CN115265818A - 一种薄膜热电堆型热流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜热电堆型热流传感器，铜薄膜层与康铜薄膜层搭接形成热电堆的节点，节点的一侧设置有二氧化硅热阻层，铜薄膜层与康铜薄膜层通过侧壁延伸至棒底端并引出，铜薄膜层康铜薄膜层通过磁控溅射制备并掩模形成热电堆阵列，二氧化硅热阻层通过溶胶凝胶法在圆柱形棒前端面进行制备，能够实现变温流场环境下的瞬时热流测量，制备封装方法简单，便于安装使用，且成本较低，可应用于液压系统、化学反应釜等多场景测热流。

Description

一种薄膜热电堆型热流传感器

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种薄膜热电堆型热流传感器。

背景技术

热流传感器因其结构简单、测热通量精度高等优点广泛应用于工业制造、生产生活等领域。随着微机电系统技术的发展，传统热流传感器的二维薄膜化使得体积小，响应快的薄膜热流传感器的研究得到了广泛的研究。

当前薄膜热流传感器的制备主要基于平面薄膜沉积工艺，具有结构简单、薄膜均匀性好等优势。然而平面型的薄膜热电偶难以满足微型化、安装方便等实际应用需求。现有利用曲面成膜技术将薄膜沉积与圆柱型基底的侧面与端面，发明出薄膜热电堆型热流传感器，该类型热传感器较好地解决了传统平面热流传感器安装使用不方便的难题。制备过程采用磁控溅射掩模制备出铜-康铜热电堆，此方法具有成膜速度快，质量高的优势，同时，用溶胶凝胶法制备热阻层，显著提高了热阻层的厚度，有助于提高热流传感器的电压输出，相比较于块状热阻层，其对热流场干扰小，热流传感器响应快。

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，提供一种薄膜热电堆型热流传感器，用于解决同类型传感器安装方式单一，成本较高，难以适应复杂工业测温环境的技术问题。

本发明采用以下技术方案：

一种薄膜热电堆型热流传感器，包括本体，本体的上端面阵列设置有薄膜热电堆，薄膜热电堆沿本体的侧壁延伸至本体的下端面并引出，薄膜热电堆的节点一侧设置有热阻层。

具体的，薄膜热电堆至少包括10对热电偶。

具体的，薄膜热电堆包括第一薄膜层和第二薄膜层，第一薄膜层与第二薄膜层搭接形成薄膜热电堆的节点。

进一步的，第一薄膜层和第二薄膜层的厚度为0.5～1μm。

进一步的，第一薄膜层为铜材料经磁控溅射制备并掩模成形，第二薄膜层为康铜材料经磁控溅射制备并掩模成形。

具体的，本体为圆柱形棒状结构。

进一步的，本体的前端面设置有倒角。

更进一步的，倒角的半径为0.2～0.5mm。

具体的，本体的下端表面设置有螺纹。

具体的，热阻层的厚度为10～20μm。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种薄膜热电堆型热流传感器，基于热电堆阵列原理，将薄膜热电堆阵列设置在本体的上端面，并沿本体侧壁延伸至本体的下端面并引出，能够实现变温流场环境下的瞬时热流测量，制备封装方法简单，便于安装使用，且成本较低，通过溶胶凝胶法的节点处制备热阻层，将结构通过小孔安装在被测件中，其顶部敏感部位与壁面平齐，本体其余部分隐藏在被测件的壁面，由于在温度场中占有的空间较小，可减小传感器对温度场的干扰，可应用于液压系统等多场景测热流。

进一步的，设置至少10对串联热电偶。热电偶串联的对数越多，热电堆的热电势输出越大，测量精度越高，热电堆的线宽取决与串联的热电偶的个数与圆柱形棒的前端面面积。

进一步的，第一薄膜层与第二薄膜层搭接形成薄膜热电堆的节点，形成热电偶结构，根据塞贝克效应，在热流的作用下，产生输出电动势，而热流密度越大，输出电动势越大，通过测量输出电压的大小，进而可以得到热流值。

进一步的，为了保证薄膜层在高温下的服役性能，薄膜有一定的厚度要求，避免薄膜层太薄而失效，薄膜太厚会增大传感器的响应时间，因此第一薄膜层和第二薄膜层的厚度均范围设置为0.5～1μm。

进一步的，第一薄膜层为铜材料经磁控溅射制备并掩模成形，第二薄膜层为康铜材料经磁控溅射制备并掩模成形，将热流信号引出至信号采集电路，采用磁控溅射法制备热电堆，成膜速度快、质量高，有利于提高热流传感器的测量精度。

进一步的，本体为圆柱形棒状结构，其底部有螺纹，设置为圆柱体，方便本体的加工与在被测件中的安装。

进一步的，圆柱形棒前端面的倒角能够避免测温时由于应力集中造成传感器结构的损坏，同时有利于镀膜的连续性。

进一步的，顶部倒角的设置有利于薄膜的连续性，避免薄膜断裂，同时减小本体的应力集中，去除顶部的加工毛刺。

进一步的，本体下端面加工有螺纹，用于安装传感器。

进一步的，热阻层为二氧化硅，因为其耐温高，且导热系数小，由于形成较大的温度梯度，采用溶胶凝胶法制备的热阻层，膜的厚度大，分布均匀的特点，有利于提高传感器热电势输出。

综上所述，本发明能够实现变温流场环境下的瞬时热流测量，制备封装方法简单，便于安装使用，且成本低。

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为本发明的斜二测结构示意图；

图2为本发明的正视结构示意图；

图3为本发明的俯视结构示意图；

图4为薄膜热电堆型热流传感器对热流的输出电压示意图。

其中：1.本体；2.第一薄膜层；3.第二薄膜层；4.热阻层。

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，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。

本发明提供了一种薄膜热电堆型热流传感器，铜薄膜层与康铜薄膜层搭接形成热电堆的节点，节点的一侧设置有二氧化硅热阻层，铜薄膜层与康铜薄膜层通过侧壁延伸至棒底端并引出，铜薄膜层康铜薄膜层通过磁控溅射制备并掩模形成热电堆阵列，二氧化硅热阻层通过溶胶凝胶法在圆柱形棒前端面进行制备，能够实现变温流场环境下的瞬时热流测量，制备封装方法简单，便于安装使用，且成本较低，可应用于液压系统、化学反应釜等多场景测热流。

请参阅图1和图2，本发明一种薄膜热电堆型热流传感器，包括本体1、第一薄膜层2、第二薄膜层3和热阻层4。

其中，本体1的前端面设置有薄膜热电堆，薄膜热电堆为阵列化结构，包括第一薄膜层2和第二薄膜层3，第一薄膜层2与第二薄膜层3通过串联形式搭接形成薄膜热电堆的节点，节点的一侧设置有热阻层4，第一薄膜层2和第二薄膜层3分别通过侧壁延伸至本体1的底端并引出。

薄膜热电堆至少包括10对热电偶。

本体1的前端面设置有半径0.2～0.5mm的倒角，第一薄膜层2和第二薄膜层3的厚度均为0.5～1μm。

请参阅图2和图3，本体1为圆柱形棒状结构，采用氧化铝、耐高温塑料或陶瓷材料制备而成，为传感器的基底材料，氧化铝、耐高温塑料或陶瓷材料耐高温，具有优异的热机械稳定性与电器绝缘性，保证传感器高温环境下稳定工作。

薄膜热电堆与热阻层4附着于本体1的上端面，本体1的下面加工有螺纹，用于安装传感器。

第一薄膜层2是薄膜热电堆的一个电极，采用铜材料经磁控溅射制备并掩模成形。

第二薄膜层3是薄膜热电堆的另一个电极，采用康铜材料，包括质量分数55％的铜和45％的镍，采用磁控溅射制备并掩模成形。

热阻层4采用二氧化硅材料，通过溶胶凝胶法制备而成。

热阻层4的厚度为10～20μm。

热流传感器仅本体前端紧贴热流场的壁面，其余部分隐藏在壁面内部，对热流场的干扰小，其对热流测量的灵敏度达0.015μV/(W/m²)以上。

本发明一种薄膜热电堆型热流传感器的工作原理具体如下：

热流通过热辐射、热对流或者热传导等方式传递至热流传感器的敏感单元上，由于有热阻层4的存在，被热阻层4覆盖的区域温度较低，未被热阻层4覆盖的区域温度较高，被热阻层4覆盖的薄膜热电堆的节点温度较低，未被覆盖的节点温度较高，根据塞贝克效应，回路中产生温差热电势，虽然温差较小，但由于薄膜热电堆串联的个数多，提高输出电压值；当热流值增大时，被覆盖的节点与未被覆盖节点的温差进一步加大，温差电动势增大，传感器输出增大，对传感器进行标定，可以根据传感器的输出值换算出热流值的大小。

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。

请参阅图4，在热流从0升至10000W/m²时，薄膜热电堆型热流传感器的输出从50μV提高至200μV，薄膜热电堆型热流传感器对热流具有显著的敏感性，传感器线性度高，同时由于其为棒状结构，可以通过螺纹安装至壁面上，使用方便。

表1热流计测试数据表

热流值(W/m<sup>2</sup>)	传感器输出电压μV
		124.07	60
521.09	70
		1153.85	80
1687.34	90
		2258.06	100
2878.41	110
		3473.95	120
4069.48	130
		4875.93	140
5372.21	150
		6029.78	160
6550.87	170
		7245.66	180
7965.26	190
		9143.92	200

热流计的测量数据如上表所示，随着热流值大小的增加，传感器的输出电压逐渐增大，通过测量输出电压可用来表征热流值的大小，其对热流测量的灵敏度达0.015μV/(W/m²)以上。

在液压系统或化学反应釜的壁面加工一螺纹孔，将热流传感器通过螺纹紧固在壁面，其前端面与液压系统或化学反应釜的内壁面平齐，引线通过孔引出，利用密封圈等进行孔的密封，防止液压油或反应试剂的泄漏。

综上所述，本发明一种薄膜热电堆型热流传感器，薄膜热电堆型热流传感器能够实现变温流场环境下的瞬时热流测量，制备封装方法简单，便于安装使用，且成本较低，可应用于液压系统、化学反应釜等多场景测热流。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种薄膜热电堆型热流传感器，其特征在于，包括本体(1)，本体(1)的上端面阵列设置有薄膜热电堆，薄膜热电堆沿本体(1)的侧壁延伸至本体(1)的下端面并引出，薄膜热电堆的节点一侧设置有热阻层(4)。

2.根据权利要求1所述的薄膜热电堆型热流传感器，其特征在于，薄膜热电堆至少包括10对热电偶。

3.根据权利要求1所述的薄膜热电堆型热流传感器，其特征在于，薄膜热电堆包括第一薄膜层(2)和第二薄膜层(3)，第一薄膜层(2)与第二薄膜层(3)搭接形成薄膜热电堆的节点。

4.根据权利要求3所述的薄膜热电堆型热流传感器，其特征在于，第一薄膜层(2)和第二薄膜层(3)的厚度为0.5～1μm。

5.根据权利要求3所述的薄膜热电堆型热流传感器，其特征在于，第一薄膜层(2)为铜材料经磁控溅射制备并掩模成形，第二薄膜层(3)为康铜材料经磁控溅射制备并掩模成形。

6.根据权利要求1所述的薄膜热电堆型热流传感器，其特征在于，本体(1)为圆柱形棒状结构。

7.根据权利要求6所述的薄膜热电堆型热流传感器，其特征在于，本体(1)的前端面设置有倒角。

8.根据权利要求7所述的薄膜热电堆型热流传感器，其特征在于，倒角的半径为0.2～0.5mm。

9.根据权利要求1所述的薄膜热电堆型热流传感器，其特征在于，本体(1)的下端表面设置有螺纹。

10.根据权利要求1所述的薄膜热电堆型热流传感器，其特征在于，热阻层(4)的厚度为10～20μm。

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