CN110132451A

CN110132451A - 一种热流传感器及其制备方法

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Publication number: CN110132451A
Application number: CN201910389245.0A
Authority: CN
Inventors: 丁玎; 何峰; 周国方; 张�浩
Original assignee: CETC 48 Research Institute
Current assignee: CETC 48 Research Institute
Priority date: 2019-05-10
Filing date: 2019-05-10
Publication date: 2019-08-16

Abstract

本发明公开了一种热流传感器，包括一体化烧结而成电极和测头；测头的测量面上直接淀积有热电堆，热电堆的两端分别淀积于电极的端面上；热电堆包括多个串联的热电偶单元，热电偶单元包括相互连接的冷节点和热节点；测量面上淀积有热阻层；各冷节点和热节点的一部分均置于热阻层与测量面之间；热电堆及热阻层上均淀积有保护膜。本发明的热流传感器具有响应速度快、灵敏度高及结构简单等优点。本发明还公开了制备方法，包括：S01、将电极与陶瓷、玻璃粉末进行烧结制备形成一体化结构；S02、通过离子束溅射工艺在测量面上直接镀膜形成热电堆和热阻层；S03、再淀积保护膜。本发明的制备方法具有工艺简单等优点。

Description

一种热流传感器及其制备方法

技术领域

本发明主要涉及热流技术领域，特指一种热流传感器及其制备方法。

背景技术

热流传感器，用于测量热流密度，是研究热量传递的重要测量装置。其中热阻式热流传感器作为目前常用的传感器，采用热电堆的测量原理进行热流测量。热阻式热流传感器的热阻层上下表面的温差与输入电流成正比，但这种热流大小成正比的温差特性仅在热流变化低于某一频率条件下成立。由于热阻层需要时间达到热稳定状态，这一时间(或频率阈值)限制了热流变化频率，频率阈值随着热阻层的厚度增加而降低。目前，热阻式热流传感器热阻层最小可实现厚度不低于25μm，其响应时间常数大于20μs，响应速度慢；而且可布置的热电偶数量有限，信噪比较低，灵敏度低。

另外，为了构成传感器的测量回路并将输出信号传送到仪表上，常常需要通过补偿(或引出)导线将电极连接到测量仪器上。薄膜与引出导线的连接方法主要有以下几种：平行间歇焊接法、热压健合法、高温导电胶法。较为常规的方法主要是在基底表面适当的位置上采用抹银浆或者预埋金属丝的方法在衬底上制作出引线，此过程复杂且容易引入误差，高温环境下还容易造成脱落失效的风险。因此现有MEMS工艺热流传感器，在较高温度下薄膜热电偶的信号引出一直也是设计的难点。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、灵敏度高、响应速度快的热流传感器，相应提供一种工艺简单、操作简便的热流传感器制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种热流传感器，包括电极和具有电绝缘性能的测头，所述测头与电极一体化烧结而成；所述电极的一端嵌入至所述测头内且一端与测头的测量面相平齐；所述测头的测量面上直接淀积有热电堆，热电堆的两端分别淀积于电极的端面上；所述热电堆包括多个依次串联的热电偶单元，所述热电偶单元包括相互连接的冷节点和热节点；所述测头的测量面上淀积有热阻层；各所述冷节点和热节点的一部分均置于所述热阻层与测量面之间；所述热电堆及热阻层上均淀积有保护膜。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述热电堆和热阻层均通过离子束溅射工艺直接淀积于测头的测量面上；所述热电堆的厚度为0.5～1μm；所述热阻层的厚度为1～5μm。

所述冷节点和热节点均包括Pt层和PtRh层；或者Ni层和NiCr层；或者Pt层和PtRh10层；或者In₂O₃层和ITO层；所述热阻层为SiO₂层或Al₂O₃层。

所述热电偶单元均分成多组，每组中的冷节点与热节点呈之字形分布在测量面上。

所述热电偶单元的数量为48个，均分成八组，对应的热阻层为八块。

所述测头为由陶瓷和玻璃粉末烧结而成的呈圆柱状的测头。

所述电极为可伐合金插针，数量为两根，对称布置于圆柱状测头的轴线两侧。

本发明还公开了一种如上所述的热流传感器的制备方法，包括以下步骤：

S01、将电极与陶瓷、玻璃粉末置于对应的模具中进行烧结制备，形成测头与电极的一体化结构，其中电极的一端嵌入至所述测头内且一端与测头的测量面相平齐；

S02、通过离子束溅射工艺在测量面上直接镀膜形成热电堆和热阻层；

S03、在热电堆和热阻层上再淀积保护膜。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤S02中，热电堆的两端分别淀积于电极的端面上。

在步骤S01与S02之间，对测头的测量面进行抛光处理。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的热流传感器，由于电极在烧结过程中直接嵌入电绝缘的测头内，后续溅射薄膜(热电堆的两端)直接沉积在电极上，解决了现有薄膜信号引出的问题(如制备过程复杂、容易引入误差、高温环境下容易脱落失效等)；另一方面，由于测头与信号引出电极一体化设计，能够减少热流传感器整体尺寸，从而降低对安装场所周围热流场的干扰，而且测量面没有明显的电极突出部位，不会对待测物(如飞行器)周围的气体流畅性造成影响；通过测头表面的绝缘保护膜与外界进行热交换，测量保护膜下方与热电堆接触面的温度来获取外界的温度，再与热阻层下方的温度形成温差，再依此温差来测量热流；在上述结构及热流测量原理的基础上，在测头嵌入被测物并粘贴紧密的条件下，由于没有测头对热流的阻挡，直接通过测量面感知表面热流，热电堆能够迅速达到稳定状态，提高响应速率；而且由于没有测头对热流的阻挡，能够避免来自测头部分的热干扰和热匹配性对热流传感器周围热流场的影响；多个热电偶单元串联形成热电堆，能够得到较大的电信号，提高测量精度，有利于瞬态热流的测量；由于测头具有电绝缘性能，热电堆直接淀积于测头的测量面上，无需在热电堆与测量面之间增加电绝缘层，简化了加工工艺。通过以上特定结构以及离子束溅射工艺之间的结合，整体尺寸小且测头的测量面非常薄，安装后对待测物表面的几何形状影响非常小，动态响应快且灵敏度高，能够用于激波风洞、常规高超声速风洞等试验设备中。

本发明的热流传感器制备方法，制备出的热流传感器具有上述热流传感器所述的优点；另外热电堆及热阻层等薄膜直接淀积在测量面的表面，热电堆无需引线、封装以及信号引出等工序，工艺简单。

附图说明

图1为本发明的俯视结构示意图。

图2为图1的A-A剖面图。

图3为本发明中测头与电极的剖视结构图。

图4为本发明中测头的仰视结构图。

图中标号表示：1、测头；101、测量面；2、电极；3、热电堆；301、热电偶单元；3011、Pt层；3012、PtRh层；4、热阻层；5、保护膜。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的热流传感器，适用于脉冲型高超声速风洞的试验环境中，包括电极2和具有电绝缘性能的测头1，测头1与电极2一体化烧结而成；电极2的一端嵌入至测头1内且一端与测头1的测量面101相平齐，测头1上与电极2平齐的一面为测量面101；测头1的测量面101上直接淀积有热电堆3，热电堆3的两端(如图1中的两个圆所示)分别淀积于电极2的端面上；热电堆3包括多个依次串联的热电偶单元301，热电偶单元301包括相互连接的冷节点和热节点；测头1的测量面101上淀积有热阻层4；各冷节点和热节点的一部分均置于热阻层4与测量面101之间；热电堆3及热阻层4上均淀积有保护膜5(或保护层)。

上述特定结构的热流传感器，具有如下技术效果：

一是由于电极2在烧结过程中直接嵌入电绝缘的测头1内，后续溅射薄膜(热电堆3的两端)直接沉积在电极2上，解决了现有薄膜信号引出的问题(如制备过程复杂、容易引入误差、高温环境下容易脱落失效等)；另一方面，由于测头1与信号引出电极2一体化设计，能够减少热流传感器整体尺寸，从而降低对安装场所周围热流场的干扰，而且测量面101没有明显的电极2突出部位，不会对待测物(如飞行器)周围的气体流畅性造成影响；

二是通过测头1表面的绝缘保护膜5与外界进行热交换，测量保护膜5下方与热电堆3接触面的温度来获取外界的温度，再与热阻层4下方的温度形成温差，再依此温差来测量热流；在上述结构及热流测量原理的基础上，在测头1嵌入被测物并粘贴紧密的条件下，由于没有测头1对热流的阻挡，直接通过测量面101感知表面热流，热电堆3能够迅速达到稳定状态，提高响应速率；而且由于没有测头1对热流的阻挡，能够避免来自测头1部分的热干扰和热匹配性对热流传感器周围热流场的影响；

三是多个热电偶单元301串联形成热电堆3，能够得到较大的电信号，提高测量精度，有利于瞬态热流的测量；

四是由于测头1具有电绝缘性能，热电堆3直接淀积于测头1的测量面101上，无需在热电堆3与测量面101之间增加电绝缘层，简化了加工工艺。

本实施例中，热电堆3和热阻层4均通过离子束溅射工艺(属于成熟的工艺)直接淀积于测头1的测量面101上；热电堆3的厚度为0.5～1μm；热阻层4的厚度为1～5μm；通过离子束溅射工艺形成的热电堆3和热阻层4非常薄，有利于提高瞬态响应时间，可以低于20μs，而且较低的热阻层4有利于降低热阻层4上下两层表面温度之间的侧向温差，使热阻层4上表面温度与测量面101上未覆盖热阻层4的温度差可以忽略不计，从而降低误差。

通过以上特定结构以及离子束溅射工艺之间的结合，整体尺寸小且测量面101上的镀膜非常薄，安装后对待测物表面的几何形状影响非常小，动态响应快且灵敏度高，能够用于激波风洞、常规高超声速风洞等试验设备中。

本实施例中，冷节点和热节点均包括为Pt层3011(图1中粗细条所示)和PtRh层3012(或称Pt-Rh层，图1中细线条所示)；热阻层4为SiO2层；测头1由陶瓷和玻璃粉末烧结而成，呈圆柱状；电极2为可伐合金插针，直径为0.5-1mm，数量为两根，对称布置于圆柱状测头1的轴线两侧。其中圆柱状的测头1直径在7-10mm范围内，使得整个测头1的平面尺寸很小，便于在待测表面精确的感知热流。当然，在其它实施例中，冷节点和热节点也可以为包括Ni层和NiCr层；或者Pt层和PtRh10层；或者In₂O₃层和ITO层等热电偶材料；热阻层4为Al₂O₃层等热胀层材料。

本实施例中，热电偶单元301均分成多组，每组中的冷节点与热节点呈之字形分布在测量面101上，能够提高单位面积内热电偶单元301的布置数量，有利于进一步降低整体误差；当然，在其它实施例中，也可以布置成S形等其它形状。本发明还进一步提供了上述热流传感器的制备方法，具体包括测头1与电极2的一体化制备和热电阻、热阻层4及保护膜5的制备，具体步骤如下：

将氧化处理的可伐合金电极2与陶瓷、玻璃粉末置于对应的模具中，在氮气气氛下，600-1000摄氏度的温度下进行烧结制备，形成测头1与电极2的一体化结构；

在上述测头1的测量面101上，通过离子束溅射工艺(属于成熟的工艺)在测量面101上直接镀膜形成热电堆3和热阻层4；

最后，在热电堆3和热阻层4上再淀积保护膜5，以保护测头1的测量面101不被磨损和氧化。

本发明的热流传感器的制备方法，制备出的热流传感器具有上述热流传感器所述的优点；另外热电堆3及热阻层4等薄膜直接淀积在测量面101的表面，无需引线、封装等工序，工艺简单。

本实施例中，镀膜共分三次；第一层镀Pt膜，厚度为0.5-1μm；第二层镀热阻层4，厚度为1-5μm；第三层镀热阻层4，厚度为1-5μm，其中热阻层4覆盖住第一层和第二层的部分；其中热阻层4未覆盖住的部分，形成上层热电偶单元301，用于测量外界温度，称为热节点，而被热阻层4覆盖的部分，形成下层热电偶单元301，用于测量热阻层4低温层(下层)温度，称为冷节点，各冷热节点相互串联形成热电堆3。然后再在热电堆3及热阻层4的表层镀上厚度为0.01-0.05μm的Al2O3保护膜5，起到抗冲击、隔离绝缘及抗氧化腐蚀的作用(由于热电堆3薄膜很薄，长时间受到摩擦、冲击、撞击或腐蚀等，易脱落或断裂)。

另外，热阻层4可以分成多条，分布在测量面101上，在本实施例中共布置有八条(如图1所示)，对应的热电偶单元301数量为48个。在此并不对热阻层4和热电偶单元301的数量进行限定，在其它实施例中，可以根据测量面101的大小以及所需精度等要求进行选择。

本实施例中，热电堆3及热阻层4的薄膜的制作也是MEMS热流传感器的核心环节，薄膜需与测头1之间具有较强的附着力，且性能稳定，以适应脉冲型高超声速风洞的试验环境，故采用离子束溅射镀膜技术在测量面101形成连续致密且结合紧密的薄膜。另外，对测头1的测量面101进行抛光，以进一步提高薄膜与测量面101之间的附着力。具体地，测量面101抛光工艺：采用精密抛光机对陶瓷测量面101直接抛光，抛光工艺采用半导体级抛光布，0.3um颗粒度的化学抛光液，转速50转/秒，压力2Kg，时间2h，抛光完成后，通过高分辨率的光学显微镜(600×)进行形貌观测，要求表面无明显划痕。

采用好上述制备的MEMS热流传感器可满足响应时间短、灵敏度高等要求，无需考虑薄膜后续封装以及信号引出的问题，具有高精度、高稳定性和低温漂等优势。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种热流传感器，其特征在于，包括电极(2)和具有电绝缘性能的测头(1)，所述测头(1)与电极(2)一体化烧结而成；所述电极(2)的一端嵌入至所述测头(1)内且一端与测头(1)的测量面(101)相平齐；所述测头(1)的测量面(101)上直接淀积有热电堆(3)，所述热电堆(3)的两端分别淀积于电极(2)的端面上；所述热电堆(3)包括多个依次串联的热电偶单元(301)，所述热电偶单元(301)包括相互连接的冷节点和热节点；所述测头(1)的测量面(101)上淀积有热阻层(4)；各所述冷节点和热节点的一部分均置于所述热阻层(4)与测量面(101)之间；所述热电堆(3)及热阻层(4)上均淀积有保护膜(5)。

2.根据权利要求1所述的热流传感器，其特征在于，所述热电堆(3)和热阻层(4)均通过离子束溅射工艺直接淀积于测头(1)的测量面(101)上；所述热电堆(3)的厚度为0.5～1μm；所述热阻层(4)的厚度为1～5μm。

3.根据权利要求1所述的热流传感器，其特征在于，所述冷节点和热节点均包括Pt层(3011)和PtRh层(3012)；或者Ni层和NiCr层；或者Pt层和PtRh10层；或者In₂O₃层和ITO层；所述热阻层(4)为SiO₂层或Al₂O₃层。

4.根据权利要求1或2或3所述的热流传感器，其特征在于，所述热电偶单元(301)均分成多组，每组中的冷节点与热节点呈之字形分布在测量面(101)上。

5.根据权利要求4所述的热流传感器，其特征在于，所述热电偶单元(301)的数量为48个，均分成八组，对应的热阻层(4)为八块。

6.根据权利要求1或2或3所述的热流传感器，其特征在于，所述测头(1)为由陶瓷和玻璃粉末烧结而成的呈圆柱状的测头。

7.根据权利要求6所述的热流传感器，其特征在于，所述电极(2)为可伐合金插针，数量为两根，对称布置于圆柱状测头(1)的轴线两侧。

8.一种如权利要求1至7中任意一项所述的热流传感器的制备方法，包括以下步骤：

S01、将电极(2)与陶瓷、玻璃粉末进行烧结制备，形成测头(1)与电极(2)的一体化结构，其中电极(2)的一端嵌入至所述测头(1)内且一端与测头(1)的测量面(101)相平齐；

S02、通过离子束溅射工艺在测量面(101)上直接镀膜形成热电堆(3)和热阻层(4)；

S03、在热电堆(3)和热阻层(4)上再淀积保护膜(5)。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤S02中，热电堆(3)的两端分别淀积于电极(2)的端面上。

10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，在步骤S01之后且S02之前，对测头(1)的测量面(101)进行抛光处理。