一種高溫薄膜熱電偶溫度傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于溫度測量裝置的制作技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種由兩種金屬薄膜構(gòu)成的微米或亞微米尺度的高溫?zé)犭娕紲囟葌鞲衅?，特別是一種利用真空膜技術(shù)制作的高溫薄膜熱電偶溫度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]高溫結(jié)構(gòu)材料一般都工作在溫度高達(dá)1000°C以上的高溫環(huán)境，對這些高溫結(jié)構(gòu)材料的溫度測量，傳統(tǒng)的測量方法多采用非接觸式的高溫輻射測溫法，但這種測溫法存在測溫精度低、響應(yīng)時(shí)間慢等缺點(diǎn)，不利于在線高溫測量。目前公知的在線實(shí)時(shí)測溫主要是采用一種可在材料中打眼埋入的結(jié)構(gòu)型絲式熱電偶溫度傳感器進(jìn)行在線實(shí)時(shí)測溫的方法，該熱電偶溫度傳感器由兩種不同材質(zhì)的金屬熱電偶絲焊在一起構(gòu)成，但采用這種結(jié)構(gòu)型絲式熱電偶溫度傳感器進(jìn)行測溫存在的缺點(diǎn)是需要對材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞，這不僅會(huì)影響材料在高溫下的性能，而且測溫響應(yīng)時(shí)間慢，所以這種結(jié)構(gòu)型絲式熱電偶溫度傳感器測溫的適應(yīng)性不高。目前還有一種在線實(shí)時(shí)測溫方法是采用絲式將熱電偶溫度傳感器焊接在金屬片上，再將金屬片粘貼在材料表面的方法進(jìn)行溫度測量，而這種測溫法的缺點(diǎn)是:由于金屬片與結(jié)構(gòu)材料的熱膨脹系數(shù)不一致，在高溫、高溫升率情況下，金屬片與結(jié)構(gòu)材料間的膠層會(huì)產(chǎn)生比較大的熱應(yīng)力，容易發(fā)生局部開膠甚至脫落現(xiàn)象，使測溫點(diǎn)浮空，從而嚴(yán)重影響到溫度測量的準(zhǔn)確性，另外采用這種絲式熱電偶溫度傳感器進(jìn)行測溫時(shí)也同樣存在著測溫響應(yīng)時(shí)間慢、測溫上限低的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決，進(jìn)而提供一種結(jié)構(gòu)合理、操作方便、使用壽命長、測溫響應(yīng)時(shí)間快、準(zhǔn)確性高且測溫上限大大優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型絲式熱電偶產(chǎn)品的高溫薄膜熱電偶溫度傳感器。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的而研發(fā)的高溫薄膜熱電偶溫度傳感器為一種利用真空膜技術(shù)制作的Pt和PtRh兩種不同材質(zhì)的微米級或亞微米級的薄膜熱電偶溫度傳感器，其制作方法包括下述的工藝步驟:
[0005]1、根據(jù)被測溫物體的具體情況完成制作高溫薄膜熱電偶電極的位置、形狀、大小的設(shè)計(jì)圖紙；
[0006]2、加工掩模板-根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，采用機(jī)械加工方式在厚度為1.5?3.0mm的金屬薄片上切割制作出兩塊分別為Pt熱電偶電極圖形和PtRh熱電偶電極圖形的掩模板，以在制作薄膜熱電偶的兩極時(shí)分別使用；
[0007]3、制備Al2O3絕緣層——將被測溫物體上準(zhǔn)備制作高溫薄膜熱電偶溫度傳感器的位置處進(jìn)行拋光并清洗后，利用真空鍍膜技術(shù)的氣相沉積法在其上鍍制約I?2μπι厚的Al2O3絕緣層；
[0008]4、制備Pt熱電偶膜——在Al2O3絕緣層上覆蓋上根據(jù)前述第2工藝步驟制作的Pt熱電偶電極圖形的掩模板，利用真空鍍膜技術(shù)的氣相沉積法在Al2O3絕緣層表面鍍制I?2μπι厚的Pt熱電偶膜；
[0009]5、制備PtRh熱電偶膜——換上根據(jù)前述第1.2工藝步驟制作的另一塊的PtRh熱電偶電極圖形的掩模板，利用真空鍍膜技術(shù)氣相沉積法在Al2O3絕緣層表面鍍制I?2μπι厚的PtRh熱電偶膜，并使兩種熱電偶膜材料通過結(jié)合點(diǎn)連接，從而形成薄膜熱電偶；
[0010]6、制備Al2O3絕緣保護(hù)層一在制作好的熱電偶薄膜的表面利用真空鍍膜技術(shù)氣相沉積法鍍制一層I?2 μ m厚的Al2O3絕緣保護(hù)層，形成最終的高溫薄膜熱電偶溫度傳感器。
[0011]本發(fā)明的進(jìn)一步的技術(shù)解決方案還在于:該高溫薄膜熱電偶溫度傳感器制作方法中制備Al2O3絕緣層的工藝步驟為:將將被測溫物體上準(zhǔn)備制作高溫薄膜熱電偶溫度傳感器的位置處進(jìn)行拋光，然后用酒精、丙酮和去離子水對拋光表面清洗，烘干，通過反應(yīng)磁控濺射的方法，利用功率200W、氬氧比20: 1、壓強(qiáng)IPa的參數(shù)在烘干的基體表面濺射沉積鍍膜90?120分鐘，濺射溫度為400°C，制得厚度為I?2 μ m厚的Al2O3絕緣層。
[0012]本發(fā)明的進(jìn)一步的技術(shù)解決方案還在于:該高溫薄膜熱電偶溫度傳感器制作方法中制備Pt熱電偶膜的工藝步驟為:在Al2O3絕緣層上覆蓋上Pt熱電偶圖形的掩模板，通過射頻磁控濺射的方法，利用功率100W、壓強(qiáng)0.5Pa的參數(shù)在Al2O3絕緣層表面濺射沉積鍍膜90?120分鐘，濺射溫度為700°C，制得厚度為I?2 μ m的Pt熱電偶膜。
[0013]本發(fā)明的進(jìn)一步的技術(shù)解決方案還在于:該高溫薄膜熱電偶溫度傳感器制作方法中制備PtRh熱電偶膜的工藝步驟為:在制備了 Pt熱電偶膜的Al2O3絕緣層上覆蓋上PtRh熱電偶電極圖形的掩模板，通過射頻磁控濺射的方法，利用功率100W、壓強(qiáng)0.5Pa的參數(shù)在Al2O3絕緣層表面濺射沉積鍍膜90?120分鐘，濺射溫度為700°C，制得厚度為I?2 μ m的PtRh熱電偶膜，兩種熱電偶膜材料通過結(jié)合點(diǎn)連接，形成高溫薄膜熱電偶。
[0014]本發(fā)明的進(jìn)一步的技術(shù)解決方案還在于:該高溫薄膜熱電偶溫度傳感器制作方法中制備Al2O3絕緣保護(hù)層的工藝步驟為:通過反應(yīng)磁控濺射的方法，利用功率200W、氬氧比20: 1、壓強(qiáng)IPa的參數(shù)在薄膜熱電偶表面濺射沉積鍍膜90?120分鐘，濺射溫度為400°C，制得厚度為I?2 μ m的Al2O3絕緣保護(hù)層，形成最終的高溫薄膜熱電偶溫度傳感器，該高溫薄膜熱電偶溫度傳感器的測溫上限可達(dá)1200°C。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)如下所述:
[0016]一、本發(fā)明的高溫薄膜熱電偶溫度傳感器是利用利用真空鍍膜技術(shù)制作的兩種不同材質(zhì)的微米級薄膜結(jié)合在一起，替代已有的焊在一起的兩種不同材質(zhì)的金屬熱電偶絲，它的特點(diǎn)是制作的熱電偶體積小、重量輕，不需要再被測材料內(nèi)打孔，可以根據(jù)被測溫物體的結(jié)構(gòu)、形狀任意地設(shè)計(jì)、制作，幾何尺寸最小可在亞微米量級的熱電偶；
[0017]二、本發(fā)明所述的高溫薄膜熱電偶溫度傳感器的測溫上限可達(dá)1200°C，而且由于真空鍍膜技術(shù)制作的薄膜致密、堅(jiān)固，厚度在微米或亞微米的量級，所以熱電偶的熱容量非常小，具有響應(yīng)時(shí)間非常短、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，該產(chǎn)品可以實(shí)時(shí)在線測量瞬變的高溫，可在航空航天技術(shù)領(lǐng)域中得到很好的應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例方案為一種利用真空膜技術(shù)制作的Pt和PtRh兩種不同材質(zhì)的微米級的薄膜熱電偶溫度傳感器，其制作方法包括下述的工藝步驟。
[0019]第一步，根據(jù)被測物體的實(shí)際需要，在耐高溫材料SiC上選擇出準(zhǔn)備測溫的部位，設(shè)計(jì)出Pt和PtRh兩種熱電偶電