[发明专利]一种集成式薄膜温度热流复合传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明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及其制备方法。更具体地说，本发明涉及一种集成式薄膜温度热流复合传感器及其制备方法，通过薄膜热电偶实现绝热层温度和热流的测量，这种薄膜温度热流复合传感器制造工艺简单，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，需要一种温度与热流复合传感器可对飞行器外壳材料在高速飞行过程中的温度和热流同时进行测量。目前，热流测量通过热流传感器，温度测量采用温度传感器，还没有一种传感器可以实现对飞行器外壳材料温度以及热流的同时测量。

发明内容

本发明旨在提出一种集成式薄膜温度热流复合传感器及其制备方法，可以实现对飞行器表面温度和热流的同时测量，这种温度热流复合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，本发明提供的技术方案为：

参见图1，所述集成式薄膜温度热流复合传感器1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一个独立的薄膜热电偶10和通过外接点11串联的两个以上薄膜热电偶10组成，所述薄膜热电偶10包括A电极4（如PtRh13电极）和B电极5（如Pt电极）；所述A电极4和B电极5的接点上设有厚热障层6；所述薄膜热电偶阵列中的外接点11上和独立薄膜热电偶10的自由端电极上设有薄热障层7；所述独立薄膜热电偶10的两个电极分别经一个A焊盘12与各自对应的A补偿导线13连接，所述两个以上串联的薄膜热电偶10的两个外接端分别经一个B焊盘9与各自对应的B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～1mm；所述过渡层3材料为Ta₂O₅，厚度为0.05μm～0.1μm；所述薄膜热电偶10的厚度为0.2μm～0.5μm；所述薄热障层7材料为SiO₂，厚度为0.5μm～1μm。所述厚薄热障层6材料为Al₂O₃或AlN，优选为Al₂O₃，厚度为3μm～10μm。

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。

可将薄膜温度热流复合传感器1固定安装于飞行器外壳，实现高速飞行过程中温度及热流双参数的测量。

上述薄膜温度热流复合传感器的制备方法，包括如下步骤：

（1）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）依次在基片表面淀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）依次在基片表面淀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和独立薄膜热电偶的电极自由端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，对制备的薄膜材料进行退火处理，使薄膜结构趋于稳定；

（11）利用切片机切片制得薄膜温度热流复合传感器；