CN203643055U - 一种用于高温大热流测量的薄膜热流传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，包括基片，所述基片上镀有热电偶堆，所述热电偶堆由两个以上包括第一电极和第二电极的薄膜热电偶通过外接点串联而成；所述热电偶堆上覆盖有过渡层；所述第一电极和第二电极的接点所在位置的过渡层上表面设有厚热障层；所述外接点所在位置的过渡层上表面设有薄热障层，且所述薄热障层覆盖所述厚热障层；所述过渡层上设有保护层，且所述保护层覆盖所述薄热障层；所述热电偶堆的两个外接端分别经一个焊盘与各自的外接引线连接。本实用新型热流传感器具有耐高温和适合大热流测试的特点；大大提高了传感器的信号输出，减小了信号后续处理的难度，提高了传感器的测试精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种热流传感器,特别是一种用于高温大热流测量的薄膜热流传感器。
背景技术
热流传感器在科学研究、航空航天、动力工程等方面有广泛的应用，传统的热流传感器采用热偶丝或片式的热偶结构，具有传感器稳定时间长，响应慢等特点。同时传统的热流传感器受限于材料的选择及封装工业的缺陷，不能用于高温大热流环境的测量。传统的热流传感器由于输出信号较小对后期的信号处理带来了困难，同时造成了传感器的精度较低。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，克服现有热流传感器稳定时间长、响应慢的缺陷，提高传感器的信号输出，减小信号后续处理的难度，提高传感器的测试精度。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，包括基片，所述基片上镀有热电偶堆，所述热电偶堆由两个以上包括第一电极和第二电极的薄膜热电偶通过外接点串联而成，通过离子束溅射镀膜和光刻工艺来制备薄膜热偶接点；所述热电偶堆上覆盖有过渡层；所述第一电极和第二电极的接点所在位置的过渡层上表面设有厚热障层；所述外接点所在位置的过渡层上表面设有薄热障层，且所述薄热障层覆盖所述厚热障层；所述过渡层上设有保护层，且所述保护层覆盖所述薄热障层；所述热电偶堆的两个外接端分别经一个焊盘与各自的外接引线连接。
所述基片材料为Al2O3或SiC，基片尺寸为20×20mm；所述热电偶堆材料为镍铬-镍硅的K型热偶材料、铂铑13-铂的R型热偶材料、铂铑10-铂的S型热偶材料、铂铑30-铂铑6的B型热偶材料中的一种；所述第一电极为Pt电极；所述第二电极为PtRh13电极；所述厚热障层的材料为SiO2或Al2O3，厚度为5μm；所述薄热障层的材料为SiO2或Al2O3，厚度为1μm；所述过渡层材料为Ta2O5，厚度为500nm；所述保护层材料为碳化硼或耐高温黑色保护漆；所述焊盘表面涂覆有耐高温无机胶状材料11。
本实用新型的薄膜热流传感器高温环境下测量热流的原理为：（1）根据热传导方程当热流矢量方向与等温面垂直，则有：
式中：q为热流密度；dT/dX为垂直于等温面方向的温度梯度；k为材料的导热系数；如果温度为T1和T2的两个等温面平行时：根据模型计算得出：
。
其中ΔT为两等温面温差；ΔX为两等温面之间的距离。
（2）热流通过热流传感器热电堆时，传感器的信号输出Vt与热障层的温差、热电堆电压信号放大倍数N（热电偶的对数）及赛贝克系数Se的关系为： 
。
根据热流密度与信号输出的关系，热流密度表述为：
与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：本实用新型热流传感器具有耐高温和适合大热流测试的特点；采用热电偶堆的热电功能设计形式，设计的热电偶节点的数目为30对或40对，大大提高了传感器的信号输出，减小了信号后续处理的难度，提高了传感器的测试精度；由于采用离子束溅射镀膜的方式制备复合膜层，利用薄热障层和厚热障层的温度差来得出外界的热流密度，该传感器具有快速响应的特点。
附图说明
图1为本实用新型一实施例结构示意图；
图2为本实用新型一实施例复合膜层示意图；
图3为本实用新型一实施例焊盘引线的正面示意图；
图4为本实用新型一实施例焊盘引线的背面示意图；
图5为本实用新型一实施例焊盘引线后涂覆无机材料封装的正面示意图；
图6为本实用新型一实施例焊盘引线后涂覆无机材料封装的背面示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本实用新型一实施例包括基片1，所述基片1上镀有热电偶堆，所述热电偶堆由两个以上包括第一电极2和第二电极3的薄膜热电偶通过外接点12串联而成；所述热电偶堆上覆盖有过渡层9；所述第一电极2和第二电极3的接点所在位置的过渡层9上表面设有厚热障层4；所述外接点12所在位置的过渡层9上表面设有薄热障层5，且所述薄热障层5覆盖所述厚热障层4；所述过渡层9上设有保护层10，且所述保护层10覆盖所述薄热障层5；所述热电偶堆的两个外接端分别经一个焊盘8与各自的外接引线连接，本实施例中的两根外接引线分别是Pt引线6和PtRh13引线7；所述焊盘8表面涂覆有耐高温无机胶状材料11。
本实用新型薄膜热流传感器的制备过程如下：尺寸为20×20mm的Al2O3陶瓷基片1经过精密抛光，随后对基片表面进行超声清洗，采用离子束溅射镀膜方式在基片表面镀覆如图1所示图形的R型热电偶堆，即通过光刻和离子束溅射镀膜的工艺交替进行，分别在基片表面镀Pt电极和PtRh13电极，从而形成R型热电偶堆，热偶薄膜的厚度为800nm。热电堆热电材料可以为镍铬-镍硅的K型热偶材料、铂铑13-铂的R型热偶材料、铂铑10-铂的S型热偶材料、铂铑30-铂铑6的B型热偶材料。具体的选择根据热流传感器的使用温度及信号输出要求决定。
上述的热偶堆基片进行超声清洗，随后在基片台安装钢片掩膜板，使清洗的基片与掩膜板对准，采用离子束溅射镀膜的方式镀覆Ta2O5过渡层，该过渡层为了缓减后续制备的热障层薄膜与基片及热偶材料的晶格参数和热膨胀系数的不匹配性，过渡层的厚度约为500nm。在过渡层基片表面镀覆SiO2厚热障层，热障层的厚度约为5μm，由于热障层膜层较厚，且要适应高温及大热流的恶劣使用环境，因此对热障层材料的膜层质量提出了很高的要求，这要求通过控制镀膜工艺使热障层薄膜致密均匀且具有很小的内应力，同时与基底材料有较强的附着力，因此制备的薄膜经过一段温度梯度的热处理工艺过程以消除薄膜内部的残余应力。薄热障层5薄膜的制备工艺类似于厚热障层薄膜，制备薄膜的厚度为1μm。热障层材料的选择根据具体的设计要求而定，可以为SiO2或Al2O3。在已经制备热障层的复合膜层表面制备保护层，该保护层的材料可以为碳化硼或耐高温黑色保护漆，其起到保护热流传感器的膜层结构，增加膜层表面对外界热量吸收的作用。
薄膜热流传感器的引线封装工艺采用如附图3～6所示的封装过程进行，基片1的焊盘8打两排孔，引线从焊盘的背面穿孔至焊盘表面，并截断焊盘背面的多余引线，使其刚好留有一小段勾住背面基片，穿过焊盘表面的引线紧贴焊盘布置，从而在另一排孔穿出到达基片的背面，形成背面引线的工艺，这样利于传感器的安装且增加了传感器的使用可靠性。焊盘表面布置的引线进行压焊工艺，使引线与焊盘焊接在一起，随后焊盘表面及打孔的位置涂覆一定厚度的耐高温无机胶粘材料11，经过冷却固化及后续处理，完成传感器的引线封装过程。上述工艺所述的引线材料均与对应焊接的焊盘为同种材料，以提高传感器的信号输出准确性。
Claims (9)
1. 一种用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，包括基片（1），其特征在于，所述基片（1）上镀有热电偶堆，所述热电偶堆由两个以上包括第一电极（2）和第二电极（3）的薄膜热电偶通过外接点（12）串联而成；所述热电偶堆上覆盖有过渡层（9）；所述第一电极（2）和第二电极（3）的接点所在位置的过渡层（9）上表面设有厚热障层（4）；所述外接点（12）所在位置的过渡层（9）上表面设有薄热障层（5），且所述薄热障层（5）覆盖所述厚热障层（4）；所述过渡层（9）上设有保护层（10），且所述保护层（10）覆盖所述薄热障层（5）；所述热电偶堆的两个外接端分别经一个焊盘（8）与各自的外接引线连接。
2.根据权利要求1所述的用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，其特征在于，所述基片（1）材料为Al2O3或SiC，所述基片（1）尺寸为20×20mm。
3.根据权利要求1或2所述的用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，其特征在于，所述热电偶堆材料为镍铬-镍硅的K型热偶材料、铂铑13-铂的R型热偶材料、铂铑10-铂的S型热偶材料、铂铑30-铂铑6的B型热偶材料中的一种。
4.根据权利要求3所述的用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，其特征在于，所述第一电极（2）为Pt电极；所述第二电极（3）为PtRh13电极。
5.根据权利要求4所述的用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，其特征在于，所述厚热障层（4）的材料为SiO2或Al2O3，厚度为5μm。
6.根据权利要求4所述的用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，其特征在于，所述薄热障层（5）的材料为SiO2或Al2O3，厚度为1μm。
7.根据权利要求1所述的用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，其特征在于，所述过渡层（9）材料为Ta2O5，厚度为500nm。
8.根据权利要求1所述的用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，其特征在于，所述保护层（10）材料为碳化硼或耐高温黑色保护漆。
9.根据权利要求1所述的用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，其特征在于，所述焊盘（8）表面涂覆有耐高温无机胶状材料（11）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20140611 |
|
| CX01 | Expiry of patent term |