CN114107923A - 一种金属基薄膜热流微传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属基薄膜热流微传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。该传感器结构主要包括金属基底，复合绝缘膜层，薄膜热敏电阻，薄膜引线，铂丝和铂浆构成。传感器采用金属基底，能有效降低被测金属结构件间的横向传热，有效提高其在金属结构上的热流测试精度。本发明采用四线制测量薄膜热电阻阻值，获取金属基底表面温度变化情况，并结合温度—热流推算方法，最终实现热流的高精度测量。

Description

一种金属基薄膜热流微传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及技术传感器技术领域，特别是一种金属基薄膜热流微传感器及其制备方法。
背景技术
薄膜热流传感器属于热工类传感器，在汽车、热力、航空航天和能源等领域具有重要的应用价值。热流微传感器主要分为薄膜电偶式热流微传感器和薄膜电阻式热流微传感器，其中薄膜电偶式热流微传感器测量精度低，且需要冷端补偿，因此不适用于高精度的热流测量领域。电阻式热流微传感器具有更好的热流测量精度，但现有的电阻式热流微传感器多基于陶瓷材料制备。陶瓷与金属间巨大的热传导系数差异决定了其很难应用于金属结构上，因为测量过程中会存在严重的横向传热问题，导致其不适用于包含发动机壁面、飞行器表面或机床等金属结构上。
发明内容
为了实现在金属壁面上瞬时热流的高精度测量，解决传统热流传感器与被测结构件的横向传热问题，本发明提供了一种金属基薄膜热流微传感器，包括金属基底，其为柱状结构，具有两个端面，所述金属基底的端面与壁面连接处设有倒角；绝缘膜层，设置在所述金属基底的表面；热敏电阻，设置在所述金属基底的一个端面；热敏电阻引线，设置在所述金属基底的四个壁面；铂丝和铂浆，位于远离所述热敏电阻所在的金属基底端面的那侧，所述铂丝通过所述铂浆连接在所述热敏电阻引线的底部。
所述的一种金属基薄膜热流微传感器，所述金属基底为八棱柱结构，具有八个壁面；所述热敏电阻引线设置在所述金属基底互不相邻的四个壁面。
所述绝缘膜层为一种复合薄膜结构，由内到外依次包括粘接层、过渡层和绝缘层。
所述绝缘膜层的粘结层材质为NiCrAlY，过渡层材质为ZrO2，绝缘层材质为Al2O3。
所述金属基底还可以为四棱柱结构，具有四个壁面。
进一步的，所述金属基底的材料包括不锈钢、镍合金、或者航空铝材；
所述热敏电阻的薄膜材料为镍或者铂，所述热敏电阻通过磁控溅射或蒸镀的方式制备在所述金属基底的端面上。
本发明提供一种金属基薄膜热流微传感器的制备方法，包括以下步骤：
将金属基底材料加工成柱状结构，所述金属基底具有两个端面，将所述金属基底的端面与壁面连接处进行倒角；
通过磁控溅射的方式在所述金属基底的表面制备出绝缘膜层；
通过磁控溅射的方式在所述金属基底的端面和壁面制备出热敏电阻薄膜；
在所述金属基底的端面光刻出所需的热敏电阻；
在所述金属基底的四个壁面光刻出所需的热敏电阻引线；
在热敏电阻引线底部，通过铂浆将铂丝粘接在热敏电阻引线表面，引出电信号。
进一步的，所述制备方法还包括在金属基底端面和热敏电阻引线表面再溅射一层氧化铝绝缘层的步骤。
本发明的一个实施例中，所述将金属基底材料加工成柱状结构，所述金属基底具有两个端面，将所述金属基底的端面与壁面连接处进行倒角的步骤；具体为：将金属基底材料通过数控加工方式加工成八棱柱结构，并对金属基底表面进行抛光、氧化处理；
在所述金属基底的端面光刻出所需的热敏电阻的步骤，具体包括：
在所述金属基底的端面涂敷光刻胶；
通过光刻方法，去除多余的光刻胶，获得热敏图形；
采用离子束刻蚀的方法，对端面的薄膜进行轰击，去除多余的薄膜；
去除光刻胶，获得所需的热敏电阻；
在所述金属基底互不相邻的四个壁面光刻出所需的热敏电阻引线的步骤，具体包括：
在所述金属基底的互不相邻的四个壁面涂敷光刻胶；
通过光刻方法，去除壁面多余的光刻胶，获得热敏图形；
采用离子束刻蚀的方法，对壁面的薄膜进行轰击，去除多余的薄膜；
去除光刻胶，获得对应的热敏电阻引线。
本发明的另一个实施例中，所述将金属基底材料加工成柱状结构，所述金属基底具有两个端面，将所述金属基底的端面与壁面连接处进行倒角的步骤；具体为：将金属基底材料通过数控加工方式加工成四棱柱结构，并对金属基底表面进行抛光、氧化处理；
在所述金属基底的端面光刻出所需的热敏电阻的步骤，具体包括：
在所述金属基底的端面涂敷光刻胶；
通过光刻方法，去除多余的光刻胶，获得热敏图形；
采用离子束刻蚀的方法，对壁面的薄膜进行轰击，去除多余的薄膜；
去除光刻胶，获得所需的热敏电阻；
在所述金属基底的壁面光刻出所需的热敏电阻引线的步骤，具体包括：
在所述基底壁面的复合绝缘层上涂敷光刻胶；
通过光刻方法，去除多余的光刻胶，获得热敏图形；
采用离子束刻蚀的方法，对壁面的薄膜进行轰击，去除多余的薄膜；
去除光刻胶，获得对应的热敏电阻引线。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明通过采用金属材料为基底材料，相比较于传统的陶瓷材料，实现了降低基底与被测对象间横向传热所引起的测量误差，极大的提高测量精度和有效测量时间；2、相比较于现有的薄膜电阻式热流传感器，本发明通过采用四线制进行电阻测量，实现了更高精度测量，有效缓解引线连接处所引起的温度变化的情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的金属基薄膜热流微传感器示意图；
图2为本发明的八棱柱金属基底结构图；
图3为本发明的绝缘膜层结构图；
图4为本发明的热敏电阻结构图；
图5为本发明热敏电阻制备步骤；
图6为本发明热敏电阻的引线方式；
图7为本发明实施例二提供的金属基薄膜热流微传感器示意图；
附图中各标号的含义为：
1-金属基底；2-端面；3-倒角；4-绝缘膜层；5-热敏电阻；6-热敏电阻引线；7-铂丝；8-铂浆；10-壁面；11-粘接层；12-过渡层；13-绝缘层；14-热敏电阻薄膜；15-光刻胶。
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，所描述的实施例仅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。
请参见图1和图2，本发明实施例提供一种金属基薄膜热流微传感器，包括金属基底1，其为柱状结构，具有两个端面，所述金属基底的端面2与壁面10连接处设有倒角3；绝缘膜层4，设置在所述金属基底的表面；热敏电阻5，设置在所述金属基底的一个端面；热敏电阻引线6，设置在所述金属基底的四个壁面；铂丝7和铂浆8，位于远离所述热敏电阻所在的金属基底端面的那侧，所述铂丝通过所述铂浆连接在所述热敏电阻引线的底部。
本发明的一个实施例中金属基底为八棱柱结构，具有八个壁面；所述热敏电阻引线设置在所述金属基底互不相邻的四个壁面。
本发明的另一个实施例中金属基底为四棱柱结构，具有四个壁面；所述热敏电阻引线设置在所述金属基底的四个壁面。
请参照图3，所述绝缘膜层为一种复合薄膜结构，由内到外依次包括粘接层11、过渡层12和绝缘层13。
所述绝缘膜层的粘结层材质为NiCrAlY，过渡层材质为ZrO2，绝缘层材质为Al2O3。
进一步的，所述金属基底的材料包括不锈钢、镍合金、或者航空铝材；
所述热敏电阻的薄膜材料为镍或者铂，所述热敏电阻通过磁控溅射或蒸镀的方式制备在所述金属基底的端面上。
实施例一：
本实施例提供的一种金属基薄膜热流微传感器的制备方法，包括以下步骤：
将金属基底材料加工成八棱柱结构，所述金属基底具有两个端面，将所述金属基底的端面与壁面连接处进行倒角，并对金属基底表面进行抛光、氧化处理；
通过磁控溅射的方式在所述金属基底的表面制备出绝缘膜层；
通过磁控溅射的方式在所述金属基底的端面和壁面制备出热敏电阻薄膜；
在所述金属基底的端面光刻出所需的热敏电阻，具体包括：在所述金属基底的端面涂敷光刻胶；通过光刻方法，去除金属基底端面多余的光刻胶，获得热敏图形；采用离子束刻蚀的方法，对壁面的薄膜进行轰击，去除多余的薄膜；去除光刻胶，获得所需的热敏电阻。
在所述金属基底的互不相邻的四个壁面光刻出所需的热敏电阻引线，具体包括：在所述基底互不相邻的四个壁面的复合绝缘层上涂敷光刻胶；通过光过光刻方法，去除多余的光刻胶，获得热敏图形；采用离子束刻蚀的方法，对壁面的薄膜进行轰击，去除多余的薄膜；去除光刻胶，获得对应的热敏电阻引线。
在热敏电阻引线底部，通过铂浆将8铂丝7粘接在热敏电阻引线表面，引出电信号。
进一步的，所述制备方法还包括在金属基底端面和热敏电阻引线表面再溅射一层氧化铝绝缘层的步骤，保证传感器与被测结构间的电绝缘。
实施例二：
本实施例提供的另一种金属基薄膜热流微传感器的制备方法，包括以下步骤：
将所述金属基底材料加工成四棱柱状结构，如图7所示，所述金属基底具有两个端面，将所述金属基底的端面与壁面连接处进行倒角的步骤，并对金属基底表面进行抛光、氧化处理；
通过磁控溅射的方式在所述金属基底的表面制备出绝缘膜层；
通过磁控溅射的方式在所述金属基底的端面和壁面制备出热敏电阻薄膜；
在所述金属基底的端面光刻出所需的热敏电阻，具体包括：在所述金属基底的端面的复合绝缘层涂敷光刻胶；通过光刻方法，去除端面多余的光刻胶，获得热敏图形；采用离子束刻蚀的方法，对端面的薄膜进行轰击，去除多余的薄膜；去除光刻胶，获得所需的热敏电阻。
在所述金属基底的四个壁面光刻出所需的热敏电阻引线，具体包括：在所述金属基底壁面的复合绝缘层上涂敷光刻胶；通过光刻方法，去除壁面多余的光刻胶，获得热敏图形；采用离子束刻蚀的方法，对壁面的薄膜进行轰击，去除金属基底壁面多余的薄膜；去除光刻胶，获得对应的热敏电阻引线。
在热敏电阻引线底部，通过铂浆8将铂丝7粘接在热敏电阻引线6表面，引出电信号。
进一步的，所述制备方法还包括在金属基底端面和热敏电阻引线表面再溅射一层氧化铝绝缘层的步骤，保证传感器与被测结构间的电绝缘。
以上对本发明实施例公开的金属基薄膜热流微传感器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的便携式保暖装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种金属基薄膜热流微传感器，其特征在于，包括
金属基底，其为柱状结构，具有两个端面，所述金属基底的端面与壁面连接处设有倒角；
绝缘膜层，设置在所述金属基底的表面；
热敏电阻，设置在所述金属基底的一个端面；
热敏电阻引线，设置在所述金属基底的四个壁面；
铂丝和铂浆，位于远离所述热敏电阻所在的金属基底端面的那侧，所述铂丝通过所述铂浆连接在所述热敏电阻引线的底部。
2.根据权利要求1所述的一种金属基薄膜热流微传感器，其特征在于，
所述金属基底为八棱柱结构，具有八个壁面；
所述热敏电阻引线设置在所述金属基底互不相邻的四个壁面。
3.根据权利要求2所述的一种金属基薄膜热流微传感器，其特征在于，
所述绝缘膜层为一种复合薄膜结构，由内到外依次包括粘接层、过渡层和绝缘层。
4.根据权利要求3所述的一种金属基薄膜热流微传感器，其特征在于，
所述绝缘膜层的粘结层材质为NiCrAlY，过渡层材质为ZrO2，绝缘层材质为Al2O3。
5.根据权利要求1所述的一种金属基薄膜热流微传感器，其特征在于，所述金属基底为四棱柱结构，具有四个壁面。
6.根据权利要求1所述的一种金属基薄膜热流微传感器，其特征在于：所述金属基底的材料包括不锈钢、镍合金、或者航空铝材；
所述热敏电阻的薄膜材料为镍或者铂，所述热敏电阻通过磁控溅射或蒸镀的方式制备在所述金属基底的端面上。
7.一种金属基薄膜热流微传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将金属基底材料加工成柱状结构，所述金属基底具有两个端面，将所述金属基底的端面与壁面连接处进行倒角；
通过磁控溅射的方式在所述金属基底的表面制备出绝缘膜层；
通过磁控溅射或镀膜的方式在所述金属基底的端面和壁面制备出热敏电阻薄膜；
在所述金属基底的端面光刻出所需的热敏电阻；
在所述金属基底的四个壁面光刻出所需的热敏电阻引线；
在热敏电阻引线底部，通过铂浆将铂丝粘接在热敏电阻引线表面，引出电信号。
8.根据权利要求7所述的一种金属基薄膜热流微传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在金属基底端面和热敏电阻引线表面再溅射一层氧化铝绝缘层的步骤。
9.根据权利要求8所述的一种金属基薄膜热流微传感器的制备方法，其特征在于，所述将金属基底材料加工成柱状结构，所述金属基底具有两个端面，将所述金属基底的端面与壁面连接处进行倒角的步骤；具体为：将金属基底材料通过数控加工方式加工成八棱柱结构，并对金属基底表面进行抛光、氧化处理。
10.根据权利要求9所述的一种金属基薄膜热流微传感器的制备方法，其特征在于，在所述金属基底的端面制备所需的热敏电阻的步骤，具体包括：
在所述金属基底端面的复合绝缘层上涂敷光刻胶；
通过光刻方法，去除端面多余的光刻胶，获得热敏图形；
采用离子束刻蚀的方法，对端面的薄膜进行轰击，去除多余的薄膜；
去除光刻胶，获得所需的热敏电阻；
在所述金属基底壁面光刻出所需的热敏电阻引线的步骤，具体包括：
在所述基底壁面的复合绝缘层上涂敷光刻胶；
通过光刻方法，去除壁面多余的光刻胶，获得热敏图形；
采用离子束刻蚀的方法，对壁面的薄膜进行轰击，去除多余的薄膜；
去除光刻胶，获得对应的热敏电阻引线。
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