CN113739945B - 一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，钨铼合金薄膜热电偶设置在平面氧化铝陶瓷基底的表面，钨铼合金薄膜热电偶的尾部分别连接对应的金属引线；钨铼合金薄膜热电偶的表面阵列排布若干微米微柱形成氧化铝微柱阵列，微米微柱的中间填充空气形成气膜孔，平面氧化铝陶瓷基底、钨铼合金薄膜热电偶和氧化铝微柱阵列形成三层叠层结构。本发明方案合理，结构简单，容易实现，能充分发挥微结构气膜孔定向流动的优势。

Description

一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶

技术领域

本发明属于技术领域，具体涉及一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶。

背景技术

早期的热电偶发明于1821年，在那之后热电偶温度传感器在蒸汽温度测量、对爆炸产物的热响应、供暖、测高温物体表面温度等领域中取得了很大的成功。基于MEMS技术的新型热电偶结构，进来被广泛提及，它的结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等优点。

现有利用钨铼合金和氧化铝陶瓷制备薄膜热电偶，满足了长时间高温下温度测量的同时，还兼具了微型化的特点，解决了现有技术中存在的问题——如实现了大塞贝克系数材料的温度传感器并使热应力匹配，且可以达到防氧化的效果。该结构可以用于空气环境的高温温度测量。但是用于高温钢水温度检测时，由于钢水易附着在薄膜表面，甚至固化形成钢，造成薄膜表面厚度在使用过程中急剧上升，热阻显著增大，难以使用。

还有类似薄膜热电偶温度传感器，在没有封装的情况下难以直接长时间测量刚水温度。如果增加封装壳体，又会大量增加响应时间，造成传感器响应慢。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，解决了现有技术中存在的问题——钢水附着增大热阻，封装壳体减慢响应速度，无法快响应长时间测量钢水温度。

本发明采用以下技术方案：

一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，包括平面氧化铝陶瓷基底，钨铼合金薄膜热电偶设置在平面氧化铝陶瓷基底的表面，钨铼合金薄膜热电偶的尾部分别连接对应的金属引线；钨铼合金薄膜热电偶的表面阵列排布若干微米微柱形成氧化铝微柱阵列，微米微柱的中间填充空气形成气膜孔，平面氧化铝陶瓷基底、钨铼合金薄膜热电偶和氧化铝微柱阵列形成三层叠层结构。

具体的，微米微柱的中部设置有第一圆柱体，第一圆柱体的一端与钨铼合金薄膜热电偶连接，另一端覆盖第二圆柱体形成阶梯轴结构。

进一步的，第一圆柱体的直径为2μm±10％，高度为4.5μm±10％，第二圆柱体的直径为2.5μm±10％，高度为0.5μm±10％。

具体的，微米微柱的中心间隔为6μm±5％。

具体的，微米微柱的高度为5μm±8％。

具体的，钨铼合金薄膜热电偶包括正极和负极，正极和负极的一端连接，连接处的正极设置在负极的上方。

进一步的，钨铼合金薄膜热电偶为V字型结构薄膜，正极和负极连接形成的夹角为5°±10％。

进一步的，正极采用质量分数97％的钨和质量分数3％的铼制备而成，负极采用质量分数75％的钨和质量分数25％的铼制备而成。

具体的，钨铼合金薄膜热电偶的表面均匀度在8％～10％。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，钨铼合金薄膜热电偶的表面阵列排布若干微米微柱形成氧化铝微柱阵列，靠表面微柱阵列形成大量微小半封闭气膜孔，由于禁锢空气形成的气膜孔处于微尺度下，使得高温流体接触微结构时产生推力，从而形成定向流动，将减少钢水在薄膜表面的附着，从而减弱钢水大量积累在表面造成热阻大幅上升，满足了长时间高温下钢水温度测量的同时，还保持了薄膜测温响应快的特性。

进一步的，微米微柱的中部设置有第一圆柱体，第一圆柱体的一端与钨铼合金薄膜热电偶连接，另一端覆盖第二圆柱体形成阶梯轴结构，构成阵列微柱面结构，靠表面微柱阵列形成大量微小半封闭气膜孔，利用表面超结构的改性原理，高温流体接触微结构时产生推力，从而形成定向流动，将减少钢水在薄膜表面的附着，利用表面的气膜推力推走钢水液滴，减少表面钢水固化，利于测试。

进一步的，微米微柱的中心间隔为6μm±5％，靠表面微柱阵列形成大量微小半封闭气膜孔，形成定向流动，将减少钢水在薄膜表面的附着。

进一步的，微米微柱的高度为5μm±8％，使得高温流体接触微结构时产生推力形成定向流动，将减少钢水在薄膜表面的附着，减少表面钢水固化，利于测试。

进一步的，通过正极和负极的一端连接，形成回路，在连接点形成热结点，感受温度，保证热电动势的产生，利用v字型结构，保证正极和负极形成回路，在连接点形成热结点，感受温度，保证热电动势的产生。

进一步的，为保证正负极的接触区域大小适度、过大的夹角造成接触区域过大，获得热结点平均温度时温区过大，影响测量精度，过小的夹角造成热节点过小，容易破损降低稳定性。

进一步的，热电测量为保证塞贝克效应，需要两种不同材料，该钨铼合金材料体系参考国标C型热电偶，保证高温性能特性，同时降低成本。

进一步的，表面均匀性可以保证薄膜连续，热应力低，利于长时间工作。

综上所述，本发明方案合理，结构简单，容易实现，能充分发挥微结构气膜孔定向流动的优势。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的正视结构示意图；

图2为本发明的断面剖示图；

图3为本发明的斜二测结构示意图。

其中：1.平面氧化铝陶瓷基底；2.钨铼合金薄膜热电偶；3.氧化铝微柱阵列；4.引线；5.微米微柱；6.第一圆柱体；7.第二圆柱体；8.气膜孔；9.正极；10.负极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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做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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，在原有的钨铼合金和氧化铝陶瓷制备薄膜热电偶基础上，增加表面微柱阵列，在物体表面形成微结构，禁锢空气形成气膜孔，高温流体接触微结构时由于气膜孔作用产生推力，从而形成定向流动。本发明利用该结构改造钨铼合金薄膜热电偶，使其表面钢水定向流动，减少钢水在薄膜表面的附着，从而减弱钢水大量积累在表面造成热阻大幅上升，用于长期测量钢铁冶炼中的钢水流体温度。满足了长时间高温下钢水温度测量的同时，还保持了薄膜测温响应快的特点，解决了现有技术中存在的问题——钢水附着增大热阻，封装壳体减慢响应速度，无法快响应长时间测量钢水温度。

请参阅图1、图2和图3，本发明一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，包括平面氧化铝陶瓷基底1、钨铼合金薄膜热电偶2、氧化铝微柱阵列表面3、引线4、微米微柱5、第一圆柱体6、第二圆柱体7、气膜孔8、正极9和负极10。

其中，钨铼合金薄膜热电偶2分布在平面氧化铝陶瓷基底1的表面，钨铼合金薄膜热电偶2的表面分布有氧化铝微柱阵列3，平面氧化铝陶瓷基底1、钨铼合金薄膜热电偶2、氧化铝微柱阵列3形成三层叠层结构，钨铼合金薄膜热电偶2的尾部分别连接对应的金属引线4，金属引线4正负极分别接正极9和负极10，另一端接电压表读取数据。

请参阅图2，钨铼合金薄膜热电偶2包括正极9和负极10，为V字型结构薄膜，正极9和负极10尺寸相同，正极9和负极10的中心夹角为5°±10％，正极9的材料为质量分数97％±2％的钨和3％±2％的铼，负极10的材料为质量分数75％±2％的钨和25％±2％的铼。

钨铼合金薄膜热电偶2采用磁控溅射制备，表面均匀度8％～10％。

请参阅图2和图3，氧化铝微柱阵列3包括成周期阵列的大量微米微柱5，微米微柱5的中部为第一圆柱体6，第一圆柱体6的一端与钨铼合金薄膜热电偶2连接，另一端覆盖第二圆柱体7，形成阶梯轴结构，微米微柱5的中间填充空气形成气膜孔8。

微米微柱5采用氧化铝制成，微米微柱5的中部为第一圆柱体6，微米微柱5的一端覆盖第二圆柱体7，形成阶梯轴结构。

微米微柱5阵列排布于整个钨铼合金薄膜热电偶2表面形成氧化铝微柱阵列3，微米微柱5中心间隔6μm±5％。

本发明一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶的工作原理如下：

钢水液体滴向氧化铝微柱阵列表面3，接触微米微柱5，在第二圆柱体7与第一圆柱体6中形成接触角，压缩气膜孔8中的空气，并同时释放部分热蒸汽，空气产生向上推力，热蒸汽产生切向力，造成钢水液体沿氧化铝微柱阵列表面3整体定向流动，流动方向收所设计尺寸与制备精度决定，从而使得钢水不再易附着在薄膜表面甚至固化形成钢，减少薄膜表面厚度在使用过程中的急剧上升，热阻显著增大。而热量通过传导传递到钨铼合金薄膜热电偶2，在正极9和负极10的接触区域与引线4之间形成温度差，通过温差电效应生成电压信号，进而根据热电关系获得温度。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

平面氧化铝陶瓷基底1为长方形薄片，长为18cm，宽为2cm，厚度为4mm；采用99.99％实心氧化铝陶瓷烧结压制而成。

微米微柱5采用3D打印增材制造一体成型，微米微柱5的高度为5μm，微米微柱5的中心间隔为6μm，第一圆柱体6的直径为2μm，高度为4.5μm，第二圆柱体7的直径为2.5μm，高度为0.5μm。

正极9和负极10尺寸相同，宽度为0.5cm，长度为16cm，厚度为100μm，正极9和负极10的中心夹角为5°，正极9的材料为质量分数97％的钨和3％的铼，负极10的材料为质量分数75％的钨和25％的铼。

钨铼合金薄膜热电偶2通过高温导电银胶与金属引线4固定接触。

平面氧化铝陶瓷基底1、钨铼合金薄膜热电偶2和氧化铝微柱阵列3形成三层叠层结构。

制备的这种薄膜热电偶，工作温度在0到1500度(采用滴测)。

实验数据表：

经加热实验，1500摄氏度时，敏感薄膜Seebeck为12μV/℃。

敏感薄膜Seebeck系数＝(58.16-58.10)/(1505-1500)＝12μV/℃。

综上所述，本发明一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，能够使其表面钢水定向流动，减少钢水在薄膜表面的附着，从而减弱钢水大量积累在表面造成热阻大幅上升，可用于长期测量钢铁冶炼中的钢水流体温度。满足了长时间高温下钢水温度测量的同时，还保持了薄膜测温响应快的特点，解决了现有技术中存在的问题——钢水附着增大热阻，封装壳体减慢响应速度，无法快响应长时间测量钢水温度。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，其特征在于，包括平面氧化铝陶瓷基底（1），钨铼合金薄膜热电偶（2）设置在平面氧化铝陶瓷基底（1）的表面，钨铼合金薄膜热电偶（2）的尾部分别连接对应的金属引线（4）；钨铼合金薄膜热电偶（2）的表面阵列排布若干微米微柱（5）形成氧化铝微柱阵列（3），微米微柱（5）的高度为5μm±8%，微米微柱（5）的中间填充空气形成气膜孔（8），平面氧化铝陶瓷基底（1）、钨铼合金薄膜热电偶（2）和氧化铝微柱阵列（3）形成三层叠层结构，微米微柱（5）的中部设置有第一圆柱体（6），第一圆柱体（6）的一端与钨铼合金薄膜热电偶（2）连接，另一端覆盖第二圆柱体（7）形成阶梯轴结构。

2.根据权利要求1所述的基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，其特征在于，第一圆柱体（6）的直径为2μm±10%，高度为4.5μm±10%，第二圆柱体（7）的直径为2.5μm±10%，高度为0.5μm±10%。

3.根据权利要求1所述的基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，其特征在于，微米微柱（5）的中心间隔为6μm±5%。

4.根据权利要求1所述的基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，其特征在于，钨铼合金薄膜热电偶（2）包括正极（9）和负极（10），正极（9）和负极（10）的一端连接，连接处的正极（9）设置在负极（10）的上方。

5.根据权利要求4所述的基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，其特征在于，钨铼合金薄膜热电偶（2）为V字型结构薄膜，正极（9）和负极（10）连接形成的夹角为5°±10%。

6.根据权利要求1所述的基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，其特征在于，正极（9）采用质量分数97%的钨和质量分数3%的铼制备而成，负极（10）采用质量分数75%的钨和质量分数25%的铼制备而成。

7.根据权利要求1所述的基于表面微柱阵列的气膜复合钨铼合金薄膜热电偶，其特征在于，钨铼合金薄膜热电偶（2）的表面均匀度在8%~10%。

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