本發(fā)明涉及一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的計(jì)熱流器件，具體地說，是涉及一種瞬態(tài)溫度和熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

如今，在工農(nóng)生產(chǎn)、科學(xué)研究、航空航天、動(dòng)力工程以及日常生活中,存在著大量的熱量傳遞問題有待解決。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，僅把溫度作為熱量傳遞的唯一信息已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因此，熱流檢測(cè)的理論和技術(shù)越來越受到重視，測(cè)量熱流用的傳感器——熱流測(cè)頭及熱流計(jì)的研究和使用也更加廣泛了。由于航空航天事業(yè)的發(fā)展和熱能工程的實(shí)際需要，在宇航、空間技術(shù)和一些高科技領(lǐng)域中，迫切要求一種能迅速反映出溫度和熱流密度的傳感器，所以為了研制既適用于工程實(shí)際，又適用于航空航天領(lǐng)域的溫度和熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，一種瞬態(tài)溫度和熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器產(chǎn)生了。這種傳感器利用熱電偶的的塞貝克的測(cè)量原理，結(jié)合薄膜技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)溫度和熱流密度的瞬態(tài)測(cè)量，從而得出瞬態(tài)溫度值和熱流值。瞬態(tài)溫度和熱流的聯(lián)測(cè)是熱工測(cè)試的難點(diǎn)，也是一直沒有得到很好解決的問題。研究瞬態(tài)溫度和熱流的聯(lián)測(cè)，特別是微小空間內(nèi)瞬態(tài)溫度和熱流的聯(lián)測(cè)，對(duì)于我國(guó)節(jié)能領(lǐng)域以及航空航天等領(lǐng)域都有著積極的意義。

在分析總結(jié)國(guó)內(nèi)外眾多瞬態(tài)溫度和熱流計(jì)測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，研究利用薄膜技術(shù)，制作出了熱電堆型瞬態(tài)溫度和熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，這種傳感器，既繼承了溫度簡(jiǎn)單的測(cè)量原理和方法，同時(shí)又能利用薄膜技術(shù)進(jìn)行瞬態(tài)熱流的測(cè)量，有著廣泛的應(yīng)用前景。

經(jīng)檢索，申請(qǐng)?zhí)枮镃N201610549808.4的中國(guó)發(fā)明專利，該專利公開一種熱阻式薄膜熱電堆型瞬態(tài)熱流計(jì)及制備方法，“所述熱流計(jì)包括陶瓷基底及設(shè)于陶瓷基底上的正極熱電偶、負(fù)極熱電偶、熱電偶連接層、外熱阻層及內(nèi)熱阻層，正極熱電偶和負(fù)極熱電偶通過熱電偶連接層對(duì)接，外熱阻層、內(nèi)熱阻層覆蓋在正極熱電偶、負(fù)極熱電偶的上方；當(dāng)外部環(huán)境在所述熱流計(jì)上施加以垂直方向的熱流時(shí)，外熱阻層和內(nèi)熱阻層的厚度不同，相鄰兩個(gè)熱結(jié)點(diǎn)和冷結(jié)點(diǎn)存在溫度差，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，就有相應(yīng)的電勢(shì)輸出，其輸出電勢(shì)與熱流密度相關(guān)”。該設(shè)計(jì)是基于熱阻式薄膜熱電堆型瞬態(tài)熱流計(jì)，利用熱電偶測(cè)溫原理，實(shí)現(xiàn)了熱流密度的瞬態(tài)測(cè)量。該發(fā)明能實(shí)現(xiàn)對(duì)熱流密度的瞬態(tài)測(cè)量，但是不能同時(shí)測(cè)量溫度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種瞬態(tài)溫度和熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器及其制備方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫度和熱流密度的同步測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、測(cè)量溫度范圍大、測(cè)量精度高等特點(diǎn)。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種瞬態(tài)溫度和熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，所述傳感器包括：陶瓷基底、正極熱電偶、負(fù)極熱電偶、熱電偶連接層、熱阻層、正極熱電偶引線端、負(fù)極熱電偶引線端、正極熱電堆引線端以及負(fù)極熱電堆引線端，其中：

所述正極熱電偶、負(fù)極熱電偶、熱電偶連接層、熱阻層、正極熱電偶引線端、負(fù)極熱電偶引線端、正極熱電堆引線端以及負(fù)極熱電堆引線端均設(shè)在陶瓷基底上；所述正極熱電偶與負(fù)極熱電偶通過熱電偶連接層對(duì)接；一個(gè)正極熱電偶和一個(gè)負(fù)極熱電偶串聯(lián)形成一對(duì)熱電偶，多對(duì)熱電偶首尾搭接形成薄膜熱電堆，以增大熱電堆的輸出電勢(shì)；熱阻層覆蓋在薄膜熱電堆冷結(jié)點(diǎn)上方；一對(duì)熱電偶的熱結(jié)點(diǎn)通過正極熱電偶引線端、負(fù)極熱電偶引線端接出，正極熱電偶引線端、負(fù)極熱電偶引線端的輸出電勢(shì)與溫度有關(guān)；所述熱電偶為一對(duì)或多對(duì)，多對(duì)熱電偶測(cè)量多個(gè)溫度；

當(dāng)外部環(huán)境在所述傳感器上施加以垂直方向的熱流時(shí)，覆蓋在薄膜熱電堆冷結(jié)點(diǎn)上方的熱阻層存在一厚度，則薄膜熱電堆的冷結(jié)點(diǎn)和熱結(jié)點(diǎn)存在溫度差，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，薄膜熱電堆的兩端就產(chǎn)生相應(yīng)電勢(shì)差，薄膜熱電堆的兩端分別通過正極熱電堆引線端和負(fù)極熱電堆引線端接出，正極熱電堆引線端和負(fù)極熱電堆引線端輸出電勢(shì)與熱流密度相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和熱流密度的瞬態(tài)測(cè)量。

優(yōu)選地，所述正極熱電偶引線端和負(fù)極熱電偶引線端分別作為測(cè)溫引線端，用于溫度的輸出；所述正極熱電堆引線端和負(fù)極熱電堆引線端分別作為薄膜熱電堆的引線端，用于熱流密度的輸出。

優(yōu)選地，所述正極熱電偶、正極熱電偶引線端和正極熱電堆引線端采用磁控濺射方法沉積薄膜、利用掩膜濺射方法或liftoff方法實(shí)現(xiàn)圖形化，材料選用鉑銠或鉑。

更優(yōu)選地，當(dāng)所述薄膜熱電堆為PtRh-Pt型熱電偶串聯(lián)而成時(shí)，正極熱電偶、正極熱電偶引線端和正極熱電堆引線端的材料選用鉑銠；

當(dāng)所述薄膜熱電堆為Pt/ITO型熱電偶串聯(lián)而成時(shí)，正極熱電偶、正極熱電偶引線端和正極熱電堆引線端的材料選用鉑。

優(yōu)選地，所述負(fù)極熱電偶、負(fù)極熱電偶引線端和負(fù)極熱電堆引線端采用磁控濺射方法沉積薄膜、利用掩膜濺射方法或liftoff方法實(shí)現(xiàn)圖形化，材料選用鉑或ITO。

更優(yōu)選地，當(dāng)所述薄膜熱電堆為PtRh-Pt型熱電偶串聯(lián)而成時(shí)，負(fù)極熱電偶、負(fù)極熱電偶引線端和負(fù)極熱電堆引線端的材料選用鉑；

當(dāng)薄膜熱電堆為Pt/ITO型熱電偶串聯(lián)而成時(shí)，負(fù)極熱電偶、負(fù)極熱電偶引線端和負(fù)極熱電堆引線端的材料選用ITO。

優(yōu)選地，所述正極熱電偶引線端的引線和負(fù)極熱電偶引線端的引線采用兩種不同的金屬細(xì)線，其中：所述正極熱電偶引線端的引線采用與正極熱電偶引線端相同的金屬材料細(xì)絲，金屬細(xì)線的材料為鉑銠或鉑；所述負(fù)極熱電偶引線端的引線采用與負(fù)極熱電偶引線端相同的金屬材料細(xì)絲，金屬細(xì)線的材料為鉑或ITO。

優(yōu)選地，所述正極熱電堆引線端的引線和負(fù)極熱電堆引線端的引線采用兩種不同的金屬細(xì)線，其中：正極熱電堆引線端的引線的金屬細(xì)線材料為鉑銠絲或者鉑絲，負(fù)極熱電堆引線端的引線的金屬細(xì)線材料為鉑或ITO。

優(yōu)選地，所述熱阻層(5)采用濺射二氧化硅或者懸涂聚酰亞胺形成。

更優(yōu)選地，所述熱阻層(5)的材料選擇根據(jù)工作環(huán)境而定：

在低溫工作環(huán)境下，即溫度≤400℃，所述熱阻層(5)的材料采用聚酰亞胺；

在高溫工作環(huán)境下，即溫度＞400℃，所述熱阻層(5)的材料采用二氧化硅。

本發(fā)明所述傳感器通過增加薄膜熱電堆中熱電偶的對(duì)數(shù)、增大熱阻層的厚度來實(shí)現(xiàn)提高所述傳感器對(duì)熱流密度測(cè)量的靈敏度，不需再進(jìn)行信號(hào)放大處理。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種瞬態(tài)溫度和熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制備方法，所述方法包括如下步驟：

第一步、采用磁控濺射方法沉積薄膜，利用掩膜濺射方法或liftoff方法實(shí)現(xiàn)圖形化，在陶瓷基底上形成正極熱電偶、正極熱電偶引線端和正極熱電堆引線端；

第二步、利用掩膜濺射的方法，在第一步的正極熱電偶的兩端形成一層熱電偶連接層，其面積大小根據(jù)設(shè)計(jì)要求靈活調(diào)節(jié)；

第三步、采用磁控濺射方法沉積薄膜，利用掩膜濺射方法或liftoff方法實(shí)現(xiàn)圖形化，在第二步的熱電偶連接層的上表面和與第一步的正極熱電偶首尾對(duì)接形成負(fù)極熱電偶、負(fù)極熱電偶引線端和負(fù)極熱電堆引線端；

第四步、通過濺射二氧化硅或者懸涂聚酰亞胺(PI)，并采用掩膜刻蝕的方法，在薄膜熱電堆的冷結(jié)點(diǎn)上表面形成熱阻層。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明利用薄膜技術(shù)，具有體積小、響應(yīng)速度快的特性，能進(jìn)行瞬態(tài)大熱流的測(cè)量。。

進(jìn)一步的，本發(fā)明中，正極熱電偶引線端和負(fù)極熱電偶引線端通過兩個(gè)引線端接出，可測(cè)量溫度，多對(duì)熱電偶首尾搭接形成薄膜熱電堆，通過熱阻層的影響，正極熱電堆引線端和負(fù)極熱電堆引線端可測(cè)量熱流密度。能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和熱流密度進(jìn)行同步測(cè)量。

進(jìn)一步的，本發(fā)明中，提高所述傳感器對(duì)熱流密度測(cè)量的靈敏度可以通過增加薄膜熱電堆中熱電偶的對(duì)數(shù)和增大熱阻層的厚度差來實(shí)現(xiàn)，不需再進(jìn)行信號(hào)放大處理。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1是本發(fā)明一實(shí)施例的傳感器剖面示意圖；

圖2是本發(fā)明一實(shí)施例的不加熱阻層的整體結(jié)構(gòu)俯視示意圖；

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例的加熱阻層后的整體結(jié)構(gòu)俯視示意圖；

圖中：1為陶瓷基片、2為正極熱電偶、3為負(fù)極熱電偶、4為熱電偶連接層、5為熱阻層、6為正極熱電偶引線端、7為負(fù)極熱電偶引線端、8為正極熱電堆引線端、9為負(fù)極熱電堆引線端。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

如圖1、圖2、圖3所示，一種瞬態(tài)溫度和熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器，包括：陶瓷基片1、正極熱電偶2、負(fù)極熱電偶3、熱電偶連接層4、熱阻層5、正極熱電偶引線端6、負(fù)極熱電偶端7、正極熱電堆引線端8和負(fù)極熱電堆引線端9，其中：

所述正極熱電偶2、負(fù)極熱電偶3、熱電偶連接層4、熱阻層5、正極熱電偶引線端6、負(fù)極熱電偶端7、正極熱電堆引線端8和負(fù)極熱電堆引線端9都設(shè)在陶瓷基片1上；正極熱電偶2和負(fù)極熱電偶3通過熱電偶連接層4對(duì)接；一個(gè)正極熱電偶2和負(fù)極熱電偶3串聯(lián)形成一對(duì)熱電偶，多對(duì)熱電偶首尾搭接形成薄膜熱電堆；熱阻層5覆蓋在薄膜熱電堆冷結(jié)點(diǎn)的上方；正極熱電偶引線端6連接正極熱電偶1，負(fù)極熱電偶引線端7連接負(fù)極熱電偶2；

當(dāng)外部環(huán)境在所述傳感器上施加以垂直方向的熱流時(shí)，由于覆蓋在薄膜熱電堆冷結(jié)點(diǎn)上方的熱阻層5影響，則薄膜熱電堆冷結(jié)點(diǎn)和熱結(jié)點(diǎn)存在溫度差，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，正極熱電偶引線端6和負(fù)極熱電偶引線端7、正極熱電堆引線端8和負(fù)極熱電堆引線端9就有相應(yīng)的電勢(shì)輸出，正極熱電偶引線端6和負(fù)極熱電偶引線端7的輸出電勢(shì)與溫度有關(guān)，正極熱電堆引線端8和負(fù)極熱電堆引線端9輸出電勢(shì)與熱流密度相關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和熱流密度的同步測(cè)量。

一個(gè)所述正極熱電偶2和一個(gè)負(fù)極熱電偶3串聯(lián)形成一對(duì)熱電偶，一對(duì)熱電偶熱結(jié)點(diǎn)的通過正極熱電偶引線端6、負(fù)極熱電偶引線端7接出，所述正極熱電偶引線端6、負(fù)極熱電偶引線端7的輸出電勢(shì)與溫度有關(guān)；根據(jù)測(cè)量要求，可以引出多對(duì)熱電偶，測(cè)量多個(gè)溫度；多對(duì)熱電偶首尾搭接形成薄膜熱電堆，以增大熱電堆的輸出電勢(shì)，所述薄膜熱電堆的輸出電勢(shì)與熱流密度相關(guān)。

如圖2所示，一個(gè)正極熱電偶2和一個(gè)負(fù)極熱電偶3串聯(lián)形成一對(duì)熱電偶，多對(duì)熱電偶首尾搭接后形成薄膜熱電堆。

作為一優(yōu)選的實(shí)施方式，所述正極熱電偶2、負(fù)極熱電偶3和正極熱電偶引線端6、負(fù)極熱電偶端7、正極熱電堆引線端8和負(fù)極熱電堆引線端9均為采用掩膜濺射方法制備的金屬條。

進(jìn)一步的，所述正極熱電偶2、正極熱電偶引線端6和正極熱電堆引線端8采用磁控濺射方法沉積薄膜、利用掩膜濺射方法或liftoff方法實(shí)現(xiàn)圖形化，其材料選用高溫下穩(wěn)定性良好的鉑銠或鉑材料形成：

當(dāng)薄膜熱電堆為PtRh-Pt型熱電偶串聯(lián)而成時(shí)，材料選用鉑銠；

當(dāng)薄膜熱電堆為Pt/ITO型熱電偶串聯(lián)而成時(shí)，材料選用Pt。

進(jìn)一步的，所述負(fù)極熱電偶3、負(fù)極熱電偶引線端7和負(fù)極熱電堆引線端9采用磁控濺射方法沉積薄膜、利用掩膜濺射方法或liftoff方法實(shí)現(xiàn)圖形化，其材料選用高溫下穩(wěn)定性良好的鉑或ITO材料形成：

當(dāng)薄膜熱電堆為PtRh-Pt型熱電偶串聯(lián)而成時(shí)，材料選用鉑；

當(dāng)薄膜熱電堆為Pt/ITO型熱電偶串聯(lián)而成時(shí)，材料選用ITO。

作為一優(yōu)選的實(shí)施方式，所述熱電偶連接層4采用濺射鉻或鈦薄膜形成，用于增大正極熱電偶2、負(fù)極熱電偶3的結(jié)合力。

作為一優(yōu)選的實(shí)施方式，如圖3所示，通過濺射二氧化硅或者懸涂聚酰亞胺(PI)，并利用掩膜刻蝕的方法，在薄膜熱電堆的冷結(jié)點(diǎn)上表面形成熱阻層5，以增大測(cè)量范圍、提高測(cè)量精度；所述熱阻層5的材料采用隔熱效果良好的二氧化硅或者聚酰亞胺(PI)，具體材料的選擇可根據(jù)工作條件而定：

在低溫工作條件下(溫度小于400℃)，熱阻層5可采用聚酰亞胺(PI)材料；

在高溫工作條件下(溫度大于400℃)，熱阻層5可采用二氧化硅材料。

實(shí)施例2

一種瞬態(tài)溫度和熱流密度聯(lián)測(cè)傳感器的制備方法，包括如下步驟：

第一步、采用磁控濺射方法沉積薄膜，利用掩膜濺射方法或liftoff方法實(shí)現(xiàn)圖形化，以在陶瓷基底1上形成正極熱電偶2、正極熱電偶引線端6和正極熱電堆引線端8；其中：

當(dāng)薄膜熱電堆為PtRh-Pt型熱電偶時(shí)，所述正極熱電偶2、正極熱電偶引線端6和正極熱電堆引線端8的材料選用鉑銠；

當(dāng)薄膜熱電堆為Pt/ITO型熱電偶時(shí)，所述正極熱電偶2、正極熱電偶引線端6和正極熱電堆引線端8的材料選用Pt；

第二步、采用掩膜濺射的方法，在第一步的正極熱電偶2的兩端形成一層熱電偶連接層4，所述熱電偶連接層4的材料選用鉻或鈦；

第三步、采用磁控濺射方法沉積薄膜，利用掩膜濺射方法或liftoff方法實(shí)現(xiàn)圖形化，在第二步的熱電偶連接層4的上表面和與第一步的正極熱電偶2首尾對(duì)接形成負(fù)極熱電偶3、負(fù)極熱電偶引線端7和負(fù)極熱電堆引線端9；其中：

當(dāng)薄膜熱電堆為PtRh-Pt型熱電偶時(shí)，所述負(fù)極熱電偶3、負(fù)極熱電偶引線端7和負(fù)極熱電堆引線端9的材料選用鉑；

當(dāng)薄膜熱電堆為Pt/ITO型熱電偶時(shí)，所述負(fù)極熱電偶3、負(fù)極熱電偶引線端7和負(fù)極熱電堆引線端9的材料選用ITO；

第四步、通過濺射二氧化硅或者懸涂聚酰亞胺(PI)，并采用掩膜刻蝕的方法，在正極熱電偶2和負(fù)極熱電偶3的冷結(jié)點(diǎn)上表面形成熱阻層5；其中：所述熱阻層5的材料選擇根據(jù)工作條件而定：

在低溫工作條件下(溫度小于400℃)，所述熱阻層5采用聚酰亞胺(PI)材料；

在高溫工作條件下(溫度大于400℃)，所述熱阻層5采用二氧化硅材料。

本發(fā)明利用薄膜技術(shù)，具有體積小、響應(yīng)速度快的特性，能進(jìn)行瞬態(tài)溫度和熱流密度的測(cè)量；選用陶瓷基底具有耐高溫、與氧化物熱阻層有良好的熱匹配的特性；薄膜熱電堆由PtRh-Pt型熱電偶或Pt/ITO熱電偶組成，可以提高所述傳感器在高溫下工作的穩(wěn)定性；利用多對(duì)正極熱電偶和負(fù)極熱電偶串聯(lián)形成熱電堆、增大熱阻層的厚度來實(shí)現(xiàn)提高所述傳感器對(duì)熱流密度測(cè)量的靈敏度，不需再進(jìn)行信號(hào)放大處理。熱阻層材料根據(jù)工作環(huán)境采用聚酰亞胺(PI)或SiO₂，可擴(kuò)大測(cè)溫范圍；采用這兩種材料做熱阻層，不僅具有良好的隔熱效果，還可以作為所述熱流計(jì)的保護(hù)層，以防止氧化。本發(fā)明中，單個(gè)熱電偶熱結(jié)點(diǎn)的兩側(cè)通過兩個(gè)引線接出，可測(cè)量溫度，根據(jù)測(cè)量要求，可以引出多對(duì)熱電偶，測(cè)量多個(gè)溫度；多對(duì)熱電偶首尾搭接形成薄膜熱電堆，通過熱阻層的影響，可測(cè)量熱流密度。能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和熱流密度進(jìn)行同步測(cè)量。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。