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专利名称：一种薄膜热流传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于薄膜特种传感器技术领域，具体涉及一种基于微机械加工技术的薄膜传感器。更具体地说，本实用新型涉及一种薄膜热流传感器，通过薄膜热电堆实现热流的测量，这种薄膜热流传感器制造工艺简单，响应时间快，具有较高的测量精度。
背景技术：
飞机或导弹模型在高速风洞测试试验，需要对飞行器上的每个点在不同马赫数下和不同攻角状态下的受热情况进行测试分析，准确计算出材料在受热状态下的力学性能，以便选用合适材料，并采取防热措施，保障飞行器安全可靠的高速飞行。如何准确、快速测量出表面热流量，是设计可靠防热系统的先决条件。长期以来，通过对温度变化检测来实现对热流量传递测量。由于受飞行器外壳结构限制，采用传统的测量体温度传感器安装困难，且破外飞行器外壳结构形状。因此，需要一种热流传感器可对高速飞行器在飞行过程中外壳材料热流进行测量。目前，飞行器表面热流测量采用的是在外壳表面布置温度传感器来检测不同位置的温度差，来推算出热流密度，具有体积大、响应时间慢等缺点。专利CN102175339 A描述了一种燃料电池内部瞬态薄膜热流传感器，采用在薄膜热电偶的上方溅射热阻层后再溅射薄膜热电偶，测量的是不同平面内的温度差。这种安装方式测量所得到的温度并非外表面的真实热流，且制造工艺较本实用新型复杂。采用本实用新型的薄膜热流传感器，是在同一表面通过溅射不同厚度的热障层来改变温度差，实现飞行器外壳在高速飞行过程中的热流密度分布测量，由于薄膜热流传感器体积小，不破坏整体热流场分布，可实现实时、准确测量。本实用新型的薄膜热流传感器结构简单，使用方便。

实用新型内容本实用新型旨在提出一种薄膜热流传感器，可以实现对飞行器表面热流的测量，这种热流传感器基本采用现有的成熟工艺技术和材料，生产工艺简单，安装方便，不会影响飞行器结构可靠性，具有良好的抗环境干扰能力及可靠性水平。为了达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为:参见图1，所述薄膜热流传感器I包括基片2，设于基片2上的过渡层3，设于过渡层3上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列由两个以上包括A电极4(如PtRhl3电极)和B电极5 (如Pt电极)的薄膜热电偶10通过外接点11串联构成；所述A电极4和B电极5的接点上设有厚热障层6 ;所述外接点11上设有薄热障层7 ;所述串联的两个以上的薄膜热电偶10的两个外接端分别经一个焊盘9与各自对应的补偿导线8连接(参见图1)。其中，所述基片2材料为Al2O3陶瓷,其直径为50mm 150mm,厚度0.5mm Imm ;所述过渡层3材料为Ta2O5,厚度为0.05 μ m 0.1 μ m ;所述薄膜热电偶10的厚度为0.2 μ m
0.5 μ m ;所述薄热障层7材料为Si02、Al203或A1N，优选为SiO2,厚度为0.5 μ m I μ m。所述厚薄热障层6材料为Si02、Al203或A1N，优选为SiO2,厚度为3 μ m 10 μ m。所述薄膜热电偶10为R型热电偶、B型热电偶或S型热电偶，优选为R型热电偶。可将薄膜热流传感器I固定安装于飞行器外壳，实现高速飞行过程中热流密度分布的测量。上述薄膜热流传感器的制备方法，包括如下步骤:(I)清洗基片，去除基片表面油污及杂质；(2)将基片与薄膜热电偶A电极的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放在沉积镀膜系统的行星架上；(3)依次在基片表面沉积过渡层薄膜和薄膜热电偶A电极的薄膜材料，取下不锈钢掩膜；其中过渡层薄膜用以增强热电偶薄膜与基片层的结合力，并增强热电偶薄膜在高温下的稳定性；(4)将基片与薄膜热电偶B电极的不锈钢掩膜板套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放于沉积镀膜系统的行星架上；(5)依次在基片表面沉积过渡层薄膜和薄膜热电偶B电极的薄膜材料；取下不锈钢掩膜；(6)将基片与薄热障层材料的不锈钢掩膜板套装在一起并放于沉积镀膜系统的行星架上；(7)在基片上相邻两个薄膜热电偶串联处的外接点位置沉积薄的热障层薄膜材料；取下不锈钢掩膜；(8)将基片与厚热障层材料的不锈钢掩膜板套装在一起并放于沉积镀膜系统的行星架上；(9)在基片上同一薄膜热电偶A电极和B电极的接点位置沉积厚热障层薄膜材料；取下不锈钢掩膜；(10)将经上述步骤制成的薄膜热电偶基片放入高温气氛退火炉，对制备的热电偶薄膜进行退火处理，使电偶薄膜结构趋于稳定；(11)利用切片机切片制得薄膜热流传感器；(12)将薄膜热流传感器上串联的两个以上的薄膜热电偶的两个外接端分别与各自对应的补偿导线在焊盘处通过烧结或焊接相连。其中，步骤(10)所述的退火温度为600°C 800°C，退火气氛为真空，退火时间为0.5 I小时。下面结合设计及工作原理对本实用新型作进一步说明:本实用新型提出的薄膜热流传感器，包括基片，设于基片上的过渡层，设有过渡层上的薄膜热电偶阵列(薄膜热电堆)，所述薄膜热电偶阵列上设有热障层，所述薄膜热电偶阵列是由两个以上的薄膜热电偶串联构成的，可根据实际测量要求设计调整热电偶个数，以满足不同的测量精度要求，所述薄膜热电偶包括补偿引线。经过标定后的热流传感器，在测量过程中，通过信号采集装置对薄膜热电堆的输出信号进行实时采集，获得薄膜热电堆的输出信号与热流之间的关系，实现飞行器外表面热流密度分布测量。这样，本实用新型的薄膜热流传感器实现了飞行过程中外壳表面热流的实时测量。其中，所述基片材料为Al2O3陶瓷,其直径为50mm 150mm,厚度0.5mm Imm ;所述过渡层材料为Ta2O5,厚度为0.05 μ m 0.1 μ m ;所述热电偶为R型热电偶、B型热电偶、S型热电偶的一种，优选R型热电偶，其厚度为0.Ιμπι 0.2μηι ;所述热障层材料选用Si02。进一步地，薄膜热电偶阵列由不少于2列的多列薄膜热电偶构成，薄膜热障层作为影响和决定热流测量精度的决定性因素之一，可根据产品特性与要求决定厚、薄热障层之间的高度差，以获取不同的产品性能。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:a)本实用新型采用成熟的工艺技术和材料，在基片表面制备了一组薄膜热电堆(薄膜热电偶阵列)，在飞行器飞行时，不同高度的厚薄热障层下的热电偶获取温度差，可通过傅里叶变换分析得出外表面的热流密度分布；b)本实用新型采用溅射沉积技术、不锈钢掩膜技术、电阻焊技术等微机械加工技术，有利于提高加工工艺的一致性和传感器工作的可靠性水平，并可实现薄膜热流传感器的批量生产，有效降低制造成本；c)本实用新型利用微机械加工技术可以在一片基片上同时制造数百上千个薄膜热流传感器，提高加工效率、加工重复性和加工尺寸的可控性水平，并大大降低制造成本。

图1是本实用新型薄膜热流传感器结构示意图；图2是本实用新型薄膜温度热流复合传感器制备工艺流程图。图中:1、薄膜热流传感器；2、基片；3、过渡膜；4、A电极；5、B电极；6、厚热障层；7、薄热障层；8、补偿导线；9、焊盘；10、薄膜热电偶；11、外接点。
具体实施方式
实施例1参见图1，所述薄膜热流传感器I包括基片2，设于基片2上的过渡层3，设于过渡层3上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列由两个以上包括A电极4和B电极5的薄膜热电偶10通过外接点11串联构成；所述A电极4和B电极5的接点上设有厚热障层6 ;所述外接点11上设有薄热障层7 ;所述串联的两个以上的薄膜热电偶10的两个外接端分别经一个焊盘9与各自对应的补偿导线8连接(参见图1)。其中，所述基片2材料为Al2O3陶瓷,其直径为50mm 150mm,厚度0.5mm Imm ;所述过渡层3材料为Ta2O5,厚度为0.05 μ m 0.1 μ m ;所述薄膜热电偶10的厚度为0.2 μ m
0.5 μ m ;所述薄热障层7材料为SiO2,厚度为0.5 μ m I μ m。所述厚薄热障层6材料为SiO2，厚度为3μπι 10 μ m。所述薄膜热电偶10为R型PtRhl3_Pt热电偶。实施例2参见图2，所述薄膜热流传感器制备方法包括以下步骤:(I)对直径50mm 150mm、厚度0.5mm Imm的Al2O3基片进行清洗,去除基片抛光面的油污及杂质玷污等；(2)将基片与R型PtRhl3_Pt热电偶PtRhl3电极的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放入离子束溅射镀膜机的行星架上；(3)利用离子束溅射沉积厚度0.05 μ m 0.1 μ m的Ta2O5过渡膜和0.1 μ m 0.2 μ m的PtRhl3热电偶薄膜，取下不锈钢掩膜；(4)将基片与R型PtRhl3_Pt热电偶Pt电极的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放入离子束溅射镀膜机的行星架上；(5)利用离子束溅射沉积厚度0.05 μ m 0.1 μ m的Ta2O5过渡膜和0.1 μ m
0.2 μ m的Pt热电偶薄膜，取下不锈钢掩膜；(6)将薄膜热电偶基片与薄热障层的不锈钢掩膜套装在一起，放入离子束镀膜机内的行星架上，在基片上相邻两个薄膜热电偶串联处的外接点位置沉积0.5 μ m I μ m厚的SiO2膜；(7)将薄膜热电偶基片与厚热障层的不锈钢掩膜套装在一起，放入离子束镀膜机内的行星架上，在基片上同一薄膜热电偶A电极和B电极的接点位置沉积3μπι ΙΟμπι厚的SiO2膜；(8)将经上述步骤制成的薄膜热电偶基片放入高温气氛退火炉，在600°C 800°C条件下进行真空退火0.5 I小时；(9)用划片机划片，薄膜热流传感器分割成型；(10)采用电阻焊机在焊盘处分别完成薄膜热电偶外接端PtRhl3电极与直径为75 μ m PtRh13补偿线的连接，以及薄膜热电偶外接端Pt电极与直径75 μ m的Pt补偿线的连接。至此，完成本实用新型薄膜热流传感器的制备。可将传感器安装在飞行器外壳或埋层于外壳材料内部，实现高速飞行过程中热流参数的测量。上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本实用新型，而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
权利要求1.一种薄膜热流传感器，其特征在于，它(I)包括基片(2)，设于基片(2)上的过渡层(3)，设于过渡层(3)上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列由两个以上包括A电极(4)和B电极(5)的薄膜热电偶(10)通过外接点(11)串联构成；所述A电极(4)和B电极(5)的接点上设有厚热障层(6);所述外接点(11)上设有薄热障层(7);所述串联的两个以上的薄膜热电偶(10)的两个外接端分别经一个焊盘(9)与各自对应的补偿导线(8)连接。
2.如权利要求1所述的薄膜热流传感器，其特征在于，所述基片(2)直径为50mm 150mm,厚度0.5mm Imm ;所述过渡层(3)厚度为0.05 μ m 0.1ym ;所述薄膜热电偶(10)的厚度为0.2μηι 0.5μηι ;所述厚热障层(6)厚度为3 μ m 10 μ m,所述薄热障层(7)厚度为0.5 μ m I μ m。
3.如权利要求1所述的薄膜热流传感器，其特征在于，所述薄膜热电偶(10)为R型热电偶、B型热电偶或S型热电偶。
4.如权利要求3所述的薄膜热流传感器，其特征在于，所述薄膜热电偶(10)为R型热电偶。
5.如权利要求1所述的薄膜热流传感器，其特征在于，所述基片(2)材料为Al2O3陶瓷；所述过渡层(3)材料为Ta2O5。
6.如权利要求1所述的薄膜热流传感器，其特征在于，所述厚热障层(6)和薄热障层(7)的材料为 Si02、Al203 或 A1N。
专利摘要本实用新型公开了一种薄膜热流传感器，它包括基片，设于基片上的过渡层，设于过渡层上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列由两个以上包括A电极和B电极的薄膜热电偶通过外接点串联构成；所述A电极和B电极的接点上设有厚热障层；所述外接点上设有薄热障层；所述串联的两个以上的薄膜热电偶的两个外接端分别经一个焊盘与各自对应的补偿导线连接。采用这种实用新型的有益效果是可对高速飞行器飞行过程中外层材料的热流进行测量，为热防护设计提供数据参考，并且采用这种实用新型的薄膜热流传感器制备工艺简单，结构可靠。
文档编号G01N25/20GK202994696SQ20122055339
公开日2013年6月12日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者何峰, 谢贵久, 景涛, 颜志红, 张建国, 董克冰 申请人:中国电子科技集团公司第四十八研究所