一種陶瓷薄膜熱電偶的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種陶瓷薄膜熱電偶，包括熱電偶導電陶瓷薄膜，該熱電偶導電陶瓷薄膜包括陶瓷熱電極層，陶瓷熱電極層是由沿熱電偶導電陶瓷薄膜中心線呈鏡像對稱設置的熱電極一及熱電極二組成。熱電極一、熱電極二均包括用于實現(xiàn)熱電極間的熱接點搭接的搭接橫端、與引線連接的引線橫端以及用于連接搭接橫端及引線橫端的過渡豎部；熱電極一的搭接橫端與熱電極二的搭接橫端部分重疊搭接，構成本熱電偶的熱接點。本實用新型采用新型熱電偶材料，相比普通K型熱電偶，具有測溫范圍更廣，能夠適應氧化和酸堿環(huán)境的優(yōu)點；相比其他類型耐高溫熱電偶材料如鉑銠等，在相同的溫度測試范圍內，其熱電偶成本低；且適用于在航天航空等領域的極端環(huán)境溫度測試。
【專利說明】一種陶瓷薄膜熱電偶

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種新型的陶瓷薄膜熱電偶，屬于傳感器【技術領域】，尤其涉及溫度傳感器【技術領域】。

【背景技術】
[0002]隨著航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，瞬態(tài)溫度測試技術的應用更加廣泛深入，要求也越來越高。某些飛機高速飛行過程中機翼前緣、頭錐、機身迎風面等部位的使用溫度均超過了 1000攝氏度。對于太空運輸工具來說，推進系統(tǒng)部件的溫度會到達超過1650°C。因此現(xiàn)航空器件溫度的準確測量，對航空零件的設計和維護都有重要意義。
[0003]與傳統(tǒng)的線形和塊形熱電偶相比，薄膜熱電偶具有的突出優(yōu)點是響應速度快，能夠捕捉瞬時溫度變化，同時薄膜熱電偶可直接沉積在被測對象的表面，不破壞被測部件結構，而且對被測部件工作環(huán)境影響小。目前對NiCr/NiSi薄膜熱電偶的研究，已經(jīng)相對成熟，但是其測試溫度范圍低，只適應與中低溫度測試場合。在高溫測試領域，通常采用鉬、銠等貴金屬為薄膜材料，但是由于其存在成本高、誤差大、惡劣環(huán)境易氧化等問題。因此，需要研制一種耐高溫、性能穩(wěn)定的瞬態(tài)溫度測試用新型陶瓷薄膜熱電偶。


【發(fā)明內容】

[0004]鑒于已有技術存在的缺陷，本實用新型的目的是要提供一種能夠適應極端環(huán)境，響應時間短、測量精度高、可以進行瞬態(tài)溫度的連續(xù)實時測量的陶瓷薄膜熱電偶溫度傳感器。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案:
[0006]一種陶瓷薄膜熱電偶，包括熱電偶導電陶瓷薄膜，其特征在于:所述的熱電偶導電陶瓷薄膜包括陶瓷熱電極層，所述陶瓷熱電極層是由沿熱電偶薄膜中心線呈鏡像對稱設置的熱電極一及熱電極二組成；
[0007]所述的熱電極一、熱電極二均包括用于實現(xiàn)熱電極間的熱接點搭接的搭接橫端、與引線連接的引線橫端以及用于連接搭接橫端及引線橫端的過渡豎部；其中熱電極一的搭接橫端與熱電極二的搭接橫端部分重疊搭接，構成本熱電偶的熱接點。
[0008]所述的陶瓷薄膜熱電偶還包括依次設置的基片層、過渡層、絕緣層、保護膜層；其中上述陶瓷熱電極層位于絕緣層、保護膜層之間。
[0009]所述的熱電極一采用摻錫氧化銦——ITO陶瓷材料制備，所述的熱電極二采用摻鋁氧化鋅——AZO陶瓷材料制備。
[0010]所述的保護膜層為氮化鋁保護膜層。
[0011]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型的有益效果:
[0012]本實用新型采用新型熱電偶材料，相比普通K型熱電偶，具有測溫范圍更廣，而且能夠適應氧化和酸堿環(huán)境的優(yōu)點；相比其他類型耐高溫熱電偶材料如鉬銠等，在相同的溫度測試范圍內，其熱電偶成本低；且適用于在航天航空等領域的極端環(huán)境溫度測試。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1本實用新型陶瓷薄膜熱電偶的熱電極結構示意圖；
[0014]圖2本實用新型陶瓷薄膜熱電偶膜層結構示意圖；
[0015]圖3本實用新型陶瓷薄膜熱電偶所用掩膜示意圖；
[0016]圖4本實用新型采用磁控濺射方法濺射薄膜時所用的固定夾具。
[0017]圖中:1、熱電極一，11、熱電極一搭接橫端，12、熱電極一過渡豎部，13、熱電極一引線橫端，2、熱電極二，21、熱電極二搭接橫端，22、熱電極二過渡豎部，23、熱電極二引線橫端，3、導電銀膠，4、引線一，5、引線二，6、基片，7、保護膜層，8、絕緣層，9、過渡層，A、測量端一熱接點，B、Z形槽孔，C、固定夾具，D、螺栓孔，E、掩膜。

【具體實施方式】
[0018]為了使本實用新型的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖，對本實用新型進行進一步詳細說明。
[0019]本實用新型主要從三個方面進行改進:1、采用新型薄膜熱電偶材料ΙΤ0(摻錫氧化銦)、ΑΖ0(鋁摻雜的氧化鋅)作為熱電偶的熱電極材料；2、對陶瓷薄膜熱電偶的熱電極結構進行改進；3、對熱電偶膜層結構的改進。
[0020]1、采用新型陶瓷薄膜材料，采用ITO(摻錫氧化銦)陶瓷材料和AZO(摻鋁氧化鋅)陶瓷材料作為熱電偶的熱電極材料；ΙΤ0是一種η型半導體材料，具有高的導電率、高的機械硬度和良好的化學穩(wěn)定性；ΑΖ0是在ZnO體系中摻雜Al得到，AZO類似ITO也是一種η型半導體材料，薄膜電阻率小，導電性良好；這兩種不同的η型半導體材料搭接在一起能夠產(chǎn)生較大的熱電勢，并且熱電勢與溫度有良好的線性關系；而且在高溫環(huán)境下化學性能穩(wěn)定，長時間工作后不發(fā)生明顯的化學及物理性能的變化。因此，ΙΤ0/ΑΖ0材料是非常好的高溫環(huán)境溫度測試熱電偶材料。
[0021]2、薄膜熱電偶熱電極形狀的設計為:采用磁控濺射的方法，與帶有Z字形孔槽B的掩膜板(如圖3)相配合，將兩種電極材料先后分別沉積在基片材料上，形成包括有橫向設置、用于實現(xiàn)熱電極間的熱接點搭接的搭接橫端11、21，橫向設置且與引線連接的引線橫端13,23以及縱向設置且用于連接搭接橫端11、21及引線橫端13、23的過渡豎部12、22的Z字形熱電極一 1、熱電極二 2 ;熱電極一 I及熱電極二 2通過沿熱電偶薄膜中心線(也是基片6中心線)呈鏡像對稱設置形成類似于Π形的熱電極層(如圖1)，其中熱電極一 I的搭接橫端11與熱電極二 2的搭接橫端21部分重疊搭接連接形成熱電偶熱接點即測量端Α，通過引線一 4連接熱電極一 1，引線二 5連接熱電極二 2，測量端A與被測溫度信號接觸，將被測的溫度信號轉化為電信號通過引線一4和引線二5接入信號調理放大模塊后再送于計算機；通過這樣的結構設計，使得兩個引腳處為熱電偶的冷端，通過該結構將熱電偶的冷端與熱節(jié)點分離開來，通過該距離將熱電偶冷端引出測試環(huán)境，提高測試精度；同時通過這種結構可以減小該薄膜熱電偶的橫向基本尺寸，進而使得熱電偶尺寸的縮小，則熱電偶傳感器在測試過程中對對測試環(huán)境引入的干擾也就越小，而且便于傳感器實際應用中的安裝。
[0022]3、薄膜熱電偶薄膜鍍層的改變:如圖2，所述薄膜熱電偶膜層結構依次為有過渡層9、絕緣層8、熱電極層、保護膜層7。薄膜熱電偶膜層為納米級別，其中過渡層設計目的在避免由于基片6和絕緣層8不同材料的熱膨脹系數(shù)不同而造成的高溫破碎；絕緣層8設計目的在于防止熱電偶熱電極與基片6導通而造成的電壓信號的丟失；熱電極層為功能層，實現(xiàn)溫度的感知，并轉為電壓信號輸出；保護膜層7采用耐高溫耐氧化材料，用于保護熱電極層不被高氧化環(huán)境或者酸堿環(huán)境所腐蝕。所述熱電偶膜層結構制備過程為，根據(jù)基片材料選擇過渡層膜材料后在基片6表面沉積過渡層薄膜9 ;在過渡層9上鍍氧化鋁絕緣膜8，確保功能膜與基片材料之間良好的絕緣性；然后沉積熱電極薄膜，各個熱電極材料搭接橫端部分11及21相互重疊搭接形成熱接點A ;熱接點A即為測量端，其將溫度信號轉變?yōu)殡妷盒盘柾ㄟ^引線一 4和引線二 5輸送給信號調理放大模塊后送于計算機。
[0023]本薄膜熱電偶的制作方法:
[0024]1、準備工作，挑選基片(可選用圖1所示的長方形基片)并按照相應的薄膜制備的要求，對基片表面打磨拋光，用粒度小于2、5 μ m的金剛石研磨膏拋光到鏡面，再分別放入丙酮、酒精和去離子水中，使用超聲波清洗，用氮氣吹干后將基片放入磁控濺射所用的固定夾具C中(可選用圖4所示的夾具，其作用是將基底片固定在鍍膜設備真空室的相應位置)；
[0025]?、采用磁控濺射工藝在基片表面沉積過渡層薄膜9，沉積0、8?I μ m厚的過渡層材料薄膜。
[0026]ii1、過渡層薄膜9沉積完畢，固定夾具C和基片不動，只更換濺射靶材和沉積參數(shù)，接著進行氧化鋁絕緣膜8的沉積，沉積厚度約為800nm。
[0027]iv、絕緣膜8沉積完畢后，進行功能膜一熱電極的沉積:對熱電極一 I—ITO薄膜進行沉積，基底6材料和固定夾具C的相對位置不變，在其表面加蓋功能膜沉積所需的Z字型槽孔B的掩膜E如圖3，通過該Z字形槽孔B的掩膜E，使得相應的熱電極材料通過濺射得到我們想要的形狀，然后將其固定到磁控濺射真空室內，更換靶材和濺射參數(shù)后進行熱電極一 I薄膜的沉積，沉積厚度為600nm，然后進行熱電極二 2——AZO薄膜的濺射，其步驟同熱電極一薄膜濺射的操作過程，同時保證熱電極一 I及熱電極二 2通過沿熱電偶薄膜中心線(也是基片中心線)呈鏡像對稱設置形成類似于Π形的熱電極層(如圖1)，其中熱電極一 I的搭接橫端11與熱電極二 2的搭接橫端21部分重疊搭接連接形成熱電偶熱接點即測量端A ;
[0028]V、功能膜沉積完畢，進行引線粘結，采用DB5015銀粉導電膠，將銀粉導電膠的甲組份和乙組分按要求比例甲:乙=3?3、5g:1ml配比調勻后，將引線一 4與熱電極一 I引腳粘結在一起，將引線二 5與熱電極二 2引腳粘結在一起，如圖1所示；引線粘接完畢，將引線外加絕緣套管，然后再將制備的薄膜熱電偶傳感器整體放入真空室中進行保護膜沉積，保護膜材料選用組織結構細密且高溫狀態(tài)下化學性能穩(wěn)定的耐高溫陶瓷材料氮化鋁；保護膜沉積完畢將引線的絕緣套管摘除。
[0029]以上所述，僅為本實用新型較佳的【具體實施方式】，但本實用新型的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型揭露的技術范圍內，根據(jù)本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種陶瓷薄膜熱電偶，包括熱電偶導電陶瓷薄膜，其特征在于:所述的熱電偶導電陶瓷薄膜包括陶瓷熱電極層，所述陶瓷熱電極層是由沿熱電偶導電陶瓷薄膜中心線呈鏡像對稱設置的熱電極一及熱電極二組成； 所述的熱電極一、熱電極二均包括用于實現(xiàn)熱電極間的熱接點搭接的搭接橫端、與引線連接的引線橫端以及用于連接搭接橫端及引線橫端的過渡豎部；其中熱電極一的搭接橫端與熱電極二的搭接橫端部分重疊搭接，構成本熱電偶的熱接點；所述的熱電極一采用摻錫氧化銦——ITO陶瓷材料制備，所述的熱電極二采用摻鋁氧化鋅——AZO陶瓷材料制備； 同時所述的陶瓷薄膜熱電偶還包括依次設置的基片層、過渡層、絕緣層、保護膜層；其中上述陶瓷熱電極層位于絕緣層、保護膜層之間。
2.根據(jù)權利要求1所述的陶瓷薄膜熱電偶，其特征在于:所述的保護膜層為氮化鋁保護膜層。
【文檔編號】G01K7/04GK204064492SQ201420201582
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年4月23日 優(yōu)先權日:2014年4月23日
【發(fā)明者】崔云先, 安陽, 趙家慧, 郭立明 申請人:大連交通大學