[发明专利]一种薄膜型热流传感器结构及其金属电极制备方法

说明书

本发明公开一种薄膜型热流传感器结构及其金属电极制备方法，衬底上设有倾斜热电薄膜，倾斜热电薄膜两端设有高度绝缘薄膜，高度绝缘薄膜截面呈类梯形状，高度绝缘薄膜上表面和斜面上均设有金属电极，衬底两端设有贯穿孔，贯穿孔内设有金属导线，金属导线通过贯穿孔与衬底焊接固定，金属导线连接外部电压测量系统；本发明是在高导热且绝缘衬底上直接生长倾斜热电薄膜，其是通过倾斜角沉积方法获得倾斜热电薄膜，制备工艺简单，成本低，本发明传感器的薄膜厚度在纳米尺度，热容量小使得响应速度快，面积小从而确保对热流环境的干扰非常小，不会对待测物周围的气体流畅性造成影响，从而为快速精确测量热流提供可能。

技术领域

本发明涉及热流传感器技术领域，尤其涉及一种薄膜型热流传感器结构及其金属电极制备方法。

背景技术

热流传感器主要用于热流密度的测量，其在空气动力学基础研究、飞行器结构设计和航空发动机可靠性设计等航空航天领域有着重要的应用，频率响应是热流传感器的一项重要技术指标，它指的是传感器对脉动热流的响应能力，尤其是伴随着高超声速飞行器的快速发展，对高超声速飞行器表面转捩和湍流带来的气动加热增量的测量显得尤为重要，这是因为高超声速飞行器转捩和湍流的产生、发展和相应的流动会显著影响飞行器气动力和气动热特性，继而对飞行器结构设计产生重要的影响；

如现有已公开的一种新型的直接测量传感器被提出用于激光(如CN 102544347B，CN104884918 B)或热流探测(CN 110993778A)，其具有较高的电压响应灵敏度；这类传感器是利用具有热电各向异性的倾斜热电薄膜材料做为传感器敏感元件，其工作原理是横向热电效应；为了获得这类传感器敏感元件，一种方法是通过在斜切的氧化物单晶衬底(如钛酸锶和铝酸镧)上生长倾斜外延薄膜以实现薄膜的横向热电效应(CN 110993778 A和CN102544347 B)；另一种方法是在在金属衬底上生长一层倾斜氧化物缓冲层(如氧化镁、氧化铈和钇稳定的氧化锆)，随后在缓冲层上表面生长一层倾斜薄膜以实现横向热电效应(CN104884918 B)；这两种方法的制备工艺相对比较复杂，都是需要通过倾斜的底层材料(如斜切单晶衬底或倾斜缓冲层)来诱导生长倾斜的薄膜以实现横向热电效应，制备成本较高，工艺复杂；此外，所使用的氧化物单晶衬底或氧化物缓冲层的热导率都比较小，导致其与倾斜热电薄膜之间的边界热阻较大，显著降低了热沉的效果，使得器件下表面积累的热量不能及时传导出去，继而使得器件高频特性较差；此外，大的边界热阻可能导致器件在高热辐射下出现非线性的响应；

通常，基于薄膜横向热电效应的传感器如已公开申请号(CN110993778A，CN102544347 B和CN104884918 B)都是将金属电极设置于倾斜热电薄膜上表面，然后将金属导线焊接于金属电极上表面，这使得金属电极区域的高度比热敏感区域要大，形成一个小的凸起；然而，根据罗凯等人的发表于北京航空航天大学学报(47卷，9期，2021年)的研究论文“传感器安装对平板气动热测量精度影响研究”，热流传感器表面凸起100微米都将导致测量的热流密度偏大14％；然而，传统金属导线焊接方法由于金属导线本身直径在百微米级，利用这种方法制备的热流传感器在测量精度上将存在不足；

薄膜型热流传感器是实现高频率热流探测的较佳选择，目前的热阻型传感器热阻层厚度为微米数量级，导致其响应时间为毫秒数量级，响应较慢，且利用降低热阻层厚度来提高响应速度的方法会很大程度地牺牲电压灵敏度；而且，现有的高灵敏度传感元件制备工艺复杂，成本较高，制备出的器件高频特性差，因此，本发明提出一种薄膜型热流传感器结构及其金属电极制备方法以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提出一种薄膜型热流传感器结构及其金属电极制备方法，该薄膜型热流传感器结构及其金属电极制备方法是在高导热且绝缘衬底上直接生长倾斜热电薄膜，其是通过倾斜角沉积方法生长倾斜热电薄膜，制备工艺简单，成本低，本发明传感器的薄膜厚度在纳米尺度，热容量小使得响应速度快，面积小从而确保对热流环境的干扰非常小，不会对待测物周围的气体流畅性造成影响，从而为快速精确测量热流提供可能。