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CN111141401B - 一种探针式薄膜热电偶及其制备方法 - Google Patents

一种探针式薄膜热电偶及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种探针式薄膜热电偶及其制备方法，包括柱状基底、钨铼26薄膜区及氧化铟薄膜区，柱状基底的侧面开设有第一直槽及第二直槽，其中，钨铼26薄膜区分布于柱状基底的前端面上及第一直槽内，氧化铟薄膜区分布于柱状基底的前端面及第二直槽内，且位于柱状基底前端面的氧化铟薄膜区与钨铼26薄膜区相连接，第一金属引线与钨铼26薄膜区相连接，第二金属引线与氧化铟薄膜区相连接，该热电偶能够实现高温流场环境下的温度测量，且制备方法简单。

Description

一种探针式薄膜热电偶及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器设计制备技术及高温温度测量技术领域，涉及一种探针式薄膜热电偶及其制备方法。
背景技术
在航空发动机设计及验证实验中，为了验证发动机的燃烧效率以及冷却系统的设计，需要准确测试发动机涡轮叶片表面、燃烧室内壁等部位的温度，因此需要涉及一种适应高温流场环境的温度测量装置，然而现有技术中没有出现类似的公开。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种探针式薄膜热电偶及其制备方法，该热电偶能够实现高温流场环境下的温度测量，且制备方法简单。
为达到上述目的，本发明所述的探针式薄膜热电偶包括柱状基底、钨铼26薄膜区及氧化铟薄膜区，柱状基底的侧面开设有第一直槽及第二直槽，其中，钨铼26薄膜区分布于柱状基底的前端面上及第一直槽内，氧化铟薄膜区分布于柱状基底的前端面及第二直槽内，且位于柱状基底前端面的氧化铟薄膜区与钨铼26薄膜区相连接，第一金属引线与钨铼26薄膜区相连接，第二金属引线与氧化铟薄膜区相连接。
氧化铟薄膜区及钨铼26薄膜区的表面均设置有保护层，其中，所述保护层包括自上到下依次分布的第一氧化铝层、SIC层及第二氧化铝层。
位于柱状基底端部的钨铼26薄膜区及氧化铟薄膜区组成环状并联式结构。
第一金属引线与钨铼26薄膜区的连接位置位于第一直槽内，第二金属引线与氧化铟薄膜区的连接位置位于第二直槽内。
第一金属引线与钨铼26薄膜区通过高温导电银胶相连接，第二金属引线与氧化铟薄膜区通过高温导电银胶相连接。
柱状基底为柱状陶瓷基底或者柱状SIC基底。
柱状基底后端的侧面设置有外螺纹。
本发明所述探针式薄膜热电偶的制备方法包括以下步骤：
1)将柱状基底进行清洗后烘干；
2)在柱状基底的侧面上涂覆第一遮蔽层，再进行烘干；
3)在柱状基底的端面上贴第一掩膜版，再采用磁控溅射的方法在柱状基底上制备氧化铟薄膜区，然后进行去胶处理，清洗后烘干；
4)将步骤3)得到的器件在有氧及1000℃的环境下进行2h退火处理，以提高氧化铟组织致密度和载流子浓度；
5)将柱状基底进行清洗后烘干；
6)在柱状基底的侧面上涂覆第二遮蔽层，再进行烘干；
7)在柱状基底的端面上贴第二掩膜版，再采用磁控溅射的方法在柱状基底上制备钨铼26薄膜区，去除第二掩膜版，再进行去胶处理，清洗后烘干；
8)采用磁控溅射的方法在钨铼26薄膜区及氧化铟薄膜区表面制备保护层，然后进行热处理，以消除钨铼26薄膜区与保护层的内应力；
9)将第一金属引线与钨铼26薄膜区相连接，将第二金属引线与氧化铟薄膜区相连接，得探针式薄膜热电偶。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的探针式薄膜热电偶及其制备方法具体操作时，采用三维立体柱状基底，在复杂三维基底的端面上形成金属-氧化物薄膜热电偶，冷端引线通过侧面直槽引出，通过该金属-氧化物薄膜热电偶实现高温流场环境下的温度测量，结构简单，操作方便，具有体积微小、结构简单、易于封装和安装在被测高温环境下的特点。另外，第一金属引线及第二金属引线位于第一直槽及第二直槽内，免受与周围物体接触对薄膜造成破坏而发生失效。
进一步，位于柱状基底端部的钨铼26薄膜区及氧化铟薄膜区组成环状并联式结构，以形成两个对称的热点，输出信号的稳定性较高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中柱状基底1的端面图；
图3为本发明中柱状基底1的截面图；
图4为本发明的截面图。
其中，1为柱状基底、2为钨铼26薄膜区、3为氧化铟薄膜区、4为第一金属引线、5为外螺纹。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1至图4，本发明所述的探针式薄膜热电偶包括柱状基底1、钨铼26薄膜区2及氧化铟薄膜区3，柱状基底1的侧面开设有第一直槽及第二直槽，其中，钨铼26薄膜区2分布于柱状基底1的前端面及第一直槽内，氧化铟薄膜区3分布于柱状基底1的前端面上及第二直槽内，且位于柱状基底1前端面的氧化铟薄膜区3与钨铼26薄膜区2相连接，第一金属引线4与钨铼26薄膜区2相连接，第二金属引线与氧化铟薄膜区3相连接，第一直槽及第二直槽的宽度为2mm；第一直槽及第二直槽与柱状基底1的前端面为圆角过渡。
氧化铟薄膜区3及钨铼26薄膜区2的表面均设置有保护层，其中，所述保护层包括自上到下依次分布的第一氧化铝层、SIC层及第二氧化铝层。
本发明选用金属WRe26和氧化铟做热电材料，采用磁控溅射技术，在三维复杂异性陶瓷基底上将热电偶的热点集成在传感器端部，冷端结点则通过侧面直槽引出，避免和热点处于同一高温区，位于柱状基底1端部的钨铼26薄膜区2及氧化铟薄膜区3组成环状并联式结构，在传感器端部有两个对称的热点，位于柱状基底1上氧化铟薄膜区3及钨铼26薄膜区2的内径为4.5mm，外径为7.5mm，膜宽为1mm。
第一金属引线4与钨铼26薄膜区2的连接位置位于第一直槽内，第二金属引线与氧化铟薄膜区3的连接位置位于第二直槽内；第一金属引线4与钨铼26薄膜区2通过高温导电银胶相连接，第二金属引线与氧化铟薄膜区3通过高温导电银胶相连接。
柱状基底1为柱状陶瓷基底或者柱状SIC基底，耐高温及抗震抗爆性良好；柱状基底1后端的侧面设置有外螺纹5。
本发明所述探针式薄膜热电偶的制备方法包括以下步骤：
1)将柱状基底1进行清洗后烘干，具体的，将柱状基底1依次在丙酮溶液中超声清洗10min、在无水乙醇溶液中超声清洗10min，再用去离子水冲洗干净，然后进行烘干；
2)在柱状基底1的侧面上涂覆第一遮蔽层，再进行烘干，烘干温度为95℃，时间为10min；
3)在柱状基底1的端面上贴第一掩膜版，再采用磁控溅射的方法在柱状基底1上制备氧化铟薄膜区3，其中，功率为150W，真空度为1x10-6Pa，溅射时间4h，然后进行去胶处理，清洗后烘干，具体的，在丙酮溶液中浸泡清洗；
4)将步骤3)得到的器件在有氧及1000℃的环境下进行2h退火处理，以提高氧化铟组织致密度和载流子浓度；；
5)将柱状基底1进行清洗后烘干，具体的，将柱状基底1依次在丙酮溶液中超声清洗10min、在无水乙醇溶液中超声清洗10min，再用去离子水冲洗干净，然后进行烘干；
6)在柱状基底1的侧面上涂覆第二遮蔽层，再进行烘干，烘干温度为95℃，时间为10min；
7)在柱状基底1的端面上贴第二掩膜版，再采用磁控溅射的方法在柱状基底1上制备钨铼26薄膜区2，其中，功率为400W，真空度为1x10-6Pa，溅射时间90min，去除第二掩膜版，再进行去胶处理，清洗后烘干；
8)采用多次磁控溅射的方法在钨铼26薄膜区2及氧化铟薄膜区3表面制备保护层，然后进行热处理，以消除钨铼26薄膜区2与保护层的内应力，其中，热处理的温度为200℃，时间为3h；
9)将第一金属引线4与钨铼26薄膜区2相连接，将第二金属引线与氧化铟薄膜区3相连接，得探针式薄膜热电偶。

Claims (8)

1.一种探针式薄膜热电偶，其特征在于，包括柱状基底(1)、钨铼26薄膜区(2)及氧化铟薄膜区(3)，柱状基底(1)的侧面开设有第一直槽及第二直槽，其中，钨铼26薄膜区(2)分布于柱状基底(1)的前端面上及第一直槽内，氧化铟薄膜区(3)分布于柱状基底(1)的前端面及第二直槽内，且位于柱状基底(1)前端面的氧化铟薄膜区(3)与钨铼26薄膜区(2)相连接，第一金属引线(4)与钨铼26薄膜区(2)相连接，第二金属引线与氧化铟薄膜区(3)相连接。
2.根据权利要求1所述的探针式薄膜热电偶，其特征在于，氧化铟薄膜区(3)及钨铼26薄膜区(2)的表面均设置有保护层，其中，所述保护层包括自上到下依次分布的第一氧化铝层、SIC层及第二氧化铝层。
3.根据权利要求1所述的探针式薄膜热电偶，其特征在于，位于柱状基底(1)端部的钨铼26薄膜区(2)及氧化铟薄膜区(3)组成环状并联式结构。
4.根据权利要求1所述的探针式薄膜热电偶，其特征在于，第一金属引线(4)与钨铼26薄膜区(2)的连接位置位于第一直槽内，第二金属引线与氧化铟薄膜区(3)的连接位置位于第二直槽内。
5.根据权利要求1所述的探针式薄膜热电偶，其特征在于，第一金属引线(4)与钨铼26薄膜区(2)通过高温导电银胶相连接，第二金属引线与氧化铟薄膜区(3)通过高温导电银胶相连接。
6.根据权利要求1所述的探针式薄膜热电偶，其特征在于，柱状基底(1)为柱状陶瓷基底或者柱状SIC基底。
7.根据权利要求1所述的探针式薄膜热电偶，其特征在于，柱状基底(1)后端的侧面设置有外螺纹(5)。
8.一种权利要求2所述探针式薄膜热电偶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将柱状基底(1)进行清洗后烘干；
2)在柱状基底(1)的侧面上涂覆第一遮蔽层，再进行烘干；
3)在柱状基底(1)的端面上贴第一掩膜版，再采用磁控溅射的方法在柱状基底(1)上制备氧化铟薄膜区(3)，然后进行去胶处理，清洗后烘干；
4)将步骤3)得到的器件在有氧及1000℃的环境下进行2h退火处理，以提高氧化铟组织致密度和载流子浓度；
5)将柱状基底(1)进行清洗后烘干；
6)在柱状基底(1)的侧面上涂覆第二遮蔽层，再进行烘干；
7)在柱状基底(1)的端面上贴第二掩膜版，再采用磁控溅射的方法在柱状基底(1)上制备钨铼26薄膜区(2)，然后进行去胶处理，清洗后烘干；
8)采用磁控溅射的方法在钨铼26薄膜区(2)及氧化铟薄膜区(3)表面制备保护层，然后进行热处理，以消除钨铼26薄膜区(2)与保护层的内应力；
9)将第一金属引线(4)与钨铼26薄膜区(2)相连接，将第二金属引线与氧化铟薄膜区(3)相连接，得探针式薄膜热电偶。
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Inventor after: Tian Bian

Inventor after: Liu Yan

Inventor after: Liu Zhaojun

Inventor after: Zhang Zhongkai

Inventor after: Liu Jiangjiang

Inventor after: Wang Cunfeng

Inventor after: Shi Peng

Inventor after: Lin Qijing

Inventor after: Jiang Zhuangde

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