[发明专利]瞬态温度和热流密度联测传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微机电技术领域的计热流器件，具体地说，是涉及一种瞬态温度和热流密度联测传感器及其制备方法。

背景技术

如今，在工农生产、科学研究、航空航天、动力工程以及日常生活中,存在着大量的热量传递问题有待解决。随着现代科学技术的飞速发展，仅把温度作为热量传递的唯一信息已远远不够。因此，热流检测的理论和技术越来越受到重视，测量热流用的传感器——热流测头及热流计的研究和使用也更加广泛了。由于航空航天事业的发展和热能工程的实际需要，在宇航、空间技术和一些高科技领域中，迫切要求一种能迅速反映出温度和热流密度的传感器，所以为了研制既适用于工程实际，又适用于航空航天领域的温度和热流密度联测传感器，一种瞬态温度和热流密度联测传感器产生了。这种传感器利用热电偶的的塞贝克的测量原理，结合薄膜技术，能实现温度和热流密度的瞬态测量，从而得出瞬态温度值和热流值。瞬态温度和热流的联测是热工测试的难点，也是一直没有得到很好解决的问题。研究瞬态温度和热流的联测，特别是微小空间内瞬态温度和热流的联测，对于我国节能领域以及航空航天等领域都有着积极的意义。

在分析总结国内外众多瞬态温度和热流计测量原理的基础上，研究利用薄膜技术，制作出了热电堆型瞬态温度和热流密度联测传感器，这种传感器，既继承了温度简单的测量原理和方法，同时又能利用薄膜技术进行瞬态热流的测量，有着广泛的应用前景。

经检索，申请号为CN201610549808.4的中国发明专利，该专利公开一种热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计及制备方法，“所述热流计包括陶瓷基底及设于陶瓷基底上的正极热电偶、负极热电偶、热电偶连接层、外热阻层及内热阻层，正极热电偶和负极热电偶通过热电偶连接层对接，外热阻层、内热阻层覆盖在正极热电偶、负极热电偶的上方；当外部环境在所述热流计上施加以垂直方向的热流时，外热阻层和内热阻层的厚度不同，相邻两个热结点和冷结点存在温度差，根据塞贝克效应，就有相应的电势输出，其输出电势与热流密度相关”。该设计是基于热阻式薄膜热电堆型瞬态热流计，利用热电偶测温原理，实现了热流密度的瞬态测量。该发明能实现对热流密度的瞬态测量，但是不能同时测量温度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种瞬态温度和热流密度联测传感器及其制备方法，能够实现对温度和热流密度的同步测量，具有结构简单、响应速度快、测量温度范围大、测量精度高等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供一种瞬态温度和热流密度联测传感器，所述传感器包括：陶瓷基底、正极热电偶、负极热电偶、热电偶连接层、热阻层、正极热电偶引线端、负极热电偶引线端、正极热电堆引线端以及负极热电堆引线端，其中：

所述正极热电偶、负极热电偶、热电偶连接层、热阻层、正极热电偶引线端、负极热电偶引线端、正极热电堆引线端以及负极热电堆引线端均设在陶瓷基底上；所述正极热电偶与负极热电偶通过热电偶连接层对接；一个正极热电偶和一个负极热电偶串联形成一对热电偶，多对热电偶首尾搭接形成薄膜热电堆，以增大热电堆的输出电势；热阻层覆盖在薄膜热电堆冷结点上方；一对热电偶的热结点通过正极热电偶引线端、负极热电偶引线端接出，正极热电偶引线端、负极热电偶引线端的输出电势与温度有关；所述热电偶为一对或多对，多对热电偶测量多个温度；

当外部环境在所述传感器上施加以垂直方向的热流时，覆盖在薄膜热电堆冷结点上方的热阻层存在一厚度，则薄膜热电堆的冷结点和热结点存在温度差，根据塞贝克效应，薄膜热电堆的两端就产生相应电势差，薄膜热电堆的两端分别通过正极热电堆引线端和负极热电堆引线端接出，正极热电堆引线端和负极热电堆引线端输出电势与热流密度相关，从而实现对温度和热流密度的瞬态测量。

优选地，所述正极热电偶引线端和负极热电偶引线端分别作为测温引线端，用于温度的输出；所述正极热电堆引线端和负极热电堆引线端分别作为薄膜热电堆的引线端，用于热流密度的输出。

优选地，所述正极热电偶、正极热电偶引线端和正极热电堆引线端采用磁控溅射方法沉积薄膜、利用掩膜溅射方法或liftoff方法实现图形化，材料选用铂铑或铂。

更优选地，当所述薄膜热电堆为PtRh-Pt型热电偶串联而成时，正极热电偶、正极热电偶引线端和正极热电堆引线端的材料选用铂铑；

当所述薄膜热电堆为Pt/ITO型热电偶串联而成时，正极热电偶、正极热电偶引线端和正极热电堆引线端的材料选用铂。