上面，竖直面嵌入热阻层内部，水平下表面附着在热阻层的下面，形成热流传感器。
5.根据权利要求3或4所述方法，其特征在于，聚酰亚胺涂层的厚度为0.02mm。
6.根据权利要求3或4所述方法，其特征在于，康铜箔片厚度小于0.03mm。
7.根据权利要求3或4所述方法，其特征在于，进行封装时，热阻层为厚度小于0.15mm的聚酰亚胺材料。
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