專利名稱：一種薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于薄膜特種傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于微機(jī)械加工技術(shù)的薄膜傳感器及其制備方法。更具體地說，本發(fā)明涉及一種薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器及其制備方法，通過薄膜熱電偶實(shí)現(xiàn)絕熱層燒蝕溫度和燒蝕速率的測量，這種薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器制造工藝簡單，具有較 高的測量精度。
背景技術(shù)：
絕熱層主要應(yīng)用于固體火箭發(fā)動機(jī)、再入大氣飛行器等航天器的防熱保護(hù)中，絕熱層性能的好壞直接影響到發(fā)動機(jī)工作的可靠性，甚至影響到火箭發(fā)射的成敗。絕熱層的工作環(huán)境十分惡劣，它要經(jīng)受高溫高壓氣體的燒蝕和凝相顆粒的沖刷，嚴(yán)重時會導(dǎo)致內(nèi)絕熱層防護(hù)失效，發(fā)動機(jī)殼體燒穿，造成發(fā)動機(jī)失效。因此，絕熱層厚度及其幾何形狀等直接影響到固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性，而絕熱層的設(shè)計(jì)是由其燒蝕情況來確定的，絕熱層材料燒蝕速率是絕熱層設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)之一。另外，由于與周圍空氣的劇烈摩擦，絕熱層表面的溫度急劇升高，如果不能正確掌握絕熱層溫度變化，設(shè)計(jì)合適的絕熱層厚度，溫度會傳遞至飛行器機(jī)體表面，并引起機(jī)體表面溫度急劇升高，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低、剛度下降，造成飛行器外形破壞，嚴(yán)重時將導(dǎo)致發(fā)射失敗。飛行器表面溫度劇烈升高，如果大量氣動熱來不及散失的話，會引起機(jī)體表面溫度。絕熱層材料燒蝕表面及燒蝕層內(nèi)部溫度變化是絕熱層設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)之一 O因此，需要一種溫度與燒蝕復(fù)合傳感器可對絕熱層燒蝕過程中的溫度和燒蝕速率同時進(jìn)行測量。目前，燒蝕速率測量通過燒蝕傳感器，溫度測量采用溫度傳感器，還沒有一種傳感器可以實(shí)現(xiàn)對絕熱層燒蝕溫度以及燒蝕速率的同時測量。本發(fā)明人曾介紹了一種薄膜燒蝕傳感器及其制備方法，通過微機(jī)械加工技術(shù)在氧化鋁陶瓷基片表面制備了一組金薄膜電阻，可通過金薄膜電阻的通斷得出絕熱層燒蝕速率，該發(fā)明的薄膜燒蝕傳感器生產(chǎn)工藝簡單，并可設(shè)計(jì)不同的薄膜電阻間隙達(dá)到不同的測量精度要求。但該發(fā)明的薄膜燒蝕傳感器只能獲取絕熱層的燒蝕速率，不能同時獲取絕熱層燒蝕溫度參量。專利ZL02205585. I介紹了一種導(dǎo)彈高速熱沖擊試驗(yàn)陶瓷彈頭表面瞬態(tài)溫度測量裝置。該發(fā)明將熱電偶材料點(diǎn)焊成球，并采用不銹鋼壓片將熱電偶壓在導(dǎo)彈表面的凹坑內(nèi)，這種結(jié)構(gòu)形式不僅會破壞飛行器表面流場，并且可靠性程度低，無法有效滿足飛行器測溫要求。專利CN201716128描述了一種高速飛行器外表面溫度測量裝置，其中測溫傳感器的敏感頭頂端位于機(jī)體表面絕熱層內(nèi)O. 8mm 1mm，這種安裝方式測量所得到的溫度并非機(jī)體外表面的真實(shí)溫度，只能通過氣動熱計(jì)算進(jìn)行校正得到飛行器外表面溫度的近似值
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提出一種薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器及其制備方法，可以實(shí)現(xiàn)對絕熱層燒蝕溫度和燒蝕速率的同時測量，這種溫度燒蝕復(fù)合傳感器基本采用現(xiàn)有的成熟工藝技術(shù)和材料，生產(chǎn)工藝簡單，安裝方便，不會影響飛行器結(jié)構(gòu)可靠性，具有良好的抗環(huán)境干擾能力及可靠性水平。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為
所述薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器I包括基片2，設(shè)于基片2上的過渡層3，設(shè)于過渡層3上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列上設(shè)有保護(hù)膜6 ;所述薄膜熱電偶陣列由兩個以上包括電極4 (如PtRh13電極)和B電極5 (如Pt電極)的薄膜熱電偶10構(gòu)成；所述薄膜熱電偶10包括將薄膜熱電偶10的熱電勢信號引出的補(bǔ)償導(dǎo)線7 ；
其中，所述基片2材料為Al2O3陶瓷,其直徑為50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述過渡層3材料為Ta2O5,厚度為O. 05 μ m O. I μ m ;所述薄膜熱電偶10的厚度為O. 2 μ m O. 5 μ m ;所述保護(hù)膜6為電介質(zhì)材料,優(yōu)選為SiO2,厚度為O. I μ m O. 2 μ m。 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(yōu)選為R型熱電偶?？蓪⒈∧囟葻g復(fù)合傳感器I埋設(shè)于絕熱層8材料內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對待測工件9的絕熱層燒蝕過程中燒蝕溫度及燒蝕速率雙參數(shù)的測量。上述薄膜溫度燒蝕復(fù)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(zhì)；
(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(tǒng)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(qiáng)熱電偶薄膜與基片層的結(jié)合力，并增強(qiáng)熱電偶薄膜在高溫下的穩(wěn)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(tǒng)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)將經(jīng)上述步驟制成的薄膜熱電偶基片放入高溫氣氛退火爐，對制備的熱電偶薄膜進(jìn)行退火處理，使電偶薄膜結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定；
(7)將薄膜熱電偶基片與不銹鋼掩膜套裝在一起并放入沉積鍍膜系統(tǒng)行星架，沉積保護(hù)膜；
(8)利用切片機(jī)切片制得薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器；
(9)將薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器上薄膜熱電偶的電極與補(bǔ)償導(dǎo)線用電阻焊機(jī)焊接。其中，步驟(6)所述的退火溫度為600°C 800°C，退火氣氛為真空，退火時間為O. 5 I小時。下面結(jié)合設(shè)計(jì)及工作原理對本發(fā)明作進(jìn)一步說明
本發(fā)明提出的薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器，包括基片，設(shè)于基片上的過渡層，設(shè)有過渡層上的薄膜熱電偶陣列，所述薄膜熱電偶陣列上設(shè)有保護(hù)膜，所述薄膜熱電偶陣列是由兩個以上的薄膜熱電偶構(gòu)成的，可根據(jù)實(shí)際測量要求設(shè)計(jì)調(diào)整熱電偶個數(shù)和間隙，以滿足不同的測量精度要求，所述薄膜熱電偶包括補(bǔ)償引線。在發(fā)動機(jī)工作過程中，隨著絕熱層的燒蝕，薄膜熱電偶依次逐個暴露在發(fā)動機(jī)高溫環(huán)境中，高溫和顆粒沖刷將造成薄膜熱電偶的斷開，通過信號采集裝置對薄膜熱電偶的通斷信號進(jìn)行實(shí)時掃描和采集，獲得薄膜熱電偶的通斷與時間之間的關(guān)系，可得到絕熱層燒蝕率隨時間的變化關(guān)系，實(shí)現(xiàn)絕熱層燒蝕性能的測量。與此同時，薄膜熱電偶可同步獲取絕熱層相應(yīng)深度的溫度值，并可通過絕熱層傳熱學(xué)分析得出燒蝕面的表面溫度。這樣，本發(fā)明的薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器實(shí)現(xiàn)了絕熱層燒蝕過程溫度、燒蝕速率雙參數(shù)的實(shí)時測量。其中，所述基片材料為Al2O3陶瓷,其直徑為50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述過渡層材料為Ta2O5,厚度為O. 05 μ m O. I μ m ;所述熱電偶為R型熱電偶、B型熱電偶、S型熱電偶的一種，優(yōu)選R型熱電偶，其厚度為O. I μ m O. 2 μ m ;所述保護(hù)膜為電介質(zhì)材料，優(yōu)選為SiO2，厚度為O. Iym 0.2 μπι。進(jìn)一步地，薄膜熱電偶陣列由不少于2列的多列薄膜熱電偶構(gòu)成，薄膜熱電偶縱向間隔作為影響和決定燒蝕速率測量精度的決定性因素之一，可根據(jù)產(chǎn)品特性與要求決定薄膜熱電偶之間縱向間隔值，以獲取不同的產(chǎn)品性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是·
a)本發(fā)明采用成熟的工藝技術(shù)和材料，在基片表面制備了一組薄膜熱電偶，在發(fā)動機(jī)工作或飛行器飛行時，隨著絕熱層的燒蝕，埋設(shè)在絕熱層中的薄膜熱電偶可獲取絕熱層相應(yīng)深度的溫度值，也可通過絕熱層傳熱學(xué)分析得出燒蝕面的表面溫度；
b)由于薄膜熱電偶將逐組暴露在高溫高壓惡劣環(huán)境中，薄膜熱電偶狀態(tài)由導(dǎo)通變?yōu)閿嚅_，通過信號采集卡將電阻的這種通斷狀態(tài)進(jìn)行采集和記錄，在已知薄膜熱電偶縱向間隙的情況下，經(jīng)過簡單的計(jì)算就可以得到絕熱層燒蝕速率；
c)本發(fā)明采用濺射淀積技術(shù)、不銹鋼掩膜技術(shù)、電阻焊技術(shù)等微機(jī)械加工技術(shù)，有利于提高加工工藝的一致性和傳感器工作的可靠性水平，并可實(shí)現(xiàn)薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器的批量生產(chǎn)，有效降低制造成本；
d)本發(fā)明利用微機(jī)械加工技術(shù)可以在一片基片上同時制造數(shù)百上千個薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器，提高加工效率、加工重復(fù)性和加工尺寸的可控性水平，并大大降低制造成本。


圖I是本發(fā)明薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器制備工藝流程 圖3是在同一基片上制造多個薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器的結(jié)構(gòu)示意 圖4是圖I薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器埋設(shè)于待測絕熱層的結(jié)構(gòu)示意 圖中I、薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器；2、基片；3、過渡膜；4、A電極；5、B電極；6、保護(hù)膜；7、補(bǔ)償導(dǎo)線；8、絕熱層；9、待測工件；10、薄膜熱電偶。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
參見圖I至圖4，所述薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器I包括基片2，設(shè)于基片2上的過渡層3，設(shè)于過渡層3上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列上設(shè)有保護(hù)膜6 ;所述薄膜熱電偶陣列由兩個以上包括電極4和B電極5的薄膜熱電偶10構(gòu)成；所述薄膜熱電偶10包括將薄膜熱電偶10的熱電勢信號引出的補(bǔ)償導(dǎo)線7 ；其中，所述基片2材料為Al2O3陶瓷,其直徑為50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述過渡層3材料為Ta2O5,厚度為O. 05 μ m O. I μ m ;所述薄膜熱電偶10為R型PtRhl3_Pt熱電偶，其厚度為O. 2μπι O. 5μπι ;所述保護(hù)膜6材料為SiO2,厚度為O. I μ m O. 2 μ m。實(shí)施例2
參見圖2，本發(fā)明，所述薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器制備方法包括以下步驟
(1)對直徑50mm 150mm、厚度O.5mm Imm的Al2O3基片進(jìn)行清洗，去除基片拋光面的油污及雜質(zhì)站污等；
(2)將基片與R型PtRhl3-Pt熱電偶PtRhl3電極的不銹鋼掩膜套裝在一起，并用不銹 鋼夾具夾好放入離子束濺射鍍膜機(jī)的行星架上；
(3)利用離子束濺射沉積厚度O.05 μ m O. I μ m的Ta2O5過渡膜和O. I μ m O. 2 μ m的PtRhl3熱電偶薄膜，取下不銹鋼掩膜；
(4)將基片與R型PtRhl3-Pt熱電偶Pt電極的不銹鋼掩膜套裝在一起，并用不銹鋼夾具夾好放入離子束濺射鍍膜機(jī)的行星架上；
(5)利用離子束濺射沉積厚度O.05 μ m O. I μ m的Ta2O5過渡膜和O. I μ m O. 2 μ m的Pt熱電偶薄膜，取下不銹鋼掩膜；
(6)將經(jīng)上述步驟制成的薄膜熱電偶基片放入高溫氣氛退火爐，在600°C 800°C條件下進(jìn)行真空退火O. 5 I小時；
(7)將薄膜熱電偶基片與保護(hù)膜的不銹鋼掩膜套裝在一起，放入離子束鍍膜機(jī)內(nèi)的行星架上，沉積O. I μ m O. 2 μ m厚的SiO2膜；
(8)用劃片機(jī)劃片，薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器分割成型；
(9)采用電阻焊機(jī)分別完成PtRh13薄膜熱電偶電極與直徑為75μ m PtRh13補(bǔ)償線的連接，以及Pt熱電偶電極與線徑75 μ m的Pt補(bǔ)償線的連接。至此，完成本發(fā)明薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器的制備。可將傳感器埋設(shè)于絕熱層材料的內(nèi)，實(shí)現(xiàn)絕熱層燒蝕過程中燒蝕溫度及燒蝕速率雙參數(shù)的測量。上述實(shí)施例闡明的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)理解為這些實(shí)施例僅用于更清楚地說明本發(fā)明，而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
權(quán)利要求
1.一種薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器，其特征在于，所述薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器(I)包括基片(2)，設(shè)于基片(2)上的過渡層(3)，設(shè)于過渡層(3)上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列上設(shè)有保護(hù)膜(6);所述薄膜熱電偶陣列由兩個以上包括A電極(4)和B電極(5)的薄膜熱電偶(10)構(gòu)成；所述薄膜熱電偶(10)包括將薄膜熱電偶(10)的熱電勢信號引出的補(bǔ)償導(dǎo)線(7);所述基片(2)材料為Al2O3陶瓷；所述過渡層(3)材料為Ta2O5 ;所述保護(hù)膜(6)為電介質(zhì)材料。
2.如權(quán)利要求I所述的薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器，其特征在于，所述基片(2)直徑為50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述過渡層(3)厚度為O. 05 μ m O. Ium ;所述薄膜熱電偶(10)的厚度為O. 2μπι O. 5μπι ;所述保護(hù)膜(6)厚度為O. I μ m O. 2 μ m。
3.如權(quán)利要求I所述的薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器，其特征在于，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。
4.如權(quán)利要求3所述的薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器，其特征在于，所述薄膜熱電偶(10)為R型熱電偶。
5.如權(quán)利要求I所述的薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器，其特征在于，所述保護(hù)膜(6)材料為Si02。
6.—種如權(quán)利要求I 5之一所述薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器的制備方法，包括如下步驟 (1)清洗基片； (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放于沉積鍍膜系統(tǒng)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； (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放于沉積鍍膜系統(tǒng)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)將經(jīng)上述步驟制成的薄膜熱電偶基片放入高溫氣氛退火爐，對制備的熱電偶薄膜進(jìn)行退火； (7)將薄膜熱電偶基片與不銹鋼掩膜套裝在一起并放入沉積鍍膜系統(tǒng)行星架，沉積保護(hù)膜； (8)切片制得薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器； (9)將薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器上薄膜熱電偶的電極與補(bǔ)償導(dǎo)線焊接。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(6)所述的退火溫度為600°C 800°C，退火氣氛為真空。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(6)所述的退火時間為O.5 I小時。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄膜溫度燒蝕復(fù)合傳感器及其制備方法，所述傳感器是一種絕熱層材料燒蝕溫度與燒蝕速率測量集成型薄膜傳感器。本發(fā)明采用微機(jī)械加工技術(shù)在基片表面制作了一組薄膜熱電偶，然后將薄膜熱電偶垂直埋設(shè)于絕熱層內(nèi)，這樣，在絕熱層材料的燒蝕過程中，就可以通過薄膜熱電偶組測量出絕熱層燒蝕面以及絕熱層不同深度點(diǎn)的溫度，并可通過薄膜熱電偶的通斷判斷絕熱層燒蝕面的位置，結(jié)合燒蝕時間，可得出絕熱層材料的燒蝕速率。采用這種發(fā)明的有益效果是可同時對絕熱層材料燒蝕過程中的溫度變化及絕熱層燒蝕速率進(jìn)行測量，為絕熱層的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考，并且采用這種發(fā)明的薄膜溫度燒蝕傳感器制備工藝簡單，結(jié)構(gòu)可靠。
文檔編號G01D21/02GK102901534SQ201210362540
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者景濤, 謝貴久, 顏志紅, 程文進(jìn), 白慶星, 何峰, 王棟, 張環(huán)宇 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所