一种高温热学传感器及其制备方法与流程

本发明属于连铸测温，涉及一种高温热学传感器及其制备方法。

背景技术：

1、温度、热流等热学量的检测技术是高温装备、高温生产过程等制造行业的关键技术，在钢铁冶金、航空航天、石油化工等工业领域有着迫切的应用需求。在钢铁冶金行业，制备高温热学传感器用以监测生产过程安全情况，辅助产品质量管控、开发新产品体系，对于提升钢铁企业产品竞争力至关重要。结晶器是钢液凝固成型的核心设备，承担着导热、支撑、约束、润滑和脱模的作用，内部传热的控制是高质量连铸关键因素。

2、目前，钢铁冶金行业内对结晶器传热状态监测多采用热电偶，存在如下局限：一、响应速度慢且一致性难以控制。结晶器用热电偶线径在毫米级，通过焊接方式制成，难以控制热结点尺寸，不同热电偶的响应时间难以控制。二、测量参量单一。多热学参量的获取，对于结晶器而言，可提升安全监测准确度，热电偶用于测量温度，无法测量热流；而传统的gardon热流传感器尺寸大，无法集成于高温装备如结晶器的狭小空间。微纳薄膜热学传感器因尺寸小、响应快、加工精度高的特点，可用于替代结晶器热电偶。但微纳薄膜热学传感器引线封装结构存在封装材料热应力匹配失效、引线疲劳失效等高温可靠性低的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高温热学传感器及其制备方法，以解决现有结晶器热学传感器响应速度慢、参量单一的问题和微纳薄膜热学传感器高温可靠性问题。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种高温热学传感器，包括热学敏感芯片和引线互联结构，所述热学敏感芯片包括基底、覆盖于基底上的绝缘薄膜以及通过微纳加工制作布置于绝缘薄膜表面上的图形化的热学敏感电路，金属条热学敏感电路上覆盖有保护薄膜；所述引线互联结构包括三个电极、玻璃盖板、导电填充料、三根导线，三个电极与热学敏感电路连接，分别形成温度敏感电路和热流敏感电路；所述玻璃盖板与基底之间通过阳极键合固定连接，所述玻璃盖板中设有三个单开口腔体，每个电极分别对应一个单开口腔体，每个单开口腔体内均设有一根所述导线并填充有所述导电填充料，导线通过导电填充料与电极固定连接。

4、进一步，所述热学敏感电路包括沿基底宽度方向依次并排间隔布置的第一金属条、第二金属条、第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条、第七金属条、第八金属条、第九金属条；三个电极分别为第一电极、第二电极、第三电极；

5、所述第一金属条的头部与第二金属条的头部相连，两个的尾部分别与第一电极、第二电极连接，构成热电偶，形成温度敏感电路；

6、所述第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条、第七金属条、第八金属条、第九金属条依次头尾串联，且第二金属条的头部同时与第三金属条的头部相连，第九金属条的尾部与第三电极相连，构成热电堆，形成热流敏感电路。

7、进一步，所述第一金属条、第二金属条、第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条、第七金属条、第八金属条、第九金属条中任意两个相邻金属条的材质均不同，相邻金属条之间形成热敏节点，且第二金属条、第三金属条、第四金属条、第五金属条、第六金属条、第七金属条、第八金属条、第九金属条中总共只采用两种金属。

8、进一步，热学敏感电路形成的热电偶类型为k型、n型、b型或s型。

9、进一步，所述引线互联结构还包括引出线，每个电极分别通过一个引出线与热学敏感电路连接。

10、进一步，所述玻璃盖板上设有3个大矩形槽与3个小矩形槽，3个大矩形槽与基底形成三个所述单开口腔体，3个大矩形槽分别对应放置3个电极，3个小矩形槽分别对应放置3个引出线。

11、进一步，每个导线与对应连接的引出线为相同材质。

12、进一步，每个电极与对应连接的引出线为相同材质，每个电极上覆盖金层。

13、进一步，所述热学敏感芯片的基底材料为硅；所述保护薄膜为氮化硅；所述的绝缘薄膜为二氧化硅；所述热学敏感电路设于热学敏感芯片长度方向的一端，三个电极设于热学敏感芯片长度方向的另一端。

14、一种高温热学传感器的制备方法，包括如下步骤：

15、步骤1，采用硅片作为热学敏感芯片的制备基底，将基底进行标准rca清洗；

16、步骤2，采用等离子体增强化学气相沉积技术在基底表面沉积绝缘薄膜，绝缘薄膜的材料为二氧化硅，厚度为300～800nm；

17、步骤3，热学敏感电路采用两种材料的金属条制备，在基底材料的绝缘薄膜面旋涂负性光刻胶，通过第一种材质的金属条的掩膜板进行光刻；使用第一种金属靶材进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个热学敏感芯片的金属薄膜，溅射金属层厚度为500～1500nm；用丙酮和无水乙醇进行金属剥离，得到第一种金属条；

18、步骤4，在基底材料的绝缘薄膜面再次旋涂负性光刻胶，通过第二种材质的金属条的掩膜板进行光刻；用第二种金属靶材进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个热学敏感芯片的金属薄膜，溅射金属层厚度为500～1500nm；用丙酮和无水乙醇进行金属剥离，得到第二种金属条；

19、步骤5，在基底材料的绝缘薄膜面再次旋涂负性光刻胶，通过电极的掩膜板进行光刻；用金靶材进行磁控溅射，溅射一层覆盖整个热学敏感芯片的金薄膜，溅射金属层厚度为300nm；用丙酮和无水乙醇进行金属剥离，得到金电极；

20、步骤6，采用等离子体增强化学气相沉积技术在金属条、电极和绝缘薄膜表面沉积保护薄膜，保护薄膜的材料为氮化硅，厚度为200～500nm；

21、步骤7，在芯片的表面旋涂负性光刻胶，光刻出电极附近用于阳极键合的图形；采用电感耦合等离子体刻蚀技术去除电极附近的氮化硅保护薄膜，露出电极附近的二氧化硅层；

22、步骤8，在芯片的表面旋涂负性光刻胶，光刻出电极附近用于阳极键合的图形；采用boe溶液进行湿法腐蚀，去除电极附近的二氧化硅绝缘薄膜，露出基底、电极以及部分金属条；

23、步骤9，将基底上表面与玻璃盖板的下表面阳极键合，将步骤8中腐蚀露出的电极、部分金属条与玻璃盖板的矩形槽对准，键合后最终形成3个单开口腔体；

24、步骤10，在3个单开口腔体内注入熔融导电浆料，并将导线插入至3个单开口空腔内，待导电浆料固化后，导线通过导电填充料与电极形成电导通连接。

25、本发明的有益效果在于：

26、1、本发明中的高温热学传感器，相对传统的铠装热电偶，通过微纳加工工艺制备了微纳米级热学敏感电路，有更快的动态响应特性；同时，本发明中高温热学传感器可同时获取温度和热流两项热学参数，温度、热流的热学敏感电路的使用了公共电极，可进一步减少传感器尺寸，具有多参量、尺寸小的特点。

27、2、本发明中的高温热学传感器包括基底、绝缘薄膜、热学敏感电路、电极、保护薄膜、玻璃盖板；其中绝缘薄膜和保护薄膜除了实现绝缘、保护的作用外，其异质材料的选择，可有效的降低绝缘薄膜、热学敏感电路、保护薄膜同基底材料之间的在高温条件下的应力，避免热学敏感电炉因各层材料因热应力不匹配而失效，使热学传感器更耐高温。

28、3、本发明高温热学传感器的引线互联结构采用了硅-玻璃阳极键合，形成单开口腔体，采用无引线封装，提升传感器的耐高温性能。

29、4、与现有技术相比，本发明的高温热学传感器制备方法工艺合理，相对铠装热电偶提升了热结点加工精度，具有高灵敏度、多热学参量、高精度、高动态特性和一致性好的特点，易于批量生产，能很好满足600℃以下高温环境的温度、热流等热学量的测量需求，有广阔的应用场景。

30、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。