用于检测激光光斑温度场分布的温度传感器及其制备方法与流程

本发明属于激光光斑温度测量领域，涉及一种用于检测激光光斑温度场分布的温度传感器及其制备方法。

背景技术：

激光由于具有单色性好、方向性强、亮度高等特点，已被广泛的应用于通信、军事、医疗工业等领域。在工业生产中，利用激光的高能量密度进行激光切割、激光快速成型、激光切割、激光手术时必须控制激光光斑的温度。因此对于激光光斑的温度分布的检测至关重要，而传统的温度传感器由于体积大、测温点少，难以实现激光光斑温度分布检测的目的。故，开发用于检测激光光斑温度分布的一种小体积、多测温点的温度传感器非常有必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于检测激光光斑温度场分布的温度传感器及其制备方法，该温度传感器具有多测温点及体积小的特点。

为达到上述目的，本发明所述的用于检测激光光斑温度场分布的温度传感器包括绝缘高温层基底，所述绝缘高温层基底表面分为敏感区域及非敏感区域，所述敏感区域上设置有自下到上依次分布的正极热电偶薄膜阵列及负极热电偶薄膜阵列，其中，正极热电偶薄膜阵列中的一块正极热电偶薄膜对应负极热电偶薄膜阵列中的一块负极热电偶薄膜，且各负极热电偶薄膜覆盖于对应正极热电偶薄膜上，正极热电偶薄膜的上表面以及敏感区域上没有覆盖正极热电偶薄膜阵列的区域均覆盖有保护层；

各负极热电偶薄膜及各正极热电偶薄膜均连接有冷端，其中，各冷端均位于非敏感区域内。

绝缘高温层基底的材质为碳化硅陶瓷材料。

正极热电偶薄膜阵列的材质为n型铬酸锶镧，负极热电偶薄膜阵列的材质为p型氧化铟。

一块正极热电偶薄膜与其上的负极热电偶薄膜组成一个热节点，各热节点呈十字形分布。

热节点数目为25个，其中，一个热节点位于中心位置处，剩余24个热节点平均分为六组，相邻两组热节点的间距均为100μm。

各块正极热电偶薄膜及负极热电偶薄膜的宽度均为50μm。

所述敏感区域为直径为2mm的圆形结构。

本发明所述用于检测激光光斑温度场分布的温度传感器的制备方法包括以下步骤：

1)利用光刻工艺形成薄膜热电偶的正极图形，并在绝缘高温层基底表面选取敏感区域及非敏感区域；

2)采用磁控溅射方法在敏感区域上制作正极热电偶薄膜阵列；

3)利用光刻工艺形成薄膜热电偶的负极图形；

4)采用磁控溅射方法制作负极热电偶薄膜阵列；

5)利用光刻工艺形成保护层的图形；

6)采用磁控溅射方法制作保护层，得温度传感器样本；

7)对所述温度传感器样本进行标定，得用于检测激光光斑温度场分布的温度传感器。

步骤4)与步骤5)之间还包括将步骤4)得到的产品在1000℃下退火1h，使得正极热电偶薄膜阵列中的各正极热电偶薄膜及负极热电偶薄膜阵列中的各负极热电偶薄膜晶化。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的用于检测激光光斑温度场分布的温度传感器及其制备方法在具体操作时，绝缘高温层基底表面分为敏感区域及非敏感区域，在敏感区域上设置有自下到上依次分布的正极热电偶薄膜阵列及负极热电偶薄膜阵列，其中，正极热电偶薄膜阵列中的一块正极热电偶薄膜对应负极热电偶薄膜阵列中的一块负极热电偶薄膜，且各负极热电偶薄膜覆盖于对应正极热电偶薄膜上，各正极热电偶薄膜与位于其上的负极热电偶薄膜组成多个热节点，以使得单个温度传感器具有多个测温点的特点，且体积较小，另外，需要说明的是，本发明基于热电偶原理，无需外部供能，无需桥式处理电路，因此其测量系统较为简单方便。

进一步，绝缘高温层基底的材质为碳化硅陶瓷材料，满足激光高能量密度的要求。

进一步，正极热电偶薄膜阵列的材质为n型铬酸锶镧，负极热电偶薄膜阵列的材质为p型氧化铟，由于n型铬酸锶镧和p型氧化铟的seebeck系数符号相反，因此能够输出增强信号。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中敏感区域5的结构示意图。

其中，1为绝缘高温层基底、2为正极热电偶薄膜阵列、3为负极热电偶薄膜阵列、4为热节点、5为敏感区域、6为保护层、7为冷端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的用于检测激光光斑温度场分布的温度传感器包括绝缘高温层基底1，所述绝缘高温层基底1表面分为敏感区域5及非敏感区域，所述敏感区域5上设置有自下到上依次分布的正极热电偶薄膜阵列2及负极热电偶薄膜阵列3，其中，正极热电偶薄膜阵列2中的一块正极热电偶薄膜对应负极热电偶薄膜阵列3中的一块负极热电偶薄膜，且各负极热电偶薄膜覆盖于对应正极热电偶薄膜上，正极热电偶薄膜的上表面以及敏感区域5上没有覆盖正极热电偶薄膜阵列2的区域均覆盖有保护层6；各负极热电偶薄膜及各正极热电偶薄膜均连接有冷端7，其中，各冷端7均位于非敏感区域内，敏感区域5为直径为2mm的圆形结构。

绝缘高温层基底1的材质为碳化硅陶瓷材料；正极热电偶薄膜阵列2的材质为n型铬酸锶镧，负极热电偶薄膜阵列3的材质为p型氧化铟；保护层6的材质为al2o3。

一块正极热电偶薄膜与其上的负极热电偶薄膜组成一个热节点4，热节点4呈十字形分布；热节点4的数目为25个，其中，一个热节点4位于中心位置处，剩余24个热节点4平均分为六组，相邻两组热节点4的径向间距均为100μm。

本发明所述用于检测激光光斑温度场分布的温度传感器的制备方法包括以下步骤：

1)利用光刻工艺形成薄膜热电偶的正极图形，并在绝缘高温层基底1表面选取敏感区域5及非敏感区域；

2)采用磁控溅射方法在敏感区域5上制作正极热电偶薄膜阵列2；

3)利用光刻工艺形成薄膜热电偶的负极图形；

4)采用磁控溅射方法制作负极热电偶薄膜阵列3；

5)利用光刻工艺形成保护层6的图形；

6)采用磁控溅射方法制作保护层6，得温度传感器样本；

7)对所述温度传感器样本进行标定，得用于检测激光光斑温度场分布的温度传感器。

步骤4)与步骤5)之间还包括将步骤4)得到的产品在1000℃下退火1h，使得正极热电偶薄膜阵列2中的各正极热电偶薄膜及负极热电偶薄膜阵列3中的各负极热电偶薄膜晶化。

设位于中心位置处沿横向和纵向分别设置的正极薄膜和负极薄膜为中心薄膜热电偶，在该中心薄膜热电偶的正负极上搭接间距相等的负正极薄膜，即可形成六个温度环，其中，每个温度环上设置四个热节点4，且每个热节点4上均包括一个正极热电偶薄膜及一个负极热电偶薄膜，即可利用所述六个温度环与位于中心位置的热节点4测得激光光斑的七个温度梯度。

另外，需要说明的是，本发明中磁控溅射方法的参数为：溅射的功率为150w，氩气流量为30sccm，真空度为3×10^-6torr，时间为4h。

本发明中对所述温度传感器样本进行标定的具体过程为：

将温度传感器放置于温控箱中以保持冷端温度为室温，用小型加热板对其敏感区域5整体加热，从而使热电偶的冷端7与热端产生温度梯度，进而产生电势差，并利用loggerutility数据采集仪进行电压采集，并根据采集到的电压来对温度传感器进行标定。

本发明基于热电偶原理，当激光光斑照射在敏感区域5上时，该传感器的热端温度会升高，进而导致热端与冷端7产生温差，由于塞贝克效应的存在，在该薄膜热电偶的正负极对应的冷端7之间产生温差电动势，通过对该传感器进行静态标定，得出温度电势曲线，进而得出热端温度与冷端7输出电势的关系，反之，通过测量冷端7的电势即可得到其热端的温度，从而实现对激光光斑温度分布的监测。

实施例一

绝缘高温层基底1选用绝缘耐高温碳化硅，厚度为2mm,尺寸为30×30mm²，为了保证所溅射薄膜的质量，先依次用丙酮、酒精及去离子水清洗基底，并用n2吹干，然后放置到90℃的热板上加热5min，以去除绝缘高温层基底1的污渍、油污及灰尘等。

本实施例中正极热电偶薄膜及负极热电偶薄膜的热电极的均宽度为50μm，相邻温度环间的间隔为100μm。该传感器可以检测共7个温度梯度，其中，一个为激光光斑的圆心，其余24个热节点4均匀分布在6个温度环上，每个温度环上的4个热节点4以间隔90°阵列分布。

本实施例中薄膜沉积采用磁控溅射技术，正极热电偶材料为n型铬酸锶镧(la0.8sr0.2cro3)，负极热电偶材料为p型氧化铟(in2o3)，靶材为尺寸为φ101.6×3mm、纯度为99.99％的铬酸锶镧(la0.8sr0.2cro3)和氧化铟(in2o3)，溅射功率为150w，氩气流量为30sccm，真空度为3×10^-6torr，溅射时间为4h。保护层6通过磁控溅射制备，溅射参数为：功率200w，氩气流量为50sccm，真空度为3×10^-5torr，溅射时间为2h，绝缘高温层基底1的温度为室温。

为了研究该薄膜热电偶温度传感器的性能，对其进行静态标定，首先，用导电银浆将冷端7与补偿导线连接，以方便接入测试系统，将该薄膜热电偶放置在温控箱内，以保证冷端7温度处于恒定的室温环境中，通过调节直流电压源的电压来逐渐使小型加热板升温，从而对敏感区域5加温，用标准k型热电偶指示加热板的温度，用loggerutility数据采集仪来采集输出电压，从而得出其温度电势曲线。

本实例只详细介绍了一种用于检温度传感器测激光光斑温度场分布的温度传感器及具体实施方法，但本实施例并不是限定本发明专利的保护范围，熟悉本领域的技术人员，若依据本发明的技术进行简单的结构改变或者工艺变化等改造均应属于本发明专利的保护范围内。