專利名稱：一種集成式薄膜溫度熱流復合傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于薄膜特種傳感器技術領域，具體涉及一種基于微機械加工技術的薄膜傳感器。更具體地說，本實用新型涉及一種集成式薄膜溫度熱流復合傳感器，通過薄膜熱電偶實現(xiàn)絕熱層溫度和熱流的測量，這種薄膜溫度熱流復合傳感器制造工藝簡單，具有較高的測量精度。
背景技術：
飛機或導彈模型在高速風洞測試試驗，需要對飛行器上的每個點在不同馬赫數(shù)下和不同攻角狀態(tài)下的受熱情況進行測試分析，準確計算出材料在受熱狀態(tài)下的力學性能，以便選用合適材料，并采取防熱措施，保障飛行器安全可靠的高速飛行。如何準確、快速測量出表面熱流量，是設計可靠防熱系統(tǒng)的先決條件。長期以來，通過對溫度變化檢測來實現(xiàn)對熱流量傳遞測量。由于受飛行器外殼結構限制，采用傳統(tǒng)的測量體溫度傳感器安裝困難，且破外飛行器外殼結構形狀。因此，需要一種溫度與熱流復合傳感器可對飛行器外殼材料在高速飛行過程中的溫度和熱流同時進行測量。目前，熱流測量通過熱流傳感器，溫度測量采用溫度傳感器，還沒有一種傳感器可以實現(xiàn)對飛行器外殼材料溫度以及熱流的同時測量。

實用新型內(nèi)容本實用新型旨在提出一種集成式薄膜溫度熱流復合傳感器，可以實現(xiàn)對飛行器表面溫度和熱流的同時測量，這種溫度熱流復合傳感器基本采用現(xiàn)有的成熟工藝技術和材料，生產(chǎn)工藝簡單，安裝方便，不會影響飛行器結構可靠性，具有良好的抗環(huán)境干擾能力及可靠性水平。為了達到上述目的，本實用新型提供的技術方案為:參見圖1，所述集成式薄膜溫度熱流復合傳感器I包括基片2，設于基片2上的過渡層3，設于過渡層3上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列由一個獨立的薄膜熱電偶10和通過外接點11串聯(lián)的兩個以上薄膜熱電偶10組成，所述薄膜熱電偶10包括A電極4(如PtRhl3電極)和B電極5 (如Pt電極)；所述A電極4和B電極5的接點上設有厚熱障層6 ;所述薄膜熱電偶陣列中的外接點11上和獨立薄膜熱電偶10的自由端電極上設有薄熱障層7 ;所述獨立薄膜熱電偶10的兩個電極分別經(jīng)一個A焊盤12與各自對應的A補償導線13連接，所述兩個以上串聯(lián)的薄膜熱電偶10的兩個外接端分別經(jīng)一個B焊盤9與各自對應的B補償導線8連接(參見圖1)。其中，所述基片2材料為Al2O3陶瓷,其直徑為50mm 150mm,厚度0.5mm Imm ;所述過渡層3材料為Ta2O5,厚度為0.05 μ m 0.1 μ m ;所述薄膜熱電偶10的厚度為0.2 μ m
0.5 μ m ;所述薄熱障層7材料為SiO2,厚度為0.5 μ m I μ m。所述厚薄熱障層6材料為Al2O3或A1N，優(yōu)選為Al2O3,厚度為3 μ m 10 μ m。所述薄膜熱電偶10為R型熱電偶、B型熱電偶或S型熱電偶，優(yōu)選為R型熱電偶。[0009]可將薄膜溫度熱流復合傳感器I固定安裝于飛行器外殼，實現(xiàn)高速飛行過程中溫度及熱流雙參數(shù)的測量。上述集成式薄膜溫度熱流復合傳感器的制備方法，包括如下步驟: (I)清洗基片，去除基片表面油污及雜質(zhì)；(2)將基片與薄膜熱電偶A電極的不銹鋼掩膜套裝在一起，并用不銹鋼夾具夾好放在沉積鍍膜系統(tǒng)的行星架上；(3)依次在基片表面淀積過渡層薄膜和薄膜熱電偶A電極的薄膜材料，取下不銹鋼掩膜；其中過渡層薄膜用以增強熱電偶薄膜與基片層的結合力，并增強熱電偶薄膜在高溫下的穩(wěn)定性；(4)將基片與薄膜熱電偶B電極的不銹鋼掩膜板套裝在一起，并用不銹鋼夾具夾好放于沉積鍍膜系統(tǒng)的行星架上；(5)依次在基片表面淀積過渡層薄膜和薄膜熱電偶B電極的薄膜材料；取下不銹鋼掩膜；(6)將基片與薄熱障層材料的不銹鋼掩膜板套裝在一起并放于沉積鍍膜系統(tǒng)的行星架上；(7)在基片上相鄰兩個薄膜熱電偶串聯(lián)處的外接點位置和獨立薄膜熱電偶的電極自由端位置沉積薄的熱障層薄膜材料；取下不銹鋼掩膜；(8)將基片與厚熱障層材料的不銹鋼掩膜板套裝在一起并放于沉積鍍膜系統(tǒng)的行星架上；(9)在基片上同一薄膜熱電偶A電極和B電極的接點位置沉積厚熱障層薄膜材料；取下不銹鋼掩膜；(10)將經(jīng)上述步驟制成的薄膜熱電偶基片放入高溫氣氛退火爐，對制備的薄膜材料進行退火處理，使薄膜結構趨于穩(wěn)定；(11)利用切片機切片制得薄膜溫度熱流復合傳感器；((12)將薄膜熱流傳感器上串聯(lián)的兩個以上的薄膜熱電偶的外接端以及獨立薄膜熱電偶的電極與各自的補償導線分別在焊盤處通過燒結或焊接相連。其中，步驟(10)所述的退火溫度為600°C 800°C，退火氣氛為真空，退火時間為
0.5 I小時。下面結合設計及工作原理對本實用新型作進一步說明:本實用新型提出的集成式薄膜溫度熱流復合傳感器，包括基片，設于基片上的過渡層，設有過渡層上的薄膜熱電偶陣列，所述薄膜熱電偶陣列上設有熱障層，所述薄膜熱電偶陣列是由兩個以上串聯(lián)的薄膜熱電偶及一個獨立的薄膜熱電偶構成的，可根據(jù)實際測量要求設計調(diào)整熱電偶個數(shù)，以滿足不同的測量精度要求，所述薄膜熱電偶包括補償引線。經(jīng)過標定后的熱流傳感器，在測量過程中，通過信號采集裝置對薄膜熱電堆的輸出信號進行實時采集，獲得薄膜熱電堆的輸出信號與熱流之間的關系，實現(xiàn)飛行器外表面熱流密度分布測量。與此同時，由于在薄膜熱電偶陣列中設計了一個獨立的薄膜熱電偶，可同步獲取外殼表面的溫度值。這樣，本實用新型的薄膜溫度熱流復合傳感器實現(xiàn)了飛行過程中外殼材料溫度、表面熱流的實時測量。其中，所述基片材料為Al2O3陶瓷,其直徑為50mm 150mm,厚度0.5mm Imm ;所述過渡層材料為Ta2O5,厚度為0.05 μ m 0.1 μ m ;所述熱電偶為R型熱電偶、B型熱電偶、S型熱電偶的一種，優(yōu)選R型熱電偶，其厚度為0.Ιμπι 0.2μηι ;所述薄熱障層材料選用SiO2 ;所述厚熱障層材料選用Al2O315進一步地，薄膜熱電偶陣列由不少于2列的多列薄膜熱電偶構成，薄膜熱障層作為影響和決定熱流測量精度的決定性因素之一，可根據(jù)產(chǎn)品特性與要求決定厚、薄熱障層之間的高度差及厚、薄熱障層材料，以獲取不同的產(chǎn)品性能。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果是:a)本實用新型采用成熟的工藝技術和材料，在基片表面制備了一組薄膜熱電堆，在飛行器飛行時，不同高度的厚薄熱障層下的熱電偶獲取溫度差，可通過傅里葉變換分析得出外表面的熱流密度分布；并同時實現(xiàn)飛行器外殼表面的溫度測量。b)本實用新型采用濺射淀積技術、不銹鋼掩膜技術、電阻焊技術等微機械加工技術，有利于提高加工工藝的一致性和傳感器工作的可靠性水平，并可實現(xiàn)薄膜溫度熱流復合傳感器的批量生產(chǎn)，有效降低制造成本；c)本實用新型利用微機械加工技術可以在一片基片上同時制造數(shù)百上千個薄膜溫度熱流復合傳感器，提高加工效率、加工重復性和加工尺寸的可控性水平，并大大降低制造成本。

圖1是本實用新型集成式薄膜溫度熱流復合傳感器結構示意圖；圖2是本實用新型集成式薄膜溫度熱流復合傳感器制備工藝流程圖。圖中:1、集成式薄膜溫度熱流復合傳感器；2、基片；3、過渡膜；4、A電極；5、B電極；6、厚熱障層；7、薄熱障層；8、B補償導線；9、B焊盤；10、薄膜熱電偶；12、A焊盤；13、A補償導線。
具體實施方式
實施例1參見圖1，所述集成式薄膜溫度熱流復合傳感器I包括基片2，設于基片2上的過渡層3，設于過渡層3上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列由一個獨立的薄膜熱電偶10和通過外接點11串聯(lián)的兩個以上薄膜熱電偶10組成，所述薄膜熱電偶10包括A電極4和B電極5 ;所述A電極4和B電極5的接點上設有厚熱障層6 ;所述薄膜熱電偶陣列中的外接點11上和獨立薄膜熱電偶10的自由端電極上設有薄熱障層7 ;所述獨立薄膜熱電偶10的兩個電極分別經(jīng)一個A焊盤12與各自對應的A補償導線13連接，所述兩個以上串聯(lián)的薄膜熱電偶10的兩個外接端分別經(jīng)一個B焊盤9與各自對應的B補償導線8連接(參見圖1)。其中，所述基片2材料為Al2O3陶瓷,其直徑為50mm 150mm,厚度0.5mm Imm ;所述過渡層3材料為Ta2O5,厚度為0.05 μ m 0.1 μ m ;所述薄膜熱電偶10的厚度為0.2 μ m
0.5 μ m ;所述薄熱障層7材料為SiO2,厚度為0.5μηι Ιμπι ;所述厚薄熱障層6材料為Al2O3,厚度為 3 μ m 10 μ m。所述薄膜熱電偶10為R型PtRhl3_Pt熱電偶。實施例2[0039]參見圖2，所述集成式薄膜溫度熱流復合傳感器制備方法包括以下步驟:(I)對直徑50mm 150mm、厚度0.5mm Imm的Al2O3基片進行清洗，去除基片拋光面的油污及雜質(zhì)玷污等；(2)將基片與R型PtRhl3_Pt熱電偶PtRhl3電極的不銹鋼掩膜套裝在一起，并用不銹鋼夾具夾好放入離子束濺射鍍膜機的行星架上；(3)利用離子束濺射沉積厚度0.05 μ m 0.1 μ m的Ta2O5過渡膜和0.1 μ m 0.2 μ m的PtRhl3熱電偶薄膜，取下不銹鋼掩膜；(4)將基片與R型PtRhl3_Pt熱電偶Pt電極的不銹鋼掩膜套裝在一起，并用不銹鋼夾具夾好放入離子束濺射鍍膜機的行星架上；(5)利用離子束濺射沉積厚度0.05 μ m 0.1 μ m的Ta2O5過渡膜和0.1 μ m
0.2 μ m的Pt熱電偶薄膜，取下不銹鋼掩膜；(6)將薄膜熱電偶基片與薄熱障層的不銹鋼掩膜套裝在一起，放入離子束鍍膜機內(nèi)的行星架上，在基片上相鄰兩個薄膜熱電偶串聯(lián)處的外接點位置和獨立薄膜熱電偶的電極自由端位置沉積0.5 μ m I μ m厚的SiO2膜；取下不銹鋼掩膜；取下不銹鋼掩膜；(7)將薄膜熱電偶基片與厚熱障層的不銹鋼掩膜套裝在一起，放入離子束鍍膜機內(nèi)的行星架上，在基片上同一薄膜熱電偶A電極和B電極的接點位置沉積3μπι ΙΟμπι厚的Al2O3膜；取下不銹鋼掩膜；(8)將經(jīng)上述步驟制成的薄膜熱電偶基片放入高溫氣氛退火爐，在600°C 800°C條件下進行真空退火0.5 I小時；(9)用劃片機劃片，集成式薄膜溫度熱流復合傳感器分割成型；(10)采用電阻焊機在焊盤處分別完成串聯(lián)的薄膜熱電偶外接端PtRhl3電極和獨立薄膜熱電偶PtRhl3電極與直徑為75 μ m PtRh13補償線的連接，以及串聯(lián)的薄膜熱電偶外接端Pt電極和獨立薄膜熱電偶Pt電極與直徑75 μ m的Pt補償線的連接。至此，完成本實用新型集成式薄膜溫度熱流傳感器的制備?？蓪鞲衅靼惭b在飛行器外殼或埋層于外殼材料內(nèi)部，實現(xiàn)高速飛行過程中溫度、熱流參數(shù)的測量。上述實施例闡明的內(nèi)容應當理解為這些實施例僅用于更清楚地說明本實用新型，而不用于限制本實用新型的范圍，在閱讀了本實用新型之后，本領域技術人員對本實用新型的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
權利要求1.一種集成式薄膜溫度熱流復合傳感器，其特征在于，它(I)包括基片(2)，設于基片(2)上的過渡層(3)，設于過渡層(3)上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列由一個獨立的薄膜熱電偶(10)和通過外接點(11)串聯(lián)的兩個以上薄膜熱電偶(10)組成，所述薄膜熱電偶(10)包括A電極(4)和B電極(5);所述A電極(4)和B電極(5)的接點上設有厚熱障層(6);所述薄膜熱電偶陣列中的外接點(11)上和獨立薄膜熱電偶(10)的自由端電極上設有薄熱障層(7);所述獨立薄膜熱電偶(10)的兩個電極分別經(jīng)一個A焊盤(12)與各自對應的A補償導線(13)連接，所述兩個以上串聯(lián)的薄膜熱電偶(10)的兩個外接端分別經(jīng)一個B焊盤(9)與各自對應的B補償導線(8)連接。
2.如權利要求1所述的集成式薄膜溫度熱流復合傳感器，其特征在于，所述基片(2)直徑為50mm 150mm,厚度0.5mm Imm ;所述過渡層(3)厚度為0.05 μ m 0.1um ;所述薄膜熱電偶(10)的厚度為0.2μηι 0.5μηι ;所述厚熱障層(6)厚度為3 μ m 10 μ m,所述薄熱障層(7)厚度為0.5 μ m I μ m。
3.如權利要求1所述的集成式薄膜溫度熱流復合傳感器，其特征在于，所述薄膜熱電偶(10 )為R型熱電偶、B型熱電偶或S型熱電偶。
4.如權利要求3所述的集成式薄膜溫度熱流復合傳感器，其特征在于，所述薄膜熱電偶(10)為R型熱電偶。
5.如權利要求1所述的集成式薄膜溫度熱流復合傳感器，其特征在于，所述基片(2)材料為Al2O3陶瓷；所述過渡層(3)材料為Ta205。
6.如權利要求1所述的集成式薄膜溫度熱流復合傳感器，其特征在于，所述厚熱障層(6)的材料為Al2O3或A1N。
7.如權利要求1所述的集成式薄膜溫度熱流復合傳感器，其特征在于，所述薄熱障層(7)的材料為SiO2。
專利摘要本實用新型公開了一種集成式薄膜溫度熱流復合傳感器，所述傳感器是一種溫度與熱流測量集成型薄膜傳感器。本實用新型采用微機械加工技術在基片表面制作了一組薄膜熱電偶，用于溫度測量。同時，在基片表面制備耐高溫的薄膜熱電偶陣列(熱電堆)，并在薄膜熱電偶陣列上設置厚熱障層和薄熱障層，通過感測厚、薄熱障層下的溫度差，結合厚、薄熱障層的高度差，可以測量出熱流。采用這種實用新型的有益效果是可同時對高速飛行器飛行過程中外層材料的溫度變化及熱流進行測量，為熱防護設計提供數(shù)據(jù)參考，并且采用這種實用新型的薄膜溫度熱流傳感器制備工藝簡單，結構可靠。
文檔編號G01K17/00GK202956212SQ20122055333
公開日2013年5月29日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權日2012年10月26日
發(fā)明者何峰, 謝貴久, 顏志紅, 景濤, 張建國, 董克冰 申請人:中國電子科技集團公司第四十八研究所