[实用新型]一种用于高温大热流测量的薄膜热流传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种热流传感器,特别是一种用于高温大热流测量的薄膜热流传感器。 

背景技术

热流传感器在科学研究、航空航天、动力工程等方面有广泛的应用，传统的热流传感器采用热偶丝或片式的热偶结构，具有传感器稳定时间长，响应慢等特点。同时传统的热流传感器受限于材料的选择及封装工业的缺陷，不能用于高温大热流环境的测量。传统的热流传感器由于输出信号较小对后期的信号处理带来了困难，同时造成了传感器的精度较低。 

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，克服现有热流传感器稳定时间长、响应慢的缺陷，提高传感器的信号输出，减小信号后续处理的难度，提高传感器的测试精度。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种用于高温大热流测量的薄膜热流传感器，包括基片，所述基片上镀有热电偶堆，所述热电偶堆由两个以上包括第一电极和第二电极的薄膜热电偶通过外接点串联而成，通过离子束溅射镀膜和光刻工艺来制备薄膜热偶接点；所述热电偶堆上覆盖有过渡层；所述第一电极和第二电极的接点所在位置的过渡层上表面设有厚热障层；所述外接点所在位置的过渡层上表面设有薄热障层，且所述薄热障层覆盖所述厚热障层；所述过渡层上设有保护层，且所述保护层覆盖所述薄热障层；所述热电偶堆的两个外接端分别经一个焊盘与各自的外接引线连接。

所述基片材料为Al₂O₃或SiC，基片尺寸为20×20mm；所述热电偶堆材料为镍铬-镍硅的K型热偶材料、铂铑13-铂的R型热偶材料、铂铑10-铂的S型热偶材料、铂铑30-铂铑6的B型热偶材料中的一种；所述第一电极为Pt电极；所述第二电极为PtRh13电极；所述厚热障层的材料为SiO₂或Al₂O₃，厚度为5μm；所述薄热障层的材料为SiO₂或Al₂O₃，厚度为1μm；所述过渡层材料为Ta₂O₅，厚度为500nm；所述保护层材料为碳化硼或耐高温黑色保护漆；所述焊盘表面涂覆有耐高温无机胶状材料11。

本实用新型的薄膜热流传感器高温环境下测量热流的原理为：（1）根据热传导方程当热流矢量方向与等温面垂直，则有：

。

式中：q为热流密度；dT/dX为垂直于等温面方向的温度梯度；k为材料的导热系数；如果温度为T₁和T₂的两个等温面平行时：根据模型计算得出：

。

其中ΔT为两等温面温差；ΔX为两等温面之间的距离。

（2）热流通过热流传感器热电堆时，传感器的信号输出V_t与热障层的温差、热电堆电压信号放大倍数N（热电偶的对数）及赛贝克系数S_e的关系为： 。

根据热流密度与信号输出的关系，热流密度表述为：

。

与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为：本实用新型热流传感器具有耐高温和适合大热流测试的特点；采用热电偶堆的热电功能设计形式，设计的热电偶节点的数目为30对或40对，大大提高了传感器的信号输出，减小了信号后续处理的难度，提高了传感器的测试精度；由于采用离子束溅射镀膜的方式制备复合膜层，利用薄热障层和厚热障层的温度差来得出外界的热流密度，该传感器具有快速响应的特点。

附图说明

图1为本实用新型一实施例结构示意图；

图2为本实用新型一实施例复合膜层示意图；

图3为本实用新型一实施例焊盘引线的正面示意图；

图4为本实用新型一实施例焊盘引线的背面示意图；

图5为本实用新型一实施例焊盘引线后涂覆无机材料封装的正面示意图；

图6为本实用新型一实施例焊盘引线后涂覆无机材料封装的背面示意图。

具体实施方式