一种耐冲刷铂膜热流传感器制备装置

1.本发明涉及高超声速激波风洞技术领域，具体涉及一种耐冲刷铂膜热流传感器制备装置。


背景技术：

2.在现有的铂膜热流传感器中，由于pt铂膜电阻温度传感器采用玻璃或陶瓷作为基底材料，在高超声速激波风洞实验测量形面复杂的模型表面热流率时，传感器的测点间距较大，传感器的测量端面与模型表面重合的不好，这样会对流场有一定的影响，进而影响测量精度。为了解决复杂形面模型表面热流率测量的问题，如果传感器具有柔性基底，则可以很好地解决这样的问题。不仅可以使得传感器的安装更加方便，测量端面和模型表面完全重合，并且可以增加测点的密度，更加清楚地获得模型表面热流分布情况。
3.但是高超声速激波风洞其产生的高速气流冲击在柔性基体的表面时，也会对基底材料的表面进行冲击，从而影响铂膜热流传感器的使用寿命，增加了激波风洞实验测量过程的复杂性。
4.而现有的技术中均采用在具备柔性基体的铂膜热流传感器的表面进行镀膜，这种方式虽然能够在一定程度上根据镀膜的材料性质来提高铂膜热流传感器的使用寿命，但对于高超声速的激波风洞实验过程中，现有的镀膜方式制备的铂膜热流传感器却无法有效提高铂膜热流传感器的耐冲刷性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种耐冲刷铂膜热流传感器制备装置，以解决现有技术中柔性基底的铂膜热流传感器在激波冲击下的使用寿命降低且缺乏有效制备装置的技术问题。
6.为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
7.一种耐冲刷铂膜热流传感器制备装置，包括：
8.等离子发生腔体组件，用于产生高密度的等离子体；
9.薄膜沉积腔体，所述薄膜沉积腔体连接在所述等离子发生腔体组件的等离子体的输出端；
10.沉积台，设置在所述薄膜沉积腔体的内部，所述沉积台用于放置铂膜热流传感器主体，使所述铂膜热流传感器主体的表面和所述薄膜沉积腔体的轴向之间存在锐角夹角；
11.内涵道，设置在所述薄膜沉积腔体和所述等离子发生腔体组件连接处，所述内涵道用于提供与所述等离子体进行化学沉积反应的原料介质，并沿所述薄膜沉积腔体的轴向进行传输；
12.保护气供气系统，构建在所述等离子发生腔体组件和薄膜沉积腔体上，用于向所述等离子发生腔体组件和所述薄膜沉积腔体内提供保护气环境。
13.作为本发明的一种优选方案，所述沉积台包括设置在所述薄膜沉积腔体轴线上的
支撑架，以及安装在所述支撑架靠近所述内涵道的端部上的圆盘座，所述圆盘座上设置有用于固定铂膜热流传感器主体的夹持结构；
14.其中，所述圆盘座的周向表面与所述薄膜沉积腔体的内壁之间形成隙流通道，所述夹持结构夹持下所述铂膜热流传感器主体形成所述隙流通道的流体导向平面。
15.作为本发明的一种优选方案，所述圆盘座通过伸缩组件安装在所述支撑架上，所述伸缩组件用于驱动所述圆盘座沿所述薄膜沉积腔体的轴向位移，使所述隙流通道增大或者减小。
16.作为本发明的一种优选方案，所述内涵道包括管道主体以及设置在所述管道内壁上的介质排入孔；
17.其中，所述介质排入孔用于在所述管道主体的轴向形成流体的旋流通道，且所述旋流通道的直径小于所述管道主体的直径。
18.作为本发明的一种优选方案，所述介质排入孔包括保护气排入孔和原料排入孔，所述原料排入孔位于所述保护气排入孔的上方，且所述原料排入孔靠近所述薄膜沉积腔体与所述等离子发生腔体组件的连接处；
19.其中，所述原料排入孔用于提供与所述等离子体进行化学沉积反应的原料介质，所述保护气排入孔用于提供保护气体，且所述原料排入孔在所述薄膜沉积腔体的原料介质的径向喷射长度大于所述保护气排入孔在所述薄膜沉积腔体的保护气的径向喷射长度。
20.作为本发明的一种优选方案，所述夹持结构包括安装在所述圆盘座上的圆台座，所述圆台座的腰面上设置有沿所述腰面的放置槽，所述放置槽的底部设置有挡边；所述圆台座的顶部设置有锥导头，且所述锥导头通过贯穿所述圆台座的轴心的螺纹栓螺纹连接所述圆盘座；
21.其中，所述锥导头的底部直径与所述圆台座的顶部直径相同。
22.作为本发明的一种优选方案，所述保护器供气系统包括安装在所述等离子发生腔体组件顶部的进气端以及安装在所述薄膜沉积腔体底部的出气端，且所述进气端用于提供氮气和保护气。
23.作为本发明的一种优选方案，所述等离子发生腔体组件包括：
24.石英管体、与所述薄膜沉积腔体密封连接；
25.螺旋波发生器，耦合进所述石英管体内，用于产生螺旋波；
26.亥姆霍兹线圈，用于为所述螺旋波发生器产生的螺旋波构建传播磁场。
27.本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
28.本发明在具备柔性基底的铂膜热流传感器的表面通过pecvd进行氮化硅薄膜生长，并对其的微观生长结构进行主动干涉，从而获得适用于高超声速激波风洞的耐冲刷铂膜热流传感器。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
30.图1为本发明实施例提供耐冲刷薄膜热流传感器制备装置的结构示意图；
31.图2为本发明实施例提供夹持结构的结构示意图。
32.图中的标号分别表示如下：
33.1-等离子发生腔体组件；2-薄膜沉积腔体；3-沉积台；4-铂膜热流传感器主体；5-内涵道；
34.101-石英管体；102-螺旋波发生器；103-亥姆霍兹线圈；
35.31-支撑架；32-圆盘座；33-夹持结构；34-隙流通道；35-伸缩组件；
36.331-圆台座；332-放置槽；333-挡边；334-锥导头；335-螺纹栓；
37.51-管道主体；52-介质排入孔。
具体实施方式
38.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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
39.本发明的铂膜热流传感器制备装置针对的是柔性可变性集成铂膜热流传感器，而现有的具备柔性基底的铂膜热流传感器的制备方法包括：
40.根据设计的尺寸制作掩膜片，将厚度为0.18毫米的成品聚酰亚胺薄膜固定在硅片基底上，利用光刻技术将掩膜片上传感器图形转移聚酰亚胺薄膜上的铂层上，形成了敏感元件，然后在除感温部件和引脚部件外的区域通过光刻技术镀上聚酰亚胺薄膜，起到保护和绝热作用，避免除敏感部位外其它部件受温度的影响，最后将聚酰亚胺基底层和硅基片脱离，每个测点尺寸0.1
×
1mm，可以安装在一定曲率的曲面上。
41.由于pt铂膜电阻温度传感器采用玻璃或陶瓷作为基底材料，在高超声速激波风洞实验测量形面复杂的模型表面热流率时，传感器的测点间距较大，传感器的测量端面与模型表面重合的不好，这样会对流场有一定的影响，进而影响测量精度。为了解决复杂形面模型表面热流率测量的问题，如果传感器具有柔性基底，则可以很好地解决这样的问题。不仅可以使得传感器的安装更加方便，测量端面和模型表面完全重合，并且可以增加测点的密度，更加清楚地获得模型表面热流分布情况。
42.基底材料的选择是制作这种柔性基底热流率传感器的基础，不仅需要具有一定的弯曲性能，而且要有很好的绝热性能。根据此要求选择聚酰亚胺作为基底材料。聚酰亚胺是分子结构含有酰亚胺基链节的芳杂环高分子化合物，可分为均苯型pi，可溶性pi，聚酰胺-酰亚胺(pai)和聚醚亚胺(pei)四类。
43.但与此同时，高超声速激波风洞其产生的高速气流冲击在柔性基体的表面时，也会对基底材料的表面进行冲击，并且当基底材料的表面平整度不够时，则在高超声速激波下很容易使得铂膜热流传感器和待检测的模型表面发生脱离，或使得铂热流传感器内部的线路在冲击作用下发生断路。
44.为此，本发明中通过在已研制完成的铂膜热流传感器(指的是制备过程中的中间产品)的铂膜表面镀上一层厚度很薄(微米量级)且导热率高的氮化硅薄膜，由于氮化硅材料的硬度较高，使传感器在使用过程中抗冲刷能力大幅提高，使传感器可以长时间反复使
用，提高传感器寿命，且传感器的频响仍能高达100khz。
45.为此，如图1和图2所示，本发明提供了一种耐冲刷铂膜热流传感器制备装置，包括：
46.等离子发生腔体组件1，用于产生高密度的等离子体；
47.薄膜沉积腔体2，薄膜沉积腔体2连接在等离子发生腔体组件1的等离子体的输出端；
48.沉积台3，设置在薄膜沉积腔体2的内部，沉积台3用于放置铂膜热流传感器主体4，使铂膜热流传感器主体4的表面和薄膜沉积腔体2的轴向之间存在锐角夹角；
49.内涵道5，设置在薄膜沉积腔体2和等离子发生腔体组件1连接处，内涵道5用于提供与等离子体进行化学沉积反应的原料介质，并沿所述薄膜沉积腔体2的轴向进行传输；
50.保护气供气系统，构建在等离子发生腔体组件1和薄膜沉积腔体2上，用于向等离子发生腔体组件1和薄膜沉积腔体2内提供保护气环境。
51.本发明的具体工作原理是，基于等离子发生腔体组件1的螺旋波等离子体增强化学气相沉积来实现铂膜热流传感器表面的氮化硅薄膜成型；
52.其中，等离子发生腔体组件1是通过螺旋波加热的电子和n2(氮气)碰撞，使氮气电离，从而产生高密度的等离子体，并且轴向磁场为螺旋波的传播提供条件。
53.在等离子发生腔体组件1中产生的n(氮)活性粒子扩散到下部的薄膜沉积腔体2中，其中内涵道5提供的原料介质为四氢化硅(硅烷sih4)，由于硅烷容易解离，为此通过喷射的方式进入薄膜沉积腔体2中，通过等离子发生腔体组件1产生的高密度等离子(n(氮)活性粒子)对硅烷产生轰击效应，最终轰击效应过程中产生的氮化硅沉积在铂膜热流传感器主体4的表面。
54.现有的氮化硅的虽然在化学气相沉积技术上原理大致相同，但在基体(铂膜热流传感器主体)的表面沉积的微观层面上是随机的，而应用在高超声速激波风洞中，由于其产生的激波在很大程度上具有定向性，这也就是是容易造成在表面平整度不够时，则在高超声速激波下很容易使得铂膜热流传感器和待检测的模型表面发生脱离，为了对气相沉积的氮化硅薄膜进行定向的气相沉积，使得成型的氮化硅薄膜的铂膜热流传感器具备激波的适应性，来减少铂膜热流传感器表面和激波之间产生的作用力的影响，也就是激波对铂膜热流传感器表面的“冲刷”作用。
55.为此，本发明在氮化硅薄膜的定向沉积过程中是通过内涵道5在薄膜沉积腔体2内构建轴向的终轰击效应过程中产生的氮化硅沉积在铂膜热流传感器主体4的表面的通道，同时将沉积台3表面设置的铂膜热流传感器主体4设置成与该通道的轴向存在一定的夹角，使得进入沉积台3上的氮化硅的沉积沿铂膜热流传感器4的表面进行流动状态的沉积，从而控制铂膜热流传感器表面的氮化硅沉积的微观结构状态。
56.那么在具体的实现过程中，沉积台3包括设置在薄膜沉积腔体2轴线上的支撑架31，以及安装在支撑架31靠近内涵道5的端部上的圆盘座32，圆盘座32上设置有用于固定铂膜热流传感器主体4的夹持结构33；其中，圆盘座32的周向表面与薄膜沉积腔体2的内壁之间形成隙流通道34，夹持结构33夹持下铂膜热流传感器主体4形成隙流通道34的流体导向平面。
57.那么在上述的工作原理中，保护气供气系统的实质上的作用可以是提供保护气的
气相沉淀氛围，同时也可以是用于进行薄膜沉淀腔体2内介质流场的构建，当然介质流场的构建其主要目的是对氮化硅薄膜在铂膜热流传感器主体4表面的生长状态和结构进行干涉。也就是沿着铂膜热流传感器主体4的表面向隙流通道34进行流动。
58.进一步地，本发明中也有意于将隙流通道34设置在圆盘座32的圆心处，并且夹持结构33进行相应位置的改变。
59.在利用上述沉积台3在实际的利用pecvd进行氮化硅薄膜生成中，则涉及具备柔性基底的铂膜热流传感器主体(中间产品)的制备，具体方法为：
60.步骤一、将厚度为0.18毫米的成品聚酰亚胺薄膜固定在玻璃基底上，利用光刻技术将掩膜片上传感器图形转移聚酰亚胺薄膜上的铂层上，形成了敏感元件；
61.步骤二、在敏感元件的所有区域(不包括引脚部分)通过涂布的方式在敏感元件的表面覆上一层面积大于敏感元件面积的聚酰亚胺薄膜，也就是说新涂覆的一层聚酰亚胺薄膜的边界大于敏感元件的边界，经过固化后得到中间产品。
62.其目的在使得得到的敏感元件在沉积台上便于进行夹持，也就是夹持结构33用于对敏感元件的边缘进行夹持，主要的检测面用于沉积。
63.进一步说明地是，本发明中圆盘座32通过伸缩组件35安装在支撑架31上，伸缩组件35用于驱动圆盘座32沿薄膜沉积腔体2的轴向位移，使隙流通道34增大或者减小。其目的是，改变流体导向平面的大小，以获得理想状态下的氮化硅薄膜的生长效率。
64.进一步地，本发明为了获得理想状态下的氮化硅薄膜的生产状态，内涵道5包括管道主体51以及设置在管道内壁上的介质排入孔52；其中，介质排入孔52用于在管道主体51的轴向形成流体的旋流通道，且旋流通道的直径小于管道主体51的直径。
65.在现有技术中，采用的是将硅烷排入薄膜沉积腔内，使其在等离子体的轰击效应下，基体表面自由生长氮化硅薄膜，硅烷和保护气是通过同一管道口排入薄膜沉积腔，而本发明为了实现对氮化硅薄膜生长状态的干涉，介质排入孔52包括保护气排入孔和原料排入孔，原料排入孔位于保护气排入孔的上方，且原料排入孔靠近薄膜沉积腔体2与等离子发生腔体组件1的连接处；
66.其中，原料排入孔用于提供与等离子体进行化学沉积反应的原料介质，保护气排入孔用于提供保护气体，且原料排入孔在薄膜沉积腔体2的原料介质的径向喷射长度大于保护气排入孔在薄膜沉积腔体2的保护气的径向喷射长度。
67.其目的是通过保护气供气系统对等离子发生腔体组件1和薄膜沉积腔体2进行抽真空和提供保护气环境下，在后续的沉积反应发生时，通过保护气将原料介质(硅烷)束缚在薄膜沉积腔体2的轴向，也就是形成旋流通道，这样能够获得等离子发生腔体组件1的产生的高密度等离子体的充分接触，增大等离子体的有效轰击。
68.进一步地，本发明提供了一种夹持结构33包括安装在圆盘座32上的圆台座331，圆台座331的腰面上设置有沿腰面的放置槽332，放置槽332的底部设置有挡边；圆台座331的顶部设置有锥导头334，且锥导头334通过贯穿圆台座331的轴心的螺纹栓螺纹连接圆盘座32。
69.其中，锥导头334的底部直径与圆台座331的顶部直径相同。
70.保护器供气系统包括安装在等离子发生腔体组件1顶部的进气端以及安装在薄膜沉积腔体2底部的出气端，且进气端用于提供氮气和保护气，当然本发明中可以在出气端连
接抽抽气装置对等离子发生腔体组件1的内部进行抽真空操作。
71.进一步地，本发明中的等离子发生腔体组件，可以是现有用中的任意一种等离子发生结构，为了更好的说明本发明工作原理，提供了一种等离子发生腔体组件1包括：
72.石英管体101、与薄膜沉积腔体2密封连接；
73.螺旋波发生器102，耦合进石英管体101内，用于产生螺旋波；
74.亥姆霍兹线圈103，用于为螺旋波发生器102产生的螺旋波构建传播磁场。
75.以上实施例仅为本技术的示例性实施例，不用于限制本技术，本技术的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本技术的实质和保护范围内，对本技术做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本技术的保护范围内。