热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计及制备方法
【专利摘要】本发明提供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，正极热电偶和负极热电偶相连构成热结点和冷结点，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。本发明能够实现对热流密度的瞬态测量，具有结构简单、体积小、对被测场的影响小、响应速度快、测量温度范围大、测量精度高特点。
【专利说明】
热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计及制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种微机电技术领域的计热流器件，具体地说，是涉及一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计及制备方法。
【背景技术】
[0002]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一一热流测头及热流计的研究和使用也更加广泛了。热阻式热流计适用于稳态热流的测量，薄膜热流计适于瞬态热流测量，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热流值的瞬态热流计，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热流计，热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计产生了。这种热流计利用热阻式热流计的测量原理，结合薄膜技术，在基片上镀上薄膜差分热电堆，根据热阻层两侧温差随时间的变化曲线得出热流随时间的变化曲线，从而得出瞬态热流值。瞬态热流的测量是热工测试的难点，也是一直没有得到很好解决的问题。研究瞬态热流的测量，特别是微小空间内瞬态热流的测量，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。
[0003]在分析总结国内外众多瞬态热流计测量原理的基础上，研究利用薄膜技术，制作出了热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，这种热流计，既继承了热阻式热流计简单的测量原理和方法，同时又能利用薄膜技术进行瞬态大热流的测量，有着广泛的应用前景。
[0004]经检索，申请号为201390000234.5的中国发明专利，该专利公开一种热流计及包含所述热流计的测量热流的系统，“一种测量支撑结构的温度参数的热流计，其包含:载体，包括至少一个接收部，以及多个温度传感器，设置于所述至少一个接收部内且通过粘合介质固定于接收部内，接收部放置于沿所述载体的至少一个方向上的两端，通过与各个温度传感器经受的温度对应的微观结构变化来测试和记录温度信息，基于接收到的温度信息来确定整个结构的至少一部分上的热传递测量值。”该设计是基于温度传感器的热流计，具有体积大，结构复杂，响应速度慢，价格昂贵等缺点。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计及制备方法，其能实现对热流密度的瞬态测量，具有结构简单，体积小，对被测场的影响小，响应速度快，测量温度范围大，测量精度高等特点。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0007]根据本发明的一个方面，提供一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，包括:陶瓷基底、正极热电偶、负极热电偶、热电偶连接层、外热阻层和内热阻层，其中:
[0008]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都设在陶瓷基底上;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和负极热电偶的上方，其中外热阻层覆盖在正极热电偶、负极热电偶相连的热结点上方，内热阻层覆盖在正极热电偶、负极热电偶相连的冷结点上方，外热阻层和内热阻层的厚度不同；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，以增大所述热流计的输出信号；
[0009]当外部环境在所述热流计上施加以垂直方向的热流时，由于外热阻层和内热阻层的厚度不同，则相邻两个热电偶冷结点和热电偶热结点存在温度差，根据塞贝克效应，就有相应的电势输出，薄膜热电堆的输出电势与热流密度相关，从而实现对热流密度的瞬态测量。
[0010]优选地，所述薄膜热电堆采用陶瓷基底，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。
[0011]优选地，所述的薄膜热电堆由PtRh-Pt型热电偶或Pt/ITO型热电偶串联组成，可以提高所述薄膜热流计在高温下工作的稳定性。
[0012]更优选地，所述的薄膜热电堆的形状为锯齿形，或者为Z字形，或者为波浪形，或者为弧形，具体形状由掩膜的形状而定。
[0013]更优选地，所述的薄膜热电堆的首尾两端分别作为引线端，两个引线端的引线采用两种相同的金属细线，材料为铂丝或者铂铑丝。
[0014]优选地，所述的正极热电偶采用磁控溅射方法沉积薄膜、利用掩膜溅射方法或I if toff方法实现图形化，材料选用铂铑或铂:
[0015]当薄膜热电堆为PtRh-Pt型热电偶串联而成时，正极热电偶材料选用铂铑；
[0016]当薄膜热电堆为Pt/ITO型热电偶串联而成时，正极热电偶材料选用铂。
[0017]优选地，所述负极热电偶采用磁控溅射方法沉积薄膜、利用掩膜溅射方法或I if toff方法实现图形化，材料选用铂或ITO:
[0018]当薄膜热电堆为PtRh-Pt型热电偶串联而成时，材料选用铂；
[0019]当薄膜热电堆为Pt/1TO型热电偶串联而成时，材料选用ITO。
[0020]更优选地，所述的正极热电偶和负极热电偶的形状为长条形，或者为弧形，或者为菱形，具体形状由掩膜的形状设定。
[0021]优选地，所述的热电偶连接层采用溅射铬或钛薄膜材料制成，以增大正极热电偶与负极热电偶的结合力；
[0022]所述的热电偶连接层的厚度为5?15nm，其厚度相对于正极热电偶和负极热电偶的厚度忽略不计。
[0023]优选地，所述的外热阻层、内热阻层为同一种材料，采用溅射二氧化硅或者悬涂聚酰亚胺(PI)形成;材料的选择根据工作环境而定:
[0024]在低温工作环境下，即温度<400°C，外热阻层、内热阻层的材料采用聚酰亚胺；
[0025]在高温工作环境下，即温度>400°C，外热阻层、内热阻层的材料采用二氧化硅，以增大测量范围、提高测量精度，采用这两种材料做热阻层，不仅具有良好的隔热效果，还可以作为所述薄膜热流计的保护层，防止氧化。。
[0026]更优选地，所述的外热阻层、内热阻层为圆形、方形、多边形，具体形状根据掩膜形状设定。
[0027]优选地，提高所述薄膜热流计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外热阻层和内热阻层的厚度差来实现，不需再进行信号放大处理。
[0028]根据本发明的另一个方面，提供一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计的制备方法，所述方法包括:
[0029]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；
[0030]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；
[0031]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；
[0032]第四步、利用溅射二氧化硅或者悬涂聚酰亚胺(PI)的方法，在正极热电偶和负极热电偶上表面及周围形成热阻层；
[0033]第五步、采用掩膜刻蚀的方法，去掉外圈环形热阻层以形成外热阻层，未被刻蚀的热阻层为内热阻层，且外热阻层和内热阻层厚度不同。
[0034]与现有技术相比较，本发明的有益效果是:
[0035]本发明热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，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。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。
[0036]进一步的，本发明中，通过短时间内直接测出两点的温度差的变化，来得到通过介质的热流量，而不需要像传统的热流计测出两点温度后，再求温度差的变化。
[0037]进一步的，本发明中，所述薄膜热流计，采用多对热电偶串联形成薄膜热电堆，能放大所述薄膜热流计的输出信号。
[0038]进一步的，本发明中，提高所述热流计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外热阻层和内热阻层的厚度差来实现，不需再进行信号放大处理。
[0039]进一步的，本发明中，正极热电偶和负极热电偶分别采用铂铑及铂和ITO材料，可以提高所述薄膜热流计在高温下工作的稳定性；
[0040]进一步的，本发明中，热阻层材料采用聚酰亚胺(PI)或S12,在低温条件下(温度<400°C)工作可采用聚酰亚胺(PI)作热阻层，在高温条件下(温度>400°C)可采用二氧化硅作热阻层，可扩大测温范围，提高测量精度。采用这两种材料做热阻层，不仅具有良好的隔热效果，还可以作为所述薄膜热流计的保护层，防止氧化。
【附图说明】
[0041]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:
[0042]图1是本发明一实施例的热流计剖面示意图；
[0043]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；
[0044]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；
[0045]图中:I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为外热阻层、6为内热阻层。
【具体实施方式】
[0046]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。
[0047]如图1所示，一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，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、外热阻层5和内热阻层6，其中:
[0048]正极热电偶2、负极热电偶3、热电偶连接层4、外热阻层5及内热阻层6都设在陶瓷基片I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;外热阻层5和内热阻层6覆盖在正极热电偶2、负极热电偶3的上方，外热阻层5覆盖在正极热电偶2、负极热电偶3热结点上方，内热阻层6覆盖在正极热电偶2、负极热电偶3冷结点的上方；
[0049]当外部环境在所述热流计上施加以垂直方向的热流时，由于外热阻层5和内热阻层6的厚度不同，正极热电偶2、负极热电偶3热结点和正极热电偶2、负极热电偶3冷结点存在温度差，就有相应的电势输出，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形成薄膜热电堆，所述薄膜热电堆其输出的电势与热流密度相关，从而实现对热流密度的瞬态测量。
[0050]如图2所示，所述正极热电偶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和一个负极热电偶3串联形成一对热电偶，多对热电偶首尾相连形成薄膜热电堆，可放大所述热流计的输出信号。
[0051]所述正极热电偶2、负极热电偶3的形状是由掩膜的形状而设定的，可以是长条形、弧形、菱形。多对热电偶首尾搭接后形成薄膜热电堆，所述薄膜热电堆的形状也是由掩膜形状设定的，可以是锯齿形，Z字形，波浪形，弧形。
[0052]所述正极热电偶2和负极热电偶3为采用掩膜溅射方法制备的金属条，所述正极热电偶2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型热电偶时，材料选用铂铑;当薄膜热电堆为Pt/ITO型热电偶时，材料选用Pt。
[0053]所述负极热电偶3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、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型热电偶时，材料选用铂；当薄膜热电堆为Pt /1TO型热电偶时，材料选用ITO。
[0054]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，其厚度为几纳米(范围5?15nm)，相对于正极热电偶2和负极热电偶3的厚度可以忽略不计。
[0055]如图3所示，在一实施例中，利用溅射二氧化硅或者悬涂聚酰亚胺(PI)的方法在正极热电偶2和负极热电偶3上表面及周围形成热阻层，再用刻蚀的方法使得外热阻层5和内热阻层6的厚度不同。
[0056]所述外热阻层5和内热阻层6的材料可采用隔热效果良好的二氧化硅或者聚酰亚胺(PI)，材料的选择可根据工作条件而定:
[0057]在低温工作条件下(温度小于400°C)，外热阻层5和内热阻层6可采用聚酰亚胺(PI)材料；
[0058]在高温工作条件下(温度大于400°C)，外热阻层5和内热阻层6可采用二氧化硅材料；
[0059]且所述外热阻层5和内热阻层6的形状由掩膜形状而设定，可以为圆形、方形、多边形。外热阻层5和内热阻层6，厚度不同，并且外热阻层5的厚度小于内热阻层6厚度。
[0060]基于上述的热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计结构，以下为该热流计制备方法:
[0061]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I上形成正极热电偶2，当薄膜热电堆为PtRh-Pt型热电偶时，材料选用铂铑；当薄膜热电堆为Pt/ITO型热电偶时，材料选用Pt;
[0062]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，其面积大小根据设计要求灵活调节，其厚度范围为5?15nm，材料选用铬或钛；
[0063]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，当薄膜热电堆为PtRh-Pt型热电偶时，材料选用铂；当薄膜热电堆为Pt/ITO型热电偶时，材料选用ΙΤ0;
[0064]第四步、采用溅射二氧化硅或者悬涂聚酰亚胺的方法，在正极热电偶2和负极热电偶3上表面及周围形成热阻层；
[0065]第五步、采用掩膜刻蚀的方法，去掉一定厚度的外圈环形热阻层，从而形成外热阻层5;未被刻蚀的热阻层为内热阻层6，且外热阻层5和内热阻层6厚度不同，并且外热阻层5的厚度小于内热阻层6厚度。
[0066]所述的去掉一定厚度的外圈环形热阻层，其中一定厚度根据使用条件灵活调节，且该厚度小于第四步所形成的热阻层的厚度。
[0067]所述外热阻层5和内热阻层6的材料可采用隔热效果良好的二氧化硅或者聚酰亚胺(PI)，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°C)，外热阻层5和内热阻层6可采用聚酰亚胺(PI)材料;在高温工作条件下(温度大于400°C)，外热阻层5和内热阻层6可采用二氧化硅材料；
[0068]本发明提供一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，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;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，可以提高所述薄膜热流计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，能放大所述热流计的输出信号；热阻层材料根据工作环境采用聚酰亚胺(PI)或S12,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。
[0069]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。
【主权项】
1.一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，其特征在于，包括:陶瓷基底(I)、正极热电偶(2)、负极热电偶(3)、热电偶连接层(4)、外热阻层(5)和内热阻层(6)，其中:所述正极热电偶(2)、负极热电偶(3)、热电偶连接层(4)、外热阻层(5)以及内热阻层(6)均设在陶瓷基底(1)上;正极热电偶(2)与负极热电偶(3)通过热电偶连接层(4)对接;外热阻层(5)、内热阻层(6)覆盖在正极热电偶(2)和负极热电偶(3)的上方，其中外热阻层(5)覆盖在正极热电偶(2)、负极热电偶(3)相连的热结点的上方，内热阻层(6)覆盖在正极热电偶(2)、负极热电偶(3)相连的冷结点的上方，外热阻层(5)和内热阻层(6)的厚度不同；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形成薄膜热电堆，以增大所述热流计的输出信号； 当外部环境在所述热流计上施加以垂直方向的热流时，由于外热阻层(5)和内热阻层(6)的厚度不同，则相邻两个热电偶冷结点和热电偶热结点存在温度差，根据塞贝克效应，就有相应的电势输出，薄膜热电堆的输出电势与热流密度相关，从而实现对热流密度的瞬态测量。2.根据权利要求1所述的一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，其特征在于，所述的薄膜热电堆由PtRh-Pt型热电偶或Pt/ITO型热电偶串联组成。3.根据权利要求2所述的一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，其特征在于，所述的薄膜热电堆的形状为锯齿形，或Z字形，或波浪形，或弧形;所述的薄膜热电堆的首尾两端分别作为引线端，两个引线端的引线采用两种相同的金属细线，材料为铂丝或者铂铑丝。4.根据权利要求2所述的一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，其特征在于， 当薄膜热电堆为PtRh-Pt型热电偶串联而成时，正极热电偶(2)材料选用铂铑，负极热电偶(3)材料选用铂； 当薄膜热电堆为Pt/ITO型热电偶串联而成时，正极热电偶(2)材料选用铂，负极热电偶(3)材料选用IT0。5.根据权利要求1所述的一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，其特征在于，所述外热阻层(5)、内热阻层(6)为同一种材料，采用溅射二氧化硅或者悬涂聚酰亚胺形成。6.根据权利要求5所述的一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，其特征在于，在低温工作环境下，即温度<400°C，外热阻层(5)、内热阻层(6)的材料采用聚酰亚胺； 在高温工作环境下，即温度>400°C，外热阻层(5)、内热阻层(6)的材料采用二氧化硅。7.根据权利要求1所述的一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，其特征在于，所述热电偶连接层(4)采用溅射铬或钛薄膜材料制成； 所述的热电偶连接层(4)的厚度为5?15nm，其厚度相对于正极热电偶(2)和负极热电偶(3)的厚度忽略不计。8.根据权利要求1-7任一项所述的一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，其特征在于，通过增加薄膜热电堆中热电偶的对数、增大外热阻层和内热阻层的厚度差来实现提高所述热流计的灵敏度，不需再进行信号放大处理。9.一种根据权利要求1-8任一项所述的热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计的制备方法，其特征在于，所述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，在陶瓷基底(I)上形成正极热电偶(2); 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⑷； 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)上表面与第一步的正极热电偶(2)首尾对接形成负极热电偶(3)； 第四步、采用溅射二氧化硅或者悬涂聚酰亚胺的方法，在正极热电偶(2)和负极热电偶(3)上表面及周围形成热阻层； 第五步、采用掩膜刻蚀的方法，去掉外圈环形热阻层，从而形成外热阻层(5);未被刻蚀的热阻层为内热阻层(6)，且外热阻层(5)和内热阻层(6)厚度不同。
【文档编号】G01J5/12GK106017696SQ201610549808
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月13日
【发明人】李娟 , 王岩磊, 张丛春, 张瑶, 赵梦圆, 刘哲
【申请人】上海交通大学