[发明专利]一种双层热阻式薄膜热电堆型热流计及制备方法

权利要求书

1.一种双层热阻式薄膜热电堆型热流计，其特征在于，包括：

陶瓷基底；

设置于所述陶瓷基底上的第一内热阻层和第一外热阻层，所述第一外热阻层设置于所述第一内热阻层的两侧，且所述第一外热阻层侧边与所述第一内热阻层侧边相连；所述第一内热阻层材料的导热系数大于所述第一外热阻层材料的导热系数；

设置于所述第一内热阻层和所述第一外热阻层上的若干对热电偶；每对热电偶由正极热电偶和负极热电偶串联构成，且每个所述正极热电偶、所述负极热电偶均覆盖于所述第一内热阻层和所述第一外热阻层的上方；所述若干对热电偶首尾搭接形成薄膜热电堆，且相邻对热电偶通过正极热电偶与负极热电偶对接串联，所述薄膜热电堆的所述正极热电偶与所述负极热电偶相连的冷结点设置于所述第一内热阻层的上方，所述正极热电偶与所述负极热电偶相连的热结点设置于所述第一外热阻层的上方；

设置于所述正极热电偶和所述负极热电偶上方的第二外热阻层，且所述第二外热阻层覆盖于所述热结点上；

设置于所述正极热电偶和所述负极热电偶上方的第二内热阻层，且所述第二内热阻层覆盖于所述冷结点上；所述第二内热阻层的厚度大于所述第二外热阻层的厚度；所述第二内热阻层材料的导热系数小于所述第二外热阻层材料的导热系数；所述第一内热阻层、所述第一外热阻层、所述第二内热阻层和所述第二外热阻层的热膨胀系数接近；

当外部环境在热流计上施加以垂直方向的热流时，由于所述第一内热阻层和所述第一外热阻层材料的导热系数不同，以及所述第二内热阻层和所述第二外热阻层的厚度、材料的导热系数不同，则相邻两对热电偶的冷结点和热结点存在温度差，根据塞贝克效应，所述薄膜热电堆输出相应的电势，所述薄膜热电堆薄膜热电堆的输出电势与热流密度相关，实现对热流密度的高灵敏度测量。

2.根据权利要求1所述的一种双层热阻式薄膜热电堆型热流计，其特征在于，所述第一内热阻层与所述第一外热阻层的厚度相等。

3.根据权利要求1所述的一种双层热阻式薄膜热电堆型热流计，其特征在于，所述正极热电偶与所述负极热电偶相连的所述冷结点和所述热结点位于同一物理层高度。

4.根据权利要求1所述的一种双层热阻式薄膜热电堆型热流计，其特征在于，所述薄膜热电堆的形状为锯齿形、Z字形、波浪形或弧形的任一种。

5.根据权利要求1所述的一种双层热阻式薄膜热电堆型热流计，其特征在于，所述薄膜热电堆的首尾两端分别作为引线端，且两个引线端的引线分别采用与所述热电堆首尾两端材料相同的金属细线。

6.根据权利要求1所述的一种双层热阻式薄膜热电堆型热流计，其特征在于，所述正极热电偶、所述负极热电偶的形状均采用长条形或弧形。

7.根据权利要求1所述的一种双层热阻式薄膜热电堆型热流计，其特征在于，具有以下一种或多种特征：

-所述第一内热阻层、所述第二外热阻层的材料均选用氧化铝、氮化铝、氧化铍、硼化铪、硼化锆、碳化钨或碳化硅的任一种；

-所述第一外热阻层、所述第二内热阻层的材料均选用为二氧化硅、二氧化钛、二氧化铪、二氧化锆或钇稳定氧化锆的任一种；

-所述正极热电偶、所述负极热电偶的材料均选用铂铑、铂或钨铼合金的任一种。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种双层热阻式薄膜热电堆型热流计，其特征在于，通过增加所述薄膜热电堆中热电偶的对数；

和/或增大所述第一内热阻层和所述第一外热阻层的厚度；

和/或增大所述第一内热阻层材料的导热系数；

和/或减小所述第一外热阻层材料的导热系数；

和/或增大所述第二内热阻层的厚度；

和/或减小所述第二内热阻层材料的导热系数；

和/或减小所述第二外热阻层的厚度；

和/或增大所述第二外热阻层材料的导热系数，以提高所述热流计的灵敏度。

9.一种权利要求1-8任一项所述双层热阻式薄膜热电堆型热流计的制备方法，其特征在于，包括按照以下步骤执行：

S1、采用双离子束溅射方法在陶瓷基底上沉积第一内热阻层薄膜，利用liftoff方法或掩膜刻蚀方法对所述第一内热阻层薄膜图形化，在所述陶瓷基底上形成图形化的第一内热阻层；

S2、采用双离子束溅射方法在所述陶瓷基底上沉积第一外热阻层薄膜，利用liftoff方法或掩膜刻蚀方法对所述第一外热阻层薄膜图形化，在所述陶瓷基底上形成图形化的第一外热阻层，即第一外热阻层分布于所述第一内热阻层的两侧，且所述第一外热阻层侧边与所述第一内热阻层侧边相连；

S3、采用磁控溅射方法在所述第一内热阻层和所述第一外热阻层上沉积一层第一金属薄膜，利用liftoff方法对所述第一金属薄膜图形化，在所述第一内热阻层和所述第一外热阻层上形成若干正极热电偶，且每个所述正极热电偶均覆盖于所述第一内热阻层和所述第一外热阻层上；

S4、采用磁控溅射方法在所述第一内热阻层和所述第一外热阻层上沉积一层第二金属薄膜，利用liftoff方法对所述第二金属薄膜图形化，在所述第一内热阻层和所述第一外热阻层上形成若干负极热电偶，且所述若干负极热电偶与S3形成的所述若干正极热电偶依次首尾对接形成薄膜热电堆，其中，在所述第一内热阻层的上方的所述正极热电偶与所述负极热电偶相连形成冷结点，在所述第一外热阻层的上方所述正极热电偶与所述负极热电偶相连形成热结点；

S5、采用双离子束溅射方法在所述正极热电偶和所述负极热电偶上沉积一层第二内热阻层薄膜，利用liftoff方法或掩膜刻蚀方法对所述第二内热阻层薄膜图形化，在所述正极热电偶和所述负极热电偶上形成图形化的第二内热阻层，即所述第二内热阻层覆盖于所述正极热电偶与所述负极热电偶相连的冷结点上；

S6、采用双离子束溅射方法在所述正极热电偶和所述负极热电偶上沉积一层厚度小于所述第二内热阻层的第二外热阻层薄膜，利用liftoff方法或掩膜刻蚀方法对所述第二外热阻层薄膜图形化，在所述正极热电偶和所述负极热电偶上形成图形化的第二外热阻层，即所述第二外热阻层覆盖于所述正极热电偶与所述负极热电偶相连的热结点上；所述第一内热阻层、所述第一外热阻层、所述第二内热阻层和所述第二外热阻层的热膨胀系数接近。