CN111609951A - 一种厚膜热流计的共形制备方法以及产品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厚膜热流计的共形制备方法，属于厚膜传感器领域，包括：S1在基体待测部位制备凹槽，凹槽用于提供制备热阻层的场所，S2在凹槽中制备热阻层，S3制备绝缘层，S4在绝缘层上制备热电正极、热电负极和热结点，形成热电堆图形，S5制备表面保护层，表面保护层用于提高热流计的稳定性。本发明中，采用激光微熔覆技术方便高效的进行电子浆料的直写和微熔覆，从而在多种不同基板表面制备热流计，具有工艺简单、无需掩模、制造周期短、成本低的优点。

Description

一种厚膜热流计的共形制备方法以及产品

技术领域

本发明属于厚膜传感器的硬件制备领域，具体地来说，是涉及一种厚膜热流计的共形制备方法以及产品。

背景技术

热学是起源于人类对于冷热现象的探索，而热传递过程作为热学研究的重要分支，普遍存在于工业生产和日常生活中。其中，热流量能直观反映热能传输的速率和能量密度，能直接影响结构材料在服役过程中的热应力应变大小，因此热流测量的理论和传感器技术研究越来越受到重视。以航天宇航制造领域为例，飞行器的外壳、燃料箱、控制系统、机械连接处和发动机涡轮叶片等部件处经常要承受高温高压的恶劣工作环境，为了解决在热气流和高压气流环境下导致的材料开裂等问题，需要通过高可靠性传感器采集热流信息。

目前，传统热流传感器，在测量时存在着体积大、响应时间慢以及测量精度差等问题。而薄膜热流计相比于传统热流计，具有体积小，响应快，不破坏整体热流分布，可实现实时、高精度测量等优点，其开发和研究受到了越来越多的重视。薄膜热流传感器大部分是采用磁控溅射、光刻剥离、电子束刻蚀等方式在基体上制备薄膜热电堆，然后再通过溅射或蒸发在热电堆上方制备厚度不同的热阻层。这种制备方法设备成本高、工艺复杂、研发周期长、环境污染大，制约了热流计的发展。从结构上来讲，大多数热流计采用的是厚度不同的热阻层覆盖在热电堆结点上方的结构，然后将热电堆置于陶瓷基板等耐热材料上，测量时热流计安装于热源附近，热流经空气传递至热流计表面产生热电势。这种结构的弊端在于，热流从热源经空气传播到热流计表面的热传递过程中容易产生热流的损耗，从而导致热流测量误差，影响测量精度。同时，热流计基体局限于陶瓷等非金属材料，尚未见在金属材料上制备薄膜热流计的先例。

专利文献CN106017696A的中国发明专利申请“热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计及制备方法”公开了一种薄膜热流计的设计及制备方案。首先，采用磁控溅射的方法沉积金属薄膜、利用掩模溅射方法或liftoff方法实现图形化，在陶瓷基板上制备了PtRh/Pt型热电偶或Pt/ITO型热电偶串联组成的热电堆图案。然后，采用溅射二氧化硅或者悬涂聚酰亚胺的方法在热电堆表面制成热阻层。最后，采用掩模刻蚀的方法使得热结点和冷节点上的热阻层厚度不同。从工艺上来讲，主要采用磁控溅射、电子束刻蚀等方式，设备成本高、工艺复杂、加工周期长；从结构上来讲，热阻层位于热电堆结点上方，热流计结构与待测物体分离，热流经空气传播到热流计表面过程中会发生热流的损耗，无法实现对热源表面热流的精确测量。

但是，对于一些侧重可靠性的应用场景而言，薄膜传感器在高温高压腐蚀环境下的可靠性远远不如厚膜传感器。而且，目前的传感器制备技术均以平面技术为主，缺乏用于曲面共形传感器的制备技术。因此，需要开发一种新型的厚膜热流计的制备方法，要求其生产成本低，工艺简单，加工周期短，具有共形制造能力，测量精确度高，响应灵敏度高等优点。

发明内容

针对现有技术的缺陷或改进需求，本发明提供了一种厚膜热流计的共形制备方法以及产品，其目的在于，采用激光微熔覆技术方便高效的进行电子浆料的直写和微熔覆，从而在多种不同基板表面共形制备热流计，具有工艺简单、无需掩模、制造周期短、成本低的优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种热流计的制备方法，其包括如下步骤：

S1：在待测量对象的待测部位制备凹槽，凹槽用于提供制备热阻层的场所，

S2：用微笔在凹槽内填充的能热固化/光固化成型的介质流体，所述介质流体包括聚酰亚胺溶液和电子玻璃介质浆料，凹槽内的介质流体成型后作为热阻层，

S3：制备绝缘层，绝缘层同时覆盖在热阻层和待测量对象表面，具体的，采用微笔直写在待测部位表面涂覆介质流体，通过热固化/光固化将介质流体成型为平整平面，作为介质层(绝缘层)，

S4：在绝缘层上用微笔制备可随温度变化生成不同热电势的两种或两种以上电极材料，电极材料采用激光进行固化和合金化，其中，电极材料间的结点位置与热阻层的位置具有可设计的对应关系，以使电极材料具备热电堆的功能，

S5：采用激光微熔覆直写的方式在热电堆的表面制备表面保护层，用于传感器的基本封装。

进一步的，步骤S1的待测量对象为陶瓷、金属或有机材料基体，如氧化铝、铝合金、PEEK等。

进一步的，热阻层充盈整个凹槽，嵌入待测量对象的待测部位或者称为待测基体(待测基体也简称为基体)表层中，热阻层与待测基体上表面相平齐。

进一步的，热固化或光固化过程由不同波段的激光技术实现。

进一步的，热电堆图形包括弓字形、Z字形和弧形。

进一步的，热电堆热结点分布满足如下条件：每相邻的两个热结点一个的投影位于热阻层上，另一个的投影在热阻层外。

进一步的，热阻层、绝缘层、表面保护层可选同一种介质材料，也可选择不同种类的介质材料。

进一步的，通过增加热电堆中热电偶的对数、换用塞贝克系数更大的金属/半导体材料组合、增大热阻层厚度来提高热流计的灵敏度。

按照本发明的另一个方面，还提供一种所述方法制备的厚膜热流计，其包括表面保护层、热电正极、热电负极、热结点、绝缘层、热阻层和基体，其中，热电正极、热电负极通过热结点相连接，热电正极、热电负极和热结点三者形成整体，为热电堆层，表面保护层、热电堆层、绝缘层、热阻层均设在基体上，表面保护层覆盖住热电堆层，绝缘层位于热电堆层的下方，绝缘层同时位于基体和热阻层的上方，用于使热电堆层与基体绝缘，热阻层通过基体上表面嵌入基体表层内，每相邻的两个热结点中一个的投影位于热阻层上，另一个的投影落在热阻层外，一个热电正极和一个热电负极串联形成一对热电偶，多对热电偶首尾搭接形成热电堆，用于增大热流计的输出信号。

当整体结构在承受热冲击时，热阻层会延缓热传递的速率，导致热阻层上的热结点与热阻层外的热结点存在短暂温度差。根据塞贝克效应，热结点间温度差会导致相应的热电势差，热电堆的输出电势则是多个热结点间热电势差的累积结果，该输出电势可评价热流密度的大小，从而实现了对于热流密度的瞬态测量。

进一步的，所述的热电堆由能生产热电势的两种及两种以上材料组成。

进一步的，热电堆由热电偶串联而成，热电正极与热电负极由可以有效生成热电势的成对材料组成。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比能够取得下列有益效果：

(1)本发明所述热流计制备方法中，采用激光刻蚀、微笔直写的方式制备热阻层、绝缘层、表面保护层，采用微笔直写、激光微熔覆的方式制备热电堆金属层(或者成为热电堆层)，将热阻层嵌入被测零部件表面，这样的设计使得测量功能层与被测零部件共形一体化，可以直接测量热源的热流值，提高了热流测量的精度，此外，微笔直写、激光微熔覆的方式克服了传统薄膜热流计制备工艺的设备成本高、制造周期长、工艺复杂的缺点，具有工艺简单、无需掩模、制造周期短、成本低的优点。

(2)采用多对热电偶串联形成热电堆，能够放大热流计的输出信号，提高测量精度。提高本发明中所述热流计的灵敏度可以通过增加热电堆中热电偶的对数、增大热阻层厚度、换用塞贝克系数更大的金属/半导体组合构成热电偶来实现，不需再进行信号放大处理。

(3)适用于本发明申请的热电正极、热电负极、热阻层、绝缘层、表面保护层材料的选择范围宽，可以选用廉价的材料实现100-1000℃各温度段的热流测量，具有良好的经济适应性。

附图说明

图1是本发明中一实施例的热流计剖面结构示意图，其中，1为表面保护层、2为热电正极、3为热电负极、4为热结点、5为绝缘层、6为热阻层、7为铝合金基底；

图2是本发明中又一实施例的热流计俯视图，其中，1为表面保护层、2为热电正极、3为热电负极、4为热结点、5为绝缘层、6为热阻层、7为铝合金基底，8为第一热流计电极，9为第二热流计电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明申请提供了一种热流计的制备方法以及制备获得的厚膜热流计，其中，制备方法如下：

第一步：采用纳秒脉冲激光刻蚀的方法在基体7上制成与热阻层6形状相同的凹槽，然后用去离子水进行清洗，烘干。

第二步：采用微笔直写聚酰胺酸溶液，热固化形成聚酰亚胺层的方法对上一步激光刻蚀形成的凹槽进行填充，形成热阻层6。热阻层充盈整个凹槽，嵌入基体上表面，热阻层与基体上表面相平齐。

第三步：采用微笔直写聚酰胺酸溶液，热固化形成聚酰亚胺层的方法在基体7和热阻层6上制备绝缘层5。

第四步：采用微笔直写电子浆料、激光直写微熔覆的方式实现金属图形化，在绝缘层5上制备热电正极2、热电负极3和热结点4，形成首尾相接的热电堆图形。热电堆图形包括弓字形、Z字形和弧形。热电堆热结点分布满足如下条件：每相邻的两个热结点一个的投影位于热阻层的上，另一个的投影在热阻层外。

第五步：采用微笔直写聚酰胺酸溶液，热固化形成聚酰亚胺层的方法在热电正极2、热电负极3和热结点4这三者形成的表面上制备表面保护层1以提高热流计的稳定性。表面保护层、绝缘层、热阻层为同一种材料，均为聚酰亚胺。

所述采用纳秒脉冲激光刻蚀的方法在基体7上制备用于填充热阻层6的凹槽时，其中凹槽的深度即热阻层的厚度可以根据需要的测量精度灵活调节，一般不应小于300μm。

所述采用微笔直写电子浆料、激光直写微熔覆的方式实现金属图形化，其中制备的金属层厚度、加工精度可以通过改变微笔直写、激光微熔覆的参数进行调节。

以上方法中，通过增加热电堆中热电偶的对数、换用塞贝克系数更大的金属材料组合、增大热阻层厚度来提高热流计的灵敏度。

按照以上方法制备获得的厚膜热电计是一种基体热阻式热电堆型热流计，其采用微笔直写、激光微熔覆的加工方式制成，能够实现对热流密度的瞬态测量，具有结构简单、响应速度快、测量精度高、制备效率高、成本低等特点。

以下结合具体实施例进一步说明本发明的厚膜热流计。

图1是本发明中一实施例的热流计剖面结构示意图，如图1所示，一种采用激光微熔覆制备方法制备获得的厚膜热流计自上而下分别为：表面保护层1、热电正极2、热电负极3、热结点4、绝缘层5、热阻层6和基体7。其中，表面保护层1、热电正极2、热电负极3、热结点4、绝缘层5、热阻层6均设在基体7上。热电正极2和热电负极3通过热结点4相连接，这三者连接后，形成一个平面或者类似一个平面，将其称为热电堆层或者金属层。表面保护层1覆盖在热电正极2、热电负极3和热结点4的上方。绝缘层5位于热电正极2、热电负极3和热结点4这三者形成的平面的下方，同时，绝缘层5位于基体7和热阻层6的上方，绝缘层5使热电堆层与金属基体绝缘。热阻层6嵌入基体7的表面内，并且热阻层6与基体7的该嵌装表面齐平。每相邻的两个热结点4中的一个的投影落于热阻层6内，一个落于热阻层6外，或者说每相邻的两个热结点4中的一个位于热阻层6的正上方，一个不在热阻层6上方。

工作时，当整体结构在承受热冲击时，热阻层会延缓热传递的速率，导致热阻层上的热结点与热阻层外的热结点存在温度差，根据塞贝克效应，热结点间温度差会导致相应的热电势差，热电堆的输出电势为多个热结点间热电势差的累积结果，该输出电势能评价热流密度的大小，从而实现对于热流密度的瞬态测量。

图2是本发明中又一实施例的热流计俯视图，如图2所示，所述热电正极2和热电负极3通过热结点4相连接，一个热电正极2和一个热电负极3串联形成一对热电偶，多对热电偶首尾相连形成热电堆，这样的设计，可以放大所述热流计的输出信号。所述热电正极2、热电负极3的形状是由激光微熔覆的加工图案设定的，可以是长条形、弧形。多对热电偶首尾搭接形成的热电堆，所述热电堆的形状也是由激光微熔覆的加工图案设定的，可以是“弓字”形、“波浪”’形、“Z字”形。热电堆的首尾两端分别是第一热流计电极8，第二热流计电极9，通过第一热流计电极8和第二热流计电极9将热电堆的热流信号引出至外界并采集，进行后续的数据应用。

所述热电正极2和热电负极3为采用微笔直写、激光微熔覆制备的金属层，其厚度为十几微米(范围10μm-20μm)，所述热电正极2采用银材料，所述热电负极3采用镍材料，这两种材料组成的热电偶具有成本低，热电势输出大等特性。

所述热结点4是采用微笔直写、激光微熔覆制备热电偶时两种金属材料搭接形成的。通过加工图形设计使得每相邻的两个热结点4一个位于热阻层6的投影正上方，一个不在热阻层6投影的上方。所述热阻层6形状由激光刻蚀的图形和参数设定，可以为长条形、弧形。绝缘层5、表面保护层1的形状由微笔直写的形状设定，可以为方形、圆形、多边形。聚酰亚胺在温度≤400℃的工作环境下具有良好的稳定性、隔热性、电绝缘性。

在实际工程中，铝合金基底广泛采用于航空航天飞行器零部件的制造，将热流测量结构直接置于待测物体表面能提高测量精度；热电堆由Ag-Ni热电偶组成，具有成本低，输出热电势大等特点；利用多对热电偶串联形成热电堆，能放大所述热流计的输出信号；热阻层、绝缘层、表面保护层材料采用聚酰亚胺，不仅具有良好的隔热特性，还具有优秀的电绝缘性，同时防止金属层氧化，提高测量稳定性。总而言之，本方法制备的共形热电堆型结构具有体积小、结构简单、响应速度快、测量精度高的优点，能进行瞬态大热流的测量。

本发明中，热阻层嵌于待测对象基体表面，实现了热流测量结构与待测物体共形一体化，可以直接测量热源表面的热流密度，测量精度高。从工艺上来讲，微笔直写、激光微熔覆的加工方式具有共形制造、工艺简单、生产成本低、无需掩模、生产周期短等优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种厚膜热流计的共形制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1：在待测量对象的待测部位制备凹槽，凹槽用于提供制备热阻层的场所，

S2：用微笔在凹槽内填充能热固化或光固化成型的介质流体，所述介质流体包括聚酰亚胺溶液和电子玻璃介质浆料，凹槽内的介质流体成型后作为热阻层，

S3：制备绝缘层，绝缘层同时覆盖在热阻层和待测量对象表面，具体的，采用微笔直写在局部的待测部位表面涂覆介质流体，通过热固化或光固化将介质流体成型为平整平面或曲面，作为绝缘层，

S4：在绝缘层上用微笔制备可随温度变化生成不同热电势的两种或两种以上电极材料，电极材料采用激光进行固化和合金化，其中，电极材料间的结点位置与热阻层的位置具有可设计的对应关系，以使电极材料具备热电堆的功能，

S5：采用激光微熔覆直写的方式在热电堆的表面制备表面保护层，封装获得厚膜热流计。

2.如权利要求1所述的一种厚膜热流计的共形制备方法，其特征在于，步骤S1的待测量对象材质为陶瓷、金属或高分子有机材料。

3.如权利要求2所述的一种厚膜热流计的共形制备方法，其特征在于，热阻层充盈整个凹槽，嵌入待测量对象的待测部位，热阻层与待测量对象上表面相平齐。

4.如权利要求3所述的一种厚膜热流计的共形制备方法，其特征在于，热电堆图形包括弓字形、Z字形和弧形。

5.如权利要求4所述的一种厚膜热流计的共形制备方法，其特征在于，热电堆热结点分布满足如下条件：每相邻的两个热结点中一个的投影位于热阻层上，另一个的投影在热阻层外。

6.如权利要求5所述的一种厚膜热流计的共形制备方法，其特征在于，热阻层、绝缘层和表面保护层为同一种介质材料。

7.如权利要求6所述的一种厚膜热流计的共形制备方法，其特征在于，通过增加热电堆中热电偶的对数、换用塞贝克系数更大的金属材料组合、增大热阻层厚度能用于提高热流计的灵敏度。

8.如权利要求1-7之一所述方法制备的厚膜热流计，其特征在于，其包括表面保护层(1)、热电正极(2)、热电负极(3)、热结点(4)、绝缘层(5)、热阻层(6)和待测量对象(7)，其中，热电正极(2)、热电负极(3)通过热结点(4)相连接，热电正极(2)、热电负极(3)和热结点(4)三者形成整体，为热电堆层，

表面保护层(1)、热电堆层、绝缘层(5)、热阻层(6)均设在待测量对象(7)上，表面保护层(1)覆盖住热电堆层，绝缘层(5)位于热电堆层的下方，绝缘层(5)同时位于待测量对象(7)和热阻层(6)的上方，用于使热电堆层与待测量对象(7)绝缘，

热阻层(6)嵌入待测量对象(7)表层内，与待测量对象共形设计，每相邻的两个热结点(4)中一个的投影位于热阻层(6)上，另一个的投影落在热阻层(6)外，

一个热电正极(2)和一个热电负极(3)串联形成一对热电偶，多对热电偶首尾搭接形成热电堆，热电堆用于增大厚膜热流计的输出信号。

9.如权利要求8所述的厚膜热流计，其特征在于，所述的热电堆由能生产热电势的两种及两种以上材料组成。

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