本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器及制備方法，由高溫保護薄膜組與并聯(lián)鎢錸薄膜熱電偶共同構(gòu)成傳感器芯片。其中鎢錸合金薄膜組、高溫電極和氧化鋁薄膜保護層這三部分均連接在碳化硅質(zhì)基底上，覆蓋非晶態(tài)碳化硅薄膜保護層。本發(fā)明專利技術(shù)能夠能在高溫下(1000-1700K)，長時間測量溫度信號，具有耐高溫、防氧化、高塞貝克系數(shù)的特性，并同時解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題——如高溫下的熱失配、氧化、1400K附近基本失效的問題。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于微型溫度傳感器芯片
，具體涉及一種含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器及制備方法。
技術(shù)介紹
熱電偶溫度傳感器，自19世紀20年代被首次專利技術(shù)后，在溫度測量領(lǐng)域應用廣泛，作為標準測試測量設備的一種，具有在制造使用上簡單方便、在測量測試上高精度慣性小的優(yōu)點。其中的高溫熱電偶溫度傳感器，在測量惡劣工況下的溫度中有重要價值。然而，對于需要微型化的接觸式高溫直接測量，現(xiàn)在技術(shù)手段不足。采用磁控濺射技術(shù)的新型薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)，是一個解決此問題的新發(fā)展方向。最近有基于這種結(jié)構(gòu)特性的研究成果，如使用鎳鉻合金的結(jié)合結(jié)構(gòu)。雖然有一定效果，但仍舊沒有解決在長時間高溫下的溫度測量問題。傳統(tǒng)型熱電偶溫度傳感器以電偶絲為核心工作部件，工作溫度高，但缺點為體積較大，難于應用于特殊的工業(yè)需求之下。目前，現(xiàn)有技術(shù)中曾提出一種采用鎢錸合金薄膜熱電偶溫度傳感器芯片，在1000K以下高溫測量上效果明顯，但當測溫范圍上升到更高的溫度，即1000K～1700K范圍內(nèi)，由于不同的失效機理，仍然效果不足。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中高溫下的熱失配、氧化、1400K附近基本失效等問題，提出一種含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器及制備方法，使其具有能長時間在1000K～1700K高溫下溫度測量的同時，還兼具了微型化的特點。為達到上述目的，本專利技術(shù)采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，包括碳化硅質(zhì)基底，碳化硅質(zhì)基底的上表面設置并聯(lián)鎢錸合金薄膜組；并聯(lián)鎢錸合金薄膜組的正負極分別連接高溫電極，并聯(lián)鎢錸合金薄膜組上依次設置有氧化鋁薄膜保護層和碳化硅薄膜保護層。本專利技術(shù)進一步的改進在于：所述并聯(lián)鎢錸合金薄膜組的正極一側(cè)與負極一側(cè)厚度相同。所述高溫電極與并聯(lián)鎢錸合金薄膜組的冷端相連。所述并聯(lián)鎢錸合金薄膜組被氧化鋁薄膜保護層完全包覆，氧化鋁薄膜保護層的厚度為并聯(lián)鎢錸合金薄膜組厚度的2～3倍。所述碳化硅薄膜保護層為非晶態(tài)碳化硅薄膜保護層。所述氧化鋁薄膜保護層被非晶態(tài)碳化硅薄膜保護層完全包覆，非晶態(tài)碳化硅薄膜保護層的厚度與并聯(lián)鎢錸合金薄膜組厚度相同。一種含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器的制備方法，包括以下步驟：1)將碳化硅壓制拋光為表面粗糙度為10級的底片，并在80～200℃下進行無氧燒結(jié)，得到碳化硅質(zhì)基底；2)采用濃硫酸與雙氧水的混合溶液，超聲波清洗碳化硅質(zhì)基底；其中，濃硫酸與雙氧水的體積比例為3:1；3)清洗后脫水烘干，單面涂覆光刻膠，采用光薄掩膜板進行紫外線光刻，刻蝕深度為2μm；4)采用磁控濺射，選取150w功率，60sccm流量，鍍并聯(lián)鎢錸合金薄膜組；5)剝離，使用丙酮溶液洗滌，磁控濺射鍍氧化鋁薄膜保護層；6)冷卻，磁控濺射鍍非晶態(tài)碳化硅薄膜保護層；7)激光打孔，在碳化硅質(zhì)基底打孔，采用高溫水泥與高溫導電膠復合連接，將電偶補償導線引入，制作高溫電極。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下有益效果：對傳統(tǒng)熱電偶、不含復合保護薄膜組結(jié)構(gòu)層的鎢錸合金熱電偶薄膜傳感器和使用本專利技術(shù)的一種含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器進行對比，得到如下分析結(jié)果：比較項目本專利技術(shù)實現(xiàn)了微型化大塞貝克系數(shù)材料的高溫度傳感器在耐1000K～1700K范圍內(nèi)的高溫長時間運行，較好的解決了材料蒸騰與脫落的問題，加強了防氧化的效果。【附圖說明】圖1為本專利技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專利技術(shù)的正面視圖及工作示意圖?！揪唧w實施方式】下面結(jié)合附圖對本專利技術(shù)做進一步詳細描述：參見圖1和圖2，本專利技術(shù)含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，包括碳化硅質(zhì)基底1，碳化硅質(zhì)基底1的正面與并聯(lián)鎢錸合金薄膜組2相連，并聯(lián)鎢錸合金薄膜組2由多組鎢錸電偶薄膜正極和鎢錸電偶薄膜負極這兩種成分不同的金屬薄膜組成薄膜電偶整體。并聯(lián)鎢錸合金薄膜組2中的鎢錸合金正極膜與鎢錸合金負極膜互相連接，并保證厚度一致。并聯(lián)鎢錸合金薄膜組2與高溫電極3相連。高溫電極3與鎢錸合金薄膜組2采用對應比例的鎢錸合金，并保證與鎢錸合金薄膜組2正負極相互對應。高溫電極3通過在碳化硅質(zhì)基底1激光打孔，采用高溫水泥與高溫導電膠復合連接，將電偶補償導線引入。高溫電極3與鎢錸合金薄膜組2冷端相連。并聯(lián)鎢錸合金薄膜組2被氧化鋁薄膜保護層4完全包覆，氧化鋁薄膜保護層4的厚度約為鎢錸合金薄膜組2厚度的2倍。氧化鋁薄膜保護層4被非晶態(tài)碳化硅薄膜保護層5完全包覆，非晶態(tài)碳化硅薄膜保護層5的厚度與鎢錸合金薄膜組2厚度基本相同。本專利技術(shù)的工作原理為：首先，本專利技術(shù)通過所采用的高溫保護薄膜組致密的隔絕空氣作用與優(yōu)良的導熱性能，對鎢錸薄膜熱電偶層在不影響溫度測試的情況下起到防氧化的作用，延長其工作時間，提升其工作最高溫度，且不影響其迅速的響應時間。薄膜熱電偶的特殊結(jié)構(gòu)導致其最主要的優(yōu)勢之一就是響應迅速，非常適合測量瞬變的溫度場。用時間常數(shù)τ來表示其響應時間。當薄膜熱電偶突然置于溫度為T的被測環(huán)境中，熱量首先由被測介質(zhì)以對流換熱的方式傳輸?shù)綗犭娕挤姥趸け砻?，而在防氧化膜?nèi)部和后續(xù)的熱電偶層以及基底中，熱量是以熱傳導的形式傳輸?shù)摹Ｓ捎跓犭娕急∧さ暮穸韧ǔ槲⒚琢考墸椎暮穸韧ǔ６急容^厚，所以可以認為基底相對于熱電偶薄膜在厚度方向上無限大，同時忽略防氧化薄膜的熱阻影響(主要原因是高溫保護薄膜組結(jié)構(gòu)層較薄，通常為微米甚至納米級，熱阻作用小)，因此熱量在薄膜熱電偶的內(nèi)部傳輸可以視為一維非穩(wěn)態(tài)導熱過程。采用對鎢錸薄膜熱電偶的高溫保護薄膜組結(jié)構(gòu)層的微型傳感器響應時間數(shù)學模型如下：θ1(δ,t)θs=erfc(δ4α1t)-K[erfc(3δ4α1t)-erfc(δ4α1t)]]]>式中，θ1為薄膜的初始溫度，θs為基底材料的到達溫度，δ為薄膜厚度，t為響應時間，erfc為高斯誤差函數(shù)，α1為薄膜的熱擴散系數(shù)，K為影響薄膜熱電偶響應快慢的因數(shù)，且有：K=-1+k1k2α2α1/1+k1k2α2α1]]>上式中，α2為基底材料的熱擴散系數(shù)，k1為薄膜的導熱系數(shù)，k2為基底材料的導熱系數(shù)。其次，一種含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，通過所采用的高溫保護薄膜組與鎢錸薄膜熱電偶層相匹配的熱膨脹系數(shù)與材料強度，本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，其特征在于，包括碳化硅質(zhì)基底(1)，碳化硅質(zhì)基底(1)的上表面設置并聯(lián)鎢錸合金薄膜組(2)；并聯(lián)鎢錸合金薄膜組(2)的正負極分別連接高溫電極(3)，并聯(lián)鎢錸合金薄膜組(2)上依次設置有氧化鋁薄膜保護層(4)和碳化硅薄膜保護層(5)。
【技術(shù)特征摘要】
1.含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，其特征在于，包括碳化硅質(zhì)
基底(1)，碳化硅質(zhì)基底(1)的上表面設置并聯(lián)鎢錸合金薄膜組(2)；并聯(lián)鎢
錸合金薄膜組(2)的正負極分別連接高溫電極(3)，并聯(lián)鎢錸合金薄膜組(2)
上依次設置有氧化鋁薄膜保護層(4)和碳化硅薄膜保護層(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，其特
征在于，所述并聯(lián)鎢錸合金薄膜組(2)的正極一側(cè)與負極一側(cè)厚度相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，
其特征在于，所述高溫電極(3)與并聯(lián)鎢錸合金薄膜組(2)的冷端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，
其特征在于，所述并聯(lián)鎢錸合金薄膜組(2)被氧化鋁薄膜保護層(4)完全包覆，
氧化鋁薄膜保護層(4)的厚度為并聯(lián)鎢錸合金薄膜組(2)厚度的2～3倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，
其特征在于，所述碳化硅薄膜保護層(5)為非晶態(tài)碳化硅薄膜保護...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：田邊，張仲愷，鄭晨，史鵬，蔣莊德，
申請(專利權(quán))人：西安交通大學，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61
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