CN108007595A - 一种探头式薄膜热电偶温度传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种探头式薄膜热电偶温度传感器及其制作方法，属于薄膜传感器技术领域。本发明在陶瓷柱体上沉积薄膜热电偶，陶瓷柱体尾部封装铂电阻温度传感器测量薄膜热电偶冷端温度，对薄膜热电偶进行温度补偿。使用高温陶瓷绝缘结合剂将沉积有薄膜热电偶的陶瓷柱体封装固定于金属管壳中，薄膜热电偶测温结点与管壳端面平齐，直接暴露于测温环境。利用薄膜热电偶物理尺寸小，响应快速的特点可以解决航空航天领域高温高速流场瞬时温度测量的需求，同时探头式管壳封装结构解决薄膜热电偶在实际工程测量环境中的应用安装等技术问题。

Description

一种探头式薄膜热电偶温度传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种探头式薄膜热电偶温度传感器及其制作方法，尤其涉及探头式封装结构及薄膜制备方法，属于薄膜传感器技术领域。

背景技术

航空航天领域中发动机、超高声速风洞等设备对温度的瞬时动态测量具有迫切的需求。航空发动机、超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机等试验设备对流场及工作状态的检测是发动机设计及优化的重要依据。现有的技术多采用监测压力变化过程来表征高温高速流场的工作状态，温度是表征流场工作状态的重要参数，对瞬时工作状态下的流场温度测量依然缺乏有效的技术手段。

热电偶在测温领域具有广泛的应用，薄膜热电偶由于敏感尺寸厚度在数微米之内，相比于传统的热电偶测温装置具有响应时间快的特点，响应时间可达十几μs。采用氧化物薄膜制备薄膜热电偶能够克服现有热电偶高温下氧化的问题，使得传感器敏感部位能够暴露于高温高速流体的恶劣测试环境，实现瞬时温度的精确测量。

现有的薄膜热电偶温度传感器多制备于平面陶瓷基板上，通过改变薄膜热电偶的敏感材料来实现温度的测量，在发动机实际工程测量中难以解决传感器的安装，冷端温度补偿等问题，不能实现对发动机内壁面流场温度的实时测量。

专利申请号为201420695951.0的国家实用新型专利“一种用于快速响应温度测量的薄膜温度传感器”采用在平面基片上镀制与标准S型和K型热电偶相同材料的薄膜热电偶，来实现快速响应的温度测量，该方法难以实现平面基片在发动机内的安装，离工程应用有较大差距。

此外，专利申请号为201510776351.6的国家发明专利“一种氧化物薄膜型热电偶及其制备方法”采用在陶瓷基片上沉积氧化物敏感薄膜制备薄膜热电偶，实现1000℃-1250℃的高温温度测量目的，由于氧化物薄膜热电偶需要进行热电偶冷端温度补偿，因此在工程实际测量中需要对氧化物薄膜型热电偶冷端温度进行实时的测量，该专利中并没有考虑工程测量过程中必须面对的冷端温度补偿问题。

发明内容

本发明目的是克服薄膜热电偶应用于工程实际测量中的问题，提供一种探头式薄膜热电偶温度传感器及其制作方法。将沉积有薄膜热电偶的陶瓷柱体通过陶瓷绝缘结合剂封装固定于封装管壳中，并集成一个铂电阻测量薄膜热电偶冷端温度，克服薄膜热电偶冷端温度补偿、封装固定安装等问题，实现薄膜热电偶在航空航天领域工程中的高频动态测量。

薄膜热电偶技术利用塞贝克效应，通过沉积两种不同材料的薄膜组成一个热电偶，来实现温度的测量。薄膜热电偶由于物理尺寸厚度只有数微米，其响应时间可达十几μs，能够满足温度瞬时动态测量的需求。

本发明的技术方案是：一种探头式薄膜热电偶温度传感器(图1和图2)，包括：陶瓷柱体10、第一薄膜热电偶臂12、第二薄膜热电偶臂13、瓷绝缘结合剂14、导电银浆15、薄膜热电偶引线16、封装管壳、铂电阻30、铂电阻引线31。

所述陶瓷柱体10上沉积有第一薄膜热电偶臂12和第二薄膜热电偶臂13，第一薄膜热电偶臂12和第二薄膜热电偶臂13在陶瓷柱体10端面重叠形成测温点11，所述测温点11为薄膜热电偶的热端，测温时与流场壁面平齐；薄膜热电偶尾部冷端通过导电银浆15固定薄膜热电偶引线16，并形成欧姆接触；薄膜热电偶尾部冷端同时还通过陶瓷绝缘结合剂14封装一个铂电阻30；所述铂电阻引线31和薄膜热电偶引线16组成该传感器的输出线。

上述陶瓷柱体10通过陶瓷绝缘结合剂14固定和密封于封装管壳内，使用时通过封装管壳实现本发明所述的探头式薄膜热电偶温度传感器的安装。

进一步的，本发明的封装管壳包括金属管壳20和金属固定套管21，两者之间通过套管固定螺钉22固定连接，所述陶瓷柱体10固定于封装金属管壳20和金属固定套管21中，并通过陶瓷绝缘结合剂14进行固定和密封；封装金属管壳20上有传感器固定安装孔23。

进一步的，本发明的陶瓷柱体10冷端有铂电阻安装孔17，所述铂电阻30通过陶瓷绝缘结合剂14封装在所述铂电阻安装孔17内。铂电阻30位于第一薄膜热电偶臂12和第二薄膜热电偶臂13冷端引线结点的中间位置。

进一步的，薄膜热电偶温度传感器陶瓷柱体10端面与封装金属管壳20端面平齐，测温点11暴露于高温高速流体中，利用测温点11响应时间快的特点能够快速动态测量流体温度；薄膜热电偶冷端铂电阻30测量薄膜热电偶冷端温度变化，整个传感器能够外接高频数据采集板卡实现高温高速流体温度的瞬时动态测量。

所述探头式薄膜热电偶温度传感器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：制备陶瓷柱体10上的薄膜热电偶，包括第一薄膜热电偶臂12、第二薄膜热电偶臂13和测温点11，陶瓷柱体10上薄膜的沉积包括水平沉积和倾斜45°沉积两个步骤，以及薄膜沉积后的热处理过程；

步骤2：加工制作封装管壳；

步骤3：使用陶瓷绝缘结合剂14将沉积有薄膜热电偶的陶瓷柱体10封装固定于封装管壳内，将铂电阻30封装固定于陶瓷柱体10的冷端；

步骤4：使用导电银浆15固定粘结薄膜热电偶引线16，包括薄膜热电偶引线16和铂电阻引线31的热缩管包覆固定。

有益效果：

本发明通过在陶瓷柱体上沉积制备薄膜热电偶，通过封装管壳的固定以及铂电阻的封装等，完成探头式薄膜热电偶温度传感器的制作，具有良好的综合性能：(1)薄膜热电偶测温点直接暴露于高温高速流场中，与壁面平齐，避免了温度传感器对流场产生干扰，同时能够对流场温度进行直接精确的测量，且测温点敏感膜层厚度<5μm，薄膜宽度<2mm，响应时间可达十几μs；(2)薄膜热电偶冷端封装一个铂电阻，用于薄膜热电偶冷端温度的测量，克服了工程测量中薄膜热电偶冷端温度在线补偿的问题，提高了薄膜热电偶温度传感器的集成度；(3)采用陶瓷绝缘结合剂和封装管壳对传感器进行封装固定，热电偶敏感膜层与封装管壳通过陶瓷绝缘结合剂实现绝缘，克服了薄膜热电偶在工程应用中的绝缘问题，同时通过封装管壳中安装孔可以方便地实现传感器在发动机等工程测量中的安装与更换。

附图说明

图1是探头式薄膜热电偶温度传感器整体效果图；

图2是探头式薄膜热电偶温度传感器断面结构图；

图3是探头式薄膜热电偶温度传感器测温点断面结构及测温原理示意图。

具体实施方式

本实施例中的探头式薄膜热电偶温度传感器，主要包括陶瓷柱体10、测温点11、第一薄膜热电偶臂12、第二薄膜热电偶臂13、陶瓷绝缘结合剂14、导电银浆15、薄膜热电偶引线16、铂电阻安装孔17；封装管壳20、金属固定套管21、套管固定螺钉22、传感器固定安装孔23；铂电阻30、铂电阻引线31。所述测温点11、第一薄膜热电偶臂12和第二薄膜热电偶臂13通过薄膜沉积技术制备在陶瓷柱体上，并通过热处理工艺稳定薄膜热电偶性能；所述陶瓷柱体10通过陶瓷绝缘结合剂14封装固定于金属管壳20和金属固定套管21中，金属管壳20和金属固定套管21通过套管固定螺钉22固定；铂电阻30通过陶瓷绝缘结合剂14固定于铂电阻安装孔17中；铂电阻引线31和薄膜热电偶引线16共同组成传感器输出线。

本实施例中的薄膜热电偶温度传感器通过薄膜沉积技术和陶瓷绝缘结合剂封装技术加工完成，主要步骤如下：

步骤1：在陶瓷柱体10上制备薄膜热电偶，包括第一薄膜热电偶臂12、第二薄膜热电偶臂13和测温点11，以及薄膜的热处理工艺，参阅附图2；包括如下子步骤：

子步骤1：清洗陶瓷柱体10，将陶瓷柱体10置于无水乙醇中，超声波清洗10分钟，去除陶瓷柱体表面杂质；

子步骤2：制备薄膜热电偶柔性掩膜，使用聚酰亚胺(PI)胶带，胶带厚度30μm，在CAD软件中绘制掩膜图形，使用刻字机将聚酰亚胺(PI)胶带雕刻成型薄膜热电偶掩膜，将掩膜粘贴在陶瓷柱体10上，掩膜成型的线宽～1mm，将柔性聚酰亚胺(PI)胶带掩膜贴覆在陶瓷柱体10上，柔性聚酰亚胺(PI)胶带掩膜包括第一薄膜热电偶臂12掩膜和第二薄膜热电偶臂13掩膜；

子步骤3：沉积制备薄膜热电偶，第一薄膜热电偶臂12和第二薄膜热电偶臂13分别使用In₂O₃和ITO(氧化铟锡)靶材，采用磁控溅射镀膜方法进行沉积，磁控溅射功率为200～300W，使用Ar气作为溅射气体，溅射时气体压力为0.5～1.5Pa，溅射时间1～3小时；每个热电偶臂分别水平放置和倾斜45°放置于磁控溅射仪的样品台上沉积两次，在陶瓷柱体10的端面和侧面沉积形成薄膜热电偶敏感薄膜，并在端面形成测温点11，两个薄膜厚度<5μm；第一薄膜热电偶臂12两次沉积完成后，去掉柔性掩膜，更换为第二薄膜热电偶臂13掩膜，沉积第二薄膜热电偶臂13；

子步骤4：对完成沉积的薄膜热电偶进行热处理，将陶瓷柱体10置于高温管式炉中加热，首先使用机械泵将管式炉抽真空，然受加热至400℃处理6h，其后在管式炉中通入N₂，在N₂气氛下加热至600℃处理6h，最后去掉通N₂装置，管式炉在空气气氛下加热至1100℃处理6h，完成薄膜热电偶的热处理工艺。

步骤2：加工制作封装金属管壳20和金属固定套管21，包括加工传感器安装孔23，选用不锈钢304或镍基高温合金等金属材料；

步骤3：使用陶瓷绝缘结合剂14将沉积有薄膜热电偶的陶瓷柱体10、封装金属管壳20和金属固定套管21封装固定，也包括在铂电阻安装孔17中封装铂电阻30；包括以下步骤：

子步骤1：通过套管固定螺钉22固定陶瓷柱体10于封装金属管壳20和金属固定套管21内，陶瓷柱体10的端面与金属管壳20端面平齐，铂电阻30固定于铂电阻安装孔17内，铂电阻30位于薄膜热电偶两个热电偶臂引线结点的中间位置；

子步骤2：调制、填充和固化陶瓷绝缘结合剂14，将OMEGABOND 600(耐温可达1426℃)与水按100：13(重量比)搅拌混合均匀，将陶瓷柱体10和封装管壳中间的空隙填充满，同时也填充满铂电阻安装孔17，然后在室温下静置18～24h固化，再在82℃和105℃加热环境中分别放置处理4h；

子步骤3：精细打磨封装固化后的传感器测温端面，使用800目、1000目和2000目砂纸对传感器测温端面进行打磨，去掉测温端面上多余的陶瓷绝缘结合剂14，使薄膜热电偶测温结点11与封装金属管壳20端面平齐；

步骤4：固定粘结薄膜热电偶引线16，薄膜热电偶引线16使用直径<0.3mm的漆包金属线，使用研泰TD-8810高温银粉导电胶在薄膜热电偶冷端粘结引线，粘结后置于25℃环境中固化12h、其后在80℃和150℃的加热环境下处理2h，最后使用热缩管包覆固定薄膜热电偶引线16和铂电阻引线31。

Claims (5)

1.一种探头式薄膜热电偶温度传感器，其特征在于，包括陶瓷柱体10、第一薄膜热电偶臂12、第二薄膜热电偶臂13、瓷绝缘结合剂14、导电银浆15、薄膜热电偶引线16、封装管壳、铂电阻30、铂电阻引线31；

所述陶瓷柱体10上沉积有第一薄膜热电偶臂12和第二薄膜热电偶臂13，第一薄膜热电偶臂12和第二薄膜热电偶臂13在陶瓷柱体10端面重叠形成测温点11，所述测温点11为薄膜热电偶的热端，测温时与流场壁面平齐；薄膜热电偶尾部冷端通过导电银浆15固定薄膜热电偶引线16，并形成欧姆接触；薄膜热电偶尾部冷端同时还通过陶瓷绝缘结合剂14封装一个铂电阻30；所述铂电阻引线31和薄膜热电偶引线16组成该传感器的输出线。

上述陶瓷柱体10通过陶瓷绝缘结合剂14固定和密封于封装管壳内，使用时通过封装管壳实现本发明所述的探头式薄膜热电偶温度传感器的安装。

2.一种如权利要求1所述的探头式薄膜热电偶温度传感器，其特征在于，所述封装管壳包括金属管壳20和金属固定套管21，两者之间通过套管固定螺钉22固定连接，所述陶瓷柱体10固定于封装金属管壳20和金属固定套管21中，并通过陶瓷绝缘结合剂14进行固定和密封；封装金属管壳20上有传感器固定安装孔23。

3.一种如权利要求1所述的探头式薄膜热电偶温度传感器，其特征在于，所述陶瓷柱体10冷端有铂电阻安装孔17，所述铂电阻30通过陶瓷绝缘结合剂14封装在所述铂电阻安装孔17内；铂电阻30位于第一薄膜热电偶臂12和第二薄膜热电偶臂13冷端引线结点的中间位置。

4.一种如权利要求1所述的探头式薄膜热电偶温度传感器，其特征在于，所述薄膜热电偶温度传感器陶瓷柱体10端面与封装金属管壳20端面平齐，测温点11暴露于高温高速流体中；薄膜热电偶冷端铂电阻30测量薄膜热电偶冷端温度变化。

5.如权利要求1所述探头式薄膜热电偶温度传感器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：制备陶瓷柱体10上的薄膜热电偶，包括第一薄膜热电偶臂12、第二薄膜热电偶臂13和测温点11，陶瓷柱体10上薄膜的沉积包括水平沉积和倾斜45°沉积两个步骤，以及薄膜沉积后的热处理过程；

步骤2：加工制作封装管壳；

步骤3：使用陶瓷绝缘结合剂14将沉积有薄膜热电偶的陶瓷柱体10封装固定于封装管壳内，将铂电阻30封装固定于陶瓷柱体10的冷端；

步骤4：使用导电银浆15固定粘结薄膜热电偶引线16，包括薄膜热电偶引线16和铂电阻引线31的热缩管包覆固定。