CN211262536U - 一种用于高温大热流测量的传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于高温大热流测量的传感器，本实用新型传感器底座上固定有支撑结构件，支撑结构件固定薄膜芯片，薄膜芯片由基片、绝缘层、过渡层、热电功能层、热障层和焊盘组成，薄膜芯片的基片与键合陶瓷以高压键合形成一体结构，薄膜芯片通过无引线封装形式引出引针，高温线缆与引针连接并从底座引出，底座与外壳通过电子束焊接完成传感器封装。本实用新型传感器具有耐高温和适合大热流测试的特点；采用温差热电偶堆的设计形式，巧妙的利用热障层的阻热性质形成热电偶的温差区域进行热流信号的测试，提高了传感器测试热流的精度；芯片封装采用引针与焊盘高温烧结的无引线封装的方式，提高了传感器的稳定性和耐高温性能。

Description

一种用于高温大热流测量的传感器

技术领域

本实用新型涉及一种传感器，特别是一种用于高温大热流测量的传感器及其制备方法。

背景技术

测试热流的传感器在科学研究、航空航天、动力工程等方面有广泛的应用，传统的测试热流传感器制备工艺复杂且制造设备昂贵，不符合传感器产业化的制备封装简单、整体成本较低的需求。同时传统的测试热流传感器利用温度信号经过复杂运算来反推热流密度，存在不能长时间测量热流的缺点。

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传感器，满足在高温大热流环境下进行较长时间测量的要求，提高传感器的测试精度和耐恶劣环境的能力，避免传统测试热流传感器利用温度反推热流密度的繁复演算、精度低及可靠性差等特点。

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传感器，底座上固定有支撑结构件，支撑结构件固定薄膜芯片，薄膜芯片由基片、绝缘层、过渡层、热电功能层、热障层和焊盘组成，薄膜芯片的基片与键合陶瓷以高压键合形成一体结构，薄膜芯片通过无引线封装形式引出引针，高温线缆与引针连接并从底座引出，底座与外壳通过电子束焊接完成传感器封装。本实用新型传感器具有耐高温和适合大热流测试的特点；采用温差热电偶堆的设计形式，巧妙的利用热障层的阻热性质形成热电偶的温差区域，该温差区域用于热流信号的测试，提高了传感器的精度；芯片封装采用引针与焊盘高温烧结的无引线封装的方式，提高了传感器的稳定性和耐高温性能。

本实用新型的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：

q＝dQ/dS＝kdT/dX。

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：

q＝kΔT/ΔX。

其中ΔT为两等温面温差；ΔX为两等温面之间的距离。

(2)热流通过传感器热电堆时，传感器的信号输出V_t与热障层的温差及赛贝克系数S_e的关系为：V_t＝NS_eΔT。

根据热流密度与信号输出的关系，热流密度表述为：

q＝k_tV_t/NΔXS_e

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：本实用新型测试热流的传感器具有测试精度高、适合大热流测试和可靠性高的特点；采用温差热电偶堆的热电功能设计形式，巧妙的利用热障层的阻热性质形成热电偶堆的温差区域，该温差区域用于热流信号的测试，提高了传感器测试热流的精度，避免了传统测试热流的传感器利用温度反推热流密度的繁复演算和不准确性。本实用新型传感器采用无引线封装的设计形式，引针与焊盘不经过引线的过渡直接通过烧结工艺连接，显著降低了引线在高温恶劣环境下易于损坏的危害，大大提高了传感器的可靠性。本实用新型的传感器制备工艺简单易行，封装形式可靠，在传感器的产业化方面具有极大的优势。

附图说明

图1为本实用新型的一实施例传感器的剖面示意图；

图2为本实用新型的一实施例传感器薄膜芯片功能薄膜的结构示意图；

图3为本实用新型的一实施例传感器薄膜芯片热电偶堆薄膜和热障层薄膜设计示意图。

具体实施方式

本实用新型一实施例包括基片8、键合陶瓷6、热电功能层12及热障层等部分。所述基片8下表面镀有绝缘层11，所述绝缘层11中心部位制备正极热电偶薄膜17、负极热电偶薄膜18，正极热电偶薄膜17和负极热电偶薄膜18组成了热电功能层12，正极热电偶薄膜17和负极热电偶薄膜18 底部的矩形薄膜层为焊盘14；所述热电功能层表面制备过渡层13，所述覆盖热电堆内圈热电偶节点的过渡层表面制备10微米厚度的厚热障层16，所述厚热障层16和热电堆外圈热电偶节点区域制备2微米厚度的薄热障层 15。基片、绝缘层、过渡层、热电功能层、热障层和焊盘组成薄膜芯片7。所述基片8与键合陶瓷6通过高压键合工艺键合为一体结构，薄膜芯片的焊盘14与引针4通过封装陶瓷10进行高温烧结形成无引线封装，焊盘14与引针4通过导电层9进行电连接。所述引针4与高温线缆5连接通过底座1引出引线，所述支撑结构件3起到支撑芯片与键合陶瓷结构体的作用，所述底座1与外壳2通过电子束焊接工艺完成传感器的封装。热电偶堆的内圈热电偶节点覆盖有薄热障层15和厚热障层16，热电偶堆的外圈热电偶节点仅仅覆盖薄热障层16，热电偶堆的内外圈热电偶之间形成测试热环境的温度梯度，为传感器的信号输出提供测试依据；薄膜芯片制备有测温热电偶，使得本实用新型传感器工作时可同步测量温度信号。

本实用新型的测试热流的传感器制备过程如下：基片进行精密抛光，表面进行超声清洗，采用磁控溅射的方式在基片表面制备Al₂O₃绝缘薄膜，采用光刻工艺在基片表面制备热电堆的正极材料图形，采用离子束溅射镀膜的方式制备热电堆的正极热电偶薄膜，去胶清洗后再制备热电堆的负极材料图形，采用离子束溅射镀膜制备热电堆的负极热电偶薄膜，之后采用磁控溅射方式制备过渡层的氧化坦薄膜，而后制备10微米厚度的SiO₂厚热障层和2微米厚度的SiO₂薄热障层。芯片通过高压键合工艺与键合陶瓷键合形成一体结构，薄膜芯片的焊盘与引针采用无引线封装的工艺直接高温烧结连接，引针与薄膜芯片的焊盘通过导电层实现导通，高温线缆与引针连接并通过底座引出，支撑结构件起到支撑芯片与键合陶瓷一体结构的作用，外壳与底座通过电子束焊接进而完成传感器的封装。

Claims (12)

1.一种用于高温大热流测量的传感器，包括底座(1)，其特征在于，所述底座(1)上固定有支撑结构件(3)，所述支撑结构件(3)上设有键合陶瓷(6)，所述键合陶瓷上设有基片(8)，所述基片下表面设有绝缘层(11)，所述绝缘层上设有热电功能层(12)，所述热电功能层上设有过渡层(13)，所述过渡层上设有薄热障层(15)和厚热障层(16)。

2.根据权利要求1所述的用于高温大热流测量的传感器，其特征在于，所述基片(8)下表面制备有绝缘层(11)，所述绝缘层材料为Al₂O₃。

3.根据权利要求1所述的用于高温大热流测量的传感器，其特征在于，所述热电功能层(12)由正极热电偶薄膜(17)和负极热电偶薄膜(18)组成。

4.根据权利要求3所述的用于高温大热流测量的传感器，其特征在于，所述热电功能层采用热电堆的设计形式，热电堆由首尾相接的27对正负极热电偶薄膜组成。

5.根据权利要求4所述的用于高温大热流测量的传感器，其特征在于，所述热电偶材料为镍铬-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。

6.根据权利要求3所述的用于高温大热流测量的传感器，其特征在于，所述热电功能层表面覆盖有过渡层，所述过渡层材料为氧化钽。

7.根据权利要求1或3所述的用于高温大热流测量的传感器，其特征在于，所述厚热障层(16)与薄热障层(15)均设计为圆形，厚热障层覆盖热电功能层内圈热电偶节点，薄热障层覆盖所有热电偶节点。

8.根据权利要求7所述的用于高温大热流测量的传感器，其特征在于，所述厚热障层(16)与薄热障层(15)材料均为SiO₂，厚热障层厚度为10μm，薄热障层厚度为2μm。

9.根据权利要求1所述的用于高温大热流测量的传感器，其特征在于，所述键合陶瓷(6)与基片(8)采用高压键合工艺键合形成一体结构，所述基片、绝缘层、过渡层、热电功能层、薄热障层、厚热障层和焊盘(14)组成薄膜芯片(7)。

10.根据权利要求9所述的用于高温大热流测量的传感器，其特征在于，所述薄膜芯片(7)的焊盘(14)与引针(4)通过封装陶瓷(10)进行高温烧结形成无引线封装，焊盘(14)与引针(4)通过导电层(9)进行电连接。

11.根据权利要求10所述的用于高温大热流测量的传感器，其特征在于，所述引针(4)与高温线缆(5)连接并从底座(1)引出。

12.根据权利要求11所述的用于高温大热流测量的传感器，其特征在于，所述底座(1)与外壳(2)的封装方式为电子束焊接。

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