CN111710777A - 一种以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器及其封装工艺 - Google Patents

一种以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器及其封装工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器及其封装工艺，包括：封装套，其内部设有块状金属基底；块状金属基底上方沉积有过渡膜层和热电效应薄膜，热电效应薄膜两端分别与引线金膜相接；导线槽内固定设置有银导线，且引线金膜与银导线电导通。本发明的原子层热电堆热流传感器利用了金属良好的导热特性以及较高的热容量，使得传感器在长时间使用中能及时将热传导出去，保证传感器温度在受控范围内；利用金属较好的可再加工的特性，使得引线金膜与银导线的电导通结点布置在块状金属基底侧面，传感器感应面平整，减少由于侵入式传感器对局部流场的影响；传感器敏感元件整体上更紧凑，减小机械加工所需要的尺寸冗余度。

Description

一种以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传 感器及其封装工艺
技术领域
本发明属于热流传感器技术领域，更具体地说，本发明涉及一种以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器及其封装工艺。
背景技术
边界层转捩是经典力学遗留的少数基础科学问题之一，与湍流问题一起称为“世纪难题”。对于高超声速飞行，高超声速边界层由层流变为湍流后，壁面热流和摩擦力都会急剧增加。因此，对高超声速边界层转捩的理论和实验研究是认识转捩机理从而进一步达到对转捩进行控制的重要手段。结合对当前高超声速边界层转捩理论研究的认知，来流扰动的演化和发展被认为是边界层转捩机理的核心。相应地，风洞实验以及飞行试验研究中也越来越关注诸如高频脉动热流的测试与分析。常规高超声速风洞热流不高，但是试验时间长，温度累积效应明显；飞行试验是在真实、完全的气动环境中进行的，试验时间长、热流高，对高频脉动热流测试需求十分迫切。当前，高频脉动热流测试主要是依赖于原子层热电堆热流传感器。但是，原子层热电堆热流传感器的敏感元件主要是以钛酸锶薄片为热电效应薄膜载体，而钛酸锶薄片导热性能差、热容量小，导致原子层热电堆热流传感器不适用于长时间的高频脉动热流测试，即使是测试环境中热流不高；钛酸锶薄片加工难度大，极易损伤，导致传感器在将热电效应薄膜感应到的电信号传输出去的引线方式上是直接在传感器表面通过刷导电银浆的方式形成引线金膜与银导线之间的电导通，造成传感器表面引线孔周围小区域内不平整，将引发局部流场干扰。此外，当采用水冷隔热套等方式实现传感器温度控制时又不可避免的大幅增加传感器尺寸，对于这类侵入式的热流测试手段将大大增加传感器造成的局部流场干扰。因此，以块状金属为敏感元件基底将利用块状金属良好的导热特性及时将热传导出去以及块状金属较大的热容量，使得热电效应薄膜始终处于一个较低的温度范围内；同时，利用金属良好的可加工特性使得引线金膜与银导线的接触点可布置在侧面，敏感元件整体性更优。由此，形成的新型原子层热电堆热流传感器感应面平整，可满足常规高超声速风洞、飞行试验中长时间高频脉动热流测试的需求。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器，包括：
封装套，其内部固定套设有块状金属基底；
所述块状金属基底上方沉积有过渡膜层和引线金膜，过渡膜层上方沉积有热电效应薄膜，热电效应薄膜两端分别与所述引线金膜相接；
导线槽，其设置在所述块状金属基底的侧面，导线槽内固定设置有银导线，且所述引线金膜过渡至块状金属基底侧面与银导线电导通。
优选的是，其中，所述块状金属基底侧面设置有定位螺纹孔，封装套上设置有与定位螺纹孔相适配的通孔，通过在通孔和定位螺纹孔中设置顶丝实现封装套与块状金属基底的定位和固定。
优选的是，其中，所述块状金属基底上端面设置有过渡圆角。
优选的是，其中，所述导线槽内灌注有高温胶，银导线通过高温胶固定在导线槽内；银导线与引线金膜之间通过刷高温银浆的方式实现电导通。
优选的是，其中，所述封装套可以氮化硅陶瓷封装套、氧化铝陶瓷封装套或氮化硅陶瓷封装套中的一种。
优选的是，其中，所述块状金属基底的材料可以是镍基合金钢、镍、镍钨合金、铜、银中的一种。
优选的是，其中，所述热电效应薄膜可以是钇钡铜氧化物薄膜或镧锰铜氧化物薄膜。
优选的是，其中，本发明以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器，其封装工艺包括以下步骤：
步骤一、对块状金属基底沉积过渡膜层的区域和沉积引线金膜的区域做表面光洁处理，然后在块状金属基底上沉积过渡膜层；在块状金属基底与引线金膜以及块状金属基底与银导线的接触面区域做表面处理以形成电绝缘表面；在过渡膜层表面沉积热电效应薄膜，在热电效应薄膜两端沉积引线金膜；在块状金属基底上加工过渡圆角；
步骤二、在块状金属基底的导线槽内灌注高温胶，通过高温胶固化将银导线固定在块状金属基底上；
步骤三、在银导线与引线金膜之间刷高温银浆，以实现银导线与引线金膜之间的电导通；
步骤四、将块状金属基底装入封装套中，并保证封装套的通孔对准块状金属基底的定位螺纹孔，在通孔和定位螺纹孔中装入顶丝，实现封装套与块状金属基底之间的定位和固定。
优选的是，其中，块状属基底表面光洁处理的方式可为抛光处理；块状金属基底表面处理方式可采用在块状金属基底与引线金膜以及块状金属基底与银导线的接触面区域涂上绝缘涂层。
优选的是，其中，所述过渡膜层的沉积技术可选用离子束辅助沉积技术或倾斜基底沉积技术。
本发明至少包括以下有益效果：本发明提供了一种以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器，由此能够用于常规高超声速风洞、飞行试验等试验环境下进行长时间高频脉动热流测试，其有益结果是：以块状金属作为敏感元件基底利用了金属良好的导热特性以及较高的热容量，使得传感器在长时间使用中能及时将热传导出去，保证传感器温度在受控范围内；以块状金属作为敏感元件基底，利用金属较好的可再加工的特性，使得引线金膜与银导线的电导通结点布置在块状金属基底侧面，传感器感应面平整，减少了由于侵入式传感器对局部流场的影响；传感器敏感元件整体上更紧凑，减小了机械加工所需要的尺寸冗余度，使得传感器尺寸能设计的更小。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本发明提供的以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器俯视结构示意图；
图2为图1中A-A处剖面结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-2所示：本发明的一种以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器，包括：
封装套1，其内部固定套设有块状金属基底6；
所述块状金属基底6上方沉积有过渡膜层7和引线金膜5，过渡膜层7上方沉积有热电效应薄膜8，热电效应薄膜8两端分别与所述引线金膜5相接；
导线槽3，其设置在所述块状金属基底6的侧面，导线槽3内固定设置有银导线2，且所述引线金膜5过渡至块状金属基底6侧面与银导线2电导通。
工作原理：本原子层热电堆热流传感器用于将与高频热流测试直接相关的电信号从激波风洞、常规高超声速风洞中引出；在热电效应薄膜8上下表面存在温度梯度的情况下，由于横向塞贝克效应，产生一个横向并垂直于热电效应薄膜8上下表面温度梯度方向的热电势；银导线2与引线金膜5导通，测试信号从激波风洞和常规超声速风洞中引出，就可以直接得到高频脉动热流；沉积过渡膜层7的目的是为了确保热电效应薄膜8取向生长、热电效应薄膜8与块状金属基底6之间电绝缘，以及阻止块状金属基底6的金属原子扩散至热电效应薄膜8中。由于本原子层热电堆热流传感器使用块状金属作为敏感元件的基底，利用了金属良好的导热特性以及较高的热容量，使得传感器在长时间使用中能及时将热传导出去，保证传感器温度在受控范围内；以块状金属作为敏感元件基底，利用金属较好的可再加工的特性，使得引线金膜与银导线的电导通结点布置在块状金属基底侧面，传感器感应面平整，减少了由于侵入式传感器对局部流场的影响；传感器敏感元件整体上更紧凑，减小了机械加工所需要的尺寸冗余度，使得传感器尺寸能设计的更小。由此获得的新型原子层热电堆热流传感器需要经过静态标定获得其灵敏度系数，可利用激波管等脉冲型实验设备对其动态响应时间等参数进行动态标定。
在上述技术方案中，所述块状金属基底6侧面设置有定位螺纹孔4，封装套上设置有与定位螺纹孔4相适配的通孔，通过在通孔和定位螺纹孔4中设置顶丝实现封装套1与块状金属基底6的定位和固定。
在上述技术方案中，所述块状金属基底6上端面设置有过渡圆角9，这种设置是为了确保引线金膜5从块状金属基底6上表面良好过渡到块状金属基底6侧面。
在上述技术方案中，所述导线槽3内灌注有高温胶，银导线2通过高温胶固定在导线槽3内；银导线2与引线金膜5之间通过刷高温银浆的方式实现电导通。
在上述技术方案中，所述封装套1可以是氮化硅陶瓷封装套、氧化铝陶瓷封装套或氮化硅陶瓷封装套中的一种。
在上述技术方案中，所述块状金属基底6的材料可以是镍基合金钢、镍、镍钨合金、铜、银中的一种。
在上述技术方案中，所述热电效应薄膜8可以是钇钡铜氧化物薄膜或镧锰铜氧化物薄膜。
在上述技术方案中，本发明以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器，其封装工艺包括以下步骤：
步骤一、对块状金属基底6沉积过渡膜层的区域和沉积引线金膜的区域做表面光洁处理，然后在块状金属基底上沉积过渡膜层7；在块状金属基底6与引线金膜5以及块状金属基底6与银导线2的接触面区域做表面处理以形成电绝缘表面；在过渡膜层7表面沉积热电效应薄膜8，在热电效应薄膜8两端沉积引线金膜5；在块状金属基底6上加工过渡圆角9；
步骤二、在块状金属基底6的导线槽3内灌注高温胶，通过高温胶固化将银导线2固定在块状金属基底6上；
步骤三、在银导线2与引线金膜5之间刷高温银浆，以实现银导线2与引线金膜5之间的电导通；
步骤四、将块状金属基底6装入封装套1中，并保证封装套1的通孔对准块状金属基底6的定位螺纹孔4，在通孔和定位螺纹孔4中装入顶丝，实现封装套1与块状金属基底6之间的定位和固定。
在上述技术方案中，块状属基底6表面光洁处理的方式可为抛光处理；块状金属基底6表面处理方式可采用在块状金属基底6与引线金膜5以及块状金属基底6与银导线2的接触面区域涂上绝缘涂层。
其中步骤一中，对块状金属基底6沉积过渡膜层7的区域和沉积引线金膜5的区域做表面光洁处理，是为了保证过渡膜层7、引线金膜5与块状金属基底6之间良好的结合力；对块状金属基底6相应区域做表面处理，是为了确保引线金膜5与块状金属基底6以及银导线2与块状金属基底6之间的电绝缘，形成电绝缘表面。
在上述技术方案中，所述过渡膜层7的沉积技术可选用离子束辅助沉积技术或倾斜基底沉积技术。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器，其特征在于，包括：
封装套，其内部固定套设有块状金属基底；
所述块状金属基底上方沉积有过渡膜层和引线金膜，过渡膜层上方沉积有热电效应薄膜，热电效应薄膜两端分别与所述引线金膜相接；
导线槽，其设置在所述块状金属基底的侧面，导线槽内固定设置有银导线，且所述引线金膜过渡至块状金属基底侧面与银导线电导通。
2.如权利要求1所述的以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器，其特征在于，所述块状金属基底侧面设置有定位螺纹孔，封装套上设置有与定位螺纹孔相适配的通孔，通过在通孔和定位螺纹孔中设置顶丝实现封装套与块状金属基底的定位和固定。
3.如权利要求1所述的以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器，其特征在于，所述块状金属基底上端面设置有过渡圆角。
4.如权利要求1所述的以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器，其特征在于，所述导线槽内灌注有高温胶，银导线通过高温胶固定在导线槽内；银导线与引线金膜之间通过刷高温银浆的方式实现电导通。
5.如权利要求1所述的以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器，其特征在于，所述封装套可以氮化硅陶瓷封装套、氧化铝陶瓷封装套或氮化硅陶瓷封装套中的一种。
6.如权利要求1所述的以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器，其特征在于，所述块状金属基底的材料可以是镍基合金钢、镍、镍钨合金、铜、银中的一种。
7.如权利要求1所述的以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器，其特征在于，所述热电效应薄膜可以是钇钡铜氧化物薄膜或镧锰铜氧化物薄膜。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器，其特征在于，其封装工艺包括以下步骤：
步骤一、对块状金属基底沉积过渡膜层的区域和沉积引线金膜的区域做表面光洁处理，然后在块状金属基底上沉积过渡膜层；在块状金属基底与引线金膜以及块状金属基底与银导线的接触面区域做表面处理以形成电绝缘表面；在过渡膜层表面沉积热电效应薄膜，在热电效应薄膜两端沉积引线金膜；在块状金属基底上加工过渡圆角；
步骤二、在块状金属基底的导线槽内灌注高温胶，通过高温胶固化将银导线固定在块状金属基底上；
步骤三、在银导线与引线金膜之间刷高温银浆，以实现银导线与引线金膜之间的电导通；
步骤四、将块状金属基底装入封装套中，并保证封装套的通孔对准块状金属基底的定位螺纹孔，在通孔和定位螺纹孔中装入顶丝，实现封装套与块状金属基底之间的定位和固定。
9.如权利要求8所述的以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器的封装工艺，其特征在于，块状金属基底表面光洁处理的方式可为抛光处理；块状金属基底表面处理方式可采用在块状金属基底与引线金膜以及块状金属基底与银导线的接触面区域涂上绝缘涂层。
10.如权利要求8所述的以块状金属为敏感元件基底的新型原子层热电堆热流传感器的封装工艺，其特征在于，所述过渡膜层的沉积技术可选用离子束辅助沉积技术或倾斜基底沉积技术。
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