CN202956137U

CN202956137U - 一种薄膜温度烧蚀复合传感器

Info

Publication number: CN202956137U
Application number: CN 201220494576
Authority: CN
Inventors: 景涛; 陈云峰; 程文进; 谢贵久; 何迎辉; 龙悦; 黄华山; 熊敏
Original assignee: CETC 48 Research Institute
Current assignee: CETC 48 Research Institute
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2013-05-29
Anticipated expiration: 2022-09-26

Abstract

本实用新型公开了一种薄膜温度烧蚀复合传感器，所述传感器是一种绝热层材料烧蚀温度与烧蚀速率测量集成型薄膜传感器。本实用新型采用微机械加工技术在基片表面制作了一组薄膜热电偶，然后将薄膜热电偶垂直埋设于绝热层内，这样，在绝热层材料的烧蚀过程中，就可以通过薄膜热电偶组测量出绝热层烧蚀面以及绝热层不同深度点的温度，并可通过薄膜热电偶的通断判断绝热层烧蚀面的位置，结合烧蚀时间，可得出绝热层材料的烧蚀速率。采用这种实用新型的有益效果是可同时对绝热层材料烧蚀过程中的温度变化及绝热层烧蚀速率进行测量，为绝热层的设计提供数据参考，并且采用这种实用新型的薄膜温度烧蚀传感器制备工艺简单，结构可靠。

Description

一种薄膜温度烧蚀复合传感器

技术领域

本实用新型属于薄膜特种传感器技术领域，具体涉及一种基于微机械加工技术的薄膜传感器。更具体地说，本实用新型涉及一种薄膜温度烧蚀复合传感器，通过薄膜热电偶实现绝热层烧蚀温度和烧蚀速率的测量，这种薄膜温度烧蚀复合传感器制造工艺简单，具有较高的测量精度。

背景技术

绝热层主要应用于固体火箭发动机、再入大气飞行器等航天器的防热保护中，绝热层性能的好坏直接影响到发动机工作的可靠性，甚至影响到火箭发射的成败。

绝热层的工作环境十分恶劣，它要经受高温高压气体的烧蚀和凝相颗粒的冲刷，严重时会导致内绝热层防护失效，发动机壳体烧穿，造成发动机失效。因此，绝热层厚度及其几何形状等直接影响到固体火箭发动机结构可靠性，而绝热层的设计是由其烧蚀情况来确定的，绝热层材料烧蚀速率是绝热层设计的重要参考依据之一。

另外，由于与周围空气的剧烈摩擦，绝热层表面的温度急剧升高，如果不能正确掌握绝热层温度变化，设计合适的绝热层厚度，温度会传递至飞行器机体表面，并引起机体表面温度急剧升高，进而导致机体材料的结构强度降低、刚度下降，造成飞行器外形破坏，严重时将导致发射失败。飞行器表面温度剧烈升高，如果大量气动热来不及散失的话，会引起机体表面温度。绝热层材料烧蚀表面及烧蚀层内部温度变化是绝热层设计的重要参考依据之一。

因此，需要一种温度与烧蚀复合传感器可对绝热层烧蚀过程中的温度和烧蚀速率同时进行测量。目前，烧蚀速率测量通过烧蚀传感器，温度测量采用温度传感器，还没有一种传感器可以实现对绝热层烧蚀温度以及烧蚀速率的同时测量。

本实用新型人曾介绍了一种薄膜烧蚀传感器及其制备方法，通过微机械加工技术在氧化铝陶瓷基片表面制备了一组金薄膜电阻，可通过金薄膜电阻的通断得出绝热层烧蚀速率，该实用新型的薄膜烧蚀传感器生产工艺简单，并可设计不同的薄膜电阻间隙达到不同的测量精度要求。但该实用新型的薄膜烧蚀传感器只能获取绝热层的烧蚀速率，不能同时获取绝热层烧蚀温度参量。

专利ZL02205585.1介绍了一种导弹高速热冲击试验陶瓷弹头表面瞬态温度测量装置。该实用新型将热电偶材料点焊成球，并采用不锈钢压片将热电偶压在导弹表面的凹坑内，这种结构形式不仅会破坏飞行器表面流场，并且可靠性程度低，无法有效满足飞行器测温要求。

专利CN201716128描述了一种高速飞行器外表面温度测量装置，其中测温传感器的敏感头顶端位于机体表面绝热层内0.8mm～1mm，这种安装方式测量所得到的温度并非机体外表面的真实温度，只能通过气动热计算进行校正得到飞行器外表面温度的近似值。

实用新型内容

本实用新型旨在提出一种薄膜温度烧蚀复合传感器，可以实现对绝热层烧蚀温度和烧蚀速率的同时测量，这种温度烧蚀复合传感器基本采用现有的成熟工艺技术和材料，生产工艺简单，安装方便，不会影响飞行器结构可靠性，具有良好的抗环境干扰能力及可靠性水平。

为了达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

所述薄膜温度烧蚀复合传感器1包括基片2，设于基片2上的过渡膜3，设于过渡膜3上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列上设有保护膜6；所述薄膜热电偶阵列由两个以上包括电极4（如PtRh13电极）和B电极5（如Pt电极）的薄膜热电偶10构成；所述薄膜热电偶10包括将薄膜热电偶10的热电势信号引出的补偿导线7；

其中，所述基片2材料为Al₂O₃陶瓷，其直径为50mm～150mm，厚度0.5mm～1mm；所述过渡膜3材料为Ta₂O₅，厚度为0.05μm～0.1μm；所述薄膜热电偶10的厚度为0.2μm～0.5μm；所述保护膜6为电介质材料，优选为SiO₂，厚度为0.1μm～0.2μm。

所述薄膜热电偶10为R型热电偶、B型热电偶或S型热电偶，优选为R型热电偶。

可将薄膜温度烧蚀复合传感器1埋设于绝热层8材料内，实现对待测工件9的绝热层烧蚀过程中烧蚀温度及烧蚀速率双参数的测量。

上述薄膜温度烧蚀复合传感器的制备方法，包括如下步骤：

（1）清洗基片，去除基片表面油污及杂质；

（2）将基片与薄膜热电偶A电极的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放在沉积镀膜系统的行星架上；

（3）依次在基片表面淀积过渡膜薄膜和薄膜热电偶A电极的薄膜材料，取下不锈钢掩膜；其中过渡膜薄膜用以增强热电偶薄膜与基片层的结合力，并增强热电偶薄膜在高温下的稳定性；

（4）将基片与薄膜热电偶B电极的不锈钢掩膜板套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放于沉积镀膜系统的行星架上；

（5）依次在基片表面淀积过渡膜薄膜和薄膜热电偶B电极的薄膜材料；取下不锈钢掩膜；

（6）将经上述步骤制成的薄膜热电偶基片放入高温气氛退火炉，对制备的热电偶薄膜进行退火处理，使电偶薄膜结构趋于稳定；

（7）将薄膜热电偶基片与不锈钢掩膜套装在一起并放入沉积镀膜系统行星架，沉积保护膜；

（8）利用切片机切片制得薄膜温度烧蚀复合传感器；

（9）将薄膜温度烧蚀复合传感器上薄膜热电偶的电极与补偿导线用电阻焊机焊接。

其中，步骤（6）所述的退火温度为600℃～800℃，退火气氛为真空，退火时间为0.5～1小时。

下面结合设计及工作原理对本实用新型作进一步说明：

本实用新型提出的薄膜温度烧蚀复合传感器，包括基片，设于基片上的过渡膜，设有过渡膜上的薄膜热电偶阵列，所述薄膜热电偶阵列上设有保护膜，所述薄膜热电偶阵列是由两个以上的薄膜热电偶构成的，可根据实际测量要求设计调整热电偶个数和间隙，以满足不同的测量精度要求，所述薄膜热电偶包括补偿引线。在发动机工作过程中，随着绝热层的烧蚀，薄膜热电偶依次逐个暴露在发动机高温环境中，高温和颗粒冲刷将造成薄膜热电偶的断开，通过信号采集装置对薄膜热电偶的通断信号进行实时扫描和采集，获得薄膜热电偶的通断与时间之间的关系，可得到绝热层烧蚀率随时间的变化关系，实现绝热层烧蚀性能的测量。与此同时，薄膜热电偶可同步获取绝热层相应深度的温度值，并可通过绝热层传热学分析得出烧蚀面的表面温度。这样，本实用新型的薄膜温度烧蚀复合传感器实现了绝热层烧蚀过程温度、烧蚀速率双参数的实时测量。

其中，所述基片材料为Al₂O₃陶瓷，其直径为50mm～150mm，厚度0.5mm～1mm；所述过渡膜材料为Ta₂O₅，厚度为0.05μm～0.1μm；所述热电偶为R型热电偶、B型热电偶、S型热电偶的一种，优选R型热电偶，其厚度为0.1μm～0.2μm；所述保护膜为电介质材料，优选为SiO₂，厚度为0.1μm～0.2μm。进一步地，薄膜热电偶阵列由不少于2列的多列薄膜热电偶构成，薄膜热电偶纵向间隔作为影响和决定烧蚀速率测量精度的决定性因素之一，可根据产品特性与要求决定薄膜热电偶之间纵向间隔值，以获取不同的产品性能。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

a) 本实用新型采用成熟的工艺技术和材料，在基片表面制备了一组薄膜热电偶，在发动机工作或飞行器飞行时，随着绝热层的烧蚀，埋设在绝热层中的薄膜热电偶可获取绝热层相应深度的温度值，也可通过绝热层传热学分析得出烧蚀面的表面温度；

b) 由于薄膜热电偶将逐组暴露在高温高压恶劣环境中，薄膜热电偶状态由导通变为断开，通过信号采集卡将电阻的这种通断状态进行采集和记录，在已知薄膜热电偶纵向间隙的情况下，经过简单的计算就可以得到绝热层烧蚀速率；

c) 本实用新型采用溅射淀积技术、不锈钢掩膜技术、电阻焊技术等微机械加工技术，有利于提高加工工艺的一致性和传感器工作的可靠性水平，并可实现薄膜温度烧蚀复合传感器的批量生产，有效降低制造成本；

d) 本实用新型利用微机械加工技术可以在一片基片上同时制造数百上千个薄膜温度烧蚀复合传感器，提高加工效率、加工重复性和加工尺寸的可控性水平，并大大降低制造成本。

附图说明

图1是本实用新型薄膜温度烧蚀复合传感器结构示意图；

图2是在同一基片上制造多个薄膜温度烧蚀复合传感器的结构示意图；

图3是图1薄膜温度烧蚀复合传感器埋设于待测绝热层的结构示意图；

图中：1、薄膜温度烧蚀复合传感器；2、基片；3、过渡膜；4、A电极；5、B电极；6、保护膜；7、补偿导线；8、绝热层；9、待测工件；10、薄膜热电偶。

具体实施方式

实施例1

参见图1至图3，所述薄膜温度烧蚀复合传感器1包括基片2，设于基片2上的过渡膜3，设于过渡膜3上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列上设有保护膜6；所述薄膜热电偶阵列由两个以上包括电极4和B电极5的薄膜热电偶10构成；所述薄膜热电偶10包括将薄膜热电偶10的热电势信号引出的补偿导线7；

其中，所述基片2材料为Al₂O₃陶瓷，其直径为50mm～150mm，厚度0.5mm～1mm；所述过渡膜3材料为Ta₂O₅，厚度为0.05μm～0.1μm；所述薄膜热电偶10为R型PtRh13-Pt热电偶，其厚度为0.2μm～0.5μm；所述保护膜6材料为SiO₂，厚度为0.1μm～0.2μm。

实施例2

本实用新型，所述薄膜温度烧蚀复合传感器制备方法包括以下步骤：

（1）对直径50mm～150mm、厚度0.5mm～1mm的Al₂O₃基片进行清洗，去除基片抛光面的油污及杂质玷污等；

（2）将基片与R型PtRh13-Pt热电偶PtRh13电极的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放入离子束溅射镀膜机的行星架上；

（3）利用离子束溅射沉积厚度0.05μm～0.1μm的Ta₂O₅过渡膜和0.1μm～0.2μm的PtRh13热电偶薄膜，取下不锈钢掩膜；

（4）将基片与R型PtRh13-Pt热电偶Pt电极的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放入离子束溅射镀膜机的行星架上；

（5）利用离子束溅射沉积厚度0.05μm～0.1μm的Ta₂O₅过渡膜和0.1μm～0.2μm的Pt热电偶薄膜，取下不锈钢掩膜；

（6）将经上述步骤制成的薄膜热电偶基片放入高温气氛退火炉，在600℃～800℃条件下进行真空退火0.5～1小时；

（7）将薄膜热电偶基片与保护膜的不锈钢掩膜套装在一起，放入离子束镀膜机内的行星架上，沉积0.1μm～0.2μm厚的 SiO₂膜；

（8）用划片机划片，薄膜温度烧蚀复合传感器分割成型；

（9）采用电阻焊机分别完成PtRh13薄膜热电偶电极与直径为75μm PtRh13补偿线的连接，以及Pt热电偶电极与线径75μm的Pt补偿线的连接。

至此，完成本实用新型薄膜温度烧蚀复合传感器的制备。可将传感器埋设于绝热层材料的内，实现绝热层烧蚀过程中烧蚀温度及烧蚀速率双参数的测量。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本实用新型，而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种薄膜温度烧蚀复合传感器，其特征在于，所述薄膜温度烧蚀复合传感器（1）包括基片（2），设于基片（2）上的过渡膜（3），设于过渡膜（3）上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列上设有保护膜（6）；所述薄膜热电偶阵列由两个以上包括A电极（4）和B电极（5）的薄膜热电偶（10）构成；所述薄膜热电偶（10）包括将薄膜热电偶（10）的热电势信号引出的补偿导线（7）。

2.如权利要求1所述的薄膜温度烧蚀复合传感器，其特征在于，所述基片（2）直径为50mm～150mm，厚度0.5mm～1mm；所述过渡膜（3）厚度为0.05μm～0.1μm；所述薄膜热电偶（10）的厚度为0.2μm～0.5μm；所述保护膜（6）厚度为0.1μm～0.2μm。

3.如权利要求1所述的薄膜温度烧蚀复合传感器，其特征在于，所述薄膜热电偶（10）为R型热电偶、B型热电偶或S型热电偶。

4.如权利要求3所述的薄膜温度烧蚀复合传感器，其特征在于，所述薄膜热电偶（10）为R型热电偶。

5.如权利要求1所述的薄膜温度烧蚀复合传感器，其特征在于，所述基片（2）材料为Al₂O₃陶瓷；所述过渡膜（3）材料为Ta₂O₅；所述保护膜（6）为电介质材料。

6.如权利要求1所述的薄膜温度烧蚀复合传感器，其特征在于，所述保护膜（6）材料为SiO₂。