[發(fā)明專利]一種用于瞬態(tài)溫度測量的薄膜傳感器及其制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410158443.3
• 申請日: 2014-04-18
• 公開（公告）號: CN103900727B
• 公開（公告）日: 2016-11-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 崔云先;趙家慧;郭立明;安陽;祁洋;宮刻;張啟祥
• 申請（專利權(quán)）人: 大連交通大學(xué)
• 主分類號: G01K7/02
• 分類號: G01K7/02;C23C14/35;C23C14/06;C04B35/622
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 楊威;李洪福

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于溫度測量技術(shù)及傳感器制備技術(shù)領(lǐng)域，具體的說是涉及一種用于瞬態(tài)溫度測量的薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)及其制作方法。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在冶金建材、熱工設(shè)備，動力機(jī)械、火箭發(fā)動機(jī)，化工容器、核能工程等多種學(xué)科領(lǐng)域中，瞬態(tài)溫度的測量都占有非常重要的地位，尤其是瞬態(tài)表面溫度。薄膜熱電偶具有熱容量小、體積小、響應(yīng)速度快、對待測部件破壞小以及對測試環(huán)境干擾小等優(yōu)點，因此在熱輻射測量及表面溫度測量中得到了重要的應(yīng)用。對于薄膜熱電偶，如利用物理氣相沉積中濺射方式進(jìn)行制備，則需要分兩次分別完成不同材料薄膜的沉積，雙重工藝難免會引入各種界面效應(yīng)，如雜質(zhì)、不同材料間的熱應(yīng)力等，這些都會對熱電偶的穩(wěn)定性和精確性造成影響；而且在薄膜接合部分薄膜厚度疊加也會對測試平面的平整度造成影響。同時薄膜熱電偶輸出的熱電勢一般在毫伏級別，要求熱電偶和基體間具有良好的絕緣性能，否則會因熱電勢損耗而產(chǎn)生測量誤差。由于一般絕緣材料其具有負(fù)電阻溫度系數(shù)，在高溫條件下阻值急劇減小，將失去絕緣性能，因此就對絕緣層薄膜的材料與制造方法提出了更高的要求。同時補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電極薄膜連接也一直是困擾薄膜熱電偶制備的問題之一。在進(jìn)行科學(xué)實驗時通常采用耐高溫導(dǎo)電銀膠粘結(jié)熱電偶電極與導(dǎo)線，但是由于導(dǎo)電銀膠在固體狀態(tài)下非常脆弱容易脫落，及其不牢固，所以，現(xiàn)在急需一種解決引線連接問題的方法。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于已有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是要提供一種響應(yīng)時間短、測量精度高，用于測量惡劣環(huán)境下瞬態(tài)連續(xù)溫度的鎧裝便攜式薄膜傳感器及其制作方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種用于瞬態(tài)溫度測量的薄膜傳感器，包括熱電極、套裝在熱電極外的不銹鋼套筒以及設(shè)置于熱電極、不銹鋼套筒之間的絕緣層，其特征在于：所述熱電極包括熱電極一及熱電極二，其中，熱電極一包括導(dǎo)線部分以及鍍覆在絕緣層任一端面上的薄膜結(jié)構(gòu)部分，熱電極二為導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，熱電極一的薄膜結(jié)構(gòu)部分與熱電極二接觸形成熱接點——即測溫端；所述熱電極一的導(dǎo)線部分及熱電極二的長度均長于不銹鋼套筒的長度，且自遠(yuǎn)離測溫端的不銹鋼套筒端頭處伸出，上述熱電極伸出不銹鋼套筒的部分直接作為各個熱電極對應(yīng)的補(bǔ)償導(dǎo)線。

所述的絕緣層為高溫?zé)Y(jié)納米陶瓷粉制備而成的絕緣層。

所述的熱電極一薄膜結(jié)構(gòu)和導(dǎo)線結(jié)構(gòu)均采用鎳硅合金材料。

所述的熱電極二采用鎳鉻合金材料。

所述的不銹鋼套筒外壁設(shè)置螺紋結(jié)構(gòu)。

所述的熱電極一的薄膜結(jié)構(gòu)部分上鍍覆一層Si₃N₄保護(hù)膜。

上述傳感器具體制作方法：

首先將長于不銹鋼套筒的熱電極一、熱電極二的導(dǎo)線材料按照相應(yīng)的尺寸要求固定在導(dǎo)線支架上，將所述兩根導(dǎo)線表層分別粉刷納米陶瓷粉，然后垂直放入不銹鋼套筒中，將不銹鋼套筒一端口倒扣在平面上；

然后從另一端用納米陶瓷粉填充不銹鋼套筒，隨后對裝有納米陶瓷粉的不銹鋼套筒進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)；

將上述進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)的不銹鋼套筒的倒扣在平面上的端面按照相應(yīng)的薄膜制備要求進(jìn)行金相研磨、拋光達(dá)到鏡面，使其表面露出熱電極一、熱電極二導(dǎo)線的觸點；

通過磁控濺射方式制備測量端的薄膜部分：通過磁控濺射方式制備熱電極一薄膜部分即將熱電極一材料靶材制備成薄膜沉積在拋光后的端面上，該熱電極一薄膜部分與熱電極二的連接處形成了本傳感器結(jié)構(gòu)的熱接點即測溫端A，同時伸出不銹鋼套筒部分的熱電極一、熱電極二的導(dǎo)線可直接作為補(bǔ)償導(dǎo)線；

最后在測量端的薄膜部分表面通過磁控濺射方式制備Si₃N₄保護(hù)膜。

所述的熱電極一薄膜結(jié)構(gòu)和導(dǎo)線結(jié)構(gòu)為鎳硅合金材料，所述的熱電極二為鎳鉻合金材料。

所述的不銹鋼套筒外壁設(shè)置螺紋結(jié)構(gòu)。

所述的高溫?zé)Y(jié)條件是在960℃高溫條件下燒結(jié)15分鐘。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明具有攜帶方便、響應(yīng)時間短、測量精度高等優(yōu)點；其采用高溫?zé)Y(jié)納米陶瓷粉制備而成的絕緣層具有結(jié)合性好，強(qiáng)度高等優(yōu)點；且熱電極導(dǎo)線和補(bǔ)償導(dǎo)線一體化設(shè)計，避免了膠水粘結(jié)補(bǔ)償導(dǎo)線風(fēng)干后，硬、脆，易脫落的弊端。

附圖說明

圖1是本發(fā)明用于瞬態(tài)溫度測量的薄膜傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明測量端局部放大圖。

圖3是本發(fā)明采用磁控濺射方法濺射薄膜時所用的掩膜夾具；

圖4是本發(fā)明采用導(dǎo)線支架。