[發明專利]一種集成式薄膜溫度熱流復合傳感器及其制備方法

無效

• 申請號: 201210415028.2
• 申請日: 2012-10-26
• 公開（公告）號: CN102928106A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發明（設計）人: 謝貴久;何峰;顏志紅;景濤;張建國;董克冰
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第四十八研究所
• 主分類號: G01K7/02
• 分類號: G01K7/02;G01K17/00
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 馬強

技術領域

本發明屬于薄膜特種傳感器技術領域，具體涉及一種基于微機械加工技術的薄膜傳感器及其制備方法。更具體地說，本發明涉及一種集成式薄膜溫度熱流復合傳感器及其制備方法，通過薄膜熱電偶實現絕熱層溫度和熱流的測量，這種薄膜溫度熱流復合傳感器制造工藝簡單，具有較高的測量精度。

背景技術

飛機或導彈模型在高速風洞測試試驗，需要對飛行器上的每個點在不同馬赫數下和不同攻角狀態下的受熱情況進行測試分析，準確計算出材料在受熱狀態下的力學性能，以便選用合適材料，并采取防熱措施，保障飛行器安全可靠的高速飛行。如何準確、快速測量出表面熱流量，是設計可靠防熱系統的先決條件。長期以來，通過對溫度變化檢測來實現對熱流量傳遞測量。

由于受飛行器外殼結構限制，采用傳統的測量體溫度傳感器安裝困難，且破外飛行器外殼結構形狀。因此，需要一種溫度與熱流復合傳感器可對飛行器外殼材料在高速飛行過程中的溫度和熱流同時進行測量。目前，熱流測量通過熱流傳感器，溫度測量采用溫度傳感器，還沒有一種傳感器可以實現對飛行器外殼材料溫度以及熱流的同時測量。

發明內容

本發明旨在提出一種集成式薄膜溫度熱流復合傳感器及其制備方法，可以實現對飛行器表面溫度和熱流的同時測量，這種溫度熱流復合傳感器基本采用現有的成熟工藝技術和材料，生產工藝簡單，安裝方便，不會影響飛行器結構可靠性，具有良好的抗環境干擾能力及可靠性水平。

為了達到上述目的，本發明提供的技術方案為：

參見圖1，所述集成式薄膜溫度熱流復合傳感器1包括基片2，設于基片2上的過渡層3，設于過渡層3上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列由一個獨立的薄膜熱電偶10和通過外接點11串聯的兩個以上薄膜熱電偶10組成，所述薄膜熱電偶10包括A電極4（如PtRh13電極）和B電極5（如Pt電極）；所述A電極4和B電極5的接點上設有厚熱障層6；所述薄膜熱電偶陣列中的外接點11上和獨立薄膜熱電偶10的自由端電極上設有薄熱障層7；所述獨立薄膜熱電偶10的兩個電極分別經一個A焊盤12與各自對應的A補償導線13連接，所述兩個以上串聯的薄膜熱電偶10的兩個外接端分別經一個B焊盤9與各自對應的B補償導線8連接（參見圖1）。

其中，所述基片2材料為Al₂O₃陶瓷，其直徑為50mm～150mm，厚度0.5mm～1mm；所述過渡層3材料為Ta₂O₅，厚度為0.05μm～0.1μm；所述薄膜熱電偶10的厚度為0.2μm～0.5μm；所述薄熱障層7材料為SiO₂，厚度為0.5μm～1μm。所述厚薄熱障層6材料為Al₂O₃或AlN，優選為Al₂O₃，厚度為3μm～10μm。

所述薄膜熱電偶10為R型熱電偶、B型熱電偶或S型熱電偶，優選為R型熱電偶。

可將薄膜溫度熱流復合傳感器1固定安裝于飛行器外殼，實現高速飛行過程中溫度及熱流雙參數的測量。

上述薄膜溫度熱流復合傳感器的制備方法，包括如下步驟：

（1）清洗基片，去除基片表面油污及雜質；

（2）將基片與薄膜熱電偶A電極的不銹鋼掩膜套裝在一起，并用不銹鋼夾具夾好放在沉積鍍膜系統的行星架上；

（3）依次在基片表面淀積過渡層薄膜和薄膜熱電偶A電極的薄膜材料，取下不銹鋼掩膜；其中過渡層薄膜用以增強熱電偶薄膜與基片層的結合力，并增強熱電偶薄膜在高溫下的穩定性；

（4）將基片與薄膜熱電偶B電極的不銹鋼掩膜板套裝在一起，并用不銹鋼夾具夾好放于沉積鍍膜系統的行星架上；

（5）依次在基片表面淀積過渡層薄膜和薄膜熱電偶B電極的薄膜材料；取下不銹鋼掩膜；

（6）將基片與薄熱障層材料的不銹鋼掩膜板套裝在一起并放于沉積鍍膜系統的行星架上；

（7）在基片上相鄰兩個薄膜熱電偶串聯處的外接點位置和獨立薄膜熱電偶的電極自由端位置沉積薄的熱障層薄膜材料；取下不銹鋼掩膜；

（8）將基片與厚熱障層材料的不銹鋼掩膜板套裝在一起并放于沉積鍍膜系統的行星架上；

（9）在基片上同一薄膜熱電偶A電極和B電極的接點位置沉積厚熱障層薄膜材料；取下不銹鋼掩膜；

（10）將經上述步驟制成的薄膜熱電偶基片放入高溫氣氛退火爐，對制備的薄膜材料進行退火處理，使薄膜結構趨于穩定；

（11）利用切片機切片制得薄膜溫度熱流復合傳感器；