一种预置引线式薄膜传感器的制作方法与流程

本发明涉及薄膜传感器技术领域，尤其涉及一种预置引线式薄膜传感器的制作方法。

背景技术：

高超声速飞行器在大气中飞行，特别是再入时，由于激波压缩和粘性摩擦产生大量热能，会导致飞行器表面温度激增。飞行器再入导致的高温问题一般都会伴随着复杂的高温物理现象，现有经验和理论难以直接预测飞行器热环境，所以通常要依靠地面风洞试验对飞行器的热环境进行研究。而在高超声速飞行器的防热设计中，主要依赖风洞热流的测量值保障飞行器和飞行员的安全。

随着推进一体化高超声速飞行器的发展，为了满足减小阻力、保证进气道性能等方面的要求，机身前缘、进气道唇口、隔板和控制舵等部件一般都采用曲率半径较小的尖翼前缘。根据气动加热的一般规律，对于高超声速飞行器热环境，部件迎风前缘曲率半径较小则对应越高的气动加热量。超燃发动机技术的研究，以及发动机和飞行器的一体化技术，导致飞行器燃烧室内气流静温可达1800℃以上，而模型表面和燃烧室内的热流可能高达5mw/m²以上，在如此高温的流场中，热传导和热辐射等作用会使得飞行器表面和内部的温度骤然升高，甚至可能会对飞行器产生致命的损坏。因此，在高超声速飞行器模型的地面模拟实验中，其表面瞬态热流率测量是一项重要的工作，对于飞行器的优化设计有着至关重要的作用，对于发动机的冷却及燃烧效率的影响也非常大。减少飞行器的表面和燃烧室内部热流，可以降低其防热设计的难度。

综上所述可知，飞行器模型表面热流测量是空气动力学试验研究的重要项目之一，在对飞行器布局研究、结构及部件优化、流动控制、cfd(计算流体动力学)验证确认等方面都具有较高的应用价值。

对飞行器表面热流的测量分为非接触测量和接触测量：采用红外和磷光热图等方法测量属于非接触测量。红外和磷光热图测量热流可以直接得到整个飞行器模型表面的热流变化规律，但由于以激波风洞为代表的脉冲风洞试验时间为毫秒级，较短的试验时间对测量方法要求极高。其中红外测热受难以购买到分辨率和采样频率均符合要求的频率高的红外热像仪的限制，在激波风洞中还未发展起来。磷光热图虽已实现对热流的定性测量，但限于技术发展，还不能实现定量的测量，因此，目前对飞行器表面热流的测量主要还依靠接触测量。接触测量一般基于薄膜热流传感器和同轴热电偶进行，其中同轴热电偶的灵敏度较低，适于热流值较大的位置测量；薄膜热流传感器包括薄膜电阻热流传感器和薄膜热电偶热流传感器，一般使用中，均简称为薄膜传感器。

薄膜传感器的信号引出依靠引线，引线制作的工艺将直接影响传感器的质量、封装和安装。

现有薄膜传感器引线制作方法是在传感器敏感元件两端描涂银浆或铂液等，或者采用真空镀膜。其中描涂银浆或铂液法是指将含有银或铂等微粒的悬浮液体直接描涂在薄膜传感器敏感元件两端和传感器衬底上，再经过烘烤固化形成导线。描涂方法比较简单，可以用高级精细画笔、毛笔、绘图鸭嘴笔和针等进行描涂，这种方式制作的引线性能好，可以在任意形状的传感器衬底上实施，制作成本低，是目前常用的方法。但是，在传感器敏感元件两端描涂形成的连接引线，厚度比敏感元件高，形成敏感元件与引线厚度的微细台阶，台阶的存在影响飞行器的局部流场，会导致热流测量的误差增大；另外由于在传感器衬底外表面制作引线，安装于飞行器模型表面时需要进行绝缘操作，否则二者会短路造成传感器失效，而设置绝缘层增加了传感器的安装难度并降低了传感器安装效率。并且，绝缘层又会造成传感器受热温度增加，当超过敏感元件的升高温度，就会在传感器形成横向传热，进一步导致测量误差。真空镀膜是在真空情况下，在传感器表面和衬底上镀金属膜，如采用铂、银、铜、铝等导电性能好的材料，利用直接掩膜镀膜形成引线、激光直接刻蚀形成引线或半导体光刻方法形成引线。真空镀膜包括蒸发镀膜和溅射镀膜，其中通过真空蒸发方式沉积在衬底上的薄膜附着力较差，实验时易被启动激波和高速气流冲刷掉，因此一般采用溅射镀膜法。溅射镀膜法是利用高能粒子(多数是由电场加速的正离子)撞击固体表面，与固体表面的原子/分子进行动量、能量交换后，使从固体表面飞溅出来的原子/分子沉积到基片或工件表面，形成薄膜。常用的溅射镀膜法包括阴极溅射、磁控溅射和离子溅射等。

采用掩膜的制作方式制作薄膜传感器引线时，掩膜可以采用不锈钢和紫铜等金属材料加工形成。将掩膜放置于传感器的基底上，然后使薄膜粒子穿过掩膜的缝隙，沉积在基底上形成引线，引线的形状由掩膜缝隙的形状决定。由于需要在传感器端面和周身制作引线，而薄膜传感器一般尺寸小并且形状复杂，所以掩膜的加工和定位比较困难，因此这种方法只适用于简单形状的薄膜传感器的引线制作。

激光直接刻蚀方法，是在对传感器镀膜后，直接用激光将无用的薄膜去除，剩余薄膜成为引线。这种方法造价高，需要昂贵的激光直接刻蚀机。

半导体光刻方法，是利用了半导体和电路制作的工艺，利用照相的基本原理，采用感光胶、曝光机和掩膜等材料和工具，利用感光胶曝光前后的变化，采用化学变化和腐蚀方法实现对传感器薄膜形状及尺寸的控制。它实际上是湿法刻蚀技术的一种，相当于采用感光胶制作掩膜图案，可使掩膜紧贴于传感器表面，从而保证在溅射时金属薄膜的均匀性。但是湿法刻蚀工艺繁琐，往往还需要使用多种化学试剂，尤其是刻蚀铂膜时，一般采用王水，危险性强。

上述真空镀膜形成的引线厚度小，其优点是克服了描涂法造成的横向传热影响。但又同时存在制作工艺复杂、成本高的缺陷。只适合在平面衬底等简单外形传感器上的引线制作。

因此，针对以上不足，需要提供一种新的引线制作方法，来简化传感器的制作工艺，降低制作成本，并保障传感器的整体质量。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有薄膜传感器引线制作方法存在的定位困难，造价高，并不具有通用性的缺陷，提供一种预置引线式薄膜传感器的制作方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种预置引线式薄膜传感器的制作方法，包括：

a、制作预置引线衬底：根据传感器的形状要求制作衬底模具，使衬底模具中衬底材料部分为空，引线部分为实；然后基于衬底模具获得衬底；将引线加入衬底中，并通过固化方式结合在一起，完成引线预置；再对衬底进行加工形成传感器衬底。本发明直接将引线预置在衬底内，实现了薄膜传感器引线的简单制作。

在根据本发明所述的预置引线式薄膜传感器的制作方法中，还包括：

b1、根据敏感元件的预设计制作掩膜，在传感器衬底上形成薄膜敏感元件，获得薄膜电阻热流传感器。

在根据本发明所述的预置引线式薄膜传感器的制作方法中，基于步骤b1采用的引线材料包括铂、钯、金、银或铜。

在根据本发明所述的预置引线式薄膜传感器的制作方法中，还包括与所述b1相并列的技术方案：

b2、将热电偶丝预置在传感器衬底中，采用直流磁控镀膜机在传感器衬底表面镀膜，形成热电偶结点，获得薄膜热电偶热流传感器。

在根据本发明所述的预置引线式薄膜传感器的制作方法中，所述获得薄膜热电偶热流传感器的具体方法为：

安装镀膜的靶，并选择靶材；

加工安装座，将传感器衬底固定在安装座上，再将安装座摆放在直流磁控镀膜机真空室内的样品台上；

启动真空泵，将所述真空室内以10-9000升/秒的初始抽速抽真空到1～5×10^-4pa；然后开启减压板，降低抽速到初始抽速的50％～30％，持续充入氩气达到1～8×10^-1pa；

使样品台或靶以5～20圈/分钟的速度旋转；并使直流磁控镀膜机对传感器衬底进行稳定溅射，对传感器衬底表面镀膜，形成热电偶结点；

然后关闭直流磁控镀膜机并停止充氩气，继续以初始抽速的50％～30％对真空室抽真空，持续10～60分钟；

取出传感器衬底，加温烘烤持续预定时间段后，使其自然冷却，获得薄膜热电偶热流传感器；优选的，对传感器衬底表面镀铂膜时，加温烘烤的温度为600℃；

其中所述预定时间段根据镀膜的靶材确定。

在根据本发明所述的预置引线式薄膜传感器的制作方法中，基于步骤b2采用的引线材料与电偶材料相同。

在根据本发明所述的预置引线式薄膜传感器的制作方法中，步骤a中所述的传感器衬底还要经过清洗的步骤，所述清洗包括：

依次采用汽油、洗衣粉、一遍纯水、稀硫酸、二遍纯水、酒精、超声波和等离子清洗传感器衬底。

在根据本发明所述的预置引线式薄膜传感器的制作方法中，所述稀硫酸需要被加热至80～120℃，清洗时间为30～60分钟。

在根据本发明所述的预置引线式薄膜传感器的制作方法中，所述靶材材料包括铂、钯、金、镍、铜或热电偶材料。

实施本发明的预置引线式薄膜传感器的制作方法，具有以下有益效果：针对现有技术中薄膜传感器引线预置困难的问题，本发明在衬底成型时，直接预留出引线的安装位置来预置引线，解决了传感器成型后再加工引线会面临的加工及定位难题。相比于传统薄膜传感器的引线制作工艺，本发明降低了制作难度和成本，并具有通用性。由于能够实现传感器制作的一致性，可以大批量生产具有预置引线的传感器衬底，并且由于实现了引线与衬底的一体化制作，在传感器敏感元件或热电偶损坏后，可以再次利用衬底进行加工，获得传感器，提高了衬底的重复使用率，并进一步降低了制作成本。

附图说明

图1是本发明具体实施方式所述一种预置引线式薄膜传感器的制作方法的示例性流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1所示，本发明提供了一种预置引线式薄膜传感器的制作方法，包括：

a、制作预置引线衬底：步骤100中，根据传感器的形状要求制作衬底模具，使衬底模具中衬底材料部分为空，引线部分为实；然后在步骤110中基于衬底模具获得衬底；步骤120中，将引线加入衬底中，并通过固化方式结合在一起，完成引线预置；步骤130中，再对衬底进行加工形成传感器衬底。

本发明将目前存在加工困难的引线制作，融合到衬底成型的过程中，改变了引线预置的流程，使引线预置的过程得以简化。在获得预置了引线的传感器衬底后，基于传感器衬底进一步加工获得传感器的方法可以是与现有技术中相同或相类似的方法。

所述衬底模具可以采用高硬材料制作，例如选择skh3、5crmnmo等材料制作；衬底模具根据预设计的传感器形状，制作成与传感器凸凹相反。向衬底模具中加入传感器衬底材料，如陶瓷粉等，将其压实，并初步固化后取出，获得衬底。引线与衬底之间可以采用高温烧结的方式进行固化结合。

作为示例，获得传感器衬底后，可以根据敏感元件的预设计制作掩膜，在传感器衬底上形成薄膜敏感元件，获得薄膜电阻热流传感器。

对于薄膜电阻热流传感器，其引线可采用导电性能好的金属丝制成，例如可以为铂、钯、金、银或铜等。

作为示例，还存在一种相并列的方案，即在获得传感器衬底后，可以将热电偶丝预置在传感器衬底中，采用直流磁控镀膜机在传感器衬底表面镀膜，形成热电偶结点，获得薄膜热电偶热流传感器。

下面以采用直流磁控镀膜机镀膜获得薄膜热电偶热流传感器为例进行详细的说明，其它采用射频磁控镀膜机、离子镀膜机等真空镀膜机镀膜的方式根据机器自身的操作规程参照执行：

作为示例，所述获得薄膜热电偶热流传感器的具体方法可以为：

安装镀膜的靶，并选择靶材；其中靶材的材料根据测量需要进行选择，可以选择导热性能好的金属材料，如铂、钯、金、镍或铜；或者靶材也可以选择为与热电偶材料相同。

加工安装座，所述安装座加工完成后，可以将已清洗、烘干后的传感器衬底固定在安装座上，再将安装座摆放在直流磁控镀膜机真空室内的样品台上，并关闭真空室；

启动真空泵，将所述真空室内以10-9000升/秒的初始抽速抽真空到1～5×10^-4pa；然后开启减压板辅助减压，降低抽速到初始抽速的50％～30％，持续充入氩气达到1～8×10^-1pa；所述初始抽速可以根据实际使用需要在几十到几千升每秒范围内选取；初始抽速与使用的镀膜机实际抽速有关。在实际使用中，只要镀膜机的漏气率在该镀膜机的性能范围内，在预定时间如30分钟内抽到预定的真空度，例如1～5×10^-4pa即可，抽真空速度的快慢不影响镀膜。

说明一下：直流磁控镀膜机的真空泵分为前级泵和二级泵，前级泵为机械泵，二级泵为分子泵或扩散泵。对真空室抽真空的顺序是先用前级泵抽真空，然后转换为二级泵抽真空，此时前级泵抽二级泵排出的气体。本公开中涉及的所述初始抽速是二级泵的抽速。对于不同的镀膜机配置的分子泵的性能不一致，需要选择相适应的初始抽速。从理论上来说，真空室内的真空度越高越好，真空度越高真空室内洁净度越高，有利于提高镀膜质量。但实际的预定真空度还是要根据镀膜机的性能决定。由于本公开中是为了制作热电偶结点，其作用主要是导热和导电，含有少许杂质对于传感器整体影响不大，所以不需要太高的真空度。

开启减压板后，降低抽速，是因为同时要充入镀膜气体氩气，由于要保持真空室内气体压力平衡，减小抽真空的气流流速，能降低氩气的使用量。氩气在达到1～8×10^-1pa时，容易实现电离。氩气浓度越低，需要的镀膜电压越高。

使样品台或靶以5～20圈/分钟的速度旋转；开启直流电源为直流磁控镀膜机供电，调压使直流磁控镀膜机对传感器衬底进行稳定溅射，对传感器衬底表面镀膜，形成热电偶结点；所述稳定溅射的镀膜时间可以根据薄膜厚度与衬底和靶材的高度进行确定，一般可以选择1～5分钟。使样品台或靶匀速旋转，是为了能在传感器衬底表面均匀镀膜。转速的大小与镀膜时间有关，镀膜时间越短，需要设定的转速越高。

然后关闭直流磁控镀膜机并停止充氩气，继续以初始抽速的50％～30％对真空室抽真空，持续10～60分钟；关闭直流磁控镀膜机后，继续10～60分钟对真空室抽真空，是因为传感器衬底在镀膜时被加热，镀膜结束后，温度会继续维持加热时的温度，继续抽真空有利于降温，使薄膜与传感器衬底能更好的结合。同时，镀膜结束后，真空室内还存在薄膜粒子，继续抽真空，降低薄膜粒子浓度，能减少对操作人员的伤害。

取出传感器衬底，将其置于烘箱内，加温烘烤持续预定时间段后，使其自然冷却，获得薄膜热电偶热流传感器；优选的，对传感器衬底表面镀铂膜时，加温烘烤的温度为600℃；传感器衬底镀膜后，烘烤薄膜是为了减小薄膜内的热应力，提高薄膜内粒子的结合力及与衬底的粘接力。烘烤温度要根据镀膜材料和衬底材料的耐温性能来确定，在烘烤温度内，镀膜材料不能挥发，衬底材料不能软化。

其中所述预定时间段根据镀膜的靶材确定。

烘箱自然冷却后取出，即完成薄膜热电偶热流传感器制作的全过程。

作为示例，对于薄膜热电偶热流传感器，其引线材料可以与热电偶材料相同，例如与热电偶同为某种导电性能好的金属丝。

本发明中，在成功的完成引线与衬底的固化后，需要对衬底进一步加工，以满足传感器表面参数要求，例如可以对衬底依次进行打磨，再抛光。

打磨及抛光后的传感器衬底还需要进一步经过清洗再投入使用。作为示例，步骤a中所述的传感器衬底还要经过清洗的步骤，所述清洗包括：

依次采用汽油、洗衣粉、一遍纯水、稀硫酸、二遍纯水、酒精、超声波和等离子清洗传感器衬底。其中一遍纯水与二遍纯水表示采用纯水清洗的两个流程，也可以采用二次以上的蒸馏水替换纯水。

作为示例，清洗用的所述稀硫酸浓度可以为10％～30％，使用前，所述稀硫酸需要被加热至80～120℃，持续的清洗时间为30～60分钟。

超声波清洗时间较长，一般需要一天以上。

传感器衬底清洗完成后，可以采用电吹风等加热设备进行烘干，再置于干燥瓶或罐中保存，以待使用。

采用上述方法制作的薄膜电阻热流传感器或薄膜热电偶热流传感器，在敏感元件或热电偶结点损坏后，可以重新抛光和清洗传感器感应面，镀膜形成敏感元件或热电偶结点，多次制作成薄膜传感器，这样提高了预置引线衬底的重复使用率，降低了传感器制作成本。

本发明将引线预置在传感器衬底内，在飞行器模型上安装时不用考虑绝缘的问题，降低了安装难度。

综上所述，采用本发明方法制作的薄膜传感器可用于高超声速地面模拟设备激波风洞等风洞飞行器模型表面热流测量。它直接将引线预置在传感器衬底内，然后在传感器衬底表面镀膜，形成热电偶结点或采用掩膜形成薄膜敏感元件，实现了薄膜传感器引线的简单制作。可以方便地设计薄膜传感器的敏感元件形状和尺寸，进行精确定位，实现传感器测点的密集布置和精确制作，克服了传统传感器密集制作定位困难和重复性差的缺点。因此提高了薄膜传感器的制作精度和效率，适用于任意外形的薄膜传感器制作。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。