本發(fā)明屬于微型溫度傳感器芯片技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高靈敏薄膜熱電偶傳感器芯片及制作方法。

背景技術(shù)：

熱電偶發(fā)明于1821年，在那之后熱電偶溫度傳感器在蒸汽溫度測(cè)量、對(duì)爆炸產(chǎn)物的熱響應(yīng)、供暖、測(cè)高溫物體表面溫度等領(lǐng)域中取得了很大的成功。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等優(yōu)點(diǎn)，使其成為標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)量設(shè)備。在這些傳感器中，高溫溫度傳感器在測(cè)量惡劣工況下的溫度中具有重要地位，這種傳感器在很多不同傳感器配置中都取得了成就。然而，對(duì)于需要微型化的接觸式高溫直接測(cè)量，尤其是動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)環(huán)境下的測(cè)量，現(xiàn)在技術(shù)手段存在一些不足。采用MEMS技術(shù)的新型薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)，是一個(gè)解決此問題的新發(fā)展方向。目前，發(fā)明人曾提出一種合金薄膜熱電偶溫度傳感器芯片，但是由于其冷端與熱端距離較近，難于直接形成大梯度溫度場(chǎng)，只適用于靜態(tài)測(cè)試環(huán)境中，當(dāng)處于動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)環(huán)境下，由于熱電偶的冷端與熱端溫度將會(huì)在長(zhǎng)時(shí)工作后越來(lái)越接近，難于形成大散熱梯度，會(huì)在很大程度上影響傳感器測(cè)試的靈敏度。通過設(shè)計(jì)新的傳感器結(jié)構(gòu)，解決動(dòng)態(tài)高溫溫度場(chǎng)測(cè)試環(huán)境中冷端溫度過高的問題，建立大散熱梯度，增強(qiáng)薄膜熱電偶靈敏度，成為一個(gè)突出的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高靈敏薄膜熱電偶傳感器芯片及制作方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中合金薄膜熱電偶在高溫環(huán)境下的冷端溫度過高問題；本發(fā)明建立大散熱梯度，增強(qiáng)薄膜熱電偶靈敏度，提出高靈敏薄膜熱電偶傳感器芯片，使其具有能長(zhǎng)時(shí)間在非靜態(tài)高溫溫度場(chǎng)下能準(zhǔn)確測(cè)量溫度并同時(shí)保持微型化的特點(diǎn)。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種高靈敏薄膜熱電偶傳感器芯片，包括殼體，殼體內(nèi)部設(shè)置放置合金薄膜的腔體和放置石墨烯的環(huán)形孔；環(huán)形孔位于腔體外周；腔體內(nèi)設(shè)有一層合金薄膜制成薄膜熱電偶，環(huán)形孔內(nèi)設(shè)有石墨烯；殼體包括三段：測(cè)試探頭、中間圓臺(tái)和引線端。

進(jìn)一步的，測(cè)試探頭外部為直徑為3mm，高度為3mm的圓柱；中間圓臺(tái)為一圓臺(tái)，上底面直徑3mm，下底面直徑為4mm，高為7mm；引線端為兩個(gè)空心圓柱，外圓直徑1mm，內(nèi)圓直徑0.5mm，高度為1mm。

進(jìn)一步的，殼體包括零件A和零件B兩部分，兩部分連接配合，實(shí)現(xiàn)合金薄膜的封閉。

進(jìn)一步的，零件A和零件B通過銷釘與孔配合實(shí)現(xiàn)連接。

進(jìn)一步的，所述殼體為冷壓制陶瓷殼體。

一種高靈敏薄膜熱電偶傳感器芯片的制作方法，包括以下步驟：

1)將碳化硅粉末使用等靜壓成型技術(shù)工藝制作為傳感器殼體；

2)在殼體腔內(nèi)采用原子沉積技術(shù)生長(zhǎng)納米級(jí)厚度的合金薄膜；

3)使用氧化石墨烯還原在環(huán)形孔中制備增強(qiáng)石墨烯；

4)在真空環(huán)境下完成殼體安裝并接線。

進(jìn)一步的，步驟1)中在傳感器殼體上打環(huán)形孔；打孔位置根據(jù)殼體一階振型模態(tài)測(cè)試結(jié)果，選擇應(yīng)變最高處，孔徑0.2mm。

進(jìn)一步的，步驟3)中先通過氧化石墨烯還原法制備膠體溶液，再通過LB膜技術(shù)制備GO薄膜，最后通過熱還原法得到增強(qiáng)石墨烯。

與傳統(tǒng)熱電偶、其他薄膜熱電偶傳感器相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

石墨烯由于有可以自由移動(dòng)的電子，熱導(dǎo)率很高，可通過所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)制建立大散熱梯度，滿足傳感器冷端快散熱要求。

傳感器的包覆結(jié)構(gòu)可以有效防止合金薄膜的氧化失效。

相對(duì)于傳統(tǒng)薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)，能通過石墨烯的大梯度散熱效果在動(dòng)態(tài)測(cè)試環(huán)境中使熱電偶冷熱端溫度差增大，提高輸出靈敏度。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了微型化大塞貝克系數(shù)材料的高溫度傳感器在動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)環(huán)境下的測(cè)試，較好的解決了冷端與熱端距離較近，難于直接形成大梯度溫度場(chǎng)的問題，加強(qiáng)了薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)測(cè)試的效果，提升了靈敏度；常規(guī)C型熱電偶絲、薄膜熱電偶的靈敏度在10uv/k左右，而本發(fā)明可以提升十倍。

本發(fā)明通過設(shè)計(jì)新的傳感器結(jié)構(gòu)，能夠能在動(dòng)態(tài)高溫溫度場(chǎng)下長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量溫度信號(hào)，通過強(qiáng)制換熱效果使熱電偶薄膜的冷端與熱端建立大散熱梯度，從而增強(qiáng)薄膜熱電偶靈敏度，具有高靈敏、微型化、耐高溫、防氧化、高塞貝克系數(shù)、適用于的動(dòng)態(tài)測(cè)試的特性，并同時(shí)解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的解決動(dòng)態(tài)高溫溫度場(chǎng)測(cè)試環(huán)境中薄膜熱電偶冷端溫度過高，導(dǎo)致靈敏度低的問題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明封裝的結(jié)構(gòu)主視圖。

圖2為本發(fā)明封裝的結(jié)構(gòu)俯視圖。

圖3為本發(fā)明封裝俯視圖的剖面圖A-A(即殼體零件A部分)。

圖4為本發(fā)明封裝殼體零件A部分的側(cè)視圖。

圖5為本發(fā)明封裝殼體零件B部分的主視圖。

圖6為本發(fā)明封裝殼體零件B部分的側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明一種高靈敏薄膜熱電偶傳感器芯片，包括殼體，殼體內(nèi)部設(shè)置放置合金薄膜的腔體5和放置石墨烯的環(huán)形孔6。環(huán)形孔6位于腔體5外周。

腔體5內(nèi)采用原子沉積技術(shù)生長(zhǎng)一層U形狀納米級(jí)厚度的合金薄膜制成薄膜熱電偶，環(huán)形孔6內(nèi)通過氧化石墨烯還原制備增強(qiáng)石墨烯。

殼體包括三段：測(cè)試探頭1、中間圓臺(tái)2和引線端3；測(cè)試探頭1外部為直徑為3mm，高度為3mm的圓柱。中間圓臺(tái)2為一圓臺(tái)，上底面直徑3mm，下底面直徑為4mm，形成一定的錐度，高為7mm。引線端3為空心圓柱，外圓直徑1mm，內(nèi)圓直徑0.5mm，高度為1mm。封裝結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)11mm，最大直徑為4mm。

殼體包括零件A和零件B兩部分，兩部分連接配合，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的封閉。零件A部分有六個(gè)圓孔4，分別與零件B部分相應(yīng)的六個(gè)銷釘7對(duì)應(yīng)，圓孔4與銷釘7是零件A部分和零件B部分的唯一區(qū)別。腔體5表面有采用原子沉積技術(shù)制備的合金薄膜，殼體兩側(cè)都有合金薄膜，在引線端3處接線，將導(dǎo)線引出。環(huán)形孔6內(nèi)放置采用氧化石墨烯還原制備的增強(qiáng)石墨烯。

本發(fā)明的工作原理為：

首先，本發(fā)明通過所采用的冷壓制陶瓷殼體結(jié)構(gòu)，在兩部分接合處填充吸氧劑，高溫加熱吸收其中氣體并發(fā)生形態(tài)改變從而密封邊緣，能致密的隔絕空氣，并具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，而使用氧化石墨烯還原制備增強(qiáng)石墨烯能對(duì)薄膜熱電偶的冷端起到強(qiáng)制散射以大梯度降低溫度的作用。

塞貝克效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是兩種金屬接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生接觸電勢(shì)差，該電勢(shì)差取決于兩種金屬中的電子溢出功不同及兩種金屬中電子濃度，受熱端向冷端的電子擴(kuò)散與電子自由程影響，塞貝克效應(yīng)電勢(shì)差的計(jì)算公式：

式中：S_A與S_B分別為兩種材料的塞貝克系數(shù)，T為熱電偶溫度，T₁為冷端溫度，T₂為熱端溫度。

當(dāng)傳感器芯片受到某一熱流作用時(shí)，由于溫度場(chǎng)發(fā)生改變，根據(jù)塞貝克效應(yīng)原理，會(huì)在合金薄膜組上產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)由高溫電極傳導(dǎo)，外部會(huì)接受到對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，因此傳感器芯片的輸出電壓由其所處的溫度值決定，傳感器芯片實(shí)現(xiàn)了將物理量的溫度轉(zhuǎn)換為便于采集與測(cè)量的電壓信號(hào)的功能。

薄膜熱電偶的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其最主要的優(yōu)勢(shì)之一就是響應(yīng)迅速，非常適合測(cè)量瞬變的溫度場(chǎng)。用時(shí)間常數(shù)τ來(lái)表示其響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)薄膜熱電偶突然置于溫度為T的被測(cè)環(huán)境中，熱量首先由被測(cè)介質(zhì)以對(duì)流換熱的方式傳輸?shù)綗犭娕挤姥趸け砻妫诜姥趸?nèi)部和后續(xù)的熱電偶層以及基底中，熱量是以熱傳導(dǎo)的形式傳輸?shù)摹?/p>

其次，一種高靈敏薄膜熱電偶傳感器芯片，通過石墨烯的通過強(qiáng)制換熱效果使熱電偶薄膜的冷端與熱端建立大梯度溫度場(chǎng)。石墨烯是由碳原子在二維空間中緊密堆積形成的，原子形成蜂巢狀的六角結(jié)構(gòu)。每個(gè)碳原子通過G鍵與臨近的三個(gè)碳原子相連，組成sp2雜化結(jié)構(gòu)，具有1200的鍵角。且石墨烯平面內(nèi)存在7c軌道，電子可在晶體中自由移動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)使得石墨烯具有極高的力學(xué)性能和優(yōu)異的電子傳輸性能。除此之外，石墨烯還具有很多優(yōu)異性能，如零能隙，高比表面積，高導(dǎo)熱性(約5000W/m/K)，良好的耐化學(xué)耐熱性。使用氧化石墨烯還原制備增強(qiáng)石墨烯，能夠強(qiáng)制熱電偶薄膜的冷端與熱端在動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)環(huán)境下建立大散熱梯度。

最后，一種含高溫保護(hù)薄膜組的薄膜熱電偶傳感器，采用合金材料的塞貝克效應(yīng)作為敏感原理。合金具有2700K的熔點(diǎn)，適用于熱電偶，但在非保護(hù)氣體環(huán)境下會(huì)高溫氧化失效，本傳感器通過靜壓成型的結(jié)構(gòu)，對(duì)合金加以保護(hù)，再通過原子層沉積，讓合金薄膜能在及其微型的腔體5內(nèi)生長(zhǎng)。

本發(fā)明還公開了一種高靈敏薄膜熱電偶傳感器芯片的制作方法，包括以下步驟：

1)將碳化硅粉末使用等靜壓成型技術(shù)工藝制作為傳感器殼體，打環(huán)形孔(打孔位置根據(jù)殼體一階振型模態(tài)測(cè)試結(jié)果，選擇應(yīng)變最高處，孔徑0.2mm)；

2)在殼體腔內(nèi)采用原子沉積技術(shù)(ALD)生長(zhǎng)納米級(jí)厚度的合金薄膜；

3)使用氧化石墨烯在環(huán)形孔中還原制備增強(qiáng)石墨烯，注射量：6～8Ml，注射速度：200μL/min，提拉速度：0.5mm/min；石墨烯是以六元環(huán)結(jié)構(gòu)周期性緊密堆積的單層碳原子形成的二維晶體結(jié)構(gòu)，先通過改進(jìn)的氧化石墨烯還原法制備膠體溶液，再通過LB膜技術(shù)制備GO薄膜，最后通過熱還原法得到增強(qiáng)石墨烯。

4)使用吸氧劑及安裝釘在真空環(huán)境下完成整體安裝并接線。吸氧劑填充安裝縫隙與邊緣，在高溫加熱后吸收內(nèi)部氣體并發(fā)生形態(tài)改變而固化，從而形成邊緣的自密封。

以上內(nèi)容僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。