专利名称：一种集成式薄膜温度热流复合传感器及其制备方法
一种集成式薄膜温度热流复合传感器及其制备方法技术领域
本发明属于薄膜特种传感器技术领域，具体涉及一种基于微机械加工技术的薄膜传感器及其制备方法。更具体地说，本发明涉及一种集成式薄膜温度热流复合传感器及其制备方法，通过薄膜热电偶实现绝热层温度和热流的测量，这种薄膜温度热流复合传感器制造工艺简单，具有较高的测量精度。
背景技术：
飞机或导弹模型在高速风洞测试试验，需要对飞行器上的每个点在不同马赫数下和不同攻角状态下的受热情况进行测试分析，准确计算出材料在受热状态下的力学性能， 以便选用合适材料，并采取防热措施，保障飞行器安全可靠的高速飞行。如何准确、快速测量出表面热流量，是设计可靠防热系统的先决条件。长期以来，通过对温度变化检测来实现对热流量传递测量。
由于受飞行器外壳结构限制，采用传统的测量体温度传感器安装困难，且破外飞行器外壳结构形状。因此，需要一种温度与热流复合传感器可对飞行器外壳材料在高速飞行过程中的温度和热流同时进行测量。目前，热流测量通过热流传感器，温度测量采用温度传感器，还没有一种传感器可以实现对飞行器外壳材料温度以及热流的同时测量。发明内容
本发明旨在提出一种集成式薄膜温度热流复合传感器及其制备方法，可以实现对飞行器表面温度和热流的同时测量，这种温度热流复合传感器基本采用现有的成熟工艺技术和材料，生产工艺简单，安装方便，不会影响飞行器结构可靠性，具有良好的抗环境干扰能力及可靠性水平。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为参见图I，所述集成式薄膜温度热流复合传感器I包括基片2，设于基片2上的过渡层 3，设于过渡层3上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列由一个独立的薄膜热电偶10和通过外接点11串联的两个以上薄膜热电偶10组成，所述薄膜热电偶10包括A电极4 (如 PtRh13电极)和B电极5 (如Pt电极);所述A电极4和B电极5的接点上设有厚热障层6 ； 所述薄膜热电偶阵列中的外接点11上和独立薄膜热电偶10的自由端电极上设有薄热障层 7 ;所述独立薄膜热电偶10的两个电极分别经一个A焊盘12与各自对应的A补偿导线13 连接，所述两个以上串联的薄膜热电偶10的两个外接端分别经一个B焊盘9与各自对应的 B补偿导线8连接(参见图I)。
其中，所述基片2材料为Al2O3陶瓷,其直径为50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述过渡层3材料为Ta2O5,厚度为O. 05 μ m O. I μ m ;所述薄膜热电偶10的厚度为O. 2 μ m O. 5 μ m ;所述薄热障层7材料为SiO2,厚度为O. 5 μ m I μ m。所述厚薄热障层6材料为 Al2O3或A1N，优选为Al2O3,厚度为3 μ m 10 μ m。
所述薄膜热电偶10为R型热电偶、B型热电偶或S型热电偶，优选为R型热电偶。4
可将薄膜温度热流复合传感器I固定安装于飞行器外壳，实现高速飞行过程中温度及热流双参数的测量。
上述薄膜温度热流复合传感器的制备方法，包括如下步骤(1)清洗基片，去除基片表面油污及杂质；(2)将基片与薄膜热电偶A电极的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放在沉积镀膜系统的行星架上；(3)依次在基片表面淀积过渡层薄膜和薄膜热电偶A电极的薄膜材料，取下不锈钢掩膜；其中过渡层薄膜用以增强热电偶薄膜与基片层的结合力，并增强热电偶薄膜在高温下的稳定性；(4)将基片与薄膜热电偶B电极的不锈钢掩膜板套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放于沉积镀膜系统的行星架上；(5)依次在基片表面淀积过渡层薄膜和薄膜热电偶B电极的薄膜材料；取下不锈钢掩(6)将基片与薄热障层材料的不锈钢掩膜板套装在一起并放于沉积镀膜系统的行星架上；(7)在基片上相邻两个薄膜热电偶串联处的外接点位置和独立薄膜热电偶的电极自由端位置沉积薄的热障层薄膜材料；取下不锈钢掩膜；(8)将基片与厚热障层材料的不锈钢掩膜板套装在一起并放于沉积镀膜系统的行星架上；(9)在基片上同一薄膜热电偶A电极和B电极的接点位置沉积厚热障层薄膜材料；取下不锈钢掩膜；(10)将经上述步骤制成的薄膜热电偶基片放入高温气氛退火炉，对制备的薄膜材料进行退火处理，使薄膜结构趋于稳定；(11)利用切片机切片制得薄膜温度热流复合传感器；(12)将薄膜热流传感器上串联的两个以上的薄膜热电偶的外接端以及独立薄膜热电偶的电极与各自的补偿导线分别在焊盘处通过烧结或焊接相连。
其中，步骤(10)所述的退火温度为600°C 800°C，退火气氛为真空，退火时间为 O. 5 I小时。
下面结合设计及工作原理对本发明作进一步说明本发明提出的集成式薄膜温度热流复合传感器，包括基片，设于基片上的过渡层，设有过渡层上的薄膜热电偶阵列，所述薄膜热电偶阵列上设有热障层，所述薄膜热电偶阵列是由两个以上串联的薄膜热电偶及一个独立的薄膜热电偶构成的，可根据实际测量要求设计调整热电偶个数，以满足不同的测量精度要求，所述薄膜热电偶包括补偿引线。经过标定后的热流传感器，在测量过程中，通过信号采集装置对薄膜热电堆的输出信号进行实时采集， 获得薄膜热电堆的输出信号与热流之间的关系，实现飞行器外表面热流密度分布测量。与此同时，由于在薄膜热电偶阵列中设计了一个独立的薄膜热电偶，可同步获取外壳表面的温度值。这样，本发明的薄膜温度热流复合传感器实现了飞行过程中外壳材料温度、表面热流的实时测量。
其中，所述基片材料为Al2O3陶瓷,其直径为50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述过渡层材料为Ta2O5,厚度为O. 05 μ m O. I μ m ;所述热电偶为R型热电偶、B型热电偶、 S型热电偶的一种，优选R型热电偶，其厚度为O. Ιμπι O. 2μηι ;所述薄热障层材料选用 SiO2 ;所述厚热障层材料选用Al2O315进一步地，薄膜热电偶阵列由不少于2列的多列薄膜热电偶构成，薄膜热障层作为影响和决定热流测量精度的决定性因素之一，可根据产品特性与要求决定厚、薄热障层之间的高度差及厚、薄热障层材料，以获取不同的产品性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果是a)本发明采用成熟的工艺技术和材料，在基片表面制备了一组薄膜热电堆，在飞行器飞行时，不同高度的厚薄热障层下的热电偶获取温度差，可通过傅里叶变换分析得出外表面的热流密度分布；并同时实现飞行器外壳表面的温度测量。
b)本发明采用溅射淀积技术、不锈钢掩膜技术、电阻焊技术等微机械加工技术，有利于提高加工工艺的一致性和传感器工作的可靠性水平，并可实现薄膜温度热流复合传感器的批量生产，有效降低制造成本；c)本发明利用微机械加工技术可以在一片基片上同时制造数百上千个薄膜温度热流复合传感器，提高加工效率、加工重复性和加工尺寸的可控性水平，并大大降低制造成本。
图I是本发明薄膜温度热流复合传感器结构示意图；图2是本发明薄膜温度热流复合传感器制备工艺流程图。
图中1、集成式薄膜温度热流复合传感器；2、基片；3、过渡膜；4、A电极；5、B电极；6、厚热障层；7、薄热障层；8、B补偿导线；9、B焊盘；10、薄膜热电偶；11、外接点；12、A 焊盘；13、A补偿导线。
具体实施方式
实施例I参见图I，所述集成式薄膜温度热流复合传感器I包括基片2，设于基片2上的过渡层 3，设于过渡层3上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列由一个独立的薄膜热电偶10和通过外接点11串联的两个以上薄膜热电偶10组成，所述薄膜热电偶10包括A电极4和B 电极5 ;所述A电极4和B电极5的接点上设有厚热障层6 ;所述薄膜热电偶阵列中的外接点11上和独立薄膜热电偶10的自由端电极上设有薄热障层7 ;所述独立薄膜热电偶10的两个电极分别经一个A焊盘12与各自对应的A补偿导线13连接，所述两个以上串联的薄膜热电偶10的两个外接端分别经一个B焊盘9与各自对应的B补偿导线8连接(参见图I)。
其中，所述基片2材料为Al2O3陶瓷,其直径为50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述过渡层3材料为Ta2O5,厚度为O. 05 μ m O. I μ m ;所述薄膜热电偶10的厚度为O. 2 μ m O. 5 μ m ;所述薄热障层7材料为SiO2,厚度为O. 5μηι Ιμπι ;所述厚薄热障层6材料为 Al2O3,厚度为 3 μ m 10 μ m。
所述薄膜热电偶10为R型PtRhl3_Pt热电偶。
实施例2参见图2，所述集成式薄膜温度热流复合传感器制备方法包括以下步骤(1)对直径50mm 150mm、厚度O.5mm Imm的Al2O3基片进行清洗，去除基片抛光面的油污及杂质站污等；(2)将基片与R型PtRhl3-Pt热电偶PtRhl3电极的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放入离子束溅射镀膜机的行星架上；(3)利用离子束溅射沉积厚度O.05 μ m O. I μ m的Ta2O5过渡膜和O. I μ m O. 2 μ m 的PtRhl3热电偶薄膜，取下不锈钢掩膜；(4)将基片与R型PtRhl3-Pt热电偶Pt电极的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放入离子束溅射镀膜机的行星架上；(5)利用离子束溅射沉积厚度O.05 μ m O. I μ m的Ta2O5过渡膜和O. I μ m O. 2 μ m 的Pt热电偶薄膜，取下不锈钢掩膜；(6)将薄膜热电偶基片与薄热障层的不锈钢掩膜套装在一起，放入离子束镀膜机内的行星架上，在基片上相邻两个薄膜热电偶串联处的外接点位置和独立薄膜热电偶的电极自由端位置沉积O. 5 μ m I μ m厚的SiO2膜；取下不锈钢掩膜；取下不锈钢掩膜；(7)将薄膜热电偶基片与厚热障层的不锈钢掩膜套装在一起，放入离子束镀膜机内的行星架上，在基片上同一薄膜热电偶A电极和B电极的接点位置沉积3μπι 10 μ m厚的 Al2O3膜；取下不锈钢掩膜；(8)将经上述步骤制成的薄膜热电偶基片放入高温气氛退火炉，在600°C 800°C条件下进行真空退火O. 5 I小时；(9)用划片机划片，薄膜热流传感器分割成型；(10)采用电阻焊机在焊盘处分别完成串联的薄膜热电偶外接端PtRhl3电极和独立薄膜热电偶PtRhl3电极与直径为75 μ m PtRh13补偿线的连接，以及串联的薄膜热电偶外接端Pt电极和独立薄膜热电偶Pt电极与直径75 μ m的Pt补偿线的连接。
至此，完成本发明集成式薄膜温度热流复合传感器的制备。可将传感器安装在飞行器外壳或埋层于外壳材料内部，实现高速飞行过程中温度、热流参数的测量。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
权利要求
1.一种集成式薄膜温度热流复合传感器，其特征在于，它(I)包括基片(2)，设于基片(2)上的过渡层(3)，设于过渡层(3)上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列由一个独立的薄膜热电偶(10)和通过外接点(11)串联的两个以上薄膜热电偶(10)组成，所述薄膜热电偶(10)包括A电极(4)和B电极(5);所述A电极(4)和B电极(5)的接点上设有厚热障层(6);所述薄膜热电偶阵列中的外接点(11)上和独立薄膜热电偶(10)的自由端电极上设有薄热障层(7);所述独立薄膜热电偶(10)的两个电极分别经一个A焊盘(12)与各自对应的A补偿导线(13)连接，所述两个以上串联的薄膜热电偶(10)的两个外接端分别经一个B焊盘(9)与各自对应的B补偿导线(8)连接；所述基片(2)材料为Al2O3陶瓷；所述过渡层(3)材料为Ta2O5。
2.如权利要求I所述的薄膜温度热流复合传感器，其特征在于，所述基片(2)直径为50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述过渡层(3)厚度为O. 05 μ m O. Ium ;所述薄膜热电偶(10)的厚度为O. 2μηι O. 5μηι ;所述厚热障层(6)厚度为3 μ m 10 μ m,所述薄热障层(O厚度为O. 5 μ m I μ m。
3.如权利要求I所述的集成式薄膜温度热流复合传感器，其特征在于，所述薄膜热电偶(10 )为R型热电偶、B型热电偶或S型热电偶。
4.如权利要求3所述的集成式薄膜温度热流复合传感器，其特征在于，所述薄膜热电偶(10)为R型热电偶。
5.如权利要求I所述的集成式薄膜温度热流复合传感器，其特征在于，所述厚热障层(6)的材料为Al2O3或A1N。
6.如权利要求I所述的集成式薄膜温度热流复合传感器，其特征在于，所述薄热障层(7)的材料为SiO2。
7.—种如权利要求I 6之一所述集成式薄膜温度热流复合传感器的制备方法,包括如下步骤 (1)清洗基片； (2)将基片与薄膜热电偶A电极的不锈钢掩膜套装在一起并放于沉积镀膜系统的行星架上； (3)依次在基片表面沉积过渡层薄膜和薄膜热电偶A电极的薄膜材料，取下不锈钢掩膜； (4)将基片与薄膜热电偶B电极的不锈钢掩膜板套装在一起并放于沉积镀膜系统的行星架上； (5)依次在基片表面沉积过渡层薄膜和薄膜热电偶B电极的薄膜材料；取下不锈钢掩膜； (6)将基片与薄热障层材料的不锈钢掩膜板套装在一起并放于沉积镀膜系统的行星架上； (7 )在基片上相邻两个薄膜热电偶串联处的外接点位置和独立薄膜热电偶的电极自由端位置沉积薄的热障层薄膜材料；取下不锈钢掩膜； (8)将基片与厚热障层材料的不锈钢掩膜板套装在一起并放于沉积镀膜系统的行星架上； (9)在基片上同一薄膜热电偶A电极和B电极的接点位置沉积厚热障层薄膜材料；取下不锈钢掩膜； (10)将经上述步骤制成的薄膜热电偶基片放入高温气氛退火炉，对制备的薄膜材料进行退火处理； (11)切片制得薄膜温度热流复合传感器； (12)将薄膜热流传感器上串联的两个以上的薄膜热电偶的外接端以及独立薄膜热电偶的电极与各自的补偿导线分别在焊盘处通过烧结或焊接相连。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(10)所述的退火温度为600°C 800°C，退火气氛为真空。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(10)所述的退火时间为O.5 1小时。
全文摘要
本发明公开了一种集成式薄膜温度热流复合传感器及其制备方法，所述传感器是一种温度与热流测量集成型薄膜传感器。本发明采用微机械加工技术在基片表面制作了一组薄膜热电偶，用于温度测量。同时，在基片表面制备耐高温的薄膜热电偶阵列(热电堆)，并在薄膜热电偶阵列上设置厚热障层和薄热障层，通过感测厚、薄热障层下的温度差，结合厚、薄热障层的高度差，可以测量出热流。采用这种发明的有益效果是可同时对高速飞行器飞行过程中外层材料的温度变化及热流进行测量，为热防护设计提供数据参考，并且采用这种发明的薄膜温度热流传感器制备工艺简单，结构可靠。
文档编号G01K7/02GK102928106SQ201210415028
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者谢贵久, 何峰, 颜志红, 景涛, 张建国, 董克冰 申请人:中国电子科技集团公司第四十八研究所