[发明专利]一种电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器

说明书

一种电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器，传感器包括：封装外壳，封装外壳用以隔绝外界环境，支撑、保护内部结构；陶瓷端盖，陶瓷端盖设置在封装外壳顶端，陶瓷端盖中间设置有多个纳米通孔，陶瓷端盖和封装外壳共同界定一个内部检测空间；基板，基板设置在封装外壳内侧的底部，基板上设置有衬底，衬底上设置有用于检测温差的检测组件；检测组件包括四个检测单元，四个检测单元呈中心对称设置在衬底上，检测单元上设置有热阻层，相邻检测单元上的热阻层厚度不同，不相邻检测单元上的热阻层厚度相同。本发明的电桥结构，大大的提高了电阻式热流密度传感器的灵敏度，可以快速测量出热流密度，使器件长期稳定工作在高温测试环境中。

技术领域

本发明涉及热流密度检测技术领域，具体涉及一种电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器。

背景技术

在工农生产、科学研究、航空航天、动力工程以及日常生活中，存在着大量的热量传递问题有待解决。随着现代科学技术的飞速发展，热流检测的理论和技术越来越受到重视。在众多领域对于热流的监测要求日益增大，尤其对于长时间高温恶劣环境下热流的测量是目前面临的重要问题之一。例如在航空航天发动机、重型燃气轮机及冶炼炉等设备中，就需要用高温热流密度传感器对这些设备的高温部件的热流密度进行实时监测，从而准确的评估高温部件的健康状况，有利于解决关键部件及装备的热通量测量及热防护问题。

根据传热方式的不同，热流传感器可分为测量传导热流的热阻式热流传感器、测量辐射热流的辐射式热流传感器以及测量对流热流的对流式热流传感器。热流密度传感器的雏形最早出现在1914年，德国慕尼黑工业大学Henky教授利用己知的软木板导热系数和厚度，测出温度梯度得出流过软木板的热流密度。1924年，Schmidt用电焊的方式设计带状热电堆组成传感区域，工艺比较复杂。1939年，Gier和Boelter用电镀银在康铜线上制成了康铜—银热电堆。随着半导体技术和薄膜技术的发展，提出了利用半导体材料和各种薄膜沉积技术制作热流密度传感器的传感区域，将传感器尺寸减小到微米级，这类传感区域具有较高的灵敏度，响应时间减小到微秒，因此，新材料和新技术被用于制造传感区域，这为开发研制新型热流密度传感器创造了条件。申请号为201711445344.3的专利就公布了一种SiC热电堆型高温热流传感器，专利采用了优良性能的单晶SiC最为热电材料，就是一种热阻式热流密度传感器；专利号为201721817346.6的专利公布了一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，属于高温高速气体对流和辐传热热流密度传感器，通过多柱塞和多热电偶设计得到多部位热流密度传感器。

与上述热流密度传感器相比，由于石墨烯具有优良的电学、热学、力学和化学性能，石墨烯热导率高达5300W/(m·K)，可稳定存在于3000℃的高温无氧环境中，是良好的纳米传感器材料。

发明内容

为了有效解决上述背景技术问题的不足，本发明采用石墨烯材料组成内部电桥结构设计了一种电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器。

一种电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器，所述传感器包括：

封装外壳，所述封装外壳用以隔绝外界环境，支撑、保护内部结构；

陶瓷端盖，所述陶瓷端盖设置在所述封装外壳顶端，所述陶瓷端盖中间设置有多个纳米通孔，所述陶瓷端盖和封装外壳共同界定一个内部检测空间；

基板，所述基板设置在所述封装外壳内侧的底部，所述基板上设置有衬底，所述衬底上设置有用于检测温差的检测组件；

所述检测组件包括四个检测单元，四个所述检测单元呈中心对称设置在所述衬底上，所述检测单元上设置有热阻层，相邻检测单元上的热阻层厚度不同，不相邻检测单元上的热阻层厚度相同。

可选地，所述检测单元包括：纳米薄膜与内部互连电极，所述内部互连电极分别设置在纳米薄膜两端并分别与纳米薄膜的两端连接，相邻检测单元的内部互连电极相互连接，使内部互连电极和纳米薄膜形成电桥结构。