CN117871027B - 一种柱状热流传感器及其阵列化制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种柱状热流传感器及其阵列化制备方法，属于传感器微纳制造领域。首先采用阵列化夹持机构对同种柱状传感器进行夹持，通过激光定位方法，确保柱状传感器的通孔排向统一，且上下端面平齐。其次利用通孔填充技术对柱状传感器的传感器信号引出通孔进行金属浆料填充，并进行金属化高温烧结。再对柱状传感器端面进行一体化打磨抛光，保证端面平整性，并对柱状传感器的底端采用四线法引线完成柱状传感器整体封装。然后对传感器敏感图案实现图案化设计，最后在打磨光滑的传感器镀膜端面进行金属薄膜制备形成传感器敏感图案，并对柱状传感器进行老化处理，完成柱状传感器的阵列化制备。本发明方法简单高效，准确性好，适应范围广。

Description

一种柱状热流传感器及其阵列化制备方法

技术领域

本发明属于传感器微纳制造技术领域，具体涉及一种柱状热流传感器及其阵列化制备方法。

背景技术

近年来，随着超高速飞行器的迅猛发展，激波风洞试验在航空航天重大装备的设计和安全可靠性方面，起着愈发重要的作用，而对各项数据的监测也变得愈发重要，尤其对飞行器在极端工况下的结构热检测以及构建机体的整体热场，对热流的监测提出了更高要求。目前对热流的监测主要依赖于热流传感器，而热流传感器以贴片和柱状两种为目前主流形式。目前贴片式的传感器往往难以安装在风洞等狭长空间内，并且由于存在保护装置以及后端引线容易对被测环境的流场产生干扰。柱状热流传感器，由于其长径比大，固有频率高，响应速度快并且不会对被测环境产生影响等特点，被广泛用于狭长不易深入的场所内使用，在制备时，由于传感器镀膜端面所需敏感图案成膜面积小，因此广泛使用MEMS（Micro Electromechanical System，微机电系统）工艺设计加工敏感图案。MEMS工艺优势在于其尺度小，在微米到毫米的尺寸范围内，可以实现高度集成和小型化设计；性能优越，MEMS工艺加工出的敏感图案具有高灵敏度、高精度和响应速度快等特点；可靠性强，MEMS工艺加工出的敏感图案稳定性强，抗干扰能力强，对被测环境影响小。MEMS目前被广泛应用于传感、控制、执行等诸多应用领域。其中对于敏感图案的制备工艺以薄膜磁控溅射技术为主要加工工艺，磁控溅射技术是利用等离子体对目标材料靶材进行轰击，在合适的真空度、温度等条件下，能够沉积得到稳定的材料薄膜，由于溅射沉积厚度较为均匀，方便控制，成膜质量高，工艺稳定，是目前较为主流的传感器制备工艺。

柱状薄膜热流传感器根据原理主要分为电阻式和电偶式，而电阻式因其更高的响应速度、灵敏度，能够满足激波风洞等短时高强度风洞热流监测需求，从而得到广泛应用。电阻式薄膜热流传感器的测量原理是基于金属的电阻阻值和温度之间的线性关系，其中/>为热流传感器的电阻温度系数，/>为实验前热流传感器的阻值，/>为热流传感器的阻值变化，T为温度。在热流传感器两端加载恒定的电流，即在其两端加载了恒定的电压，当温度发生变化时，热流传感器的阻值会随之变化，使其两端电压发生变化，通过测量电压变化来测量阻值的变化，从而得到被测流场的温度，式中/>表示温度变化前热流传感器两端的电压、/>表示温度变化后热流传感器两端的电压。

电阻式薄膜热流传感器的理论传热模型为一维半无限体热传导模型。基于此传热模型需要满足如下假设：金属薄膜厚度很薄，与基底厚度相比可以忽略，其吸收的热量可以忽略不计，其温度可以认为就是热流传感器表面的温度；在实验时间内，热量传入基底厚度很浅，基底的厚度可以被认为是半无限体；沿热流传感器表面反向的温度梯度远小于垂直于表面方向的温度梯度，热传导可以看作为一维。满足上述假设条件，热流传感器的传热可以看成是基于一维半无限体热传导理论，通过下列电压-热流转换公式实现电压信号时间历程向热流密度时间历程的转换：

；

根据测量得到的电压值可以计算出瞬态热流值，式中为热流，/>为热流传感器两端的初始电压，/>为/>时刻热流传感器两端的电压，/>为热流传感器的电阻温度系数，/>为传感器的集热总参数；/>为输出电压与时间的关系，为实验测试所得数据。

现有柱状热流传感器封装引线的制作方法是在传感器敏感图案两端即柱外引线的方式进行银浆或铂液描涂，或者采用真空镀膜形成柱外引线。其中描涂银浆或铂液法是指将含有银或铂等微粒的悬浮液体直接描涂在薄膜传感器敏感图案和柱状热流传感器侧面，再经过烘烤固化成形。描涂方法比较简单，可以用高级精细画笔、毛笔、绘图鸭嘴笔和针等进行描涂，但是柱外引线的传感器存在着引线厚度和线宽难以控制，难以批量化制备，传感器之间的精度差异难以控制，在具体安装时容易与模型安装孔短路，并且需要额外的绝缘防护等诸多问题。柱内引线是引线通过传感器内部进行信号传输，柱内引线的方式不仅使得传感器整体结构更加紧凑，并且具有良好的绝缘性能，在安装时无需进行额外绝缘防护，安装简单，可靠性更强。但其加工难度较大，对制备工艺和方法要求更高。

由于溅射区域的局限性，以及对溅射时间、真空度等条件的把控等原因，多批次溅射的传感器敏感图案厚度难以保证完全一致，极易产生制造误差，并且在很大程度上会影响传感器的精度与寿命，这对传感器的工艺稳定性以及批量化制备都带来了不小的麻烦。而柱状热流传感器由于其长径比大，敏感区域范围狭窄，存在着敏感图案难以加工，并且往往只能单个传感器进行制备的问题，在加工工艺上刷涂金属颗粒液体等也难以保证均匀性。且采用磁控溅射制备敏感层时存在着夹持困难，难以批量制备等问题，所以急需进行解决。

专利公开公告号为CN104458191A的中国专利“微型薄膜铂电阻热流传感器及其制造方法”，该方法利用离子束沉积的方法进行金属薄膜制备，再采用激光加工对金属薄膜加工修剪，满足了小尺寸柱状热流传感器的制备要求，但是敏感图案较为简单，传感器绝缘性能差，并且不能阵列化制备。所以针对上述技术问题，急需研究一种柱状热流传感器的阵列化制备方法来满足工业对传感器的需求。

发明内容

本发明针对现有制备柱状薄膜传感器的不足，发明了一种柱状热流传感器及其阵列化制备方法。该制备方法采用先封装，再固定，最后制备的方式，利用具有阵列化夹持层和夹具的阵列化夹持机构对柱状热流传感器进行阵列化固定与夹持，利用通孔填充技术对柱状热流传感器进行柱内引线，同时利用薄膜沉积的区域性，一次薄膜沉积就能进行批量、阵列化制备柱状薄膜传感器，保证传感器敏感图案的一次性成型，解决了柱状热流传感器难以批量化、阵列化制备的难题，提高了生产效率，降低了传感器之间的分散性，保证了传感器的精度要求，减少了传感器制备多环节导致的精度误差。

本发明采用的技术方案：

本发明一方面提供一种柱状热流传感器的阵列化制备方法，首先采用阵列化夹持机构对同种的柱状热流传感器进行夹持，通过激光定位方法，选取直径与传感器信号引出通孔孔径一致并准确固定好位置的激光束照射传感器信号引出通孔，确保柱状热流传感器的传感器信号引出通孔排向统一，再通过激光水平仪保证柱状热流传感器的上下端面平齐。其次利用通孔填充技术对柱状热流传感器的传感器信号引出通孔进行金属浆料填充，并进行金属化高温烧结。再对柱状热流传感器的端面进行一体化打磨抛光，保证端面平整性，并对柱状热流传感器的底端采用四线法引线完成柱状热流传感器的整体封装。然后对传感器敏感图案实现图案化设计，最后在打磨光滑的传感器镀膜端面进行金属薄膜制备形成传感器敏感图案，并对柱状热流传感器进行老化处理，完成柱状热流传感器的阵列化制备。具体步骤如下：

步骤S1：将柱状热流传感器装入阵列化夹持机构上的阵列化夹持层通孔中，所述的柱状热流传感器的形状相同，且轴向开设两个通孔作为传感器信号引出通孔。通过激光定位方法，选取激光束直径与传感器信号引出通孔的孔径一致并准确固定好位置的激光束照射传感器信号引出通孔，激光能够完全穿过定位准确的柱状热流传感器的传感器信号引出通孔，从而确保传感器信号引出通孔排向相同，再通过激光水平仪保证所有的柱状热流传感器的上、下端面平齐，通过阵列化夹持机构上的夹具固定柱状热流传感器。所述的阵列化夹持机构包括阵列化夹持层和夹具，阵列化夹持层上开设阵列化夹持层通孔，所述的夹具位于阵列化夹持层下方，与阵列化夹持层通孔同轴定位并阵列化排布。

进一步地，夹具的夹持范围与柱状热流传感器的直径大小一致，采用紧缩弹簧固定方式进行紧固固定，夹具与阵列化夹持层采用螺栓连接方式连接。

进一步地，阵列化夹持层通孔的孔径与柱状热流传感器的直径相等，优选为：直径范围2mm~10mm。误差为+0.05mm~+0.1mm。

进一步地，柱状热流传感器的材质采用稳态性能好，耐温性强、易加工的绝缘硬质材料，优选为：二氧化硅、氧化铝陶瓷等。

进一步地，阵列化夹持层选取等耐高温、加工性好、导电性强的金属材料，优选为：高温合金、不锈钢等。

步骤S2：采用通孔填充技术对传感器信号引出通孔进行金属浆料填充，将填充完毕的柱状热流传感器放入高温炉中进行金属化高温烧结，保证传感器信号引出通孔完全金属化。

进一步地，填充的金属浆料需要保证均匀、无空隙及气泡等缺陷。

进一步地，通孔填充技术为电射流沉积技术或者针孔注射泵等技术。

进一步地，金属浆料选取耐高温、导电性好、易高温金属化成形的金属，优选为：金、铂、银等。

进一步地，所述金属化高温烧结为加压原位退火或真空烧结，金属化高温烧结的温度为600℃~900℃，金属化高温烧结的保温时间为0.5h~2h。

步骤S3：对完全金属化的传感器镀膜端面进行打磨抛光，保证传感器镀膜端面平整，水平度高且粗糙度均一致。

进一步地，打磨抛光的方式为利用化学机械抛光机等进行打磨抛光，打磨抛光后要求传感器镀膜端面的粗糙度为50nm以下。

步骤S4：对柱状热流传感器进行引线封装，对柱状热流传感器的信号引出端的信号引出线进行四线法封装。

进一步地，采用焊接、紧压套管等方式牢固封装信号引出线，信号引出线选用电阻低，信号传输快、能耐较高温度（50℃~200℃）的高温导线，优选为：多股镀银铜线、多股铁氟龙导线。

步骤S5：设计传感器敏感图案的形状，要求传感器敏感图案对传感器信号引出通孔的截面所在区域完全覆盖，且在传感器敏感图案中两个传感器信号引出通孔的截面所在区域之间需要均匀连接，保证信号连接稳定性。采用定位技术，在光刻胶覆膜、硬掩模遮盖、丝网印刷等薄膜图案化技术基础上实现传感器敏感图案与传感器信号引出通孔在传感器镀膜端面上的位置的定位对准。

进一步地，定位技术采用激光标识定位方法或定位元件定位方法等。激光标识定位方法采用激光打标机在传感器镀膜端面和传感器敏感图案上分别设置定位标识的方式，对准时将两定位标识对准即定位准确。

步骤S6：在传感器镀膜端面制备与定位好的传感器敏感图案对应的金属薄膜。利用金属薄膜对于信号的灵敏响应，用于敏感信号的捕捉，完成阵列化传感器敏感图案的制备。

进一步地，金属薄膜的材料选取对温度、热流、应变等某一信号具有灵敏电阻变化响应的金属，如镍、铂、银等；金属薄膜电阻为20Ω-50Ω，传感器间电阻差异为±0.1Ω，金属薄膜厚度为200nm-800nm。

进一步地，金属薄膜的制备采用磁控溅射、原子层沉积、电子束蒸发方式。

步骤S7：利用信号引出线对柱状热流传感器进行额定电流的通电老化处理，老化完毕后完成柱状热流传感器的阵列化制备。

进一步地，通电老化的额定电流范围为5mA-20mA。通电老化时间为4h-12h。

本发明另一方面提供由上述方法制备得到的柱状热流传感器。

本发明与现有技术相比的有益效果：本发明的柱状热流传感器的制备方法，采用柱内引线的方式先对柱状热流传感器的传感器信号引出通孔进行通孔金属化，柱内引线的方式能够较大幅度提升敏感信号引出的稳定性，使得柱状热流传感器整体结构更加紧凑，而且两通孔间绝缘性能良好，无需额外的绝缘保护工艺，信号传输抗干扰能力强。再对柱状热流传感器整体封装，柱状热流传感器通过阵列化夹持机构以及相应夹具阵列化排布，采用定位技术保证传感器镀膜端面定位准确，采用图案化技术设计传感器敏感图案并采用薄膜沉积工艺实现柱状热流传感器敏感图案的批量化制备。该方法克服了柱状热流传感器难以阵列化批量制备、一致性差的问题，实现了多个柱状热流传感器同时制备，保证了柱状热流传感器制备工艺的稳定性，减小了柱状热流传感器间的分散性，方法简单高效，准确性好，适应范围广。

附图说明

图1是柱状热流传感器阵列化制备方法制备流程图；

图2是柱状热流传感器阵列化夹持机构与传感器阵列化定位与夹持示意图；

图中：1-阵列化夹持层；2-1-阵列化夹持层通孔；2-柱状热流传感器；

图3是柱状热流传感器结构示意图；

图中：3-传感器镀膜端面；4-传感器信号引出通孔；5-信号引出线；

6-传感器敏感图案；

图4是实施例1中使用电射流沉积进行通孔金属化示意图；

图中：7-控制电脑；8-微距摄像机；9-高压脉冲电源；10-金属浆料；11-电射流沉积喷头；12-金属浆料射流；

图5是实施例2中使用针孔注射泵进行通孔金属化示意图；

图中：10-金属浆料；13针孔注射活塞；14-传感器已填充通孔；

图6是实施例1铂金属S形硬掩模遮盖层实物图与S形敏感图案放大图；

图7是实施例1铂金属S形敏感图案镀膜效果实物图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步的解释和说明。

实施例1针对圆柱状S形结构薄膜传感器的实施例：

如图1所示，利用本发明所述方法采用硬掩模遮盖方式制备铂金属柱状薄膜传感器的方法如下：

步骤S1：柱状热流传感器2的结构示意图如图3所示，首先选取柱状热流传感器2材料，选用99%氧化铝并开有两个传感器信号引出通孔4的陶瓷柱，长15mm，直径2mm，孔径0.2mm，两个传感器信号引出通孔4的间距1mm。对传感器镀膜端面3进行打磨抛光，保证传感器镀膜端面3平整，先后使用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10min，之后进行烘干处理，保证传感器镀膜端面3洁净无污染。

柱状热流传感器2的阵列化夹持机构与传感器阵列化定位与夹持示意图如图2所示，将柱状热流传感器2批量、依次、准确装入阵列化夹持层通孔2-1中并阵列化排布，依次通过夹持范围为2mm的弹簧夹具牢固可靠固定柱状热流传感器2在阵列化夹持层通孔2-1内，弹簧夹具与阵列化夹持层1通过螺栓方式固定，采用紫外固化胶等牢固且易去除的粘接胶剂对阵列化夹持层通孔2-1内壁与柱状热流传感器2进行黏附粘接，去除加工精度导致的柱状热流传感器位置误差并保证柱状热流传感器制备过程可靠不脱落，通过激光定位方法，选取激光束直径与传感器信号引出通孔4的孔径一致并准确固定好位置的激光束照射传感器信号引出通孔4，保证柱状热流传感器2的传感器信号引出通孔4排向相同，采用激光水平仪保证传感器镀膜端面3与阵列化夹持层1上表面平齐、所有柱状热流传感器2的下端面平齐。阵列化夹持层1的材质为不锈钢。

步骤S2：采用电射流沉积的通孔填充技术对传感器信号引出通孔4进行金属浆料填充（如图4所示），选取铂浆黏度为，通过控制电脑7设置高压脉冲电源9信号，使得金属浆料10在脉冲电压信号激发的电场力作用下通过电射流沉积喷头11形成稳定的金属浆料射流12，通过微距摄像机8观察金属浆料射流12，电射流沉积保证金属浆料射流12对传感器信号引出通孔4进行均匀、缓慢填充，保证无气泡、空隙等缺陷。将填充完毕的柱状热流传感器放入高温炉中进行金属化高温烧结，在空气组分下进行800℃保温1h的高温烧结，保证通孔完全金属化。

步骤S3：对完全金属化后的传感器镀膜端面3进行打磨抛光，利用化学机械抛光机进行打磨抛光，抛光液选取为氧化铝酸性抛光液，转速1200r/min。保证端面粗糙一致，通孔完整光滑，保证端面水平度，端面粗糙度控制为40nm。

步骤S4：对柱状热流传感器2进行引线封装，对传感器信号引出通孔4底端进行四线法封装，采用焊接方式在传感器信号引出通孔4底端进行封装引线，信号引出线5选取高温镀银铜线并进行长距离引出。

步骤S5：采用硬掩模遮盖方式对传感器敏感图案6进行图案化设计，定制硬掩模遮盖材料选取为厚度2mm的不锈钢，定制具体形状为S形回弯设计，线宽150μm并在S形两端扩增直径3mm圆形区域保证传感器敏感图案6覆盖传感器信号引出通孔4的截面所在区域，通过线切割或激光切割等方式加工出阵列化S形图案，通过在阵列化夹持层1的基础上再覆盖S形硬掩模遮盖层实现图案化，并通过硬掩模遮盖层和阵列化夹持层1一次成型加工定位销孔的方式，通过定位销的定位方式保证传感器敏感图案6与传感器信号引出通孔4的截面所在区域位置准确对准。

步骤S6：采用直流磁控溅射制备金属铂薄膜，通过硬掩模遮盖层在传感器镀膜端面3形成S形的与传感器敏感图案6对应的金属薄膜，工作压力0.5Pa，氩气流通量为20sccm，采用直流溅射，正式溅射480s，溅射厚度500nm。将溅射完毕的整体结构从真空腔体中取出，将定位销取出，将硬掩模遮盖层取下，依次将柱状热流传感器2取出，完成金属薄膜阵列化制备。

步骤S7：对柱状热流传感器2进行通电老化处理，选取电流5mA，通电时长8h。完成柱状热流传感器2的阵列化制备。如图6是实施例1铂金属S形硬掩模遮盖层实物图与S形敏感图案放大图。图7是实施例1铂金属S形敏感图案镀膜效果实物图。

实施例1制得的柱状热流传感器2的具体使用步骤：

步骤1：检验柱状热流传感器2电阻：采用万用表欧姆档模式测量，连接柱状热流传感器2的其中两根信号引出线5，读取电阻示数；继续测量另外两根信号引出线5，读取电阻示数。将测量电阻与柱状热流传感器2初始电阻对比。

步骤2：连接恒流源：将柱状热流传感器2的两根信号引出线5分别连接恒流源两端引线，形成完整电流回路，设置电流5mA。

步骤3：连接万用表：将柱状热流传感器2的另外两根信号引出线5分别连接万用表两端引线，形成完整回路，测量电压值。

步骤4：设备检测：开启恒流源，查看电压表示数，观察通电后变化是否稳定，稳定后可进行测量。

步骤5：开始测量，记录电压数据。

步骤6：数据处理：

由于金属薄膜的电阻值和温度成近似线性关系，因此通过测量金属薄膜阻值的变化即可测量温度的变化。通过电压-热流转换公式实现电压信号时间历程向热流密度时间历程的转换：

；

将电压数据输出，导入公式，输出热流值。

实施例2针对方形丝栅结构柱状热流传感器的实施例：

如图1所示，利用本发明所述方法采用丝网印刷方式制备铂和铂铑金属柱状薄膜传感器的方法如下：

步骤S1：柱状热流传感器2的结构示意图如图3所示，首先选取柱状热流传感器2材料，选用99%氧化铝并开有两个传感器信号引出通孔4的陶瓷柱，方形丝栅结构柱状热流传感器的截面尺寸长8mm，宽8mm，柱体高20mm，孔径1mm，双通孔间距3mm。对传感器镀膜端面3进行打磨抛光，保证传感器镀膜端面3平整，先后使用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10min，之后进行烘干处理，保证传感器镀膜端面3洁净无污染。

柱状热流传感器2的阵列化夹持机构与传感器阵列化定位与夹持示意图如图2所示，将柱状热流传感器2批量、依次、准确装入阵列化夹持层通孔2-1中并阵列化排布，依次通过夹持范围为8mm的弹簧夹具牢固可靠固定柱状热流传感器2在通孔内，弹簧夹具与阵列化夹持层1通过螺栓方式固定，采用紫外固化胶等牢固且易去除的粘接胶剂对阵列化夹持层通孔2-1内壁与柱状热流传感器2进行黏附粘接，去除加工精度导致的柱状热流传感器位置误差并保证柱状热流传感器制备过程可靠不脱落，通过激光定位方法，选取激光束直径与传感器信号引出通孔4的孔径一致并准确固定好位置的激光束照射传感器信号引出通孔4，保证柱状热流传感器2的传感器信号引出通孔4排向相同，采用激光水平仪保证传感器镀膜端面3与阵列化夹持层1上表面平齐、所有柱状热流传感器2的下端面平齐。阵列化夹持层的材质为不锈钢。

步骤S2：采用针孔注射泵的通孔填充技术对传感器信号引出通孔4进行两种金属浆料填充（如图5所示），首先选取铂浆黏度为，通过推动真空注射泵活塞13，将金属浆料10均匀、缓慢填入传感器信号引出通孔4，保证填充完全，无缺陷。铂铑金属浆料（铑掺杂比例30wt.%）黏度为/>，依照上述方式填充另一传感器信号引出通孔4，观察传感器已填充通孔14，保证填充完全，两种金属浆料间无相互污染。将两种金属浆料填充完毕的柱状热流传感器放入高温炉中进行金属化高温烧结，在空气组分下进行900℃保温1.5h的高温烧结，保证通孔完全金属化。

步骤S3：对完全金属化的传感器镀膜端面3进行打磨抛光，利用化学机械抛光机进行打磨抛光，抛光液选取为氧化铝酸性抛光液，转速1200r/min。保证端面粗糙一致，通孔完整光滑，保证传感器镀膜端面3水平度，端面粗糙度控制为40nm。

步骤S4：对柱状热流传感器2进行引线封装，对传感器信号引出通孔4进行四线法封装，采用焊接方式在传感器信号引出通孔4底端进行封装引线，选取高温镀银铜线并进行长距离引出。

步骤S5：采用丝网印刷方式对传感器敏感图案6进行丝栅结构图案化，所设计的传感器敏感图案6形状为丝栅形设计，线宽150μm并在丝栅两端扩增直径3mm圆形区域，保证传感器敏感图案6覆盖传感器信号引出通孔4的截面所在区域；通过激光打标机的定位标识将铂铑丝栅结构丝网印刷板与传感器敏感图案6对准进而保证传感器敏感图案6与传感器信号引出通孔4的截面所在区域位置准确对准。

步骤S6：采用直流磁控溅射制备在传感器镀膜端面3形成丝栅形的并与传感器敏感图案6对应的铂铑金属薄膜，工作压力0.5Pa，氩气流通量为20sccm，采用直流溅射，正式溅射480s，溅射厚度500nm，并将多余的丝网印刷浆料通过配套浆料去除剂去除。

重复步骤S5，将铂铑丝网印刷板换成铂丝栅丝网印刷板。

采用直流磁控溅射制备铂金属薄膜，工作压力0.5Pa，氩气流通量为50sccm，采用直流溅射，工作功率300w，正式溅射960s，溅射厚度700nm，将溅射完毕后多余的丝网印刷浆料通过配套浆料去除剂去除。将镀膜完毕的整体结构从真空腔体中取出，依次将柱状热流传感器2取出，完成传感器敏感图案6阵列化制备。

步骤S7：对传感器进行通电老化处理，选取电流10mA，通电时长4h。完成方形丝栅结构柱状热流传感器2的阵列化制备。

实施例2制得的柱状热流传感器2的具体使用步骤同实施例1。

Claims (10)

1.一种柱状热流传感器的阵列化制备方法，其特征在于，首先采用阵列化夹持机构对同种的柱状热流传感器（2）进行夹持，通过激光定位方法，选取直径与传感器信号引出通孔（4）孔径一致并准确固定好位置的激光束照射传感器信号引出通孔（4），确保柱状热流传感器（2）的传感器信号引出通孔（4）排向统一，再通过激光水平仪保证柱状热流传感器（2）的上下端面平齐；其次利用通孔填充技术对柱状热流传感器（2）的传感器信号引出通孔（4）进行金属浆料填充，并进行金属化高温烧结；再对柱状热流传感器（2）的端面进行一体化打磨抛光，保证端面平整性，并对柱状热流传感器（2）的底端采用四线法引线完成柱状热流传感器（2）的整体封装；然后对传感器敏感图案（6）实现图案化设计，最后在打磨光滑的传感器镀膜端面（3）进行金属薄膜制备形成传感器敏感图案（6），并对柱状热流传感器（2）进行老化处理，完成柱状热流传感器（2）的阵列化制备。

2.根据权利要求1所述的一种柱状热流传感器的阵列化制备方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤S1：将柱状热流传感器（2）装入阵列化夹持机构上的阵列化夹持层通孔（2-1）中，所述的柱状热流传感器（2）的形状相同，且轴向开设两个通孔作为传感器信号引出通孔（4）；通过激光定位方法，选取激光束直径与传感器信号引出通孔（4）的孔径一致并准确固定好位置的激光束照射传感器信号引出通孔（4），激光能够完全穿过定位准确的柱状热流传感器（2）的传感器信号引出通孔（4），从而确保传感器信号引出通孔（4）排向相同，再通过激光水平仪保证所有的柱状热流传感器（2）的上、下端面平齐，通过阵列化夹持机构上的夹具固定柱状热流传感器（2）；所述的阵列化夹持机构包括阵列化夹持层（1）和夹具，阵列化夹持层（1）上开设阵列化夹持层通孔（2-1），所述的夹具位于阵列化夹持层（1）下方，与阵列化夹持层通孔（2-1）同轴定位并阵列化排布；

步骤S2：采用通孔填充技术对传感器信号引出通孔（4）进行金属浆料填充，将填充完毕的柱状热流传感器（2）放入高温炉中进行金属化高温烧结，保证传感器信号引出通孔（4）完全金属化；

步骤S3：对完全金属化的传感器镀膜端面（3）进行打磨抛光，保证传感器镀膜端面（3）平整，水平度高且粗糙度均一致；

步骤S4：对柱状热流传感器（2）进行引线封装，对柱状热流传感器（2）的信号引出端的信号引出线（5）进行四线法封装；

步骤S5：设计传感器敏感图案（6）的形状，要求传感器敏感图案（6）对传感器信号引出通孔（4）的截面所在区域完全覆盖，且在传感器敏感图案（6）中两个传感器信号引出通孔（4）的截面所在区域之间需要均匀连接，保证信号连接稳定性；采用定位技术，在光刻胶覆膜、硬掩模遮盖、丝网印刷薄膜图案化技术基础上实现传感器敏感图案（6）与传感器信号引出通孔（4）在传感器镀膜端面（3）上的位置的定位对准；

步骤S6：在传感器镀膜端面（3）制备与定位好的传感器敏感图案（6）对应的金属薄膜；利用金属薄膜对于信号的灵敏响应，用于敏感信号的捕捉，完成阵列化传感器敏感图案（6）的制备；

步骤S7：利用信号引出线（5）对柱状热流传感器（2）进行额定电流的通电老化处理，老化完毕后完成柱状热流传感器（2）的阵列化制备。

3.根据权利要求2所述的一种柱状热流传感器的阵列化制备方法，其特征在于，所述的步骤S1中，夹具的夹持范围与柱状热流传感器（2）的直径大小一致，采用紧缩弹簧固定方式进行紧固固定，夹具与阵列化夹持层（1）采用螺栓连接方式连接；阵列化夹持层通孔（2-1）的孔径与柱状热流传感器（2）的直径相等；柱状热流传感器（2）的材质为二氧化硅或氧化铝陶瓷；阵列化夹持层（1）为高温合金或不锈钢。

4.根据权利要求2所述的一种柱状热流传感器的阵列化制备方法，其特征在于，所述的步骤S2中，通孔填充技术为电射流沉积技术或者针孔注射泵技术；金属浆料选取金、铂或银；所述金属化高温烧结为加压原位退火或真空烧结，金属化高温烧结的温度为600℃~900℃，金属化高温烧结的保温时间为0.5h~2h。

5.根据权利要求2所述的一种柱状热流传感器的阵列化制备方法，其特征在于，所述的步骤S3中，打磨抛光的方式为利用化学机械抛光机进行打磨抛光，打磨抛光后要求传感器镀膜端面（3）的粗糙度为50nm以下。

6.根据权利要求2所述的一种柱状热流传感器的阵列化制备方法，其特征在于，所述的步骤S4中，采用焊接、紧压套管方式牢固封装信号引出线（5），信号引出线（5）选用多股镀银铜线或多股铁氟龙导线。

7.根据权利要求2所述的一种柱状热流传感器的阵列化制备方法，其特征在于，所述的步骤S5中，定位技术采用激光标识定位方法或定位元件定位方法；激光标识定位方法采用激光打标机在传感器镀膜端面（3）和传感器敏感图案（6）上分别设置定位标识的方式，对准时将两定位标识对准即定位准确。

8.根据权利要求2所述的一种柱状热流传感器的阵列化制备方法，其特征在于，所述的步骤S6中，金属薄膜的材料选取镍、铂或银；金属薄膜电阻为20Ω-50Ω，传感器间电阻差异为±0.1Ω，金属薄膜厚度为200nm-800nm；金属薄膜的制备采用磁控溅射、原子层沉积或电子束蒸发方式。

9.根据权利要求2所述的一种柱状热流传感器的阵列化制备方法，其特征在于，所述的步骤S7中，通电老化的额定电流范围为5mA-20mA，通电老化时间为4h-12h。

10.一种柱状热流传感器，其特征在于，应用权利要求1-9任一项所述的一种柱状热流传感器的阵列化制备方法制得。