CN204044096U

CN204044096U - 一种复合薄膜烧蚀传感器

Info

Publication number: CN204044096U
Application number: CN201420461249.8U
Authority: CN
Inventors: 陈伟; 景涛; 颜志红; 谢利华; 张龙赐; 白庆星
Original assignee: CETC 48 Research Institute
Current assignee: CETC 48 Research Institute
Priority date: 2014-08-15
Filing date: 2014-08-15
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2024-08-15

Abstract

本实用新型公开了一种复合薄膜烧蚀传感器。所述薄膜烧蚀传感器包括聚酰亚胺基底，设于聚酰亚胺基底正面和背面的过渡层；所述正面过渡层上设有由两个以上的薄膜烧蚀电阻构成的薄膜烧蚀电阻序列；所述薄膜烧蚀电阻序列上设有电阻保护膜；所述薄膜烧蚀电阻包括补偿电阻焊盘；所述基底正面的薄膜烧蚀电阻序列区域下方设有转接焊盘；所述背面过渡层上设有由两个以上的薄膜电偶构成的薄膜热电偶序列；所述薄膜热电偶序列上设有热电偶保护膜；所述薄膜热电偶包括与薄膜热电偶引线连接的薄膜热电偶焊盘。该传感器简单成熟，具有良好的抗环境干扰能力和可靠性水平。

Description

一种复合薄膜烧蚀传感器

技术领域

本实用新型属于烧蚀传感器技术领域，是一种复合薄膜烧蚀传感器。

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。

目前，在新型号的发动机设计或设计修改中，绝热层能否满足要求主要是通过静态试验来验证的。通常的点火后测量方法可以获得绝热层在工作时间内的平均烧蚀率。但是这种方法对绝热层的性能评估有一些局限和缺点，如：无法获得发动机工作时烧蚀率随时间的变化关系；装药的阻燃层无法通过点火后测量来获得阻燃层特性；如果发动机在飞行后不能回收的，由飞行引起的对绝热层烧蚀动态的影响(例如飞行中前封头的烧蚀率增大)就无法确定。如果不能对发动机的绝热层或阻燃层的烧蚀特性进行精确预测，将会导致发动机某些区域的绝热防护不足或者导致绝热防护的冗余，从而影响发动机的性能。而对发动机工作时绝热层退移的实时测量方法则可以提供很多有价值的信息，如烧蚀率随时间的变化关系、绝热层特性、以及飞行过载对绝热层烧蚀的影响等。有了这些信息就可以减少大量的消极质量，保证足够的绝热防护设计，并可提供发动机飞行过程中的发动机绝热结构的可靠性。

专利CN102879434A 介绍了一种薄膜烧蚀传感器及其制备方法，在基底Al₂O₃表面制备了一组Au 薄膜电阻，在发动机工作时，随着绝热层的烧蚀，埋设在绝热层中的Au 薄膜烧蚀电阻逐组暴露在发动机高温环境中，电阻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，在已知电阻序列之间间隔的情况下，经过简单的计算就可以得到绝热层烧蚀速率。这种传感器可以实现绝热层烧蚀速率的测量，但该专利技术存在以下缺点：采用Al₂O₃陶瓷作为烧蚀传感器基底材料，其热导率约为25.1 W/(m·K)，一方面会影响相邻烧蚀电阻的信号采集，另一方面，与绝热层热导率（0.4 W/(m·K)）相差较大，不能实现烧蚀量的实时、高精度测量。

实用新型内容

本实用新型旨在针对现有烧蚀传感器生产工艺复杂、传感器可靠性水平不高等方面的缺陷，提供一种复合薄膜烧蚀传感器。

为了达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

所述薄膜烧蚀传感器包括聚酰亚胺基底，分别设于聚酰亚胺基底正面和背面的过渡层；所述正面过渡层上设有由两个以上的薄膜烧蚀电阻构成的薄膜烧蚀电阻序列；所述薄膜烧蚀电阻序列上设有电阻保护膜；所述薄膜烧蚀电阻包括补偿电阻焊盘；所述基底正面的薄膜烧蚀电阻序列区域下方设有转接焊盘；所述背面过渡层上设有由两个以上的薄膜电偶构成的薄膜热电偶序列；所述薄膜热电偶序列上设有热电偶保护膜；所述薄膜热电偶包括与薄膜热电偶引线连接的薄膜热电偶焊盘。

优选地，所述聚酰亚胺基底长35～40mm，宽23～30mm，厚度0.3～0.5mm，优选长40mm，宽23mm，厚度0.5mm；所述过渡层厚度为0.05μm～0.1μm；所述薄膜烧蚀电阻厚度≤0.5μm；所述电阻保护膜厚度为0.1μm～0.2μm；所述薄膜热电偶的厚度为0.3μm～0.5μm；所述电偶保护膜厚度为0.1μm～0.2μm。所述薄膜烧蚀电阻线宽≤60μm，相邻薄膜烧蚀电阻之间的距离≤500μm。另外，所述薄膜烧蚀电阻的材料为Au；所述薄膜热电偶材料为NiSi-NiCr；所述过渡层材料为Ta₂O₅；所述电阻保护膜材料为SiO₂；所述电偶保护膜材料为Al₂O₃。

下面对本实用新型作进一步说明：

本实用新型所述薄膜烧蚀传感器采用如下方法制备，其包括如下步骤：

一、聚酰亚胺基底正面薄膜烧蚀电阻序列的制备

1）、对聚酰亚胺基底进行清洗，去除聚酰亚胺基底正面油污及杂质；

2）、在聚酰亚胺基底上淀积过渡膜，形成过渡层，在过渡层上淀积Au薄膜，用以制备薄膜烧蚀电阻序列；

3）、1次光刻，在所述Au薄膜上利用光刻工艺制备出薄膜烧蚀电阻形状的光刻胶掩膜层，利用离子束刻蚀将Au薄膜刻蚀形成薄膜烧蚀电阻序列；

4）、采用lift-off工艺剥离去胶，进行2次光刻，制备出保护膜形状的光刻胶掩膜层；

5）、利用物理气相淀积技术沉积SiO₂保护膜，然后采用lift-off剥离去胶，制得具有电阻保护膜的薄膜烧蚀电阻序列。

制备完成后，通过焊接补偿电阻及转接基座，通过信号采集卡将电阻的这种通断状态进行采集和记录，实现对烧蚀量的高精度测量。

二、聚酰亚胺基底背面薄膜热电偶序列的制备

1）、对聚酰亚胺基底进行清洗，去除聚酰亚胺基底背面油污及杂质；

2）、1次光刻，在聚酰亚胺基底上制备光刻胶掩膜层，采用物理气相淀积技术，分别沉积厚度为0.1μm～0.2μm的过渡层材料Ta₂O₅，厚度为500～600nm的热电偶材料NiCr-NiSi，线宽为500μm，制备薄膜热电偶；

3）、采用lift-off工艺剥离去胶，进行2次光刻；

4）、采用物理气相淀积技术沉积电偶保护膜，保护膜材料为Al₂O₃，厚度为100～200nm；

5）、采用lift-off工艺剥离去胶，形成薄膜热电偶图形；

6）、3次光刻，在基底上制备光刻胶掩膜层，采用物理气相淀积技术，沉积厚度约1μm的焊盘材料Au；

7）、采用lift-off工艺剥离去胶，制备薄膜热电偶引线焊盘，最终形成薄膜热电偶序列。

制备完成后，通过信号采集卡将薄膜热电偶电阻的变化进行采集和记录，实现对烧蚀温度的高精度测量。

本实用新型中的基底材料为聚酰亚胺，热导率为0.1～0.35W/(m·K)，其绝热性明显优于Al₂O₃陶瓷（25.1 W/(m·K)），与绝热层材料的热导率匹配性好，可以实现各个烧蚀电阻的独立、实时、高精度测量。正面烧蚀电阻设有补偿电阻焊盘，可外接补偿电阻，电阻值为1KΩ±0.1%，采用这种补偿电阻的形式，可以极大地提高检测可靠性，实现对烧蚀量的高精度测量。背面为多个个K型薄膜热电偶，热电偶材料为NiSi-NiCr，等间距排列，实现烧蚀温度的高精度测量。

薄膜烧蚀电阻序列间隔作为影响烧蚀传感器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电阻序列之间的间隔值，以获取不同的产品性能，上述薄膜烧蚀电阻序列的间隔优选不大于500μm。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

（1）本实用新型采用成熟的工艺技术和材料，在基底表面制备了一组Au薄膜电阻，在发动机工作时，随着绝热层的烧蚀，埋设在绝热层中的Au薄膜烧蚀电阻逐组暴露在发动机高温环境中，电阻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，在已知电阻序列之间间隔的情况下，经过简单的计算就可以得到绝热层烧蚀速率。

（2）采用聚酰亚胺作为基底材料，热导率约为0.1～0.35W/(m·K)，绝热性好，各个烧蚀电阻独立测量，且与绝热层材料的热导率匹配性好，可以实现各个烧蚀电阻的独立、实时、高精度测量。

（3）本实用新型采用薄膜电阻和薄膜热电偶复合的方式，可以同时测量烧蚀速率与烧蚀温度，有利于系统集成，对于烧蚀测量系统的微型化具有重要意义。

（4）本实用新型采用微机械加工技术，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，并可实现批量生产，有效降低制造成本。

总之，本实用新型所述薄膜烧蚀电阻序列包括聚酰亚胺基底，其热导率为0.1～0.35W/(m·K)，其绝热性明显优于 Al₂O₃陶瓷（25.1 W/(m·K)）。所述基底上设有过渡层，该过渡层上设有烧蚀电阻，在烧蚀电阻上设有保护膜、引线焊盘区，由于电阻较小，通过设置补偿电阻引线焊盘区来对薄膜烧蚀电阻进行补偿，在引线焊盘区下方设有基座焊盘，通过同轴细线连接器实现实时通信，从而实现烧蚀量的测量。所述薄膜热电偶序列包括等间距排列的5个薄膜热电偶，所述基底上设有过渡层，该过渡层上设有薄膜热电偶，在薄膜热电偶上设有保护膜、引线焊盘区，通过引线焊盘直接与测试系统连接，实现对烧蚀温度的测量。本实用新型采用微机械加工技术制备新型薄膜烧蚀传感器。本实用新型的新型薄膜烧蚀传感器制备工艺简单，加工精度高，可满足不同的测量精度要求。

附图说明

图1是本实用新型薄膜烧传感器正视图；

图2是本实用新型薄膜烧传感器后视图；

图3是本实用新型薄膜烧传感器背面各层示意图；

图4是本实用新型薄膜烧传感器背面各层示意图。

图中：1-聚酰亚胺基底；2-薄膜烧蚀电阻序列；3-转接焊盘；4-补偿电阻焊盘；5-薄膜热电偶序列；6-薄膜热电偶焊盘；7-薄膜热电偶引线；8-过渡层；9-电阻保护膜；10-热电偶保护膜。

具体实施方式

实施例1

参见图1至图4所述复合薄膜烧蚀传感器包括聚酰亚胺基底1，分别设于聚酰亚胺基底1正面和背面的过渡层8；所述正面过渡层8上设有由两个以上的薄膜烧蚀电阻构成的薄膜烧蚀电阻序列2；所述薄膜烧蚀电阻序列2上设有电阻保护膜9；所述薄膜烧蚀电阻包括补偿电阻焊盘4；所述基底1正面的薄膜烧蚀电阻序列2区域下方设有转接焊盘3；所述背面过渡层8上设有由两个以上的薄膜电偶构成的薄膜热电偶序列5；所述薄膜热电偶序列5上设有热电偶保护膜10；所述薄膜热电偶包括与薄膜热电偶引线7连接的薄膜热电偶焊盘6。

其中，所述聚酰亚胺基底1长40mm，宽23mm，厚度0.5mm；所述过渡层8厚度为0.05μm～0.1μm；所述薄膜烧蚀电阻厚度≤0.5μm；所述电阻保护膜9厚度为0.1μm～0.2μm；所述薄膜热电偶的厚度为0.3μm～0.5μm；所述电偶保护膜10厚度为0.1μm～0.2μm。所述薄膜烧蚀电阻线宽≤60μm，相邻薄膜烧蚀电阻之间的距离≤500μm。

Claims

1.一种复合薄膜烧蚀传感器，其特征在于，所述薄膜烧蚀传感器包括聚酰亚胺基底（1），分别设于聚酰亚胺基底（1）正面和背面的过渡层（8）；所述正面过渡层（8）上设有由两个以上的薄膜烧蚀电阻构成的薄膜烧蚀电阻序列（2）；所述薄膜烧蚀电阻序列（2）上设有电阻保护膜（9）；所述薄膜烧蚀电阻包括补偿电阻焊盘（4）；所述基底（1）正面的薄膜烧蚀电阻序列（2）区域下方设有转接焊盘（3）；所述背面过渡层（8）上设有由两个以上的薄膜电偶构成的薄膜热电偶序列（5）；所述薄膜热电偶序列（5）上设有热电偶保护膜（10）；所述薄膜热电偶包括与薄膜热电偶引线（7）连接的薄膜热电偶焊盘（6）。

2.如权利要求1所述的复合薄膜烧蚀传感器，其特征在于，所述聚酰亚胺基底（1）长35～40mm，宽23～30mm，厚度0.3～0.5mm；所述过渡层（8）厚度为0.05μm～0.1μm；所述薄膜烧蚀电阻厚度≤0.5μm；所述电阻保护膜（9）厚度为0.1μm～0.2μm；所述薄膜热电偶的厚度为0.3μm～0.5μm；所述电偶保护膜（10）厚度为0.1μm～0.2μm。

3.如权利要求2所述的复合薄膜烧蚀传感器，其特征在于，所述薄膜烧蚀电阻线宽≤60μm，相邻薄膜烧蚀电阻之间的距离≤500μm。