CN108562381B - 用于高温环境下测量热流的薄膜传感器及其制作方法 - Google Patents

用于高温环境下测量热流的薄膜传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明用于高温环境下测量热流的薄膜传感器及其制作方法，属于薄膜传感器技术领域；所要解决的技术问题是提供了提升热流传感器灵敏度，在高温环境中稳定工作和实现热电势信号稳定读取的工艺简单的薄膜传感器；解决该技术问题采用的技术方案为：本传感器包括微米级陶瓷基底、热电偶堆、上温度梯度隔离层、下温度梯度隔离层、正极引出电极和负极引出电极，正极引出电极和负极引出电极印刷在引出电极基底上，热电偶堆印刷在热电偶堆基底上，热电偶堆包括多对正极和负极热电偶，多对热电偶首尾相连，循环环绕串联；本发明还提供上述传感器的制作方法；本发明可广泛应用于温度梯度测量领域。

Description

用于高温环境下测量热流的薄膜传感器及其制作方法
技术领域
本发明用于高温环境下测量热流的薄膜传感器及其制作方法，属于薄膜传感器技术领域。
背景技术
热流传感器运用傅里叶定理中的热流与温度梯度间比例关系测量热流，温度梯度通过测量热电偶输出热电势得到。目前使用的热流传感器有圆箔式和薄膜式热流传感器，相比于薄膜式传感器，圆箔式热流传感器量响应时间更长，高温下使用水冷工作使得体积更大；薄膜式传感器由于热电势输出信号普遍微弱，使信号不易分辨和读取；此外，薄膜式传感器还存在灵敏度较小的缺点。如专利CN203643055U一种用于高温大热流测量的薄膜热流传感器提出的热流传感器集成的热电堆数目较少，采用的用于产生温度梯度的热障层材料产生的温度梯度很小，从而使得热电势输出信号强度受限，进而使得输出灵敏度很小，对数据采集仪器提出了很高要求；此外该传感器及其引线的制作工艺繁杂，引线在高温下容易软化而接触不良。为提高热流传感器热电势信号以提升热流传感器灵敏度，以及提升响应时间，使热流传感器在高温环境中稳定工作和实现热电势信号稳定读取，需要在有限尺寸平面内设计了工艺简单的一种用于高温环境下测量热流的薄膜传感器。
发明内容
本发明一种用于高温环境下测量热流的薄膜传感器，克服了现有技术存在的不足，提供了提升热流传感器灵敏度，在高温环境中稳定工作和实现热电势信号稳定读取的工艺简单的薄膜传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种用于高温环境下测量热流的薄膜传感器，其特征在于：包括微米级陶瓷基底、热电偶堆、上温度梯度隔离层、下温度梯度隔离层、正极引出电极和负极引出电极；微米级陶瓷基底包括热电偶堆基底和引出电极基底，热电偶堆基底为圆形，热电偶堆基底和引出电极基底为一体成型，正极引出电极和负极引出电极印刷在引出电极基底上，热电偶堆印刷在热电偶堆基底上，热电偶堆包括多个正极热电偶和多个负极热电偶，一个正极热电偶和一个负极热电偶串联形成一对热电偶，多对热电偶首尾相连，热电偶堆的首端设置在热电偶堆基底的外沿处，热电偶堆的首端与正极引出电极相连，热电偶堆的中段沿热电偶堆基底的径向由若干个C形热电偶圈组成，热电偶堆的尾端与负极引出电极相连；热电偶堆基底的上方涂刷有上温度梯度隔离层，上温度梯度隔离层覆盖热电偶堆的全部冷结点，热电偶堆基底的下方涂刷有下温度梯度隔离层。
进一步，所述C形热电偶圈的个数为5个。
进一步，所述热电偶堆选用的材料为铂-铂铑10热电偶，正极引出电极选用的材料为铂，负极引出电极选用的材料为铂铑10。
进一步，所述热电偶堆选用的材料为金-金钯热电偶，正极引出电极选用的材料为金，负极引出电极选用的材料为金钯。
进一步，所述上温度梯度隔离层和所述下温度梯度隔离层选用的材料为纳米气相二氧硅化物微粉，厚度均为1mm。
一种根据上述用于高温环境下测量热流的薄膜传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
a.将微米级陶瓷基底的表层进行抛光，在其上利用相应的网版丝网印刷出正极热电偶和正极引出电极的图案，然后升温至100℃烘干；
b.在微米级陶瓷基底的表层上，利用相应的网版丝网印刷出负极热电偶和负极引出电极的图案，然后升温至100℃烘干；
c.使用相应的掩膜版对准热电偶堆基底上方，涂刷耐高温热保温涂料，形成上温度梯度隔离层,然后升温至300℃烘干；
d.使用相应的掩膜版对准热电偶堆基底下方，涂刷耐高温热保温涂料，形成下温度梯度隔离层，然后升温至300℃烘干；
e.将烘干的微米级陶瓷基底在烧结炉里在1550℃下持续180分钟烧结成型，薄膜传感器制作完成。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：本发明使用厚度为微米级基底陶瓷层和高熔点金属使热流传感器能使热流传感器能在工作在高温环境中实现高响应频率工作；使用丝网印刷得到的薄膜金属厚度薄而均匀，不仅工艺简单，而且将提高热流传感器的响应频率和实现热电势信号的稳定读取；设计的传感器为引出式使细线引出电极处在低温区，可实现热电势信号的稳定读取；使用丝网印刷印制热电偶使其为薄膜循环环绕串联模式，在有限面积内集成了密集热电偶阵列结构，选用导热系数很低的耐高温隔热保温涂料和上下双层温度梯度隔离层隔热保温产生大温度梯度，三者协同作用输出热电势增大，从而使得灵敏度增大。
附图说明
图1为是本发明产生温度梯度的剖视示意图。
图2为本发明的俯视图。
图3为本发明的仰视图。
图4为本发明的制作工艺流程示意图。
图5为本发明的测试接线示意图。
图中，1-微米级陶瓷基底，2-热电偶堆，3-上温度梯度隔离层， 5-下温度梯度隔离层，6-正极热电偶，7-负极热电偶，8-负极引出电极，9-正极引出电极，10-热电偶堆基底，11-引出电极基底，12-补偿导线，13-数据采集仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
如图1、图2、图5所示，一种用于高温环境下测量热流的薄膜传感器。包括微米级陶瓷基底1、热电偶堆2、上温度梯度隔离层3、下温度梯度隔离层5、正极引出电极9和负极引出电极8；微米级陶瓷基底1包括热电偶堆基底10和引出电极基底11，热电偶堆基底10为圆形，热电偶堆基底10和引出电极基底11为一体成型，正极引出电极9和负极引出电极8印刷在引出电极基底11上，热电偶堆2印刷在热电偶堆基底10上，热电偶堆2包括多个正极热电偶和多个负极热电偶，一个正极热电偶和一个负极热电偶串联形成一对热电偶，多对热电偶首尾相连，热电偶堆2的首端设置在热电偶堆基底10的外沿处，热电偶堆2的首端与正极引出电极9相连，热电偶堆2的中段沿热电偶堆基底10的径向由若干个C形热电偶圈组成，热电偶堆2的尾端与负极引出电极8相连；热电偶堆基底10的上方涂刷有上温度梯度隔离层3，上温度梯度隔离层3覆盖热电偶堆2的全部冷结点。
如图3所示，热电偶堆基底10的下方涂刷有下温度梯度隔离层5。下温度梯度隔离层5 与上温度梯度隔离层3同形。上温度梯度隔离层3和下温度梯度隔离层5选用的材料为耐高温隔热保温材料，这里选用纳米气相二氧硅化物微粉，其厚度均为1mm。
实施例1
热电偶堆2选用的材料为铂-铂铑10热电偶，正极引出电极9选用的材料为铂，负极引出电极8选用的材料为铂铑10。
实施例2
热电偶堆2选用的材料为金-金钯热电偶，正极引出电极9选用的材料为金，负极引出电极8选用的材料为金钯。
如图4所示，本发明还提供一种用于高温环境下测量热流的薄膜传感器的制作方法，包括以下步骤：
a.将微米级陶瓷基底的表层进行抛光，在其上利用相应的网版丝网印刷出正极热电偶和正极引出电极的图案，然后升温至100℃烘干；
b.在微米级陶瓷基底的表层上，利用相应的网版丝网印刷出负极热电偶和负极引出电极的图案，然后升温至100℃烘干；
c.使用相应的掩膜版对准热电偶堆基底上方，涂刷耐高温热保温涂料，形成上温度梯度隔离层,然后升温至300℃烘干；
d.使用相应的掩膜版对准热电偶堆基底下方，涂刷耐高温热保温涂料，形成下温度梯度隔离层，然后升温至300℃烘干；
e.将烘干的微米级陶瓷基底在烧结炉里烧结成型，薄膜传感器制作完成。
本发明的原理如下：
通过给定截面的热流密度可由傅里叶定律：q=k*dT/dx（式1）得出,
式中，q为通过给定截面的热流密度，k为材料的热导率，dT/dx为垂直该截面的温度变化率；
串联热电堆输出热电势可由E=N*SAB*dT（式2）得出，
上式中，E为串联热电堆输出热电势，N为串联的热电偶对数，SAB为热电偶材料的塞贝克系数，dT为垂直给定截面的温度变化，式2表明增大N可增大串联热电堆输出热电势；
薄膜串联热电堆测量热流时，灵敏度可表达为S=E/q（式3），S为灵敏度；
将式1与式2代入式3可得出: S=N*SAB*dx/k中，公式表明增大N可增大灵敏度;
为提高传感器响应频率和热电势的稳定读取信号，引出电极和热电偶的电极采用丝网印刷工艺。微米级陶瓷基底1为热电偶电极、引出电极和下温度梯度隔离层5提供附着和支持作用，为实现热电偶电极与引出电极工艺，以及增加下温度梯度隔离层5附着能力，微米级陶瓷基底1上表面抛光处理，此外，微米级陶瓷基底1结构设计为引出式形状，该引出式形状分为传感器敏感区域（即热电偶堆基底10所在区域）与引出电极引出区域（即引出电极基底11所在区域），引出电极引出区域较长使得当传感器敏感区域工作在高温时，引出电极引出区域能维持较低温度方便使用补偿导线连接细线引出电极实现稳定读取信号。
为实现有限面积内热电偶电极的大热电势信号的输出，将热电偶堆2的电极设计为由多对热电偶电极循环环绕串联的结构，使得热电偶电极在有限面积内铺满整个热电偶堆基底10的面积，形成热电偶电极阵列。
如图5所示，本传感器在工作时，将处在低温区的引出电极通过补偿导线12连接至数据采集仪13来稳定读取热电偶堆2的热电势信号。为实现有限面积内热电堆的大热电势信号的输出，上下温度梯度隔离层选用导热系数很低的耐高温隔热保温涂料，上温度梯度隔离层3其通过掩模板印刷覆盖在热电堆电极和引出电极上，导致热电堆中每对热电偶电极的热结点外露，直接感应外界热流和温度，冷结点被覆盖埋在上温度梯度隔离层3与微米级陶瓷基底材料之间，下温度梯度隔离层5其通过掩模板对准上温度梯度隔离层3印刷覆盖在基底陶瓷层下方，其与上温度梯度隔离层3形状大小一致且相对，用于隔离通过微米级陶瓷基底1下方传递至埋在上温度梯度隔离层3与微米级陶瓷基底材料之间的热电堆电极热量，当传感器处在用于测试热流时，覆盖在上温度梯度隔离层3的热电堆电极与外露的热电堆电极之间将形成垂直于热流的大温度梯度，这将与循环环绕串联的而成的密集的热电堆电极协同作用使热流传感器产生大的热电势信号，从而使得测试灵敏度得到提升。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (6)

1.一种用于高温环境下测量热流的薄膜传感器，其特征在于：包括微米级陶瓷基底（1）、热电偶堆（2）、上温度梯度隔离层（3）、下温度梯度隔离层（5）、正极引出电极（9）和负极引出电极（8）；微米级陶瓷基底（1）包括热电偶堆基底（10）和引出电极基底（11），热电偶堆基底（10）为圆形，热电偶堆基底（10）和引出电极基底（11）为一体成型，正极引出电极（9）和负极引出电极（8）印刷在引出电极基底（11）上，热电偶堆（2）印刷在热电偶堆基底（10）上，热电偶堆（2）包括多个正极热电偶和多个负极热电偶，一个正极热电偶和一个负极热电偶串联形成一对热电偶，多对热电偶首尾相连，热电偶堆（2）的首端设置在热电偶堆基底（10）的外沿处，热电偶堆（2）的首端与正极引出电极（9）相连，热电偶堆（2）的中段沿热电偶堆基底（10）的径向由若干个C形热电偶圈组成，热电偶堆（2）的尾端与负极引出电极（8）相连；热电偶堆基底（10）的上方涂刷有上温度梯度隔离层（3），上温度梯度隔离层（3）覆盖热电偶堆（2）的全部冷结点，热电偶堆基底（10）的下方涂刷有下温度梯度隔离层（5），下温度梯度隔离层（5）与上温度梯度隔离层（3）形状大小一致且相对。
2.根据权利要求1所述的用于高温环境下测量热流的薄膜传感器,其特征在于:所述C形热电偶圈的个数为5个。
3.根据权利要求1所述的用于高温环境下测量热流的薄膜传感器,其特征在于:所述热电偶堆（2）选用的材料为铂-铂铑10热电偶，正极引出电极（9）选用的材料为铂，负极引出电极（8）选用的材料为铂铑10。
4.根据权利要求1所述的用于高温环境下测量热流的薄膜传感器,其特征在于:所述热电偶堆（2）选用的材料为金-金钯热电偶，正极引出电极（9）选用的材料为金，负极引出电极（8）选用的材料为金钯。
5.根据权利要求1所述的用于高温环境下测量热流的薄膜传感器,其特征在于:所述上温度梯度隔离层（3）和所述下温度梯度隔离层（5）选用的材料为纳米气相二氧硅化物微粉，厚度均为1mm。
6.一种根据权利要求1-5任一所述的用于高温环境下测量热流的薄膜传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
a.将微米级陶瓷基底的表层进行抛光，在其上利用相应的网版丝网印刷出正极热电偶和正极引出电极的图案，然后升温至100℃烘干；
b.在微米级陶瓷基底的表层上，利用相应的网版丝网印刷出负极热电偶和负极引出电极的图案，然后升温至100℃烘干；
c.使用相应的掩膜版对准热电偶堆基底上方，涂刷耐高温热保温涂料，形成上温度梯度隔离层,然后升温至300℃烘干；
d.使用相应的掩膜版对准热电偶堆基底下方，涂刷耐高温热保温涂料，形成下温度梯度隔离层，然后升温至300℃烘干；
e.将烘干的微米级陶瓷基底在烧结炉里在1550℃下持续180分钟烧结成型，薄膜传感器制作完成。
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