[发明专利]一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片及制作方法

说明书

本发明公开了一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片及其制作方法，包括壳体，壳体内部设置放置合金薄膜的腔体和放置石墨烯的环形孔；环形孔位于腔体外周；腔体内设有一层合金薄膜制成薄膜热电偶，环形孔内设有石墨烯；壳体包括三段：测试探头、中间圆台和引线端。本发明通过设计新的传感器结构，能够能在动态高温温度场下长时间测量温度信号，通过强制换热效果使热电偶薄膜的冷端与热端建立大散热梯度，从而增强薄膜热电偶灵敏度，具有高灵敏、微型化、耐高温、防氧化、高塞贝克系数、适用于的动态测试的特性，并同时解决了现有技术中存在的解决动态高温温度场测试环境中薄膜热电偶冷端温度过高，导致灵敏度低的问题。

技术领域

本发明属于微型温度传感器芯片技术领域，具体涉及一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片及制作方法。

背景技术

热电偶发明于1821年，在那之后热电偶温度传感器在蒸汽温度测量、对爆炸产物的热响应、供暖、测高温物体表面温度等领域中取得了很大的成功。它的结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等优点，使其成为标准化的测量设备。在这些传感器中，高温温度传感器在测量恶劣工况下的温度中具有重要地位，这种传感器在很多不同传感器配置中都取得了成就。然而，对于需要微型化的接触式高温直接测量，尤其是动态温度场环境下的测量，现在技术手段存在一些不足。采用MEMS技术的新型薄膜热电偶结构，是一个解决此问题的新发展方向。目前，发明人曾提出一种合金薄膜热电偶温度传感器芯片，但是由于其冷端与热端距离较近，难于直接形成大梯度温度场，只适用于静态测试环境中，当处于动态温度场环境下，由于热电偶的冷端与热端温度将会在长时工作后越来越接近，难于形成大散热梯度，会在很大程度上影响传感器测试的灵敏度。通过设计新的传感器结构，解决动态高温温度场测试环境中冷端温度过高的问题，建立大散热梯度，增强薄膜热电偶灵敏度，成为一个突出的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片及制作方法，以解决现有技术中合金薄膜热电偶在高温环境下的冷端温度过高问题；本发明建立大散热梯度，增强薄膜热电偶灵敏度，提出高灵敏薄膜热电偶传感器芯片，使其具有能长时间在非静态高温温度场下能准确测量温度并同时保持微型化的特点。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片，包括壳体，壳体内部设置放置合金薄膜的腔体和放置石墨烯的环形孔；环形孔位于腔体外周；腔体内设有一层合金薄膜制成薄膜热电偶，环形孔内设有石墨烯；壳体包括三段：测试探头、中间圆台和引线端。

进一步的，测试探头外部为直径为3mm，高度为3mm的圆柱；中间圆台为一圆台，上底面直径3mm，下底面直径为4mm，高为7mm；引线端为两个空心圆柱，外圆直径1mm，内圆直径0.5mm，高度为1mm。

进一步的，壳体包括零件A和零件B两部分，两部分连接配合，实现合金薄膜的封闭。

进一步的，零件A和零件B通过销钉与孔配合实现连接。

进一步的，所述壳体为冷压制陶瓷壳体。

一种高灵敏薄膜热电偶传感器芯片的制作方法，包括以下步骤：

1)将碳化硅粉末使用等静压成型技术工艺制作为传感器壳体；

2)在壳体腔内采用原子沉积技术生长纳米级厚度的合金薄膜；

3)使用氧化石墨烯还原在环形孔中制备增强石墨烯；

4)在真空环境下完成壳体安装并接线。

进一步的，步骤1)中在传感器壳体上打环形孔；打孔位置根据壳体一阶振型模态测试结果，选择应变最高处，孔径0.2mm。

进一步的，步骤3)中先通过氧化石墨烯还原法制备胶体溶液，再通过LB膜技术制备GO薄膜，最后通过热还原法得到增强石墨烯。