RU2537754C1 - Manufacturing method of temperature sensors and heat flow (versions) - Google Patents
Manufacturing method of temperature sensors and heat flow (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2537754C1 RU2537754C1 RU2013136393/28A RU2013136393A RU2537754C1 RU 2537754 C1 RU2537754 C1 RU 2537754C1 RU 2013136393/28 A RU2013136393/28 A RU 2013136393/28A RU 2013136393 A RU2013136393 A RU 2013136393A RU 2537754 C1 RU2537754 C1 RU 2537754C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- film
- temperature
- model
- dielectric
- thermocouple
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области измерения высоких уровней температуры и теплового потока в авиационной и космической технике.The invention relates to measuring equipment, in particular to the field of measuring high levels of temperature and heat flux in aviation and space technology.
Известен способ изготовления датчика температуры. Датчик температуры изготавливают из двух разнородных металлических проводников A и B, соединенных между собой сваркой и образующих термопару. Если спаи находятся при разных температурах, то в цепи возникает электродвижущая сила, вызывающая ток. В первом приближении термоЭДС является линейной функцией разности температур. Термопары соединяют с внешней цепью с помощью проводов, изготовленных из металла, отличного от материалов термопары A и B. Чувствительные элементы (ЧЭ) температуры изготавливают из разных металлов, например платино-платинородиевый, медь-никель, никель-платина и т.д. Оба провода соединяют между собой способом контактной сварки. Перед сваркой концы проводов термопары очищают известными способами. (Курт, С. Лион. Приборы для научных исследований. М., Машиностроение, 1964, 2.1.4. Термоэлектрические датчики. Термопары, термоэлементы. С.154).A known method of manufacturing a temperature sensor. The temperature sensor is made of two dissimilar metal conductors A and B, interconnected by welding and forming a thermocouple. If the junctions are at different temperatures, then an electromotive force arises in the circuit, causing current. In a first approximation, thermopower is a linear function of the temperature difference. Thermocouples are connected to the external circuit using wires made of metal other than thermocouple materials A and B. Temperature sensitive elements (CE) are made of different metals, for example platinum-platinum rhodium, copper-nickel, nickel-platinum, etc. Both wires are interconnected by contact welding. Before welding, the ends of the thermocouple wires are cleaned by known methods. (Kurt, S. Lyon. Instruments for scientific research. M., Engineering, 1964, 2.1.4. Thermoelectric sensors. Thermocouples, thermocouples. S.154).
Недостатком этого способа изготовления датчика является то, что при сварке двух металлов затруднительно получить однородное соединение. Из-за этого возникает большой разброс чувствительности, даже в одной партии датчиков.The disadvantage of this method of manufacturing the sensor is that when welding two metals it is difficult to obtain a homogeneous connection. Because of this, there is a large variation in sensitivity, even in one batch of sensors.
Наиболее близким к предложенному изобретению техническим решением является следующий способ изготовления датчика давления и температуры [см. патент РФ №2145064, 7 G01L 9/12, G01K 7/34, 2000, автор А.А. Казарян].Closest to the proposed invention, the technical solution is the following method of manufacturing a pressure and temperature sensor [see
Основание датчика формируют способом испарения в вакууме из окиси алюминия. Для использования медь и никель подвергают очистке. Поверхность диэлектрической пленки в вакууме активизируют путем тлеющего разряда. Чувствительные элементы термопары формируют через маски сплошным слоем меди. Затем способом электрической гравировки формируют выводы и обкладки. Металлизируют обкладки до толщины 0,3-0,5 мкм. Выбирают режимы металлизации полиимидной пленки в вакууме при давлении 1·10-4-10-4 мм рт.ст. 0,18-0,2 мин при силе тока 230-240 мА. Такой способ изготовления датчика давления и температуры позволяет создать датчик, одновременно измеряющий температуру и пупьсации давления на поверхности модели без нарушения целостности модели и физических процессов обтекания.The base of the sensor is formed by evaporation in vacuum from alumina. For use, copper and nickel are purified. The surface of the dielectric film in a vacuum is activated by a glow discharge. The sensitive elements of the thermocouple are formed through masks with a continuous layer of copper. Then, the method of electrical engraving form conclusions and plates. Plates are metallized to a thickness of 0.3-0.5 microns. Choose the metallization mode of the polyimide film in vacuum at a pressure of 1 · 10 -4 -10 -4 mm RT.article 0.18-0.2 min at a current of 230-240 mA. This method of manufacturing a pressure and temperature sensor allows you to create a sensor that simultaneously measures the temperature and pressure on the surface of the model without violating the integrity of the model and the physical flow processes.
Недостаток этого способа - отсутствие качества покрытия металлизированной пленки, из-за чего появляются «светящиеся» точки, приводящие к низкой плотности покрытия, снижающей электропроводность.The disadvantage of this method is the lack of coating quality of the metallized film, due to which “luminous” dots appear, leading to a low coating density, which reduces electrical conductivity.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение области применения датчика в диапазоне температур от -269°C до 1000°CThe technical result of the invention is to expand the scope of the sensor in the temperature range from -269 ° C to 1000 ° C
Техническим результатом является нанесение металлов и диэлектриков на поверхности исследуемого объекта многоэтапно способом испарения металла (до 300°C) в вакууме и катодным осаждением металла (до 1000°C). Формируют ЧЭ температуры и теплового потока из никеля-меди на поверхности диэлектрической пленки (до 300°C) и на поверхности исследуемого объекта (модели) из хромель-константана (до 1000°C). В качестве диэлектриков выбраны полиимидная пленка до 300°C и окись алюминия до 1000°C.The technical result is the deposition of metals and dielectrics on the surface of the test object in a multi-stage method of evaporation of metal (up to 300 ° C) in vacuum and cathodic deposition of metal (up to 1000 ° C). The SE of temperature and heat flux is formed from nickel-copper on the surface of the dielectric film (up to 300 ° C) and on the surface of the test object (model) from chromel-constantan (up to 1000 ° C). As dielectrics, a polyimide film up to 300 ° C and alumina up to 1000 ° C were selected.
1. Технический результат в первом варианте в способе изготовления датчиков температуры и теплового потока достигается тем, что поверхности диэлектрической пленки металлизируют в вакууме никелем и медью, медью металлизируют диэлектрик при давлении 10-4 мм рт.ст., при металлизации диэлектрика никелем выдерживают давление в камере 10-4 мм рт.ст., и формируют таким образом верхние и нижние термопары, причем на поверхностях диэлектрической пленки и на модели обкладки с выводами и боковые экраны формируют путем электрической гравировки, на поверхности модели, верхней и нижней термопары осаждают изоляционные диэлектрические пленки из окиси алюминия, в нем формируют датчик для низких температур в диапазоне (-269, 300°C), многоэтапно способом испарения металла в вакууме на поверхности диэлектрической пленки, например, полиимидной пленки, эту пленку подвергают температурной обработке ступенчато, число ступеней обработки не менее трех при температуре 300, 360, 380°C, и соответственно с выдержкой времени 10, 5, 2 мин, в случае модели, имеющей сложную форму поверхности, на поверхности модели, осаждают, например, полиамидокислотный лак толщиной не менее 1 мкм, режимы имидизации полиамидокислотного лака при температуре от 80 до 360°C, число циклов не менее десяти с продолжительностью выдержки каждого цикла от 20 до 5; 2 мин, затем, на эту пленку наносят пленку никеля толщиной 0,3-0,5 мкм, обеспечивают стабильную характеристику чувствительных элементов, путем ускоренного старения, выдерживая их в течение 15-20 мин, при температуре больше рабочей температуры в 1,2-1,3 раза, выбирают следующие параметры регулирования испарения металла в вакууме на поверхности диэлектрической пленки:1. The technical result in the first embodiment in the method of manufacturing temperature and heat flux sensors is achieved by the fact that the surfaces of the dielectric film are metallized in vacuum by nickel and copper, the dielectric is metallized with copper at a pressure of 10 -4 mm Hg, and the pressure is the chamber is 10 -4 mm Hg, and the upper and lower thermocouples are formed in this way, and on the surfaces of the dielectric film and on the model the plates with leads and side screens are formed by electric engraving, by turning The model, the upper and lower thermocouples are precipitated by insulating dielectric films of aluminum oxide, they form a sensor for low temperatures in the range (-269, 300 ° C), using a multi-stage method of evaporating metal in vacuum on the surface of a dielectric film, for example, a polyimide film, the film is subjected to heat treatment in steps, the number of processing steps is at least three at a temperature of 300, 360, 380 ° C, and accordingly with a time delay of 10, 5, 2 min, in the case of a model having a complex surface shape, on the model surface, deposition for example, polyamide-acid varnish with a thickness of at least 1 μm, imidization regimes of polyamide-acid varnish at a temperature of from 80 to 360 ° C, the number of cycles of at least ten with a duration of exposure of each cycle of 20 to 5; 2 min, then a nickel film 0.3-0.5 microns thick is applied to this film, they provide a stable characteristic of sensitive elements by accelerated aging, keeping them for 15-20 minutes, at a temperature higher than the working temperature of 1.2- 1.3 times, select the following parameters for controlling the evaporation of the metal in vacuum on the surface of the dielectric film:
- расстояние от устройства напыления до модели (подложки) 45-55 мм;- the distance from the spraying device to the model (substrate) 45-55 mm;
- напыление в аргоне при давлении 10-3 МПа;- spraying in argon at a pressure of 10 -3 MPa;
- мощность, подводимая к устройству напыления, - 200 Вт.- power supplied to the spraying device - 200 watts.
2. Технический результат во втором варианте способа изготовления датчика температуры и теплового потока заключается в том, что на поверхности модели металлизируют чувствительные элементы и выводы в вакууме никелем, нихромом, константаном через маски, медью металлизируют диэлектрик при давлении 10-4 мм рт.ст., при металлизации диэлектрика никелем выдерживают давление в камере 10-4 мм рт.ст., при этом формируют на поверхностях диэлектрической пленки верхние и нижние термопары, на поверхностях модели верхней и нижней термопары осаждают изоляционные диэлектрические пленки из окиси алюминия, в них формирование чувствительных элементов температуры и теплового потока с выводами для температур в диапазоне (-269, 1000°C) осуществляют многоэтапно в вакууме на поверхности модели катодным напылением, для чего осаждают металл, затем путем варьирования мощностей в диапазоне 150-400 Вт, подводимых к устройству напыления при давлении 0,1-1,0 Па, расстояние между устройством напыления и моделью 50 мм; с диаметром 200 мм; причем формирование обкладок термопары, изоляционных пленок осуществляют тоже с предварительно нагретой моделью при температуре 170-190°C, первые обкладки датчиков, сформированные хромелем, сглаживают металлом нихромом до толщины сглаживающей пленки 0,8-1,2 мкм, верхние обкладки термопары защищают от окисления при высоких температурах до 1000°C, защитным изоляционным слоем толщиной 0,8-1,2 мкм, причем определяют прочность адгезии каждой пленки из никеля, меди, константана и нихрома, путем расслаивания спаянного провода с пленкой, при этом обеспечивают безотрывность пайки от диэлектрической пленки при силе расслаивания 40-50 Н/м, а термопары холодного спая должны находиться при температуре 0°C с тающим льдом в дистиллированной воде.2. The technical result in the second embodiment of the method of manufacturing a temperature and heat flux sensor is that on the surface of the model, the sensitive elements and conclusions are metallized in vacuum by nickel, nichrome, constantan through masks, the dielectric is metallized with copper at a pressure of 10 -4 mm Hg. when nickel plating dielectric withstand pressure in the
На фиг.1 и фиг.2 изображены конструкция и отдельные узлы датчика температуры и теплового потока, а на фиг.3 - термоэлектрическая схема термопар (устройства). Figure 1 and figure 2 shows the design and individual nodes of the temperature sensor and heat flow, and figure 3 is a thermoelectric diagram of thermocouples (devices).
На модели 1 в вакууме нанесена изоляционная пленка 2, боковые экраны 3, 4, вторая изоляционная 5 и защитная пленка 6, обкладки верхние 7, 8 и нижние 9, 10 термопар. Обкладки 7, 9 имеют, каждая в отдельности, общий вывод 11 (сеч. Б-Б). Для каждой из обкладок 8, 10 формируют отдельно вывод 12. Соединение выводов в местах а-г с внешней толстой проволокой осуществляют вне поля физического процесса обтекания, т.е. по мере возможности контактные места двух соединений, внутреннего и внешнего, прячут внутри модели от воздействия рабочей температуры. Пленки 2, 5 выполняют из полиимида или окиси алюминия, обкладки 8, 10 с выводом 12 - из никеля или хромеля, 7, 9 - с выводом 11 из меди или константана через две маски. Боковые экраны 3, 4 (сеч. А-А) вокруг обкладок 9, 10 и 7, 8 возможно сформировать способом электрической гравировки, электрическим «карандашом» напряжением 6-10 В. Верхние обкладки 7 защищены защитной пленкой 6 от окисления. На фиг.3 термоэлектрическая схема содержит термопары с обкладками холодного спая 13, 14, электронный переключатель 15, потенциометрические усилители 16, 17, индикатор 18. Индикатор соединяют с термопарами через потенциометрические усилители 16, 17 с помощью проводов С, Д, изготовленных из металла, отличного от материала термопар 7, 8, 9, 10, 13, 14. Термопары холодного спая 13, 14 изготавливают аналогично термопарам 7, 8, 9, 10, одинаковой конструкции, технологии, работают в разных местах и условиях. Потенциометрические усилители и электронный переключатель стандартные и широко известны в измерительной технике.On
Датчик температуры и теплового потока работает следующим образом.The temperature and heat flow sensor operates as follows.
На фиг.3, если точки а, б, в, …, с находятся при одной температуре Θа, тогда суммарная термоЭДС этой цепи равна нулю. Если точка находится при температуре Θс=Θа-ΔΘ, то в цепи возникает термоЭДС, пропорциональная перепаду температуры ΔΘ. Если температура в точке а не равна температуре в точке в, то в цепи возникает термоЭДС. Ток в цепи термопары зависит от ее сопротивления, при этом измерение будет правильным, если сопротивление цепи не меняется. Изменение температуры проводов цепи влияет на изменение их сопротивления, что также приводит к ошибке измерения. Ошибки, вызванные протеканием токов, исключаются при измерении ЭДС термопары компенсационным методом:In figure 3, if the points a, b, c, ..., c are at the same temperature Θ a , then the total thermopower of this circuit is zero. If the point is at a temperature Θ c = Θ a -ΔΘ, then a thermoEMF appears in the circuit, which is proportional to the temperature difference ΔΘ. If the temperature at point a is not equal to the temperature at point b, then thermoEMF occurs in the circuit. The current in the thermocouple circuit depends on its resistance, and the measurement will be correct if the circuit resistance does not change. A change in the temperature of the circuit wires affects the change in their resistance, which also leads to a measurement error. Errors caused by the flow of currents are eliminated when measuring the thermocouple EMF by the compensation method:
Температура Θс рабочего спая с может быть определена, если температура Θа спая а, б, в … постоянна или изменяется. Если температура спаев а, б, в.. ближе к температуре Θс, то задача поддержания температуры спаев а, б, в.. будет сложной. В таких случаях к двум проводам термопар присоединяются два провода а′, в′, которые идут к месту, где температура сравнения Θсравн спаев а′, в′ постоянна. Материалы для компенсационного влияния внешних соединительных проводов выбирают так, чтобы ЭДС спаев а, б, в… была незначительна. Такие удлинительные компенсационные провода, изготовленные в виде изолированного двухжильного кабеля, имеются для всех практически применяемых термопар. Для точной работы спаи термопар 13, 14 должны находиться при температуре 0°C с тающим льдом в дистиллированной воде. В некоторых случаях, спаи термопар 13, 14 выдерживают при комнатной температуре или в термостате с температурой 20-50 0°C. Все функциональные задачи: вычисление, управление осуществляет индикатор согласно заранее составленной программе.The temperature Θ from the working junction s can be determined if the temperature Θ a junction a , b, c ... is constant or changes. If the temperature of the junctions a , b, c .. is closer to the temperature Θ s , then the task of maintaining the temperature of the junctions a , b, c .. will be difficult. In such cases, the two thermocouple wires are attached two wires a ', in' who go to the place where the comparison temperature Θ ref junctions A ', B' is constant. Materials for the compensatory effect of the external connecting wires are chosen so that the emf of junctions a , b, c ... is negligible. Such extension compensation wires, made in the form of an insulated two-core cable, are available for all thermocouples that are practically used. For accurate operation,
В стадии эксперимента датчики, сформированные на поверхности исследуемого объекта (модели) или изготовленные раздельно на поверхности пленки из полиимида, подвергают температурному воздействию кратковременного действия. При действии теплового потока Ф на обкладках 7, 8, 9, 10 обкладки термопары на верхней поверхности диэлектрической пленки 5 измеряют температуру θ1, а на нижней пленке 2 - температуру θ2 (фиг.1 сеч.А-А), тогда тепловой поток определяется как
Принцип работы датчика с ЧЭ температуры основан на использовании термоэлектрического эффекта, возникающего в соединении двух металлов двух соединений никель-медь (-269, 300°C) и хромель-константан (-269, 1000°C). ЧЭ температуры и теплового потока формируют из обкладок 7, 8, 9, 10, 13, 14 диэлектрических пленок 2, 5 и выводов 11, 12. В тепловом потоке Ф поверхности датчиков через защитную пленку 6, термопары 7, 8 и 9, 10 с пленкой 5 толщиной d между ними испытывают действие температур θ1 и θ2. Тепловой поток зависит от разности θ1-θ2, коэффициента теплопроводности λ и толщины d пленки 5, т.е. Ф=f(θ1,θ2,λ,d).The principle of operation of the sensor with the SE of the temperature is based on the use of the thermoelectric effect arising in the connection of two metals of the two compounds nickel-copper (-269, 300 ° C) and chromel-constantan (-269, 1000 ° C). The SEs of temperature and heat flux are formed from
Необходимость разработки вызвана возрастающей потребностью в высокочувствительных высокотемпературных датчиках, позволяющих исследовать поля температур и теплового потока на обтекаемых поверхностях без применения дренирования, т.е. без нарушения целостности конструкции модели и физического процесса обтекания. На основе известных исследований и измерительной техники следовало выбирать два металла никель-медь, хромель-константан и другие с возможно максимальным термоэлектрическим эффектом.The need for development is caused by the increasing need for highly sensitive high-temperature sensors, which allow to study the temperature and heat flux fields on streamlined surfaces without the use of drainage, i.e. without violating the integrity of the model structure and the physical flow process. Based on well-known research and measurement techniques, two metals nickel-copper, chromel-constantan and others with the maximum possible thermoelectric effect should be chosen.
Для решения поставленной задачи пленки металлов и диэлектриков наносят в вакууме. Для увеличения чувствительности пленочных термопар с обкладками 7, 8, 9, 10 и термопары 13, 14 обусловлен способ их изготовления и выбор марки сплава.To solve the problem, films of metals and dielectrics are applied in vacuum. To increase the sensitivity of film thermocouples with
Технический результат достигается двумя вариантами:The technical result is achieved in two ways:
В первом варианте формируют датчик для низких и умеренных температур (-269, 300°C) многоэтапно способом испарения металлов в вакууме на поверхности диэлектрика, например, полиимидной пленки, проводя следующие технологические циклы:In the first embodiment, a sensor is formed for low and moderate temperatures (-269, 300 ° C) in a multi-stage way by evaporation of metals in vacuum on the surface of a dielectric, for example, a polyimide film, by conducting the following process cycles:
1 этап. Для получения основы датчиков безусадочной, пленки из полиимида 2, 5 толщиной d подвергают ступенчатой температурной обработке, число ступеней не менее трех при температурах 300, 360, 380°C и соответственно с выдержкой времени 10, 5, 2 мин.
2 этап. В случае использования модели 1, имеющей поверхность сложного профиля, где затруднена наклейка диэлектрической пленки на криволинейной поверхности без морщин, предлагают диэлектрическую пленку из полиимида 2, 5 на поверхности модели 1 формировать (осаждать), например, из полиамидокислотного лака толщиной не менее 1 мкм. Режимы имидизации полиамидокислотного лака при температуре от 80 до 360°C с продолжительностью выдержки температуры каждого цикла от 20 до 2 мин, число циклов не менее 10.2 stage. In the case of using
3 этап. Подготовка сырья и материалов. В этом этапе очищают поверхность полиимидной пленки этиловым спиртом. Также подвергают очистке медь, никель, нихром, хромель, константан, предназначенные для металлизации полиимидной пленки или других диэлектрических пленок.3 stage. Preparation of raw materials. In this step, the surface of the polyimide film is cleaned with ethyl alcohol. Also subjected to purification of copper, nickel, nichrome, chromel, constantan, intended for metallization of a polyimide film or other dielectric films.
4 этап. Для повышения прочности адгезии между металлом и диэлектрической пленкой, например, полиимидной пленки, поверхность диэлектрика активизируют путем тлеющего разряда в вакууме. Создают вакуум 5·10-1-8·10-1 мм рт.ст. продолжительностью 0,25-0,3 мин при силе тока 550-600 мА.4th stage. To increase the adhesion strength between the metal and the dielectric film, for example, a polyimide film, the surface of the dielectric is activated by a glow discharge in vacuum. Create a vacuum of 5 · 10 -1 -8 · 10 -1 mm RT.article with a duration of 0.25-0.3 min with a current strength of 550-600 mA.
5 этап. Для формирования ЧЭ датчика температуры на поверхности полиимидной пленки 5 толщиной d с обкладками 7, 8 из никеля-меди в вакууме сперва наносят пленку из хрома толщиной 0,1 мкм. Затем никелевую пленку, т.е. обкладки 8, 9 толщиной 0,3-0,5 мкм. Пленку никеля через маски наносят на поверхность диэлектрической пленки (полиимидной пленки), предварительно нагретой до 175-185°C. При металлизации пленок никелем выдерживают давление в камере ·10-4 мм рт.ст., при силе тока 230-240 мА продолжительностью 0,45-0,5 мин. Или полиимидную пленку металлизируют сплошь и формируют ЧЭ с обкладками 7, 8, 9, 10 способом электрической гравировки. Пленки меди, т.е. обкладки 7, 10 толщиной 0,3-0,5 мкм наносятся вторыми. Выбирают режимы металлизации меди при вакууме 10-4 мм рт.ст. продолжительностью 0,18-0,2 мин при силе тока 230-240 мА. Причем для получения плотного металлического покрытия, полиимидную пленку (толщиной 15-20 мкм) металлизируют в натянутом состоянии так, чтобы она приобрела вид мембраны. Результаты проведенного эксперимента показали, что нанесение первым слоем никелевой пленки на поверхность диэлектрической пленки связано с хрупкостью никелевой пленки, которая может треснуть в месте соединения (перехода) обкладок и выводов меди с никелем.5 stage. To form a SE of a temperature sensor on the surface of a polyimide film 5 of thickness d with
6 этап. С целью повышения чувствительности и надежности датчиков температуры и теплового потока, увеличивают толщины пленок никеля и меди до 2 мкм при измерении температуры в широком диапазоне от - 269 до 300°C. В этом режиме рекомендуется осаждать никель и медь на поверхности диэлектрика, например, полиимида, катодным напылением в вакууме.6 stage. In order to increase the sensitivity and reliability of temperature and heat flux sensors, increase the thickness of nickel and copper films to 2 μm when measuring temperature in a wide range from - 269 to 300 ° C. In this mode, it is recommended to deposit nickel and copper on the surface of a dielectric, for example, polyimide, by cathodic deposition in a vacuum.
7 этап. Обеспечивают стабильную характеристику сформированных ЧЭ путем ускоренного старения при ступенчатом изменении температуры, температурой больше рабочей температуры в 1,2-1,3 раза, продолжительностью 15-20 мин. Ускоренным старением можно обеспечить устойчивые стабильные характеристики металлических пленок, близкие к характеристикам проводов большого сечения.7th stage. Provide a stable characteristic of the formed SE by accelerated aging with a stepwise change in temperature, with a temperature higher than the working temperature by 1.2-1.3 times, lasting 15-20 minutes. Accelerated aging can provide stable stable characteristics of metal films, close to the characteristics of wires of large cross-section.
Выбирают параметры катодного напыления в вакууме на поверхности диэлектрика, например, полиимидной пленки:Select the parameters of cathodic deposition in vacuum on the surface of a dielectric, for example, a polyimide film:
- расстояние от устройства напыления (мишени) до подложки (модели) 45-55 мм;- the distance from the deposition device (target) to the substrate (model) 45-55 mm;
- напыление в аргоне при давлении 10-3 МПа;- spraying in argon at a pressure of 10 -3 MPa;
- мощность, подводимая к устройству напыления (мишени) 200 Вт, т.е. плотность 0,5 Вт/см2;- power supplied to the spraying device (target) 200 W, i.e. density 0.5 W / cm 2 ;
- подводимая мощность высокой частоты 0,6 Вт/см2.- input power of a high frequency of 0.6 W / cm 2 .
Продолжительность напыления регулируется таким образом, чтобы обеспечить требуемую толщину металлической пленки от 0,1 до 2 мкм в зависимости от толщины металла, от расстояния до оси мишени, диаметром мишени 200 мм.The duration of the spraying is adjusted in such a way as to provide the required thickness of the metal film from 0.1 to 2 μm depending on the thickness of the metal, from the distance to the axis of the target, with a target diameter of 200 mm.
Во втором варианте, при изготовлении датчиков температуры и теплового потока для низких и высоких температур (-269, 1000°C) на поверхности модели формируют датчик многоэтапно в вакууме, для чего осаждают металл катодным напылением и соблюдают следующие технологические циклы:In the second option, in the manufacture of temperature and heat flux sensors for low and high temperatures (-269, 1000 ° C), the sensor is formed on the model’s surface in stages in a vacuum, for which metal is deposited by cathodic deposition and the following technological cycles are observed:
1 этап. Подготовка сырья для сборки. В этом процессе очищают поверхность модели 1 этиловым спиртом. Также подвергают очистке хромель и константан, предназначенные для формирования обкладок 7, 8, 9, 10 и 13, 14 термопар.
2 этап. В вакууме формируют изоляционные пленки 2, 5 из окиси алюминия на поверхности модели 1, затем обкладки 7, 8 из хромель - константана (фиг.1 сеч. А-А). При этом устройство катодного напыления в вакууме выбирают состоящим из радиочастотного диода. Выбирают режимы напыления изоляционных пленок путем варьирования разных мощностей 150-400 Вт, подводимых к устройству напыления (мишени) в диапазоне давления 0,1-1,0 Па, расстояние между устройством напыления (мишенью) и моделью или подложкой 50 мм; диаметр мишени (устройства напыления) 200 м.2 stage. In vacuum, insulating films 2, 5 of aluminum oxide are formed on the surface of
3 этап. Формируют первые обкладки термопары 8, 9 через две маски (или путем электрической гравировки при напряжении питания 6-10 В) из металла или из полиимидной пленки. С помощью маски на поверхностях изоляционных пленок 2, 5 в вакууме осаждают хромель толщиной 0,2-0,3 мкм. Выбирают режимы напыления, совпадающие с режимами во втором этапе.3 stage. The first plates of the
4 этап. Первые (нижние) обкладки термопары 8, 9, 14 с выводами 12, нанесенные на поверхности изоляционных пленок 2, 5, могут содержать дефекты «светящиеся точки». Этот дефект устраняют на поверхности первых обкладок 8, 9 с выводами 12 сглаживанием, для чего осаждают нихром толщиной 0,08-0,1 мкм на поверхности диэлектрика катодным напылением в вакууме с помощью бомбардировки ионами.4th stage. The first (lower) plates of the
5 этап. Формируют вторые (верхние) обкладки термопары 7, 10, 13 с выводом 11 на поверхностях первой обкладки из константана толщиной 0,2-0,3 мкм. На этом этапе выбранные режимы формирования вторых обкладок совпадают с режимом четвертого этапа.5 stage. The second (upper) plates of the
6 этап. Для защиты верхней обкладки термопары 7 от окисления при высоких температурах (в условиях эксплуатации датчиков при температуре 1000°C), обкладки покрывают изоляционной пленкой 6 из материала, в состав которого входит никель, хром, алюминий и т.д. толщиной 0,08-0,1 мкм.6 stage. To protect the upper lining of the
7 этап. С целью повышения качества двух соединений из металлической пленки хромеля-константана, до формирования обкладок термопары 7, 8, 9, 10 изоляционные пленки 2, 5 и модель 1 предварительно нагревают до температуры 170-190°C.7th stage. In order to improve the quality of two compounds made of a metal film of chromel-constantan, before forming
8. Независимо от диапазона измерения температуры, прочность адгезии изоляционных и металлических пленок в отдельности и между собой определяют с помощью липкой ленты. Их отрыв от изоляционных пленок на модели, от поверхности металлических пленок из хромеля и константана и другие согласно МРТУ №6-05-111-6-68. При этом была принята оценка: очень плохая адгезия - покрытие легко отделяется при малейшей деформации; очень хорошая - покрытие не отделяется от основы даже после значительных деформаций. Кроме того, адгезию металлизированного покрытия определяют путем расслаивания спаянного провода обычной пайки к пленке хромеля, константана и др. Место паек должно быть сплошным и не отрываться при силе расслаивания 40-50 Н/м. Провода, применяемые для изготовления термоэлементов, должны быть отожжены при температуре более высокой, чем температура, которую измеряют. Необходимо, чтобы проволока была однородной, в противном случае, если вдоль проволоки возникает перепад температуры, то может появиться паразитная термоЭДС.8. Regardless of the temperature measurement range, the adhesion strength of insulation and metal films individually and between each other is determined using adhesive tape. Their separation from the insulating films on the model, from the surface of metal films of chromel and constantan and others according to MRTU No. 6-05-111-6-68. At the same time, an assessment was adopted: very poor adhesion - the coating is easily detached at the slightest deformation; very good - the coating does not separate from the substrate even after significant deformations. In addition, the adhesion of the metallized coating is determined by delamination of the soldered wire of normal soldering to the film of chromel, constantan, etc. The place of rations should be solid and not come off with a delamination force of 40-50 N / m. The wires used for the manufacture of thermocouples must be annealed at a temperature higher than the temperature that is measured. It is necessary that the wire be homogeneous, otherwise, if a temperature difference occurs along the wire, then spurious thermoEMF may appear.
Чувствительность термопары повышается за счет увеличения толщины обкладок и их формирования способом катодного напыления в вакууме. Температурный диапазон расширяется до 1000°C за счет использования температурно-стойких металлов и изоляционных покрытий в конструкции термопары. Весьма предпочтительно то, что конструкцию датчика формируют непосредственно на поверхностях тонких профилей и модели имеющей поверхности сложной кривизны.The sensitivity of the thermocouple is increased by increasing the thickness of the plates and their formation by the method of cathodic deposition in vacuum. The temperature range extends to 1000 ° C through the use of temperature-resistant metals and insulating coatings in the construction of thermocouples. It is highly preferable that the sensor design is formed directly on the surfaces of thin profiles and models having surfaces of complex curvature.
С этой целью в ЦАГИ были нанесены изоляционные пленки на поверхностях нормальной и сложной кривизны из полиимида толщиной 15-20 мкм. Обкладки датчика были нанесены в вакууме через маски из дюралюминия толщиной 0,8 мм или из полиимида толщиной 120-130 мкм.To this end, TsAGI applied insulation films on surfaces of normal and complex curvature of
Обкладки датчика сформированы из никеля, меди толщиной 0,3-0,4 мкм. Образцы были выдержаны при температуре 320°C кратковременно и 200-250°C в длительном режиме работы. После такой тренировки не было обнаружено внешних дефектов. Выяснили, что полиимидная пленка, покрытая никелем, обладает светопропускающими точками размером намного меньше 0,1 нм. Это является одной из причин, что при заданных одинаковых размерах пленки металлов имеют разные омические (активные) сопротивления. Другие трудности - это соблюдение получения одинаковой толщины пленки из любого металла. Исходя из этих соображений, предложено первые обкладки термопары осаждать нихромом толщиной не более ~0,1 мкм. Полученный температурный коэффициент металлизированной пленки из полиимида никелем близок к общеизвестному
Известно, что полиимидная пленка сохраняет гибкость при температуре жидкого гелия (4 Кельвина) и после выдержки в жидком азоте. При этих условиях ее можно наматывать на стержень диаметром 6 мм, причем пленка не ломается и не растрескивается.It is known that a polyimide film retains flexibility at the temperature of liquid helium (4 Kelvin) and after exposure to liquid nitrogen. Under these conditions, it can be wound on a rod with a diameter of 6 mm, and the film does not break and does not crack.
Claims (2)
- расстояние от устройства напыления до поверхности модели 45-55 мм;
- напыление в аргоне при давлении 10-3 МПа;
- мощность, подводимая к устройству напыления, - 200 Вт.1. A method of manufacturing temperature and heat flux sensors, based on the fact that the surfaces of the dielectric film are metallized in vacuum by nickel and copper, the dielectric is metallized with copper at a pressure of 10 -4 mm Hg, and when the dielectric is metallized, the pressure is kept in the chamber 10 -4 mmHg. and form upper and lower thermocouples in this way, on the surfaces of the dielectric film and on the model, plates with leads and side screens are formed by electric engraving, and on the surfaces of the model, upper and lower thermocouples, insulating dielectric films of aluminum oxide are deposited, characterized in that they form a sensor for low temperatures in the range - 269 ÷ 300 ° C in a multi-stage method of evaporation of metals in vacuum on the surface of a dielectric film, for example, a polyimide film, this film is subjected to temperatures stepwise processing, the number of processing steps at least three at a temperature of 300, 360, 380 ° C and, accordingly, with a time delay of 10, 5, 2 min, in the case of a model having a complex surface shape, for example, polyamide-acid varnish is deposited with a thickness of not less than 1 micron, imidization modes of polyamide-acid varnish are carried out at a temperature of from 80 to 360 ° C, the number of cycles is not less than ten with a duration of soaking of each cycle from 20 to 5; 2 min, then a nickel film 0.3-0.5 microns thick is applied to this film, they provide a stable characteristic of sensitive elements by accelerated aging, keeping them for 15-20 minutes at a temperature higher than the working temperature of 1.2-1.3 times, select the following parameters for controlling the evaporation of the metal in vacuum on the surface of the dielectric film:
- the distance from the spraying device to the surface of the model is 45-55 mm;
- spraying in argon at a pressure of 10 -3 MPa;
- power supplied to the spraying device - 200 watts.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013136393/28A RU2537754C1 (en) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | Manufacturing method of temperature sensors and heat flow (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013136393/28A RU2537754C1 (en) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | Manufacturing method of temperature sensors and heat flow (versions) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2537754C1 true RU2537754C1 (en) | 2015-01-10 |
Family
ID=53287870
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013136393/28A RU2537754C1 (en) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | Manufacturing method of temperature sensors and heat flow (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2537754C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106323493A (en) * | 2016-08-10 | 2017-01-11 | 清华大学 | Temperature field and heat flow density field measurement integrated device and manufacturing method therefor |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU503144A1 (en) * | 1974-07-02 | 1976-02-15 | Днепропетровский Химико-Технологический Институт Имени Ф.Э.Дзержинского | Thermoelectric semiconductor temperature sensor |
SU934251A1 (en) * | 1979-03-26 | 1982-06-07 | Предприятие П/Я Г-4493 | Thermocouple manufacturing method |
US5287081A (en) * | 1993-01-13 | 1994-02-15 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Multilayer thin film multijunction integrated micropotentiometers |
RU2110778C1 (en) * | 1996-06-04 | 1998-05-10 | Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского | Pressure and temperature sensitive element |
RU2145064C1 (en) * | 1998-08-13 | 2000-01-27 | Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского | Pressure and temperature-sensitive element |
-
2013
- 2013-08-05 RU RU2013136393/28A patent/RU2537754C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU503144A1 (en) * | 1974-07-02 | 1976-02-15 | Днепропетровский Химико-Технологический Институт Имени Ф.Э.Дзержинского | Thermoelectric semiconductor temperature sensor |
SU934251A1 (en) * | 1979-03-26 | 1982-06-07 | Предприятие П/Я Г-4493 | Thermocouple manufacturing method |
US5287081A (en) * | 1993-01-13 | 1994-02-15 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Multilayer thin film multijunction integrated micropotentiometers |
RU2110778C1 (en) * | 1996-06-04 | 1998-05-10 | Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского | Pressure and temperature sensitive element |
RU2145064C1 (en) * | 1998-08-13 | 2000-01-27 | Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского | Pressure and temperature-sensitive element |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106323493A (en) * | 2016-08-10 | 2017-01-11 | 清华大学 | Temperature field and heat flow density field measurement integrated device and manufacturing method therefor |
CN106323493B (en) * | 2016-08-10 | 2020-05-22 | 清华大学 | Temperature field and heat flow density field measurement integrated device and preparation method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8662746B2 (en) | Turbine component instrumented to provide thermal measurements | |
US5393351A (en) | Multilayer film multijunction thermal converters | |
CA2732983C (en) | Thermocouple for gas turbine environments | |
US8198976B2 (en) | Flexible thin metal film thermal sensing system | |
Liu et al. | YSZ/Al2O3 multilayered film as insulating layer for high temperature thin film strain gauge prepared on Ni-based superalloy | |
CN104823031B (en) | Temperature sensor | |
WO2010089024A3 (en) | Resistance thermometer comprising non-conducting zirconium dioxide | |
US20030029232A1 (en) | Coupon for measuring corrosion rates and system | |
SE461177B (en) | DEVICE FOR Saturation of thermal properties of a test substance | |
Lee et al. | Flexible thermoelectric module using Bi-Te and Sb-Te thin films for temperature sensors | |
CN105784183B (en) | A kind of patch type temperature sensor and its preparation process | |
RU2537754C1 (en) | Manufacturing method of temperature sensors and heat flow (versions) | |
Tong et al. | High‐temperature thin‐film Pt–Ir thermocouple with fast time response | |
JP2013211180A (en) | Film heater with temperature sensor | |
CN110265539A (en) | A kind of corronil film thermocouple and preparation method thereof | |
Jiang et al. | MEMS for characterization of thermal conductivity in thin films and two-dimensional materials | |
Wang et al. | Flexible MEMS Shear Stress Sensor with Improved Performance for Wind Tunnel Measurements | |
Azerou et al. | Temperature coefficient of thin film resistance temperature detectors for improved heat flux sensors | |
Knoll et al. | Material screening for fully printed polymer-based thermocouples designed for use in harsh environments | |
JP2010066267A (en) | Epitaxial soot sensor | |
CN113739689A (en) | Sensor and system | |
JPS63281030A (en) | Contactor for thermometer or the like | |
JP2901936B2 (en) | Multilayer thin film composed of metal and inorganic insulating material | |
KR101848764B1 (en) | Micro temperature sensor and fabrication method of the same | |
KR20000059127A (en) | Fabrication method of thermocouple wafer and temperature measurement method by using thermocouple wafer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180806 |