CN112345107A - 集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及发火温度动态测量技术，具体是一种集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置及其制备方法。本发明解决了现有发火温度动态测量技术操作过程具有危险性、测量结果准确性差的问题。集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置，包括基片、薄膜热电偶、微换能元、两个薄膜焊盘；其中，基片为矩形结构，且基片采用耐高温陶瓷制成；所述薄膜热电偶包括两个薄膜热电极；两个薄膜热电极均为Z形结构，且每个薄膜热电极均包括前横向段、纵向段、后横向段；第一个薄膜热电极采用铂铑合金制成；第二个薄膜热电极采用铂制成；两个薄膜热电极左右对称地印制于基片的上表面。本发明适用于发火温度的动态测量。

Description

集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置及其制备方法
技术领域
本发明涉及发火温度动态测量技术，具体是一种集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置及其制备方法。
背景技术
发火温度是火工品安全性和性能的重要指标。对发火温度进行动态测量是火工品可靠性设计、鉴定和评估的重要基础。目前，发火温度的动态测量普遍采用等升温速率法进行。但是在实际应用中，等升温速率法由于自身原理所限，存在如下问题：其一，等升温速率法需要配备加热介质，导致其操作过程具有危险性。其二，等升温速率法需要通过人眼观测来确定发火温度，导致其测量结果准确性差。基于此，有必要发明一种集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置及其制备方法，以解决现有发火温度动态测量技术操作过程具有危险性、测量结果准确性差的问题。
发明内容
本发明为了解决现有发火温度动态测量技术操作过程具有危险性、测量结果准确性差的问题，提供了一种集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置及其制备方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置，包括基片、薄膜热电偶、微换能元、两个薄膜焊盘；
其中，基片为矩形结构，且基片采用耐高温陶瓷制成；
所述薄膜热电偶包括两个薄膜热电极；两个薄膜热电极均为Z形结构，且每个薄膜热电极均包括前横向段、纵向段、后横向段；第一个薄膜热电极采用铂铑合金制成；第二个薄膜热电极采用铂制成；两个薄膜热电极左右对称地印制于基片的上表面；两个薄膜热电极的前横向段背向设置；两个薄膜热电极的纵向段相互平行；两个薄膜热电极的后横向段相向设置，且两个薄膜热电极的后横向段末端重叠构成热结点；热结点为正方形结构；
微换能元为蛇形轴对称结构，且微换能元采用铂制成；微换能元印制于基片的上表面，且微换能元位于热结点的后方；微换能元的对称轴与两个薄膜热电极的对称轴重合；
两个薄膜焊盘均采用铜制成；两个薄膜焊盘左右对称地印制于基片的上表面，且两个薄膜焊盘分别位于微换能元的左右两侧；两个薄膜焊盘分别与微换能元的两端连接。
基片采用氧化铝陶瓷制成，其热传导率为37W/（m·K）、抗压强度为30000kgf/cm2、抗折强度为3500kgf/cm2、烧结温度为1800℃；两个薄膜热电极的长度均为10mm、厚度均为5~6μm；两个薄膜热电极的前横向段宽度均为2000μm；两个薄膜热电极的纵向段宽度均为500μm；两个薄膜热电极的后横向段宽度均为500μm；微换能元的长度为6700μm、宽度为200μm、厚度为5~6μm；热结点的长度和宽度均为500μm；微换能元位于热结点的后方200μm处。
集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置的制备方法（该方法用于制备本发明所述的集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置），该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：选取基片，并对基片进行表面亲水化处理；
步骤二：采用丝网印刷法在基片的上表面分别印制薄膜热电偶和微换能元，由此制得测温装置半成品；
步骤三：将测温装置半成品置于马弗炉中进行高温烧结，烧结温度为1300℃，烧结时间为3h，然后将测温装置半成品进行自然冷却；
步骤四：对薄膜热电偶进行标定；
步骤五：采用丝网印刷法在基片的上表面印制与微换能元连接的两个薄膜焊盘，由此制得集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置。
所述步骤二包括如下步骤：
步骤2.1：将细度<15μm的铂铑合金浆料与有机载体进行混合，由此制得铂铑合金微米浆料；
步骤2.2：先将丝网印版置于基片的上方，再将铂铑合金微米浆料堆积于丝网印版上，然后用刮刀刮压铂铑合金微米浆料，使铂铑合金微米浆料透过丝网印版的图像区域渗漏到基片的上表面，由此形成第一个薄膜热电极；
步骤2.3：先对第一个薄膜热电极进行多层印刷加固，再对第一个薄膜热电极进行流平、干燥、热处理，然后将第一个薄膜热电极进行自然冷却；
步骤2.4：将细度<10μm的铂浆料与有机载体进行混合，由此制得铂微米浆料；
步骤2.5：先将丝网印版置于基片的上方，再将铂微米浆料堆积于丝网印版上，然后用刮刀刮压铂微米浆料，使铂微米浆料透过丝网印版的图像区域渗漏到基片的上表面，由此形成第二个薄膜热电极和微换能元；
步骤2.6：先对第二个薄膜热电极进行多层印刷加固，再对第二个薄膜热电极进行流平、干燥、热处理，然后将第二个薄膜热电极进行自然冷却；
步骤2.7：先对微换能元进行多层印刷加固，再对微换能元进行流平、干燥、热处理，然后将微换能元进行自然冷却。
所述步骤四包括如下步骤：
步骤4.1：选取两根引线、托片、两个夹片、两个夹条、两个螺钉、两个螺母；第一根引线采用铂铑合金制成；第二根引线采用铂制成；托片、两个夹片均采用耐高温陶瓷制成；两个夹条均采用钨铼合金制成，且每个夹条的两端均各开设有一个通孔；
步骤4.2：先将托片与基片对接，再将两根引线置于托片的上表面，然后将第一根引线的首端搭接于第一个薄膜热电极的上表面，将第二根引线的首端搭接于第二个薄膜热电极的上表面；
步骤4.3：先用两个夹片将托片与基片夹持固定，再用两个夹条将两个夹片夹持固定，然后将第一个螺钉穿入两个夹条首端的通孔内，将第二个螺钉穿入两个夹条末端的通孔内，而后将两个螺母分别旋拧于两个螺钉的末端，由此将两个夹条锁紧；
步骤4.4：先将两根引线的末端分别与数字电压表的两端连接，再利用数字电压表对薄膜热电偶进行标定；标定结束后，先拆卸两个螺母和两个螺钉，再拆卸两个夹条和两个夹片，然后拆卸托片和两根引线。
丝网印版的网布为325目、膜厚为5μm，张力为29N±2N。
热处理条件为：在空气或氧气气氛中，热处理温度为1000~1300℃，热处理时间为3~5h，升温速度为3~5℃/min。
使用时，火工药剂置于专用容器内，本发明所述的集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置置于专用容器的下方，且微换能元与专用容器接触。具体使用过程如下：首先，一方面利用导线将两个薄膜焊盘与外部电源连接，另一方面利用导线将两个薄膜热电极与数字电压表连接。然后，启动外部电源，外部电源向微换能元通电，使得微换能元发热，微换能元由此对专用容器内的火工药剂进行加热。在加热过程中，薄膜热电偶将微换能元的温度实时转换为电压信号，电压信号实时显示于数字电压表上。当微换能元的温度达到发火温度时，专用容器内的火工药剂发生燃烧或爆炸。此时，根据数字电压表实时显示的电压信号即可确定发火温度，由此实现发火温度的动态测量。
基于上述过程，与现有发火温度动态测量技术相比，本发明所述的集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置基于全新的结构和原理，实现了发火温度的动态测量，由此具备了如下优点：其一，本发明无需配备加热介质，即可对专用容器内的火工药剂进行加热，因此其操作过程更安全。其二，本发明无需通过人眼观测来确定发火温度，而是通过数字电压表实时显示的电压信号来确定发火温度，因此其测量结果更准确。
本发明有效解决了现有发火温度动态测量技术操作过程具有危险性、测量结果准确性差的问题，其能够在1300~1500℃的高温氧化气氛下稳定工作，适用于发火温度的动态测量。
附图说明
图1是本发明所述的集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置的结构示意图。
图2是本发明所述的集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置的制备方法中步骤四的示意图。
图中：1-基片，2-薄膜热电极，3-微换能元，4-薄膜焊盘，5-热结点，6-引线，7-托片，8-夹片，9-夹条，10-螺钉。
具体实施方式
集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置，包括基片1、薄膜热电偶、微换能元3、两个薄膜焊盘4；
其中，基片1为矩形结构，且基片1采用耐高温陶瓷制成；
所述薄膜热电偶包括两个薄膜热电极2；两个薄膜热电极2均为Z形结构，且每个薄膜热电极2均包括前横向段、纵向段、后横向段；第一个薄膜热电极2采用铂铑合金制成；第二个薄膜热电极2采用铂制成；两个薄膜热电极2左右对称地印制于基片1的上表面；两个薄膜热电极2的前横向段背向设置；两个薄膜热电极2的纵向段相互平行；两个薄膜热电极2的后横向段相向设置，且两个薄膜热电极2的后横向段末端重叠构成热结点5；热结点5为正方形结构；
微换能元3为蛇形轴对称结构，且微换能元3采用铂制成；微换能元3印制于基片1的上表面，且微换能元3位于热结点5的后方；微换能元3的对称轴与两个薄膜热电极2的对称轴重合；
两个薄膜焊盘4均采用铜制成；两个薄膜焊盘4左右对称地印制于基片1的上表面，且两个薄膜焊盘4分别位于微换能元3的左右两侧；两个薄膜焊盘4分别与微换能元3的两端连接。
基片1采用氧化铝陶瓷制成，其热传导率为37W/（m·K）、抗压强度为30000kgf/cm2、抗折强度为3500kgf/cm2、烧结温度为1800℃；两个薄膜热电极2的长度均为10mm、厚度均为5~6μm；两个薄膜热电极2的前横向段宽度均为2000μm；两个薄膜热电极2的纵向段宽度均为500μm；两个薄膜热电极2的后横向段宽度均为500μm；微换能元3的长度为6700μm、宽度为200μm、厚度为5~6μm；热结点5的长度和宽度均为500μm；微换能元3位于热结点5的后方200μm处。
集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置的制备方法（该方法用于制备本发明所述的集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置），该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：选取基片1，并对基片1进行表面亲水化处理；
步骤二：采用丝网印刷法在基片1的上表面分别印制薄膜热电偶和微换能元3，由此制得测温装置半成品；
步骤三：将测温装置半成品置于马弗炉中进行高温烧结，烧结温度为1300℃，烧结时间为3h，然后将测温装置半成品进行自然冷却；
步骤四：对薄膜热电偶进行标定；
步骤五：采用丝网印刷法在基片1的上表面印制与微换能元3连接的两个薄膜焊盘4，由此制得集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置。
所述步骤二包括如下步骤：
步骤2.1：将细度<15μm的铂铑合金浆料与有机载体进行混合，由此制得铂铑合金微米浆料；
步骤2.2：先将丝网印版置于基片1的上方，再将铂铑合金微米浆料堆积于丝网印版上，然后用刮刀刮压铂铑合金微米浆料，使铂铑合金微米浆料透过丝网印版的图像区域渗漏到基片1的上表面，由此形成第一个薄膜热电极2；
步骤2.3：先对第一个薄膜热电极2进行多层印刷加固，再对第一个薄膜热电极2进行流平、干燥、热处理，然后将第一个薄膜热电极2进行自然冷却；
步骤2.4：将细度<10μm的铂浆料与有机载体进行混合，由此制得铂微米浆料；
步骤2.5：先将丝网印版置于基片1的上方，再将铂微米浆料堆积于丝网印版上，然后用刮刀刮压铂微米浆料，使铂微米浆料透过丝网印版的图像区域渗漏到基片1的上表面，由此形成第二个薄膜热电极2和微换能元3；
步骤2.6：先对第二个薄膜热电极2进行多层印刷加固，再对第二个薄膜热电极2进行流平、干燥、热处理，然后将第二个薄膜热电极2进行自然冷却；
步骤2.7：先对微换能元3进行多层印刷加固，再对微换能元3进行流平、干燥、热处理，然后将微换能元3进行自然冷却。
所述步骤四包括如下步骤：
步骤4.1：选取两根引线6、托片7、两个夹片8、两个夹条9、两个螺钉10、两个螺母；第一根引线6采用铂铑合金制成；第二根引线6采用铂制成；托片7、两个夹片8均采用耐高温陶瓷制成；两个夹条9均采用钨铼合金制成，且每个夹条9的两端均各开设有一个通孔；
步骤4.2：先将托片7与基片1对接，再将两根引线6置于托片7的上表面，然后将第一根引线6的首端搭接于第一个薄膜热电极2的上表面，将第二根引线6的首端搭接于第二个薄膜热电极2的上表面；
步骤4.3：先用两个夹片8将托片7与基片1夹持固定，再用两个夹条9将两个夹片8夹持固定，然后将第一个螺钉10穿入两个夹条9首端的通孔内，将第二个螺钉10穿入两个夹条9末端的通孔内，而后将两个螺母分别旋拧于两个螺钉10的末端，由此将两个夹条9锁紧；
步骤4.4：先将两根引线6的末端分别与数字电压表的两端连接，再利用数字电压表对薄膜热电偶进行标定；标定结束后，先拆卸两个螺母和两个螺钉10，再拆卸两个夹条9和两个夹片8，然后拆卸托片7和两根引线6。
丝网印版的网布为325目、膜厚为5μm，张力为29N±2N。
热处理条件为：在空气或氧气气氛中，热处理温度为1000~1300℃，热处理时间为3~5h，升温速度为3~5℃/min。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置，其特征在于：包括基片（1）、薄膜热电偶、微换能元（3）、两个薄膜焊盘（4）；
其中，基片（1）为矩形结构，且基片（1）采用耐高温陶瓷制成；
所述薄膜热电偶包括两个薄膜热电极（2）；两个薄膜热电极（2）均为Z形结构，且每个薄膜热电极（2）均包括前横向段、纵向段、后横向段；第一个薄膜热电极（2）采用铂铑合金制成；第二个薄膜热电极（2）采用铂制成；两个薄膜热电极（2）左右对称地印制于基片（1）的上表面；两个薄膜热电极（2）的前横向段背向设置；两个薄膜热电极（2）的纵向段相互平行；两个薄膜热电极（2）的后横向段相向设置，且两个薄膜热电极（2）的后横向段末端重叠构成热结点（5）；热结点（5）为正方形结构；
微换能元（3）为蛇形轴对称结构，且微换能元（3）采用铂制成；微换能元（3）印制于基片（1）的上表面，且微换能元（3）位于热结点（5）的后方；微换能元（3）的对称轴与两个薄膜热电极（2）的对称轴重合；
两个薄膜焊盘（4）均采用铜制成；两个薄膜焊盘（4）左右对称地印制于基片（1）的上表面，且两个薄膜焊盘（4）分别位于微换能元（3）的左右两侧；两个薄膜焊盘（4）分别与微换能元（3）的两端连接。
2.根据权利要求1所述的集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置，其特征在于：基片（1）采用氧化铝陶瓷制成，其热传导率为37W/（m·K）、抗压强度为30000kgf/cm2、抗折强度为3500kgf/cm2、烧结温度为1800℃；两个薄膜热电极（2）的长度均为10mm、厚度均为5~6μm；两个薄膜热电极（2）的前横向段宽度均为2000μm；两个薄膜热电极（2）的纵向段宽度均为500μm；两个薄膜热电极（2）的后横向段宽度均为500μm；微换能元（3）的长度为6700μm、宽度为200μm、厚度为5~6μm；热结点（5）的长度和宽度均为500μm；微换能元（3）位于热结点（5）的后方200μm处。
3.一种集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置的制备方法，该方法用于制备如权利要求1所述的集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
步骤一：选取基片（1），并对基片（1）进行表面亲水化处理；
步骤二：采用丝网印刷法在基片（1）的上表面分别印制薄膜热电偶和微换能元（3），由此制得测温装置半成品；
步骤三：将测温装置半成品置于马弗炉中进行高温烧结，烧结温度为1300℃，烧结时间为3h，然后将测温装置半成品进行自然冷却；
步骤四：对薄膜热电偶进行标定；
步骤五：采用丝网印刷法在基片（1）的上表面印制与微换能元（3）连接的两个薄膜焊盘（4），由此制得集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置。
4.根据权利要求3所述的集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置的制备方法，其特征在于：所述步骤二包括如下步骤：
步骤2.1：将细度<15μm的铂铑合金浆料与有机载体进行混合，由此制得铂铑合金微米浆料；
步骤2.2：先将丝网印版置于基片（1）的上方，再将铂铑合金微米浆料堆积于丝网印版上，然后用刮刀刮压铂铑合金微米浆料，使铂铑合金微米浆料透过丝网印版的图像区域渗漏到基片（1）的上表面，由此形成第一个薄膜热电极（2）；
步骤2.3：先对第一个薄膜热电极（2）进行多层印刷加固，再对第一个薄膜热电极（2）进行流平、干燥、热处理，然后将第一个薄膜热电极（2）进行自然冷却；
步骤2.4：将细度<10μm的铂浆料与有机载体进行混合，由此制得铂微米浆料；
步骤2.5：先将丝网印版置于基片（1）的上方，再将铂微米浆料堆积于丝网印版上，然后用刮刀刮压铂微米浆料，使铂微米浆料透过丝网印版的图像区域渗漏到基片（1）的上表面，由此形成第二个薄膜热电极（2）和微换能元（3）；
步骤2.6：先对第二个薄膜热电极（2）进行多层印刷加固，再对第二个薄膜热电极（2）进行流平、干燥、热处理，然后将第二个薄膜热电极（2）进行自然冷却；
步骤2.7：先对微换能元（3）进行多层印刷加固，再对微换能元（3）进行流平、干燥、热处理，然后将微换能元（3）进行自然冷却。
5.根据权利要求3所述的集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置的制备方法，其特征在于：所述步骤四包括如下步骤：
步骤4.1：选取两根引线（6）、托片（7）、两个夹片（8）、两个夹条（9）、两个螺钉（10）、两个螺母；第一根引线（6）采用铂铑合金制成；第二根引线（6）采用铂制成；托片（7）、两个夹片（8）均采用耐高温陶瓷制成；两个夹条（9）均采用钨铼合金制成，且每个夹条（9）的两端均各开设有一个通孔；
步骤4.2：先将托片（7）与基片（1）对接，再将两根引线（6）置于托片（7）的上表面，然后将第一根引线（6）的首端搭接于第一个薄膜热电极（2）的上表面，将第二根引线（6）的首端搭接于第二个薄膜热电极（2）的上表面；
步骤4.3：先用两个夹片（8）将托片（7）与基片（1）夹持固定，再用两个夹条（9）将两个夹片（8）夹持固定，然后将第一个螺钉（10）穿入两个夹条（9）首端的通孔内，将第二个螺钉（10）穿入两个夹条（9）末端的通孔内，而后将两个螺母分别旋拧于两个螺钉（10）的末端，由此将两个夹条（9）锁紧；
步骤4.4：先将两根引线（6）的末端分别与数字电压表的两端连接，再利用数字电压表对薄膜热电偶进行标定；标定结束后，先拆卸两个螺母和两个螺钉（10），再拆卸两个夹条（9）和两个夹片（8），然后拆卸托片（7）和两根引线（6）。
6.根据权利要求4所述的集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置的制备方法，其特征在于：丝网印版的网布为325目、膜厚为5μm，张力为29N±2N。
7.根据权利要求4所述的集成有薄膜热电偶和微换能元的测温装置的制备方法，其特征在于：热处理条件为：在空气或氧气气氛中，热处理温度为1000~1300℃，热处理时间为3~5h，升温速度为3~5℃/min。
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