CN109141686B - 一种基于热电堆原理的热流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于热电堆原理的热流传感器，用于测量表面热流。热流传感器为圆柱形结构，圆柱形基体采用被测材料加工，圆柱形基体一端端面作为测量面，测量面与被测材料表面形状共形设计，测量面开有若干个沟槽，沟槽内填充特种材料，填充后的测量面与开设沟槽之前外形一致；测量面表面贴覆敏感元件，敏感元件的冷节点附着在圆柱形基体材料和特种材料两者中热导率高的材料表面，热节点附着在热导率低的材料表面，敏感元件的两端连接输出线，输出线通过圆柱形基体上的出线孔引出。本发明能够最大限度的减小热流传感器带来的热干扰，提高测量的准确性，同时热流传感器的灵敏度和响应速度得到了明显提高。

Description

一种基于热电堆原理的热流传感器
技术领域
本发明涉及的一种基于热电堆原理的热流传感器，属于传感器测量领域。
背景技术
表面热流密度测量越来越引起重视，目前一般采用热流传感器测量表面热流密度。表面热流密度测量的准确性受热流传感器材料和外形的影响较大，同时现有的热流传感器一般仅有一个热电偶，传感器的灵敏度和响应速度不高。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于热电堆原理的热流传感器，提高了灵敏度和响应速度，能够最大程度减小测量误差。
本发明的技术解决方案是：一种基于热电堆原理的热流传感器，所述热流传感器为圆柱形结构，其圆柱形基体采用被测材料加工而成，圆柱形基体一端端面作为测量面，测量面与被测材料表面形状采用共形设计，测量面开有若干个沟槽，沟槽内填充特种材料，填充后的测量面与开设沟槽之前外形一致；测量面表面贴覆敏感元件，敏感元件的冷节点附着在圆柱形基体材料和特种材料两者中热导率高的材料表面，热节点附着在热导率低的材料表面，敏感元件的两端连接输出线，所述输出线通过圆柱形基体上的出线孔引出。
所述特种材料与圆柱形基体材料热导率相差10倍以上。
所述敏感元件采用平面柔性热电堆实现。
所述敏感元件包括n个依次连接的差分热电偶单元，每个差分热电偶单元包含一个冷节点和一个热节点；如果基体材料热导率高于特种材料，则敏感元件的n个冷节点附着在基体材料，n个热节点附着在特种材料上；如果基体材料热导率低于特种材料，则敏感元件的n个冷节点附着在特种材料，n个热节点附着在基体材料上。n越大灵敏度越大。
所述每个差分热电偶单元为S形结构。
所述敏感元件的冷节点至热节点之间为镀铜的康铜箔线条，热节点至冷节点为康铜箔线条。
所述敏感元件的制作工艺步骤如下：
(1)根据热流传感器的灵敏度指标设计敏感元件的图形结构和尺寸，敏感元件由n个依次连接的S形结构组成，敏感元件的尺寸包括整个敏感元件的宽度和高度、每个S形结构的宽度和高度以及n的数量；
(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)对康铜箔片按设计的图形进行光刻腐蚀处理后得到康铜箔线条；
(4)对每个S形结构的中间1/2线条进行电镀铜，对裸露线条的一侧表面喷涂聚酰亚胺，并去除硅片，得到敏感元件。
所述敏感元件的制作工艺步骤如下：
(1)根据热流传感器的灵敏度指标设计敏感元件的图形结构和尺寸，敏感元件由n个依次连接的S形结构组成，敏感元件的尺寸包括整个敏感元件的宽度和高度、每个S形结构的宽度和高度以及n的数量；
(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)沿每个S形结构宽度的中点做两条竖直线，每两条竖直线形成一个区域，每相邻两个区域中一个镀铜，另一个不镀铜；
(4)对步骤处理的康铜箔片按设计的图形进行处理后得到康铜箔线条，对裸露线条的一侧表面喷涂聚酰亚胺，并去除硅片，得到敏感元件。
所述沟槽深度与热流传感器灵敏度成正比。
利用所述热流传感器进行测量时，沿被测材料法向开圆形孔洞，圆形孔洞尺寸与热流传感器尺寸相同，将所述热流传感器塞入圆形孔洞中，测量面与被测材料表面平齐。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明热流传感器采用与被测材料加工而成，测量面与被测材料表面形状采用共形设计，避免了热流传感器与被测材料之间的热传导，能够最大限度的减小热流传感器带来的热干扰，提高测量的准确性。
(2)现有热流传感器中一般仅有一个热电偶，本发明热流传感器包括若干个差分热电偶单元，能够将微弱信号放大，明显提高了传感器灵敏度。
(3)本发明敏感元件为薄片结构，响应速度快。
(4)本发明采用柱塞结构实现对被测材料的测量，结构简单，安装方便，便于批量化生产。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明敏感元件安装位置示意图；
图3为敏感元件。
具体实施方式
本发明提出一种基于热电堆原理的热流传感器，选用被测部位材料和共形设计，能够极大程度的减小测量误差，同时传感器响应速度快、灵敏度高。
如图1所示，本发明热流传感器为圆柱形结构，其圆柱形基体1采用被测材料加工而成，圆柱形基体1一端端面作为测量面，测量面与被测材料表面形状共形设计，测量面开有若干个沟槽2，沟槽内填充特种材料，填充后的测量面与开设沟槽之前外形一致。沟槽2深度与热流传感器灵敏度成正比。
特种材料与圆柱形基体1材料热导率相差10倍以上。如果圆柱形基体1材料热导率低，则特种材料则选用热导率高的材料，热导率是圆柱形基体1材料的10倍以上；如果圆柱形基体1材料热导率高，则特种材料则选用热导率低的材料，圆柱形基体1材料的热导率是特种材料的10倍以上。
如图2所示，测量面表面贴覆敏感元件3，敏感元件3的冷节点4附着在圆柱形基体材料和特种材料两者中热导率高的材料表面，热节点5附着在热导率低的材料表面，敏感元件3的两端连接输出线6，输出线6通过圆柱形基体1上的出线孔7引出。
敏感元件3采用平面柔性热电堆实现。包括n个依次连接的差分热电偶单元，每个差分热电偶单元包含一个冷节点和一个热节点。如果基体材料热导率高于特种材料，则敏感元件3的n个冷节点附着在基体材料，n个热节点附着在特种材料上；如果基体材料热导率低于特种材料，则敏感元件3的n个冷节点附着在特种材料，n个热节点附着在基体材料上。n越大灵敏度越大。
如图3所示，每个差分热电偶单元为S形结构。如图3中从A到B为一个差分热电偶单元。
敏感元件3的冷节点至热节点之间为镀铜的康铜箔线条，热节点至冷节点为康铜箔线条。
敏感元件3有两种制作工艺，其中一种制作工艺步骤如下：
(1)根据热流传感器的灵敏度指标设计敏感元件的图形结构和尺寸，敏感元件由n个依次连接的S形结构组成，敏感元件的尺寸包括整个敏感元件的宽度和高度、每个S形结构的宽度和高度以及n的数量；
(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)对康铜箔片按设计的图形进行光刻腐蚀处理后得到康铜箔线条；
(4)对每个S形结构的中间1/2线条(图3中CD之间)进行电镀铜，对裸露线条的一侧表面喷涂聚酰亚胺，并去除硅片，得到敏感元件。
敏感元件3的另一种制作工艺步骤如下：
(1)根据热流传感器的灵敏度指标设计敏感元件的图形结构和尺寸，敏感元件由n个依次连接的S形结构组成，敏感元件的尺寸包括整个敏感元件的宽度和高度、每个S形结构的宽度和高度以及n的数量；
(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)沿每个S形结构宽度的中点做两条竖直线，多层的话各层相对应的竖直线重合，每两条竖直线形成一个区域，每相邻两个区域中一个镀铜，另一个不镀铜；
(4)对步骤(3)处理的康铜箔片按设计的图形进行处理后得到康铜箔线条，对裸露线条的一侧表面喷涂聚酰亚胺，并去除硅片，得到敏感元件。
利用本发明热流传感器进行测量时，沿被测材料法向开圆形孔洞，圆形孔洞尺寸与热流传感器尺寸相同，将本发明热流传感器塞入圆形孔洞中，测量面与被测材料表面平齐即可。
利用本发明热流传感器进行测量时，当被测面接受到入射热流时，填充的特种材料表面温度和圆柱形基体材料表面温度呈现差异，每个差分热电偶的热节点和冷节点感应到不同温度，产生温度差，会输出电压，热电堆将内部差分热电偶的信号串联放大后形成较大信号，能够反应当前热流，在敏感元件的两端输出电压信号，通过测量输出信号的大小得到入射热流密度。
本发明与传统的圆箔热流传感器相比具有如下优点：本发明热流传感器采用被测材料加工而成，不会影响被测材料的热分布，提高了测量的准确性；热电堆能够将微弱信号放大，提高了热流传感器的灵敏度；当被测表面为非平面时也可以进行共型设计，减小了测量误差；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 (8)

1.一种基于热电堆原理的热流传感器，其特征在于：所述热流传感器为圆柱形结构，其圆柱形基体(1)采用与被测材料相同的材料加工而成，圆柱形基体(1)一端端面作为测量面，测量面与被测材料表面形状采用共形设计，测量面开有若干个沟槽(2)，沟槽内填充特种材料，所述特种材料与圆柱形基体(1)材料热导率相差10倍以上；填充后的测量面与开设沟槽之前外形一致；测量面表面贴覆敏感元件(3)，敏感元件(3)的冷节点(4)附着在圆柱形基体材料和特种材料两者中热导率高的材料表面，热节点(5)附着在热导率低的材料表面，敏感元件(3)的两端连接输出线(6)，所述输出线(6)通过圆柱形基体(1)上的出线孔(7)引出；
测量面与被测材料表面形状采用共形设计是指利用所述热流传感器进行测量时，沿被测材料法向开圆形孔洞，圆形孔洞尺寸与热流传感器尺寸相同，将所述热流传感器塞入圆形孔洞中，测量面与被测材料表面平齐。
2.根据权利要求1所述热流传感器，其特征在于：所述敏感元件(3)采用平面柔性热电堆实现。
3.根据权利要求2所述热流传感器，其特征在于：所述敏感元件(3)包括n个依次连接的差分热电偶单元，每个差分热电偶单元包含一个冷节点和一个热节点；如果基体材料热导率高于特种材料，则敏感元件(3)的n个冷节点附着在基体材料，n个热节点附着在特种材料上；如果基体材料热导率低于特种材料，则敏感元件(3)的n个冷节点附着在特种材料，n个热节点附着在基体材料上，n越大灵敏度越大。
4.根据权利要求3所述热流传感器，其特征在于：每个所述差分热电偶单元为S形结构。
5.根据权利要求3所述热流传感器，其特征在于：所述敏感元件(3)的冷节点至热节点之间为镀铜的康铜箔线条，热节点至冷节点为康铜箔线条。
6.根据权利要求3所述热流传感器，其特征在于：所述敏感元件(3)的制作工艺步骤如下：
(1)根据热流传感器的灵敏度指标设计敏感元件的图形结构和尺寸，敏感元件由n个依次连接的S形结构组成，敏感元件的尺寸包括整个敏感元件的宽度和高度、每个S形结构的宽度和高度以及n的数量；
(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)对康铜箔片按设计的图形进行光刻腐蚀处理后得到康铜箔线条；
(4)对每个S形结构的中间1/2线条进行电镀铜，对裸露线条的一侧表面喷涂聚酰亚胺，并去除硅片，得到敏感元件。
7.根据权利要求3所述热流传感器，其特征在于：所述敏感元件(3)的制作工艺步骤如下：
(1)根据热流传感器的灵敏度指标设计敏感元件的图形结构和尺寸，敏感元件由n个依次连接的S形结构组成，敏感元件的尺寸包括整个敏感元件的宽度和高度、每个S形结构的宽度和高度以及n的数量；
(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)沿每个S形结构宽度的中点做两条竖直线，每两条竖直线形成一个区域，每相邻两个区域中一个镀铜，另一个不镀铜；
(4)对步骤(3)处理的康铜箔片按设计的图形进行处理后得到康铜箔线条，对裸露线条的一侧表面喷涂聚酰亚胺，并去除硅片，得到敏感元件。
8.根据权利要求1所述热流传感器，其特征在于：所述沟槽(2)深度与热流传感器灵敏度成正比。
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