[發明專利]一種薄膜型超高溫熱流傳感器敏感元及其制備方法

在審

• 申請號: 201711475117.5
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN108287027A
• 公開（公告）日: 2018-07-17
• 發明（設計）人: 陳實;阮富崇;付小麗;楊曉非
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01K7/02
• 分類號: G01K7/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 許恒恒;李智

本發明屬于高溫熱流傳感器領域，更具體地，涉及一種薄膜型超高溫熱流傳感器敏感元及其制備方法。該熱流傳感器敏感元包括基底、位于所述基底上表面的熱阻層和差分熱電偶陣列，差分鎢錸合金熱電偶陣列由多個差分熱電偶串聯而成，差分熱電偶的冷端位于所述基底上表面，熱端位于所述熱阻層上表面，差分熱電偶的冷端和熱端首尾相連組成差分熱電偶陣列。差分熱電偶為鎢錸合金熱電偶，本發明提供的熱流傳感器敏感元結構單元中采用兩種不同金屬錸含量的鎢錸合金作為熱電偶正負極材料，鎢錸合金熔點高，塞貝克系數也較高；配合表面的抗氧化保護層，制成的熱流傳感器敏感元適用于超高溫1200℃以上。

技術領域

本發明屬于高溫熱流傳感器領域，更具體地，涉及一種薄膜型超高溫熱流傳感器敏感元及其制備方法。

背景技術

熱流傳感器可用于傳導熱流、熱流分布、流體輸送熱流等熱傳遞過程的測量，其中對熱流分布的測量對科學研究、航空航天以及動力工程中環境參數的監控有著重大意義。隨著熱流檢測的理論和技術越來越受到重視，測量熱流用的傳感器——熱流傳感器的研究和使用也越來越廣泛。雖然熱流傳感器已經得到廣泛的應用，但是在高溫領域，熱流傳感器的實際性能存在一些不足，如耐受溫度普遍低于800℃，在航空航天、核能、冶金等存在高溫環境的領域得不到很好的應用。

目前也有一些商業化熱流傳感器使用鎧裝、水冷等保護方法人為降低敏感元溫度，使其能夠在800℃以上高溫環境長時間工作，然而這種熱流傳感器具有體積大、響應速度慢、工作時間短等缺點，使用范圍受到很大限制。

發明內容

針對現有技術存在的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種薄膜型超高溫熱流傳感器敏感元及其制備方法，其充分結合薄膜型熱流傳感器敏感元的結構特點和需求，針對性地對該敏感元結構中的熱電偶材料和關鍵結構單元進行重新設計，相應取得了一種能夠適用于超高溫1200℃以上的熱流傳感器敏感元，并且其靈敏度高，可解決高溫下長時間熱流測量的問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種薄膜型熱流傳感器敏感元，包括基底、位于所述基底上表面的熱阻層和差分熱電偶陣列，所述差分熱電偶陣列由多個差分熱電偶串聯而成，所述差分熱電偶的冷端位于所述基底上表面，熱端位于所述熱阻層上表面，所述差分熱電偶的冷端和熱端首尾相連組成所述差分熱電偶陣列。

優選地，所述差分熱電偶為鎢錸合金熱電偶，所述鎢錸合金熱電偶采用不同錸含量的鎢錸合金材料作為所述差分熱電偶的正負極材料。

優選地，所述熱流傳感器敏感元還包括位于頂部的抗氧化保護層。

優選地，所述不同錸含量的鎢錸合金選自鎢錸3合金、鎢錸5合金、鎢錸10合金、鎢錸25合金和鎢錸26合金。

優選地，所述鎢錸合金熱電偶的兩極材料為鎢錸5合金-鎢錸26合金或鎢錸3合金-鎢錸25合金。

優選地，所述導熱基底的導熱系數大于所述熱阻層的導熱系數。

優選地，所述熱阻層和所述差分熱電偶陣列的總厚度不大于10微米。

按照本發明的另一個方面，提供了一種薄膜型熱流傳感器敏感元的制備方法，包括如下步驟：

(1)在絕緣導熱基底材料上淀積初始熱阻層，且所述絕緣導熱基底材料的熱導率大于所述初始熱阻層材料的熱導率；

(2)通過光刻、蝕刻所述初始熱阻層得到側面為斜坡狀的呈陣列式排列的熱阻層，且所述熱阻層的底部邊緣位于所述絕緣導熱基底的邊緣內側；

(3)使用第一熱電偶材料層的掩膜版進行光刻，然后通過磁控濺射和超聲剝離得到第一熱電偶材料層，且所述第一熱電偶材料層的一端與步驟(2)所述熱阻層的上表面相接觸，另一端與所述絕緣導熱基底一側的上表面相接觸；