專利名稱：一種薄膜熱流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于薄膜特種傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于微機(jī)械加工技術(shù)的薄膜傳感器。更具體地說，本實(shí)用新型涉及一種薄膜熱流傳感器，通過薄膜熱電堆實(shí)現(xiàn)熱流的測量，這種薄膜熱流傳感器制造工藝簡單，響應(yīng)時間快，具有較高的測量精度。
背景技術(shù)：
飛機(jī)或?qū)椖Ｐ驮诟咚亠L(fēng)洞測試試驗(yàn)，需要對飛行器上的每個點(diǎn)在不同馬赫數(shù)下和不同攻角狀態(tài)下的受熱情況進(jìn)行測試分析，準(zhǔn)確計算出材料在受熱狀態(tài)下的力學(xué)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(zhǔn)確、快速測量出表面熱流量，是設(shè)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(shí)現(xiàn)對熱流量傳遞測量。由于受飛行器外殼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形狀。因此，需要一種熱流傳感器可對高速飛行器在飛行過程中外殼材料熱流進(jìn)行測量。目前，飛行器表面熱流測量采用的是在外殼表面布置溫度傳感器來檢測不同位置的溫度差，來推算出熱流密度，具有體積大、響應(yīng)時間慢等缺點(diǎn)。專利CN102175339 A描述了一種燃料電池內(nèi)部瞬態(tài)薄膜熱流傳感器，采用在薄膜熱電偶的上方濺射熱阻層后再濺射薄膜熱電偶，測量的是不同平面內(nèi)的溫度差。這種安裝方式測量所得到的溫度并非外表面的真實(shí)熱流，且制造工藝較本實(shí)用新型復(fù)雜。采用本實(shí)用新型的薄膜熱流傳感器，是在同一表面通過濺射不同厚度的熱障層來改變溫度差，實(shí)現(xiàn)飛行器外殼在高速飛行過程中的熱流密度分布測量，由于薄膜熱流傳感器體積小，不破壞整體熱流場分布，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時、準(zhǔn)確測量。本實(shí)用新型的薄膜熱流傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型旨在提出一種薄膜熱流傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對飛行器表面熱流的測量，這種熱流傳感器基本采用現(xiàn)有的成熟工藝技術(shù)和材料，生產(chǎn)工藝簡單，安裝方便，不會影響飛行器結(jié)構(gòu)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(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案為:參見圖1，所述薄膜熱流傳感器I包括基片2，設(shè)于基片2上的過渡層3，設(shè)于過渡層3上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列由兩個以上包括A電極4(如PtRhl3電極)和B電極5 (如Pt電極)的薄膜熱電偶10通過外接點(diǎn)11串聯(lián)構(gòu)成；所述A電極4和B電極5的接點(diǎn)上設(shè)有厚熱障層6 ;所述外接點(diǎn)11上設(shè)有薄熱障層7 ;所述串聯(lián)的兩個以上的薄膜熱電偶10的兩個外接端分別經(jīng)一個焊盤9與各自對應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)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Si02、Al203或A1N，優(yōu)選為SiO2,厚度為0.5 μ m I μ m。所述厚薄熱障層6材料為Si02、Al203或A1N，優(yōu)選為SiO2,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?？蓪⒈∧崃鱾鞲衅鱅固定安裝于飛行器外殼，實(shí)現(xiàn)高速飛行過程中熱流密度分布的測量。上述薄膜熱流傳感器的制備方法，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)依次在基片表面沉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(qiáng)熱電偶薄膜與基片層的結(jié)合力，并增強(qiáng)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)依次在基片表面沉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(diǎn)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(diǎn)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，對制備的熱電偶薄膜進(jìn)行退火處理，使電偶薄膜結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定；(11)利用切片機(jī)切片制得薄膜熱流傳感器；(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兩個外接端分別與各自對應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線在焊盤處通過燒結(jié)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(jié)合設(shè)計及工作原理對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明:本實(shí)用新型提出的薄膜熱流傳感器，包括基片，設(shè)于基片上的過渡層，設(shè)有過渡層上的薄膜熱電偶陣列(薄膜熱電堆)，所述薄膜熱電偶陣列上設(shè)有熱障層，所述薄膜熱電偶陣列是由兩個以上的薄膜熱電偶串聯(lián)構(gòu)成的，可根據(jù)實(shí)際測量要求設(shè)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(bǔ)償引線。經(jīng)過標(biāo)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(jìn)行實(shí)時采集，獲得薄膜熱電堆的輸出信號與熱流之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)飛行器外表面熱流密度分布測量。這樣，本實(shí)用新型的薄膜熱流傳感器實(shí)現(xiàn)了飛行過程中外殼表面熱流的實(shí)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 ;所述熱障層材料選用Si02。進(jìn)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(gòu)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，以獲取不同的產(chǎn)品性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:a)本實(shí)用新型采用成熟的工藝技術(shù)和材料，在基片表面制備了一組薄膜熱電堆(薄膜熱電偶陣列)，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；b)本實(shí)用新型采用濺射沉積技術(shù)、不銹鋼掩膜技術(shù)、電阻焊技術(shù)等微機(jī)械加工技術(shù)，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(shí)現(xiàn)薄膜熱流傳感器的批量生產(chǎn)，有效降低制造成本；c)本實(shí)用新型利用微機(jī)械加工技術(shù)可以在一片基片上同時制造數(shù)百上千個薄膜熱流傳感器，提高加工效率、加工重復(fù)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(shí)用新型薄膜熱流傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型薄膜溫度熱流復(fù)合傳感器制備工藝流程圖。圖中:1、薄膜熱流傳感器；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、補(bǔ)償導(dǎo)線；9、焊盤；10、薄膜熱電偶；11、外接點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1參見圖1，所述薄膜熱流傳感器I包括基片2，設(shè)于基片2上的過渡層3，設(shè)于過渡層3上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列由兩個以上包括A電極4和B電極5的薄膜熱電偶10通過外接點(diǎn)11串聯(lián)構(gòu)成；所述A電極4和B電極5的接點(diǎn)上設(shè)有厚熱障層6 ;所述外接點(diǎn)11上設(shè)有薄熱障層7 ;所述串聯(lián)的兩個以上的薄膜熱電偶10的兩個外接端分別經(jīng)一個焊盤9與各自對應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)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SiO2，厚度為3μπι 10 μ m。所述薄膜熱電偶10為R型PtRhl3_Pt熱電偶。實(shí)施例2參見圖2，所述薄膜熱流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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)位置沉積0.5 μ m I μ m厚的SiO2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(jī)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(diǎn)位置沉積3μπι ΙΟμπι厚的SiO2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(jìn)行真空退火0.5 I小時；(9)用劃片機(jī)劃片，薄膜熱流傳感器分割成型；(10)采用電阻焊機(jī)在焊盤處分別完成薄膜熱電偶外接端PtRhl3電極與直徑為75 μ m PtRh13補(bǔ)償線的連接，以及薄膜熱電偶外接端Pt電極與直徑75 μ m的Pt補(bǔ)償線的連接。至此，完成本實(shí)用新型薄膜熱流傳感器的制備。可將傳感器安裝在飛行器外殼或埋層于外殼材料內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)高速飛行過程中熱流參數(shù)的測量。上述實(shí)施例闡明的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)理解為這些實(shí)施例僅用于更清楚地說明本實(shí)用新型，而不用于限制本實(shí)用新型的范圍，在閱讀了本實(shí)用新型之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本實(shí)用新型的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
權(quán)利要求1.一種薄膜熱流傳感器，其特征在于，它(I)包括基片(2)，設(shè)于基片(2)上的過渡層(3)，設(shè)于過渡層(3)上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列由兩個以上包括A電極(4)和B電極(5)的薄膜熱電偶(10)通過外接點(diǎn)(11)串聯(lián)構(gòu)成；所述A電極(4)和B電極(5)的接點(diǎn)上設(shè)有厚熱障層(6);所述外接點(diǎn)(11)上設(shè)有薄熱障層(7);所述串聯(lián)的兩個以上的薄膜熱電偶(10)的兩個外接端分別經(jīng)一個焊盤(9)與各自對應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線(8)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜熱流傳感器，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 0.1ym ;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(quán)利要求1所述的薄膜熱流傳感器，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(quán)利要求3所述的薄膜熱流傳感器，其特征在于，所述薄膜熱電偶(10)為R型熱電偶。
5.如權(quán)利要求1所述的薄膜熱流傳感器，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Ta2O5。
6.如權(quán)利要求1所述的薄膜熱流傳感器，其特征在于，所述厚熱障層(6)和薄熱障層(7)的材料為 Si02、Al203 或 A1N。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種薄膜熱流傳感器，它包括基片，設(shè)于基片上的過渡層，設(shè)于過渡層上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列由兩個以上包括A電極和B電極的薄膜熱電偶通過外接點(diǎn)串聯(lián)構(gòu)成；所述A電極和B電極的接點(diǎn)上設(shè)有厚熱障層；所述外接點(diǎn)上設(shè)有薄熱障層；所述串聯(lián)的兩個以上的薄膜熱電偶的兩個外接端分別經(jīng)一個焊盤與各自對應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線連接。采用這種實(shí)用新型的有益效果是可對高速飛行器飛行過程中外層材料的熱流進(jìn)行測量，為熱防護(hù)設(shè)計提供數(shù)據(jù)參考，并且采用這種實(shí)用新型的薄膜熱流傳感器制備工藝簡單，結(jié)構(gòu)可靠。
文檔編號G01N25/20GK202994696SQ20122055339
公開日2013年6月12日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者何峰, 謝貴久, 景濤, 顏志紅, 張建國, 董克冰 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所