一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片及制作方法与流程

本发明属于微型温度传感器芯片技术领域，具体涉及一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片及制作方法。

背景技术：

热电偶发明于1821年，在那之后热电偶温度传感器在蒸汽温度测量、对爆炸产物的热响应、供暖、测高温物体表面温度等领域中取得了很大的成功。它的结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等优点，使其成为标准化的测量设备。在这些传感器中，高温温度传感器在测量恶劣工况下的温度中具有重要地位，这种传感器在很多不同传感器配置中都取得了成就。然而，对于需要微型化的接触式高温直接测量，尤其是动态温度场环境下的测量，现在技术手段存在一些不足。采用MEMS技术的新型薄膜热电偶结构，是一个解决此问题的新发展方向。目前，发明人曾提出一种合金薄膜热电偶温度传感器芯片，但是由于其冷端与热端距离较近，难于直接形成大梯度温度场，只适用于静态测试环境中，当处于动态温度场环境下，由于热电偶的冷端与热端温度将会在长时工作后越来越接近，难于形成大散热梯度，会在很大程度上影响传感器测试的灵敏度。通过设计新的传感器结构，解决动态高温温度场测试环境中冷端温度过高的问题，建立大散热梯度，增强薄膜热电偶灵敏度，成为一个突出的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片及制作方法，以解决现有技术中合金薄膜热电偶在高温环境下的冷端温度过高问题；本发明建立大散热梯度，增强薄膜热电偶灵敏度，提出高灵敏薄膜热电偶传感器芯片，使其具有能长时间在非静态高温温度场下能准确测量温度并同时保持微型化的特点。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片，包括壳体，壳体内部设置放置合金薄膜的腔体和放置石墨烯的环形孔；环形孔位于腔体外周；腔体内设有一层合金薄膜制成薄膜热电偶，环形孔内设有石墨烯；壳体包括三段：测试探头、中间圆台和引线端。

进一步的，测试探头外部为直径为3mm，高度为3mm的圆柱；中间圆台为一圆台，上底面直径3mm，下底面直径为4mm，高为7mm；引线端为两个空心圆柱，外圆直径1mm，内圆直径0.5mm，高度为1mm。

进一步的，壳体包括零件A和零件B两部分，两部分连接配合，实现合金薄膜的封闭。

进一步的，零件A和零件B通过销钉与孔配合实现连接。

进一步的，所述壳体为冷压制陶瓷壳体。

一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：

1)将碳化硅粉末使用等静压成型技术工艺制作为传感器壳体；

2)在壳体腔内采用原子沉积技术生长纳米级厚度的合金薄膜；

3)使用氧化石墨烯还原在环形孔中制备增强石墨烯；

4)在真空环境下完成壳体安装并接线。

进一步的，步骤1)中在传感器壳体上打环形孔；打孔位置根据壳体一阶振型模态测试结果，选择应变最高处，孔径0.2mm。

进一步的，步骤3)中先通过氧化石墨烯还原法制备胶体溶液，再通过LB膜技术制备GO薄膜，最后通过热还原法得到增强石墨烯。

与传统热电偶、其他薄膜热电偶传感器相比，本发明具有以下有益效果：

石墨烯由于有可以自由移动的电子，热导率很高，可通过所设计的结构，强制建立大散热梯度，满足传感器冷端快散热要求。

传感器的包覆结构可以有效防止合金薄膜的氧化失效。

相对于传统薄膜热电偶结构，能通过石墨烯的大梯度散热效果在动态测试环境中使热电偶冷热端温度差增大，提高输出灵敏度。

本发明实现了微型化大塞贝克系数材料的高温度传感器在动态温度场环境下的测试，较好的解决了冷端与热端距离较近，难于直接形成大梯度温度场的问题，加强了薄膜热电偶动态测试的效果，提升了灵敏度；常规C型热电偶丝、薄膜热电偶的灵敏度在10uv/k左右，而本发明可以提升十倍。

本发明通过设计新的传感器结构，能够能在动态高温温度场下长时间测量温度信号，通过强制换热效果使热电偶薄膜的冷端与热端建立大散热梯度，从而增强薄膜热电偶灵敏度，具有高灵敏、微型化、耐高温、防氧化、高塞贝克系数、适用于的动态测试的特性，并同时解决了现有技术中存在的解决动态高温温度场测试环境中薄膜热电偶冷端温度过高，导致灵敏度低的问题。

附图说明

图1为本发明封装的结构主视图。

图2为本发明封装的结构俯视图。

图3为本发明封装俯视图的剖面图A-A(即壳体零件A部分)。

图4为本发明封装壳体零件A部分的侧视图。

图5为本发明封装壳体零件B部分的主视图。

图6为本发明封装壳体零件B部分的侧视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参照图1和图2，本发明一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片，包括壳体，壳体内部设置放置合金薄膜的腔体5和放置石墨烯的环形孔6。环形孔6位于腔体5外周。

腔体5内采用原子沉积技术生长一层U形状纳米级厚度的合金薄膜制成薄膜热电偶，环形孔6内通过氧化石墨烯还原制备增强石墨烯。

壳体包括三段：测试探头1、中间圆台2和引线端3；测试探头1外部为直径为3mm，高度为3mm的圆柱。中间圆台2为一圆台，上底面直径3mm，下底面直径为4mm，形成一定的锥度，高为7mm。引线端3为空心圆柱，外圆直径1mm，内圆直径0.5mm，高度为1mm。封装结构总长11mm，最大直径为4mm。

壳体包括零件A和零件B两部分，两部分连接配合，实现结构的封闭。零件A部分有六个圆孔4，分别与零件B部分相应的六个销钉7对应，圆孔4与销钉7是零件A部分和零件B部分的唯一区别。腔体5表面有采用原子沉积技术制备的合金薄膜，壳体两侧都有合金薄膜，在引线端3处接线，将导线引出。环形孔6内放置采用氧化石墨烯还原制备的增强石墨烯。

本发明的工作原理为：

首先，本发明通过所采用的冷压制陶瓷壳体结构，在两部分接合处填充吸氧剂，高温加热吸收其中气体并发生形态改变从而密封边缘，能致密的隔绝空气，并具有优良的导热性能，而使用氧化石墨烯还原制备增强石墨烯能对薄膜热电偶的冷端起到强制散射以大梯度降低温度的作用。

塞贝克效应的实质是两种金属接触时会产生接触电势差，该电势差取决于两种金属中的电子溢出功不同及两种金属中电子浓度，受热端向冷端的电子扩散与电子自由程影响，塞贝克效应电势差的计算公式：

式中：S_A与S_B分别为两种材料的塞贝克系数，T为热电偶温度，T₁为冷端温度，T₂为热端温度。

当传感器芯片受到某一热流作用时，由于温度场发生改变，根据塞贝克效应原理，会在合金薄膜组上产生对应的电动势，经由高温电极传导，外部会接受到对应的电信号，因此传感器芯片的输出电压由其所处的温度值决定，传感器芯片实现了将物理量的温度转换为便于采集与测量的电压信号的功能。

薄膜热电偶的特殊结构导致其最主要的优势之一就是响应迅速，非常适合测量瞬变的温度场。用时间常数τ来表示其响应时间。当薄膜热电偶突然置于温度为T的被测环境中，热量首先由被测介质以对流换热的方式传输到热电偶防氧化膜表面，而在防氧化膜内部和后续的热电偶层以及基底中，热量是以热传导的形式传输的。

其次，一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片，通过石墨烯的通过强制换热效果使热电偶薄膜的冷端与热端建立大梯度温度场。石墨烯是由碳原子在二维空间中紧密堆积形成的，原子形成蜂巢状的六角结构。每个碳原子通过G键与临近的三个碳原子相连，组成sp2杂化结构，具有1200的键角。且石墨烯平面内存在7c轨道，电子可在晶体中自由移动，这种结构使得石墨烯具有极高的力学性能和优异的电子传输性能。除此之外，石墨烯还具有很多优异性能，如零能隙，高比表面积，高导热性(约5000W/m/K)，良好的耐化学耐热性。使用氧化石墨烯还原制备增强石墨烯，能够强制热电偶薄膜的冷端与热端在动态温度场环境下建立大散热梯度。

最后，一种含高温保护薄膜组的薄膜热电偶传感器，采用合金材料的塞贝克效应作为敏感原理。合金具有2700K的熔点，适用于热电偶，但在非保护气体环境下会高温氧化失效，本传感器通过静压成型的结构，对合金加以保护，再通过原子层沉积，让合金薄膜能在及其微型的腔体5内生长。

本发明还公开了一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：

1)将碳化硅粉末使用等静压成型技术工艺制作为传感器壳体，打环形孔(打孔位置根据壳体一阶振型模态测试结果，选择应变最高处，孔径0.2mm)；

2)在壳体腔内采用原子沉积技术(ALD)生长纳米级厚度的合金薄膜；

3)使用氧化石墨烯在环形孔中还原制备增强石墨烯，注射量：6～8Ml，注射速度：200μL/min，提拉速度：0.5mm/min；石墨烯是以六元环结构周期性紧密堆积的单层碳原子形成的二维晶体结构，先通过改进的氧化石墨烯还原法制备胶体溶液，再通过LB膜技术制备GO薄膜，最后通过热还原法得到增强石墨烯。

4)使用吸氧剂及安装钉在真空环境下完成整体安装并接线。吸氧剂填充安装缝隙与边缘，在高温加热后吸收内部气体并发生形态改变而固化，从而形成边缘的自密封。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。