CN111579126B - 一种高温热流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高温热流传感器，包括：基于横向热电效应进行工作的敏感层，所述敏感层包括倾斜(AB)N多层膜，倾斜(AB)N多层膜由两种不同的材料A和材料B交替堆砌而成。所述倾斜(AB)N多层膜相对于水平方向存在一倾斜角α，0°＞α＞90°。本发明的热流传感器能工作于高温环境下，且制作工艺简单。本发明所选的材料在空气环境中工作上限温度都能到800℃。通过选取特定材料，热流传感器的工作温度甚至可以高达1500℃。

Description

一种高温热流传感器
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种高温热流传感器。
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装置，其在航空发动机可靠性设计和飞行器防热结构设计等航空航天领域有着重要的应用。航空航天技术的快速发展使得热流测量环境也日渐苛刻。以航空发动机为例，随着发动机推重比的提高，燃烧室后燃气温度越来越高，已经超出了一般热电偶工作温度上限，这使得高温热流传感器的研究开发十分迫切。
传统热流传感器的工作原理主要是基于纵向的热电效应，其敏感单元大部分采用经典的热电堆结构，将一系列具有不同热电势的两种材料首尾相连构成热电堆，结合一层热阻挡层，通过纵向的热电效应将冷、热结点处的温差转换为电场，敏感单元中电场与热流方向平行。这类器件的制备工艺和过程较为复杂，成本较高，而且无法工作于高温环境下(>800℃)。以基于铜和康铜薄膜的热阻式热流传感器为例，其制备过程需要借助复杂的微加工技术并需要融合热阻层，而且在大于200℃的空气环境下铜和康铜薄膜便开始发生明显氧化产生绝缘的氧化物，从而使得器件失效。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种耐高温的热流传感器。
一种高温热流传感器，包括：基于横向热电效应进行工作的敏感层；
所述敏感层包括倾斜(AB)N多层膜，所述倾斜(AB)N多层膜由两种不同的材料A和材料B交替堆砌而成；N为大于等于1的整数；
所述倾斜(AB)N多层膜与水平方向存在一个夹角α，0°＞α＞90°；
所述材料A的热电系数SA和材料B的热电系数SB数值差异越大越有利于获得较高的热流探测灵敏度；在与热流垂直的方向有电信号U,理想情况下U正相关于辐照长度l、sin(2α)、温度梯度
Figure BDA0002524657650000021
和(S||-S⊥)；(其中S||为(AB)N多层膜在非倾斜状态时沿水平方向的热电系数，S⊥为(AB)N多层膜非倾斜状态时沿垂直方向的热电系数)。
进一步地，如上所述的高温热流传感器，所述倾斜(AB)N多层膜中的单周期AB为金属多层结构、或者金属合金和金属的多层结构、或者金属合金和金属合金的多层结构。
进一步地，如上所述的高温热流传感器，所述倾斜(AB)N多层膜中的单周期AB可以可以是Pt/Ni、Steel/Ni、Cr/Al、Mo/Ti、Alumel/Constantan、Alumel/Cr、Pt0.95Mo0.05/Pt0.99Mo0.01、Pt0.87Rh0.13/Pt、Pt0.9Rh0.1/Pt、Pt0.87Rh0.13/Pt0.99Rh0.01、Pt0.7Rh0.3/Pt0.94Rh0.06材料中任意一种。
进一步地，如上所述的高温热流传感器，所述材料A的厚度tA和材料B和的厚度tB的比值0.05≤p＝tA/tB≤1。
进一步地，如上所述的高温热流传感器，所述倾斜(AB)N多层膜的膜厚度为0.2～10mm。
进一步地，如上所述的高温热流传感器，所述倾斜(AB)N多层膜通过导热胶固定在支撑基板的上表面；在所述倾斜(AB)N多层膜的上表面固定有一对平行的金属电极，该平行的金属电极之间的距离大于等于1mm，所述支撑板厚度为1～10mm。
进一步地，如上所述的高温热流传感器，所述在倾斜(AB)N多层膜的上表面附着有一层吸热涂层；所述吸热涂层为通过物理气相沉积或化学气相沉积制备的耐高温MoN-Al2O3或Al2O3/Pt/Al2O3或WNi-Al2O3复合薄膜。
进一步地，如上所述的高温热流传感器，所述支撑板是金属材料或者是绝缘材料。
进一步地，如上所述的高温热流传感器，所述金属电极为Au或Pt。
有益效果：
(1)本发明的热流传感器能工作于高温环境下。本发明所选的材料在空气环境中工作上限温度都能到800℃。通过选取特定材料，热流传感器的工作温度甚至可以高达1500℃。例如，采用Pt0.95Mo0.05/(Pt0.99Mo0.01)倾斜多层薄膜为敏感元，Pt为金属电极，Al2O3为支撑板，这类器件便可以工作于1500℃。
(2)热流传感器制备工艺简单，易于控制器件的良率。倾斜(AB)N多层膜可以通过物理气相沉积技术在斜切单晶衬底上外延生长获得，也可以通过将A和B两种薄片通过真空烧结并沿着特定角度裁剪获得，制备过程中不需要复杂的微加工技术，也不需要热阻挡层。
(3)整个器件的厚度最小可以做到2.1mm,器件的最小面积可以做到5mmx5mm，这一小尺寸不会对待测物周围的气体流畅性造成影响，从而为精确测量特殊环境热流提供可能。
(4)本申请的热流传感器在灵敏度为40μVcm2/W，其在空气环境下工作温度可以高达1200℃。具体地，通过选取合适的材料，比如Pt0.85Ir0.15合金和Pd交替堆砌形成多层膜结构，由于Pt0.85Ir0.15合金和Pd的熔点都在分别为1552℃和1553℃，从而能长期工作于1200℃空气环境下。此外，Pt0.85Ir0.15合金和Pd的热电系数差比较大，即SA-SB为26μV/K。此外，通过结构优化，调控Pt0.85Ir0.15合金和Pd两者的厚度比值p＝tA/tB以及倾斜角度α可以优化灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明的热流传感器在激光辐照下的电压信号结果；
附图标记：
1-吸热涂层；2-金属电极；3-倾斜(AB)N多层膜；4-材料A；5-材料B；6-导热胶；7-支撑基板；8-金属导线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种高温热流传感器，包括吸热涂层1；金属电极2；倾斜(AB)N多层膜3；倾斜(AB)N多层膜中的材料A4；倾斜(AB)N多层膜中的材料B5；导热胶6；支撑基板7；金属导线8。
所述倾斜(AB)N多层膜5通过导热胶6固定在支撑板7上倾斜(AB)N多层膜5的上表面平行固定有两个金属电极2；倾斜(AB)N多层膜5由材料A4和材料B5交替堆叠而成；金属导线8焊接在所述金属电极2上，并与电压测量系统连接构成一个封闭回路。
所述(AB)N多层膜相对于水平方向存在一倾斜夹角α(0°＞α＞90°)，材料A和B的热电系数不能相等(即SA不等于SB)，在与热流垂直的方向有电信号U，相关理想情况下U正相关于辐照长度l、sin(2α)、温度梯度
Figure BDA0002524657650000041
和(S||-S⊥)；其中，其中S||为(AB)N多层膜在非倾斜状态时沿水平方向的热电系数，S⊥为(AB)N多层膜非倾斜状态时沿垂直方向的热电系数。
具体地，热电效应的表达式
Figure BDA0002524657650000042
其中S的张量表达式为
Figure BDA0002524657650000043
且
Figure BDA0002524657650000051
分别为(AB)N多层膜非倾斜状态下沿水平方向和垂直方向的热电系数，SA和SB就是本申请中提到的两种不同材料A和B的热电系数，p＝tA/tB为A和B两种材料的厚度的比值，σA和σΒ为本申请中提到的两种不同材料A和B的电导率，λA和λΒ为本申请中提到的两种不同材料A和B的热导率。本申请利用的是横向热电效应，因此需要保证S的张量表达式中非主对角元不能为0(否则不能称之为横向热电效应)，也就是矩证中3行1列和1行3列的两项不能为0，因此角度不能为0或90度，且S||和S⊥不能相等。且(S||-S⊥)越大，响应率越高。同时SA和SB的差别越大，越有利于获得大的(S||-S⊥)。
本发明的热流传感器，当热电系数差别较大的两种材料交替堆叠并形成倾斜膜时，热场沿着膜厚度方向产生一个温度梯度，在薄膜上表面沿着水平方向(与热场方向垂直)将测到一个电压信号，因此其工作原理是基于横向热电效应，与传统热流传感器的纵向热电效应工作原理存在明显差异。
进一步地，倾斜(AB)N多层膜3中的单周期AB可以是铂(Pt)/镍(Ni)、不锈钢(Steel)/镍(Ni)、铬(Cr)/铝(Al)、钼(Mo)/钛(Ti)、镍铝合金(Alumel)/康铜(Constantan)、镍铝合金(Alumel)/铬(Cr)、铂钼合金(Pt0.95Mo0.05)/铂钼合金(Pt0.99Mo0.01)、铂铑合金(Pt0.87Rh0.13)/铂(Pt)、铂铑合金(Pt0.9Rh0.1)/铂(Pt)、铂铑合金(Pt0.87Rh0.13)/铂铑合金(Pt0.99Rh0.01)铂铑合金(Pt0.7Rh0.3)/铂铑合金(Pt0.94Rh0.06)等材料中任意一种，且A和B没有顺序之分(即AB和BA两种形式都可以)。
进一步地，倾斜(AB)N多层膜3的倾斜角度α大于0°且小于90°。这样以使得器件能够在热流垂直的方向测到一个电压信号，即表现为横向热电效应。
进一步地，倾斜(AB)N多层膜3中的周期数N为大于等于1的整数。
进一步地，倾斜(AB)N多层膜3中单周期AB中材料A4的厚度tA和材料B5的厚度tB的比值0.05≤p＝tA/tB≤1。
具体地，材料A和材料B的厚度设置在0.05≤p＝tA/tB≤1主要是为了让(AB)N多层膜沿着水平方向和垂直方向的热电系数差更大，从而有利于获得较大灵敏度的器件的。
进一步地，倾斜(AB)N多层膜3的膜厚度为0.2～10mm，热流传感器是越薄越好，因为器件越薄的话其对待测量热环境的影响就非常小，从而获得真实的结果。
进一步地，在倾斜(AB)N多层膜3的上表面制备距离大于等于1mm的两个平行的金属电极，金属电极材料为Au或Pt。金属导线8的材料选自Au或Pt。
进一步地，在倾斜(AB)N多层膜3的上表面通过物理气相沉积或化学气相沉积制备的耐高温吸热涂层1，吸热涂层吸收率越大越好，发射率越小越好。
进一步地，耐高温吸热涂层1为通过物理气相沉积或化学气相沉积制备的耐高温MoN-Al2O3或Al2O3/Pt/Al2O3或WNi-Al2O3复合薄膜等。
进一步地，用电绝缘导热胶6将倾斜(AB)N多层膜3材料固定在支撑板7上。
进一步地，支撑板7可以是金属材料，如Mo或Pt等；也可以是绝缘材料，如Al2O3、AlN或云母等。
进一步地，支撑板7厚度约为1～10mm。
如图2所示，为本发明的热流传感器在激光辐照下的电压信号，采用的是铂(Pt)/镍(Ni)多层膜材料。通过标准热流传感器进行标定，得出基于该铂(Pt)/镍(Ni)多层膜的热流传感器的灵敏度为40μVcm2/W。该热流传感器在空气环境下最高工作温度可以到1200℃。
本发明的的高温热流传感器的工作原理，具体如下：
工作原理是基于横向热电效应，与传统热流传感器的纵向热电效应工作原理存在明显差异。在本发明的热流传感器，热电系数不同的两种材料A和B交替堆叠并形成倾斜(AB)N膜，材料A和B的热电系数差异越大越好，(AB)N多层膜与水平方向存在一夹角α，该夹角不等于0°、90°。当采用热辐照源热辐照倾斜多层膜表面时，热场沿着膜厚度方向产生一个温度梯度
Figure BDA0002524657650000061
从而在倾斜多层膜上表面沿着水平方向(与热场方向垂直)将测到一个电压信号U，理想情况下U正比于辐照长度l(即两个金属电极之间的距离)、sin(2α)和
Figure BDA0002524657650000071
在尺寸固定的器件中，电压信号峰值与辐射热流密度呈现良好的线性关系。
整个热流传感器可以工作于高温环境下。本发明所选的材料在空气环境中工作上限温度都能到800℃。通过选取特定材料，热流传感器的工作温度甚至可以高达1500℃。例如，采用Pt0.95Mo0.05/(Pt0.99Mo0.01)倾斜多层薄膜为敏感元，Pt为金属电极，Al2O3为支撑板，这类器件便工作温度上限高达1500℃。
整个热流传感器的厚度最小可以做到2.1mm(其中，包括1mm厚的支撑板7，0.2mm厚的(AB)N多层膜3，0.001mm厚的吸热涂层2，0.8mm厚的导热胶6)，器件的最小面积可以做到5mmx5mm。5mmx5mmx2.1mm的尺寸对待测物周围的热流环境造成的影响非常小，从而为精确测量特殊环境热流提供可能。
根据本申请的一实施例，采用铂(Pt)/镍(Ni)多层膜材料，倾斜角为35°，支撑材料为Al2O3，电极之间的间距是5mm。该热流传感器在灵敏度为40μV cm2/W，其在空气环境下最高工作温度可以到1200℃。
综上所述，本发明的热流传感器具有耐高温、结构简单、制造工艺和成本低等优点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种高温热流传感器，其特征在于，包括：基于横向热电效应进行工作的敏感层；
所述敏感层包括倾斜(AB)N多层膜(3)，所述倾斜(AB)N多层膜(3)由两种不同的材料A(4)和材料B(5)交替堆砌而成；N为大于等于1的整数；
所述倾斜(AB)N多层膜的与水平方向存在一夹角α，0°＞α＞90°，所述倾斜(AB)N多层膜(3)的膜厚度为0.2～10mm；
所述倾斜(AB)N多层膜(3)在非倾斜状态时沿水平方向的热电系数S||与沿垂直方向的热电系数S⊥不能相等，且两者差异越大越有利于获得较高的热流探测灵敏度；
所述在倾斜(AB)N多层膜(3)的上表面附着有一层吸热涂层(1)；所述吸热涂层(1)为通过物理气相沉积或化学气相沉积制备的耐高温MoN-Al2O3或Al2O3/Pt/Al2O3或WNi-Al2O3复合薄膜；
所述倾斜(AB)N多层膜(3)中的单周期AB为金属多层结构、或者金属合金和金属的多层结构、或者金属合金和金属合金的多层结构，其中所述倾斜(AB)N多层膜(3)中的单周期AB可以是Pt/Ni、Steel/Ni、Cr/Al、Mo/Ti、Alumel/Constantan、Alumel/Cr、Pt0.95Mo0.05/Pt0.99Mo0.01、Pt0.87Rh0.13/Pt、Pt0.9Rh0.1/Pt、Pt0.87Rh0.13/Pt0.99Rh0.01、Pt0.7Rh0.3/Pt0.94Rh0.06材料中任意一种；
在与热流垂直的方向有电信U，理想情况下U正相关于辐照长度l、sin(2α)、温度梯度
Figure FDA0003706267760000011
和(S||-S⊥)。
2.根据权利要求1所述的一种高温热流传感器，其特征在于，所述材料A(4)的厚度tA和材料B(5)的厚度tB的比值0.05≤p＝tA/tB≤1。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种高温热流传感器，其特征在于，所述倾斜(AB)N多层膜(3)通过导热胶(6)固定在支撑基板(7)的上表面；在所述倾斜(AB)N多层膜(3)的上表面固定有一对平行的金属电极(2)，该平行的金属电极(2)之间的距离大于等于1mm，所述支撑基板(7)厚度为1～10mm。
4.根据权利要求3所述的一种高温热流传感器，其特征在于，所述支撑基板(7)是金属材料或者是绝缘材料。
5.根据权利要求3所述的一种高温热流传感器，其特征在于，所述金属电极(2)为Au或Pt。
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