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陶瓷基厚膜热流传感器设计制造及性能研究

陶瓷基厚膜热流传感器设计制造及性能研究

作者：谢浩中北大学

学位级别：硕士

随着科学技术和现代工业的快速发展,在许多生产过程都存在着热量传递现象,尤其是航天航空、能源建筑、核电工程等超高温工况环境中,解决传热问题的需求更为迫切。近些年来,热流密度测量技术成为国内外研究重点,并且已经取得了一些进展,... 详细信息

随着科学技术和现代工业的快速发展,在许多生产过程都存在着热量传递现象,尤其是航天航空、能源建筑、核电工程等超高温工况环境中,解决传热问题的需求更为迫切。近些年来,热流密度测量技术成为国内外研究重点,并且已经取得了一些进展,但国内还处于相对落后的状况。主要问题是目前市面上较为先进的热流传感器均为国外生产,价格昂贵,且超过一定工作温度需要连接水冷系统,使用不方便,不适用于狭小空间的安装测试。因此本文主要从优化结构尺寸、提高工作温度两方面考虑,采用氧化铝陶瓷作为基底结合丝网印刷工艺进行高温厚膜热电堆型热流传感器的设计制造。主要研究内容包括以下方面:(1)分析温度传感器和热流传感器的热电转换机理,包括热电偶工作原理和热电堆型热流传感器工作原理;完成热流传感器的总体设计方案,包括基底材料、热电材料、热阻层材料和制备工艺的选择以及标定平台的搭建。为制备出工作温度不低于1200℃、热流密度不小于200 kW/m2的热流传感器奠定理论基础。(2)利用丝网印刷工艺和高温烧结技术完成厚膜电极层的制备,采用空气压缩机和喷枪进行热阻层的制备。对不同阶段Pt、Pt/Rh以及SiO2进行微观表征分析,为后续高温性能测试提供微观支撑。结果表明电极膜层和热阻层结构致密,无脱落现象。(3)根据总体设计方案要求,搭建了一个温度-热流密度测试标定平台,主要由马弗炉、标准S型热电偶、信号采集器、制备的热流传感器、标准热流计以及电脑组成。测试结果表明,制备的热流传感器在50-1200℃、2-283.3 kW/m2测试环境下具有良好的重复性,最大输出电势为1.4126 mV,且具有良好的线性度,传感器的灵敏度分布在3.50-7.08× 10-3 mV/(kW/m2)范围。在此基础上,进行了 1200℃高温耐久性试验,保持时间为4h,其输出与标准热流计具有相同的变化趋势。为了更好掌握传感器的性能,我们还对其进行了动态响应时间测试,热风枪模拟产生瞬时热流,以此作为激励源,结果表明厚膜热流传感器的响应时间约为1.18 s。

关键词：高温环境热阻层丝网印刷热流传感器性能测试

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热阻层对低温淬火过程的影响研究

低温与超导 2019年第12期47卷 1-5,31页

作者：徐维泰程诚张鹏上海交通大学制冷与低温工程研究所上海200240 上海空间发动机工程技术研究中心上海空间推进研究所上海201112 航天低温推进剂技术国家重点实验室北京100028

通过在铝合金棒表面制备阳极氧化热阻层和Teflon热阻层,分别对电抛光、阳极氧化和涂覆Teflon层等表面在液氮浴中的低温淬火过程进行实验研究,通过对传热反问题求解分析,研究了热阻层对低温淬火过程的影响。结果表明,热阻层能显著提升莱... 详细信息

通过在铝合金棒表面制备阳极氧化热阻层和Teflon热阻层,分别对电抛光、阳极氧化和涂覆Teflon层等表面在液氮浴中的低温淬火过程进行实验研究,通过对传热反问题求解分析,研究了热阻层对低温淬火过程的影响。结果表明,热阻层能显著提升莱登佛罗斯特点的温度和临界热流密度,使整体的换热能力提高,从而加速了低温冷却过程。

关键词：淬火换热反问题热阻层莱登佛罗斯特点临界热流密度

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热阻式薄膜热流传感器的制备及性能研究

热阻式薄膜热流传感器的制备及性能研究

作者：杨明杰大连理工大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：热流传感器热阻层薄膜高温

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薄膜热流计的研制及模拟仿真研究

薄膜热流计的研制及模拟仿真研究

作者：陈喆电子科技大学

学位级别：硕士

在航天航空领域,涡轮叶片作为航空发动机的核心部件,其正常工作下温度分布状态与部件的使用寿命有着直接的关系,而仅把温度作为计算和分析涡轮叶片在恶劣工作环境下的温度分布的唯一信息是完全不够的。随着科学技术的飞速发展,热流密度... 详细信息

在航天航空领域,涡轮叶片作为航空发动机的核心部件,其正常工作下温度分布状态与部件的使用寿命有着直接的关系,而仅把温度作为计算和分析涡轮叶片在恶劣工作环境下的温度分布的唯一信息是完全不够的。随着科学技术的飞速发展,热流密度的测量越来越广泛受到研究人员的关注,基于航空发动机涡轮叶片表面热流密度的测量也慢慢开始得到了重视和发展。相比于传统的热流计,薄膜热流计具有与测试部件良好的兼容性、响应速度快,结构微型化和灵敏度高等优点,因此在测量涡轮叶片的表面热流密度方面具有显著的优势。热电堆式热流计测量热流范围广,输出信号大,是当前实用最广泛的测量热流密度的器件之一。本文设计和制备了一款热电堆式薄膜热流计,并进行性能研究:首先通过理论计算和ANSYS模拟仿真对设计出来的薄膜热流计进行分析和优化。计算结果得出,热流计的输出与组成薄膜热电堆的热电偶的塞贝克系数和热阻层材料的热导率和厚度有着直接的关系。根据仿真的模拟出热流计在热流测量时影响传感器测量精度的两种主要因素。结果显示,热阻层越薄,热阻层越长,传感器的灵敏度越大,误差越小。计算和模拟的结果为热流计的设计和优化提供的参考和指导。其次,利用薄膜技术制备出来薄膜热流计。采用光刻剥离工艺对热电堆进行图形化,采用射频磁控溅射制备Pt/PtRh热电堆薄膜,采用电子束蒸发制备SiO和YSZ薄膜热阻层。研究了溅射功率对Pt和PtRh薄膜围观形貌、电学性质和沉积速率的影响。结果显示,随着溅射功率的增加,沉积速率也随之增大,而电阻率先降低后趋于稳定。在120W时,Pt和PtRh薄膜表面平整致密,电阻率分别为2.08×10-5Ω·cm和3.53×10-5Ω·cm,沉积速率分别为9.5nm/min和10.3nm/min。对120W溅射功率制备出来Pt/PtRh薄膜热电偶进行标定,其塞贝克系数给9.4μV/℃。研究了基片温度和蒸发束流对SiO和YSZ热层表面形貌与沉积速率的影响。随着温度的增加YSZ薄膜由非结晶态向结晶态转变,在基片温度为300℃,蒸发束流为60mA制备出来的薄膜表面平整致密。最后,分别对不同厚度的SiO和YSZ热阻层以及不同热电偶数量的热流计进行标定,厚度为1μm-5μm的SiO热阻层热流计的灵敏度K值分别为6.41×10-4uV(W/m)、1.10×10-3uV(W/m)、1.34×10-3uV(W/m)、1.55×10-3uV(W/m)和1.71×10-3uV(W/m)。。厚度为2μm和4μm的YSZ热阻层热流计的灵敏度K值分别为4.72×10-3μV(W/m)和7.90×10-3μV(W/m)。根据灵敏度K值反推出热阻层的热导率,结果显示本文所制备的SiO和YSZ热阻层的热导率较低,十分适合作为热阻材料,并获得了薄膜热导率与薄膜厚度的关系:随着薄膜厚度的增加,薄膜的热导率也随之增加。通过比较不同温度下传感器的信号波动情况,发现是随着温度的增加以及热阻层厚度增加,信号强度增加,但是热流计测试精度有一定的下降,漂移率有所增加。相比于SiO,采用YSZ热阻层的热流计不仅信号更强,而且性能更加稳定。

关键词：薄膜热流计热电偶热阻层标定

热流计SiO_(2)热阻层离子束溅射制备及耐热性研究

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湘潭大学学报（自然科学版） 2021年第2期43卷 89-94页

作者：丁玎张浩何峰中国电子科技集团公司第四十八研究所湖南长沙411101 湖南省薄膜传感技术国防重点实验室湖南长沙411101

薄膜热阻式热流计具有响应速度快、结构微型化以及量程广、输出大等优点,是当前使用最广泛的热流传感器.热阻层SiO_(2)膜层与基底材料的结合性能对于热流计的高可靠性来说十分重要,而膜层特性与溅射沉积参数、后期热处理技术之间密切相... 详细信息

薄膜热阻式热流计具有响应速度快、结构微型化以及量程广、输出大等优点,是当前使用最广泛的热流传感器.热阻层SiO_(2)膜层与基底材料的结合性能对于热流计的高可靠性来说十分重要,而膜层特性与溅射沉积参数、后期热处理技术之间密切相关.因此,该文围绕离子束溅射SiO_(2)薄膜作为热流计热阻层材料,对不同镀膜时间、热处理工艺之后膜层的表面成分、形貌以及与基底结合强度进行了研究分析.研究发现,550℃热处理能够有效改善膜层的结合力,离子束溅射制备的SiO_(2)薄膜热阻层在高温循环考核的环境下依然保持了较强的结合力.

关键词：热流计离子束溅射热阻层 SiO_(2)膜结合强度

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基于有限元模拟的薄膜热流计结构设计及优化

测控技术 2021年第11期40卷 11-15,32页

作者：张梅菊郭林琪黄漫国梁晓波张丛春刘冠华航空工业北京长城航空测控技术研究所先进传感器技术中心北京101111 上海交通大学电子信息与电气工程学院微纳电子学系上海200240 状态监测特种传感技术航空科技重点实验室北京101111

精确的热流测量对航空航天领域发动机设计及使用过程至关重要。薄膜热流计以其体积小、热容量小、干扰小、不破坏部件表面气流等显著优势,成为发动机热端部件表面热流测量的新方法。针对传统工程经验设计薄膜热流计精确度不高且迭代耗... 详细信息

精确的热流测量对航空航天领域发动机设计及使用过程至关重要。薄膜热流计以其体积小、热容量小、干扰小、不破坏部件表面气流等显著优势,成为发动机热端部件表面热流测量的新方法。针对传统工程经验设计薄膜热流计精确度不高且迭代耗时长的缺点,基于有限元仿真模拟方法,建立了一种薄膜热流计有限元分析模型,综合分析了热流密度、热阻层厚度、热电堆厚度等因素对热流计冷热结点温度梯度的影响,提出薄膜热流计优化思路。分析结果表明,优化后的薄膜热流计具有更出色的热学性能与电学性能。

关键词：薄膜热流计有限元热阻层温差

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二氧化硅阶梯状薄膜热阻层微纳制备工艺研究

机电工程技术 2020年第9期49卷 7-9页

作者：周晨飞杨明杰梁军生大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室辽宁大连116024 大连理工大学精密与特种加工技术教育部重点实验室辽宁大连116024

在高温薄膜式热流传感器结构中,热阻层台阶的高度是影响热流传感器输出的重要因素。在热阻层的制备工艺中,需要精准控制台阶的高度和整体薄膜的厚度。目前常用的制备方法为溅射-湿法腐蚀和溅射-湿法腐蚀-溅射两种方法。选用电绝缘性高... 详细信息

在高温薄膜式热流传感器结构中,热阻层台阶的高度是影响热流传感器输出的重要因素。在热阻层的制备工艺中,需要精准控制台阶的高度和整体薄膜的厚度。目前常用的制备方法为溅射-湿法腐蚀和溅射-湿法腐蚀-溅射两种方法。选用电绝缘性高、硬度高、热导率低的SiO2作为热阻层材料,分析了限制热阻层台阶高度的因素,确定了高台阶的高度低于6μm,低台阶的高度高于500 nm。研究了两种热阻层台阶的制备方法的适用条件,分析了两种方法的优缺点,发现溅射-湿法腐蚀仅适用于基底粗糙度较低的薄膜,溅射-湿法腐蚀-溅射的方法不受粗糙度的限制,但需加宽掩膜板以防止侧蚀损坏薄膜。

关键词：热流传感器热阻层溅射湿法腐蚀 SiO2