[發(fā)明專利]一種薄膜式熱流密度傳感器及其制造方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010124574.1
• 申請日: 2010-03-16
• 公開（公告）號: CN101819074A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郝慶瑞
• 申請（專利權(quán)）人: 中國飛機強度研究所
• 主分類號: G01K17/00
• 分類號: G01K17/00;G01K17/08;G01K7/22
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 杜永保

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種薄膜式熱流密度傳感器制造方法。

背景技術(shù)

熱流密度傳感器主要用于輻射熱流強度的測量，既可以進行純輻射熱 流測量，也可以進行包括輻射、對流的復(fù)合熱流測量。薄膜式熱流密度傳 感器是基于熱電堆原理的無源器件。請參閱圖1，其是薄膜式熱流密度傳感 器原理示意圖。當(dāng)受到與測量面垂直的熱流1照射時，熱阻層2將吸收部 分能量并發(fā)展為溫度梯度，此時薄膜式熱流密度傳感器的熱阻層2內(nèi)低溫 端3和高溫端4交錯排列。根據(jù)傅立葉定律可以得到通過測量面的熱流密 度：

q＝dQ/Ds＝-λ×dT/dX????(1)

式中：q為熱流密度；dQ為通過測量面上微小面積dS的熱量；dT/dX為垂 直于測量面方向的溫度梯度；λ為熱阻層的導(dǎo)熱系數(shù)；如果T和T+δΔT 的兩個等溫面平行時：

q＝-λ×ΔT/ΔX????(2)

式中：q為熱流密度；ΔT為兩等溫面的溫差；ΔX為兩等溫面之間的距離。

只要知道熱阻層的厚度ΔX，導(dǎo)熱系數(shù)λ，通過測到的溫差ΔT就可以 知道通過的熱流密度。當(dāng)用熱電堆測量溫差ΔT時，這個溫差是與熱流密度 成正比的，溫差的數(shù)值也與熱電堆產(chǎn)生的電動勢的大小成正比例，因此測 出溫差電動勢就可以反映熱流密度的大小：

q＝C×E????(3)

式中：q為熱流密度；C為傳感器靈敏度系數(shù)w/(m²·mv)；E為溫差電動勢。

如2005年4月廖亞飛在重慶建筑大學(xué)學(xué)報第27卷第2期所發(fā)表的《熱 流計的發(fā)展、國際領(lǐng)先技術(shù)與改進方向研究》中所闡述的現(xiàn)有熱電堆制作 方法是用熱電極材料(例如康銅)在絕緣板條上繞線圈，然后在此繞好的 熱電極材料線圈上的一半鍍上另一種熱電極材料(例如銅)組成熱電堆。

由于在一片板條繞線圈只能在板條的兩個端頭固定，每一圈扁、圓不 可能一致，而且一個測頭有幾百圈，使得各個測頭千差萬別。另外為了電 鍍，線圈必須是裸線，在制作過程中容易因碰線而改變性能，各線圈之間 需要多點串連焊接，焊點多且焊點狀況也各不相同。由于各測頭的差別大， 可靠性和精度較低，標定難度較高，需要較高精度的標定設(shè)備，因此成本 較高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的：本發(fā)明提供了一種成本較低、可靠性和精度較高的熱 流密度傳感器的制造方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案：一種薄膜式熱流密度傳感器的制造方法，其包括 如下步驟：

步驟1：提供一由金屬材料制成的水冷板基底；

步驟2：在所述基底上通過真空離子濺射的方式生成交錯排列的熱電極 A和熱電極B，組成熱電堆；

步驟3：在熱電堆的兩端分別設(shè)置引出線；

步驟4：在設(shè)置有熱電堆的基底表面覆蓋兩層厚度不同的第一熱阻材料 和第二熱阻材料，且分別設(shè)置在熱電堆高溫端和熱電堆低溫端。

其中，步驟2所述的在基底上通過真空離子濺射的方式生成熱電極A 和熱電極B的工藝，可以進一步細分為如下步驟：

s1：提供并安裝靶材和A組掩模版，其中，所述靶材為標準熱電極材 料；

s2：清洗基底，并安裝基底；

s3：抽真空并烘烤，當(dāng)真空抽到10^-3Pa時，加熱烘烤到150℃～250 ℃，并保持氣壓不高于3.0×10^-3Pa；

s4：輝光清洗，充惰性氣體至0.5～2.0×10^-3Pa，打開離子清洗電源， 電壓從1000V～2000V范圍逐步調(diào)整，使輝光清洗由弱逐漸增強，真空室內(nèi) 出現(xiàn)清晰的輝光，整個輝光清洗過程保持8～12分鐘；

s5：在基底上濺射鍍膜，啟動濺射電源和偏壓電源，減少惰性氣體供 給量，使真空度達到8×10^-2Pa，偏壓電源電壓從零V起逐步調(diào)高至60～ 100V，濺射電源電壓從零V起逐步調(diào)高至500～700V，電流設(shè)定在3～5A， 保持濺射鍍膜過程10～20分鐘，使鍍膜厚度達到8～12微米，形成熱電極 A；

s6：冷卻10～20分鐘后，充惰性氣體降低真空度至1～3×10^-1Pa，停留 5分鐘后充入大氣；

s7：取出待測構(gòu)件，將A組掩模版更換為B組掩模版，并重復(fù)步驟s2 至步驟三s6，形成熱電極B，且二次所鍍薄膜之間存在作為測溫點的交接 點。