热阻式薄膜热流传感器的制备及性能研究

作     者：杨明杰 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：梁军生;刘莹

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：热流传感器 热阻层 薄膜 高温 

摘      要：热流无时无刻不存在于现实生活的各处,在一些重要场合,比如高速飞行器的外表面,各种高速推进发动机,对它们进行实时的热流变化监测,对设备安全以及主动的热防护设计都有重要意义。传统的热流传感器,体积大,对待测环境影响大,响应慢等缺点使其不能很好的适用于这些重要场合。基于上述问题,本文设计并制备了热阻式薄膜热流传感器,其具有体积小,对待测环境影响小,而且使用寿命长,灵敏度高等优点,能很好地应用于这些场合。为了使热流传感器达到灵敏度优于0.01μV/(W/m),耐受超过1200℃的高温,响应时间小于0.1s,且体积小于13mm×13mm×1mm的要求,围绕热阻式薄膜传感器的设计、研制、封装测试,本文主要开展了以下工作。(1)热流传感器总体方案设计。热阻式薄膜热流传感器整体结构的设计依据的是傅里叶定律。为了提高热流传感器的耐温上限,传感器的基底材料选择了氧化铝陶瓷。为了解决热流传感器的输出电压小,灵敏度不高的问题,设计了多组热电偶串联排布形成热电堆,以热电堆作为热流传感器的温差检测核心,并且在有限的空间中尽量增加热电堆中热电偶的组数。热电堆输出电压大小还与热电偶的冷热结点温度差有关,为了增大温度差,传感器的热阻层材料,选择了导热系数小且耐高温的二氧化硅,并且将二氧化硅热阻层设计为台阶型,可以使得热电偶的冷热结点在同一平面内。(2)热流传感器的制备与封装。传感器的实物研制利用微纳制造工艺,通过光刻显影、溅射剥离制备出了235组铂铑-铂薄膜热电偶组合的热电堆,其线宽为50μm,厚度为0.5μm。通在过溅射、湿法腐蚀工艺在热电堆上方的制备出了二氧化硅热阻层台阶,厚度为5μm。使用铂丝作为传感器的信号输出线,利用高温银浆来粘结铂丝和传感器,之后封装在无氧铜制作的热沉中。(3)热流传感器输出特性的研究。为研究制备的热流传感器的性能,设计并搭建了传感器性能标定设备。标定设备采用对比法原理,通过调节加热设备的输出,来改变热流,实现不同热流环境下的传感器性能测试及标定。实际测得热流传感器的灵敏度平均值为0.0129μV/(W/m),响应时间为78ms,耐温达到1238℃,满足了设计要求。