[发明专利]一种超高温热流测量薄膜传感器及其制备方法

说明书

本发明公开一种超高温热流测量薄膜传感器及其制备方法，薄膜传感器依次包括表面设置有凹槽的基底(1)、缓冲层(2)、热生长氧化层(3)、绝缘层(4)、沉积在绝缘层(4)上的热电堆(5)和覆盖热电堆(5)沉积在绝缘层(4)上的热阻层(6)，其中所述热电堆(5)由多对热电偶的第一热电极(7)和第二热电极(8)首尾串联而成，所述热电偶热节点位于基底(1)凹槽槽顶的绝缘层(4)表面，冷节点位于基底(1)凹槽槽底的绝缘层(4)表面。本发明让热电偶在空间上敷设，热阻层沉积后抛光使得传感器结构更优化，采用的工艺提升了传感器灵敏度和传感器表面的平整度。

技术领域

本发明属于热流测量及薄膜传感器技术领域，具体涉及一种超高温热流测量薄膜传感器结构及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的高速发展，各类航空航天飞行器及发动机性能不断提升，测量飞行器外表面、发动机叶片等热端部件的热流可以为表征、评估、优化其工作状态与性能提供重要支撑。

与传统的热流传感器相比，热流测量薄膜传感器具有响应迅速、对被测结构影响小、对周围环境扰动微弱等优点。但是热流测量薄膜传感器普遍存在热电势输出信号微弱、灵敏度较小的缺点。如中国专利CN203643055U，“一种用于高温大热流测量的薄膜热流传感器”提出的热流传感器集成的热电堆数目较少，采用的用于产生温度梯度的热障层材料产生的温度梯度很小，从而使得热电势输出信号强度受限，进而使得输出灵敏度很小，对数据采集仪器提出了很高要求。此外，由于热流传感器需要利用冷热端之间的温差来实现热流的测试，所以一般热流传感器的冷端测点处的热阻层厚度要大于热端测点处的热阻层厚度，加大了传感器表面的不平整度。

为提高高温环境中热流传感器的热电势信号，以提升热流传感器灵敏度且提升传感器表面的平整度，需要研究一种适用于超高温环境下热流测量薄膜传感器。

发明内容

鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种能够适应超高温环境、提升热流灵敏度以及传感器表面平整度的超高温热流测量薄膜传感器及其制备方法。

按照本发明的一个方面，提供一种超高温热流测量薄膜传感器，其特征在于依次包括表面设置有凹槽的基底、沉积在基底上的缓冲层、沉积在缓冲层上的热生长氧化层、沉积在热生长氧化层上的绝缘层、沉积在绝缘层上的热电堆和覆盖热电堆沉积在绝缘层上的热阻层，其中所述热电堆由多对热电偶首尾串联而成，所述热电偶热节点位于基底凹槽槽顶的绝缘层表面，冷节点位于基底凹槽槽底的绝缘层表面。

进一步，串联形成所述热电堆的热电偶电极为K、N、T、S、R、B、E或J型等标准化热电偶电极，或者为铂-ITO等非标准热电偶电极。

进一步，所述基底的材料采用镍基高温合金。

进一步，所述缓冲层采用MCrAlY材料，其中M为镍、钴或镍钴合金，热生长氧化层采用在缓冲层表面热生长的Al₂O₃材料、绝缘层采用Al₂O₃材料。

进一步，所述热阻层采用Al₂O₃材料制备，不同厚度氧化铝材料差分热流，也作为热电堆的绝缘保护层。

按照本发明的一个方面，提供一种如上所述的超高温热流测量薄膜传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)在洁净的基底表面刻蚀凹槽，然后清洗干净；

(2)凹槽刻蚀完成后，采用磁控溅射法在带有凹槽的基底表面制备缓冲层(2)；

(3)溅射MCrAlY缓冲层后进行真空退火，其中M可以是镍、钴或镍钴合金，铝元素会向表面偏析，形成层析铝层，然后对整体进行氧化，形成在垂直于基片的方向形成由Al₂O₃逐渐过渡至MCrAlY缓冲层的梯度功能结构，即Al₂O₃的热生长氧化层；