[发明专利]一种薄膜热流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，本发明涉及一种薄膜热流传感器及其制备方法，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，且制造工艺较本发明复杂。 

采用本发明的薄膜热流传感器，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。本发明的薄膜热流传感器结构简单，使用方便。

发明内容

本发明旨在提出一种薄膜热流传感器及其制备方法，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，本发明提供的技术方案为：

参见图1，所述薄膜热流传感器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两个以上包括A电极4（如PtRh13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～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、Al₂O₃或AlN，优选为SiO₂，厚度为0.5μm～1μm。所述厚薄热障层6材料为SiO₂、Al₂O₃或AlN，优选为SiO₂，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。

可将薄膜热流传感器1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：

（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；