RU66039U1

RU66039U1 - HEAT FLOW SENSOR

Info

Publication number: RU66039U1
Application number: RU2007114611/22U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Геннадьевич Викулов; Алексей Геннадьевич Викулов; Сергей Юрьевич Меснянкин
Original assignee: Московский авиационный институт (государственный технический университет)
Priority date: 2007-04-17
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2007-08-27

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники, в частности, к датчикам теплового потока. Датчик теплового потока содержит пластинку монокристаллическго кремния с напыленным на одну из ее сторон слоем алюминия. При этом в зоне контакта кремниевой пластинки и напыленного слоя алюминия размещен чувствительный элемент термопары. На противоположной стороне кремниевой пластинки расположена контактная площадка из алюминия. Изобретение позволяет упростить конструкцию датчика.The proposed utility model relates to the field of measurement technology, in particular, to heat flux sensors. The heat flux sensor contains a plate of monocrystalline silicon with a layer of aluminum sprayed onto one of its sides. At the same time, a sensitive element of a thermocouple is placed in the contact zone of the silicon wafer and the deposited layer of aluminum. An aluminum contact pad is located on the opposite side of the silicon wafer. The invention allows to simplify the design of the sensor.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники, в частности, к датчикам теплового потока.The proposed utility model relates to the field of measurement technology, in particular, to heat flux sensors.

Наиболее близким к предполагаемому решению является датчик теплового потока, включающий чувствительный элемент, состоящий из пластинки монокристаллического кремния с напыленным на нее слоем алюминия, содержащий кремниевую подложку, на которой последовательно размещены мембрана и термопары, горячие и холодные спаи которых расположены на толстой и тонкой частях мембраны соответственно, а сами термопары соединены в батарею. (Патент №2242728 - прототип)The closest to the proposed solution is a heat flux sensor, comprising a sensitive element, consisting of a single-crystal silicon wafer with a layer of aluminum sprayed on it, containing a silicon substrate on which the membrane and thermocouples are sequentially placed, hot and cold junctions of which are located on the thick and thin parts of the membrane respectively, and the thermocouples themselves are connected to the battery. (Patent No. 2242728 - prototype)

Недостатком прототипа является сложность изготовления и эксплуатации запатентованного датчика, большие габариты, а также необходимость поддержания постоянной температуры на теплоотводящем основании (термостат).The disadvantage of the prototype is the complexity of the manufacture and operation of the patented sensor, large dimensions, as well as the need to maintain a constant temperature on a heat sink (thermostat).

Целью заявляемой полезной модели является упрощение конструкции датчика.The purpose of the claimed utility model is to simplify the design of the sensor.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике теплового потока, включающем пластинку монокристаллического кремния с напыленным на одну из ее сторон слоем алюминия, в зоне контакта кремниевой пластинки и напыленного слоя алюминия размещен чувствительный элемент термопары, а на противоположной стороне кремниевой пластинки размещена контактная площадка из алюминия.This goal is achieved by the fact that in the heat flux sensor including a single-crystal silicon wafer with an aluminum layer deposited on one of its sides, a sensitive element of a thermocouple is placed in the contact zone of the silicon wafer and the deposited aluminum layer, and an aluminum contact pad is placed on the opposite side of the silicon wafer .

На фиг.1 изображен датчик теплового потока.Figure 1 shows the heat flux sensor.

На фиг.2 изображен график зависимости плотности теплового потока от термо-ЭДС и контактной температуры.Figure 2 shows a graph of the dependence of the density of the heat flux on thermo-EMF and contact temperature.

Датчик включает в себя кремниевую пластинку 1, напыленный на нее слой алюминия 2, контактную площадку из алюминия 3, термопару 4.The sensor includes a silicon wafer 1, an aluminum layer 2 sprayed onto it, an aluminum contact pad 3, and a thermocouple 4.

На верхней стороне пластинки монокристаллического кремния n-типа 1 нанесен слой алюминия 2, а на противоположной нижней стороне кремниевой пластинки выполнена контактная площадка из алюминия 3, необходимая для проведения электрических измерений. В зоне контакта кремниевой пластинки с напыленным слоем алюминия закреплен чувствительный элемент термопары 4.An aluminum layer 2 is deposited on the upper side of the n-type 1 single-crystal silicon wafer, and an aluminum contact pad 3 is made on the opposite lower side of the silicon wafer, which is necessary for electrical measurements. In the contact zone of the silicon wafer with a sprayed layer of aluminum, a sensitive element of the thermocouple 4 is fixed.

Для проведения электрических измерений датчик подключают к вольтметру 5, один из выводов которого присоединятся к слою напыленного алюминия 2, а второй - к контактной площадке 3.For electrical measurements, the sensor is connected to a voltmeter 5, one of the terminals of which will be connected to the layer of deposited aluminum 2, and the second to the pad 3.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

К тепловоспринимающей поверхности слоя монокристаллического кремния подводится тепловой поток (Q) (фиг.1), который проходит последовательно через слой кремния, зону контакта кремниевой пластинки со слоем напыленного алюминия, слой алюминия и отводится от теплоотдающей поверхности слоя алюминия. В зоне контакта кремниевой пластинки и слоя напыленного алюминия возникает термо-ЭДС, величина которой зависит от плотности теплового потока и температуры контакта.Heat flux (Q) is supplied to the heat-absorbing surface of the single-crystal silicon layer (Fig. 1), which passes sequentially through the silicon layer, the contact zone of the silicon wafer with the deposited aluminum layer, and the aluminum layer is removed from the heat-transfer surface of the aluminum layer. In the contact zone of the silicon wafer and the layer of deposited aluminum, thermo-EMF arises, the value of which depends on the density of the heat flux and the contact temperature.

Перед измерением датчик градуируют с получением зависимости плотности теплового потока от термо-ЭДС, которая апроксимируется линейной функцией (фиг.2) при каждом значении контактной температуры.Before measurement, the sensor is graduated to obtain the dependence of the heat flux density on the thermo-EMF, which is approximated by a linear function (Fig. 2) for each contact temperature.

При определении плотности теплового потока замеряют температуру в зоне контакта кремниевой пластинки и слоя алюминия и контактную термо-ЭДС. По полученным данным из градуировочного графика определяют плотность теплового потока.When determining the density of the heat flux, the temperature in the contact zone of the silicon wafer and the aluminum layer and contact thermo-EMF are measured. According to the data obtained from the calibration graph, determine the density of the heat flux.

Тепловой поток определяется произведением плотности теплового потока на площадь рабочей поверхности.The heat flux is determined by the product of the density of the heat flux by the area of the working surface.

Использование тесного контакта, в котором расстояние между соприкасающимися поверхностями соизмеримо с размерами молекул, что обеспечивает стабильность показаний в условиях длительных циклических тепловых нагрузок за счет сохранения фактической контактной площади, которая равна номинальной в идеальном случае.The use of close contact, in which the distance between the contacting surfaces is commensurate with the size of the molecules, which ensures stability of readings under long-term cyclic thermal loads by maintaining the actual contact area, which is equal to the nominal in the ideal case.

Предлагаемая полезная модель позволяет производить измерения теплового потока по величине температуры в зоне контакта и контактной термо-ЭДС без использования теплофизических свойств материалов датчика (как в прототипе), что позволяет уменьшить размеры датчика и упростить его контрукцию.The proposed utility model allows to measure the heat flux by the temperature in the contact zone and contact thermo-EMF without using the thermophysical properties of the sensor materials (as in the prototype), which allows to reduce the size of the sensor and simplify its design.

Claims

A heat flux sensor comprising a single-crystal silicon wafer with an aluminum layer sprayed on one of its sides, characterized in that a thermocouple sensing element is placed in the contact zone of the silicon wafer and the sprayed aluminum layer, and an aluminum contact pad is located on the opposite side of the silicon wafer.