瞬态温度和热流密度联测传感器及其制备方法与流程

本发明涉及一种微机电技术领域的计热流器件，具体地说，是涉及一种瞬态温度和热流密度联测传感器及其制备方法。

背景技术：

如今，在工农生产、科学研究、航空航天、动力工程以及日常生活中,存在着大量的热量传递问题有待解决。随着现代科学技术的飞速发展，仅把温度作为热量传递的唯一信息已远远不够。因此，热流检测的理论和技术越来越受到重视，测量热流用的传感器——热流测头及热流计的研究和使用也更加广泛了。由于航空航天事业的发展和热能工程的实际需要，在宇航、空间技术和一些高科技领域中，迫切要求一种能迅速反映出温度和热流密度的传感器，所以为了研制既适用于工程实际，又适用于航空航天领域的温度和热流密度联测传感器，一种瞬态温度和热流密度联测传感器产生了。这种传感器利用热电偶的的塞贝克的测量原理，结合薄膜技术，能实现温度和热流密度的瞬态测量，从而得出瞬态温度值和热流值。瞬态温度和热流的联测是热工测试的难点，也是一直没有得到很好解决的问题。研究瞬态温度和热流的联测，特别是微小空间内瞬态温度和热流的联测，对于我国节能领域以及航空航天等领域都有着积极的意义。

在分析总结国内外众多瞬态温度和热流计测量原理的基础上，研究利用薄膜技术，制作出了热电堆型瞬态温度和热流密度联测传感器，这种传感器，既继承了温度简单的测量原理和方法，同时又能利用薄膜技术进行瞬态热流的测量，有着广泛的应用前景。

经检索，申请号为CN201610549808.4的中国发明专利，该专利公开一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计及制备方法，“所述热流计包括陶瓷基底及设于陶瓷基底上的正极热电偶、负极热电偶、热电偶连接层、外热阻层及内热阻层，正极热电偶和负极热电偶通过热电偶连接层对接，外热阻层、内热阻层覆盖在正极热电偶、负极热电偶的上方；当外部环境在所述热流计上施加以垂直方向的热流时，外热阻层和内热阻层的厚度不同，相邻两个热结点和冷结点存在温度差，根据塞贝克效应，就有相应的电势输出，其输出电势与热流密度相关”。该设计是基于热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，利用热电偶测温原理，实现了热流密度的瞬态测量。该发明能实现对热流密度的瞬态测量，但是不能同时测量温度。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种瞬态温度和热流密度联测传感器及其制备方法，能够实现对温度和热流密度的同步测量，具有结构简单、响应速度快、测量温度范围大、测量精度高等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供一种瞬态温度和热流密度联测传感器，所述传感器包括：陶瓷基底、正极热电偶、负极热电偶、热电偶连接层、热阻层、正极热电偶引线端、负极热电偶引线端、正极热电堆引线端以及负极热电堆引线端，其中：

所述正极热电偶、负极热电偶、热电偶连接层、热阻层、正极热电偶引线端、负极热电偶引线端、正极热电堆引线端以及负极热电堆引线端均设在陶瓷基底上；所述正极热电偶与负极热电偶通过热电偶连接层对接；一个正极热电偶和一个负极热电偶串联形成一对热电偶，多对热电偶首尾搭接形成薄膜热电堆，以增大热电堆的输出电势；热阻层覆盖在薄膜热电堆冷结点上方；一对热电偶的热结点通过正极热电偶引线端、负极热电偶引线端接出，正极热电偶引线端、负极热电偶引线端的输出电势与温度有关；所述热电偶为一对或多对，多对热电偶测量多个温度；

当外部环境在所述传感器上施加以垂直方向的热流时，覆盖在薄膜热电堆冷结点上方的热阻层存在一厚度，则薄膜热电堆的冷结点和热结点存在温度差，根据塞贝克效应，薄膜热电堆的两端就产生相应电势差，薄膜热电堆的两端分别通过正极热电堆引线端和负极热电堆引线端接出，正极热电堆引线端和负极热电堆引线端输出电势与热流密度相关，从而实现对温度和热流密度的瞬态测量。

优选地，所述正极热电偶引线端和负极热电偶引线端分别作为测温引线端，用于温度的输出；所述正极热电堆引线端和负极热电堆引线端分别作为薄膜热电堆的引线端，用于热流密度的输出。

优选地，所述正极热电偶、正极热电偶引线端和正极热电堆引线端采用磁控溅射方法沉积薄膜、利用掩膜溅射方法或liftoff方法实现图形化，材料选用铂铑或铂。

更优选地，当所述薄膜热电堆为PtRh-Pt型热电偶串联而成时，正极热电偶、正极热电偶引线端和正极热电堆引线端的材料选用铂铑；

当所述薄膜热电堆为Pt/ITO型热电偶串联而成时，正极热电偶、正极热电偶引线端和正极热电堆引线端的材料选用铂。

优选地，所述负极热电偶、负极热电偶引线端和负极热电堆引线端采用磁控溅射方法沉积薄膜、利用掩膜溅射方法或liftoff方法实现图形化，材料选用铂或ITO。

更优选地，当所述薄膜热电堆为PtRh-Pt型热电偶串联而成时，负极热电偶、负极热电偶引线端和负极热电堆引线端的材料选用铂；

当薄膜热电堆为Pt/ITO型热电偶串联而成时，负极热电偶、负极热电偶引线端和负极热电堆引线端的材料选用ITO。

优选地，所述正极热电偶引线端的引线和负极热电偶引线端的引线采用两种不同的金属细线，其中：所述正极热电偶引线端的引线采用与正极热电偶引线端相同的金属材料细丝，金属细线的材料为铂铑或铂；所述负极热电偶引线端的引线采用与负极热电偶引线端相同的金属材料细丝，金属细线的材料为铂或ITO。

优选地，所述正极热电堆引线端的引线和负极热电堆引线端的引线采用两种不同的金属细线，其中：正极热电堆引线端的引线的金属细线材料为铂铑丝或者铂丝，负极热电堆引线端的引线的金属细线材料为铂或ITO。

优选地，所述热阻层(5)采用溅射二氧化硅或者悬涂聚酰亚胺形成。

更优选地，所述热阻层(5)的材料选择根据工作环境而定：

在低温工作环境下，即温度≤400℃，所述热阻层(5)的材料采用聚酰亚胺；

在高温工作环境下，即温度＞400℃，所述热阻层(5)的材料采用二氧化硅。

本发明所述传感器通过增加薄膜热电堆中热电偶的对数、增大热阻层的厚度来实现提高所述传感器对热流密度测量的灵敏度，不需再进行信号放大处理。

根据本发明的另一个方面，提供一种瞬态温度和热流密度联测传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步、采用磁控溅射方法沉积薄膜，利用掩膜溅射方法或liftoff方法实现图形化，在陶瓷基底上形成正极热电偶、正极热电偶引线端和正极热电堆引线端；

第二步、利用掩膜溅射的方法，在第一步的正极热电偶的两端形成一层热电偶连接层，其面积大小根据设计要求灵活调节；

第三步、采用磁控溅射方法沉积薄膜，利用掩膜溅射方法或liftoff方法实现图形化，在第二步的热电偶连接层的上表面和与第一步的正极热电偶首尾对接形成负极热电偶、负极热电偶引线端和负极热电堆引线端；

第四步、通过溅射二氧化硅或者悬涂聚酰亚胺(PI)，并采用掩膜刻蚀的方法，在薄膜热电堆的冷结点上表面形成热阻层。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

本发明利用薄膜技术，具有体积小、响应速度快的特性，能进行瞬态大热流的测量。。

进一步的，本发明中，正极热电偶引线端和负极热电偶引线端通过两个引线端接出，可测量温度，多对热电偶首尾搭接形成薄膜热电堆，通过热阻层的影响，正极热电堆引线端和负极热电堆引线端可测量热流密度。能实现对温度和热流密度进行同步测量。

进一步的，本发明中，提高所述传感器对热流密度测量的灵敏度可以通过增加薄膜热电堆中热电偶的对数和增大热阻层的厚度差来实现，不需再进行信号放大处理。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一实施例的传感器剖面示意图；

图2是本发明一实施例的不加热阻层的整体结构俯视示意图；

图3是本发明一实施例的加热阻层后的整体结构俯视示意图；

图中：1为陶瓷基片、2为正极热电偶、3为负极热电偶、4为热电偶连接层、5为热阻层、6为正极热电偶引线端、7为负极热电偶引线端、8为正极热电堆引线端、9为负极热电堆引线端。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1、图2、图3所示，一种瞬态温度和热流密度联测传感器，包括：陶瓷基片1、正极热电偶2、负极热电偶3、热电偶连接层4、热阻层5、正极热电偶引线端6、负极热电偶端7、正极热电堆引线端8和负极热电堆引线端9，其中：

所述正极热电偶2、负极热电偶3、热电偶连接层4、热阻层5、正极热电偶引线端6、负极热电偶端7、正极热电堆引线端8和负极热电堆引线端9都设在陶瓷基片1上；正极热电偶2和负极热电偶3通过热电偶连接层4对接；一个正极热电偶2和负极热电偶3串联形成一对热电偶，多对热电偶首尾搭接形成薄膜热电堆；热阻层5覆盖在薄膜热电堆冷结点的上方；正极热电偶引线端6连接正极热电偶1，负极热电偶引线端7连接负极热电偶2；

当外部环境在所述传感器上施加以垂直方向的热流时，由于覆盖在薄膜热电堆冷结点上方的热阻层5影响，则薄膜热电堆冷结点和热结点存在温度差，根据塞贝克效应，正极热电偶引线端6和负极热电偶引线端7、正极热电堆引线端8和负极热电堆引线端9就有相应的电势输出，正极热电偶引线端6和负极热电偶引线端7的输出电势与温度有关，正极热电堆引线端8和负极热电堆引线端9输出电势与热流密度相关，从而实现对温度和热流密度的同步测量。

一个所述正极热电偶2和一个负极热电偶3串联形成一对热电偶，一对热电偶热结点的通过正极热电偶引线端6、负极热电偶引线端7接出，所述正极热电偶引线端6、负极热电偶引线端7的输出电势与温度有关；根据测量要求，可以引出多对热电偶，测量多个温度；多对热电偶首尾搭接形成薄膜热电堆，以增大热电堆的输出电势，所述薄膜热电堆的输出电势与热流密度相关。

如图2所示，一个正极热电偶2和一个负极热电偶3串联形成一对热电偶，多对热电偶首尾搭接后形成薄膜热电堆。

作为一优选的实施方式，所述正极热电偶2、负极热电偶3和正极热电偶引线端6、负极热电偶端7、正极热电堆引线端8和负极热电堆引线端9均为采用掩膜溅射方法制备的金属条。

进一步的，所述正极热电偶2、正极热电偶引线端6和正极热电堆引线端8采用磁控溅射方法沉积薄膜、利用掩膜溅射方法或liftoff方法实现图形化，其材料选用高温下稳定性良好的铂铑或铂材料形成：

当薄膜热电堆为PtRh-Pt型热电偶串联而成时，材料选用铂铑；

当薄膜热电堆为Pt/ITO型热电偶串联而成时，材料选用Pt。

进一步的，所述负极热电偶3、负极热电偶引线端7和负极热电堆引线端9采用磁控溅射方法沉积薄膜、利用掩膜溅射方法或liftoff方法实现图形化，其材料选用高温下稳定性良好的铂或ITO材料形成：

当薄膜热电堆为PtRh-Pt型热电偶串联而成时，材料选用铂；

当薄膜热电堆为Pt/ITO型热电偶串联而成时，材料选用ITO。

作为一优选的实施方式，所述热电偶连接层4采用溅射铬或钛薄膜形成，用于增大正极热电偶2、负极热电偶3的结合力。

作为一优选的实施方式，如图3所示，通过溅射二氧化硅或者悬涂聚酰亚胺(PI)，并利用掩膜刻蚀的方法，在薄膜热电堆的冷结点上表面形成热阻层5，以增大测量范围、提高测量精度；所述热阻层5的材料采用隔热效果良好的二氧化硅或者聚酰亚胺(PI)，具体材料的选择可根据工作条件而定：

在低温工作条件下(温度小于400℃)，热阻层5可采用聚酰亚胺(PI)材料；

在高温工作条件下(温度大于400℃)，热阻层5可采用二氧化硅材料。

实施例2

一种瞬态温度和热流密度联测传感器的制备方法，包括如下步骤：

第一步、采用磁控溅射方法沉积薄膜，利用掩膜溅射方法或liftoff方法实现图形化，以在陶瓷基底1上形成正极热电偶2、正极热电偶引线端6和正极热电堆引线端8；其中：

当薄膜热电堆为PtRh-Pt型热电偶时，所述正极热电偶2、正极热电偶引线端6和正极热电堆引线端8的材料选用铂铑；

当薄膜热电堆为Pt/ITO型热电偶时，所述正极热电偶2、正极热电偶引线端6和正极热电堆引线端8的材料选用Pt；

第二步、采用掩膜溅射的方法，在第一步的正极热电偶2的两端形成一层热电偶连接层4，所述热电偶连接层4的材料选用铬或钛；

第三步、采用磁控溅射方法沉积薄膜，利用掩膜溅射方法或liftoff方法实现图形化，在第二步的热电偶连接层4的上表面和与第一步的正极热电偶2首尾对接形成负极热电偶3、负极热电偶引线端7和负极热电堆引线端9；其中：

当薄膜热电堆为PtRh-Pt型热电偶时，所述负极热电偶3、负极热电偶引线端7和负极热电堆引线端9的材料选用铂；

当薄膜热电堆为Pt/ITO型热电偶时，所述负极热电偶3、负极热电偶引线端7和负极热电堆引线端9的材料选用ITO；

第四步、通过溅射二氧化硅或者悬涂聚酰亚胺(PI)，并采用掩膜刻蚀的方法，在正极热电偶2和负极热电偶3的冷结点上表面形成热阻层5；其中：所述热阻层5的材料选择根据工作条件而定：

在低温工作条件下(温度小于400℃)，所述热阻层5采用聚酰亚胺(PI)材料；

在高温工作条件下(温度大于400℃)，所述热阻层5采用二氧化硅材料。

本发明利用薄膜技术，具有体积小、响应速度快的特性，能进行瞬态温度和热流密度的测量；选用陶瓷基底具有耐高温、与氧化物热阻层有良好的热匹配的特性；薄膜热电堆由PtRh-Pt型热电偶或Pt/ITO热电偶组成，可以提高所述传感器在高温下工作的稳定性；利用多对正极热电偶和负极热电偶串联形成热电堆、增大热阻层的厚度来实现提高所述传感器对热流密度测量的灵敏度，不需再进行信号放大处理。热阻层材料根据工作环境采用聚酰亚胺(PI)或SiO₂，可扩大测温范围；采用这两种材料做热阻层，不仅具有良好的隔热效果，还可以作为所述热流计的保护层，以防止氧化。本发明中，单个热电偶热结点的两侧通过两个引线接出，可测量温度，根据测量要求，可以引出多对热电偶，测量多个温度；多对热电偶首尾搭接形成薄膜热电堆，通过热阻层的影响，可测量热流密度。能实现对温度和热流密度进行同步测量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。