专利名称：一种薄膜温度烧蚀复合传感器及其制备方法
技术领域：
本发明属于薄膜特种传感器技术领域，具体涉及一种基于微机械加工技术的薄膜传感器及其制备方法。更具体地说，本发明涉及一种薄膜温度烧蚀复合传感器及其制备方法，通过薄膜热电偶实现绝热层烧蚀温度和烧蚀速率的测量，这种薄膜温度烧蚀复合传感器制造工艺简单，具有较 高的测量精度。
背景技术：
绝热层主要应用于固体火箭发动机、再入大气飞行器等航天器的防热保护中，绝热层性能的好坏直接影响到发动机工作的可靠性，甚至影响到火箭发射的成败。绝热层的工作环境十分恶劣，它要经受高温高压气体的烧蚀和凝相颗粒的冲刷，严重时会导致内绝热层防护失效，发动机壳体烧穿，造成发动机失效。因此，绝热层厚度及其几何形状等直接影响到固体火箭发动机结构可靠性，而绝热层的设计是由其烧蚀情况来确定的，绝热层材料烧蚀速率是绝热层设计的重要参考依据之一。另外，由于与周围空气的剧烈摩擦，绝热层表面的温度急剧升高，如果不能正确掌握绝热层温度变化，设计合适的绝热层厚度，温度会传递至飞行器机体表面，并引起机体表面温度急剧升高，进而导致机体材料的结构强度降低、刚度下降，造成飞行器外形破坏，严重时将导致发射失败。飞行器表面温度剧烈升高，如果大量气动热来不及散失的话，会引起机体表面温度。绝热层材料烧蚀表面及烧蚀层内部温度变化是绝热层设计的重要参考依据之一 O因此，需要一种温度与烧蚀复合传感器可对绝热层烧蚀过程中的温度和烧蚀速率同时进行测量。目前，烧蚀速率测量通过烧蚀传感器，温度测量采用温度传感器，还没有一种传感器可以实现对绝热层烧蚀温度以及烧蚀速率的同时测量。本发明人曾介绍了一种薄膜烧蚀传感器及其制备方法，通过微机械加工技术在氧化铝陶瓷基片表面制备了一组金薄膜电阻，可通过金薄膜电阻的通断得出绝热层烧蚀速率，该发明的薄膜烧蚀传感器生产工艺简单，并可设计不同的薄膜电阻间隙达到不同的测量精度要求。但该发明的薄膜烧蚀传感器只能获取绝热层的烧蚀速率，不能同时获取绝热层烧蚀温度参量。专利ZL02205585. I介绍了一种导弹高速热冲击试验陶瓷弹头表面瞬态温度测量装置。该发明将热电偶材料点焊成球，并采用不锈钢压片将热电偶压在导弹表面的凹坑内，这种结构形式不仅会破坏飞行器表面流场，并且可靠性程度低，无法有效满足飞行器测温要求。专利CN201716128描述了一种高速飞行器外表面温度测量装置，其中测温传感器的敏感头顶端位于机体表面绝热层内O. 8mm 1mm，这种安装方式测量所得到的温度并非机体外表面的真实温度，只能通过气动热计算进行校正得到飞行器外表面温度的近似值
发明内容
本发明旨在提出一种薄膜温度烧蚀复合传感器及其制备方法，可以实现对绝热层烧蚀温度和烧蚀速率的同时测量，这种温度烧蚀复合传感器基本采用现有的成熟工艺技术和材料，生产工艺简单，安装方便，不会影响飞行器结构可靠性，具有良好的抗环境干扰能力及可靠性水平。为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为
所述薄膜温度烧蚀复合传感器I包括基片2，设于基片2上的过渡层3，设于过渡层3上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列上设有保护膜6 ;所述薄膜热电偶阵列由两个以上包括电极4 (如PtRh13电极)和B电极5 (如Pt电极)的薄膜热电偶10构成；所述薄膜热电偶10包括将薄膜热电偶10的热电势信号引出的补偿导线7 ；
其中，所述基片2材料为Al2O3陶瓷,其直径为50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述过渡层3材料为Ta2O5,厚度为O. 05 μ m O. I μ m ;所述薄膜热电偶10的厚度为O. 2 μ m O. 5 μ m ;所述保护膜6为电介质材料,优选为SiO2,厚度为O. I μ m O. 2 μ m。 所述薄膜热电偶10为R型热电偶、B型热电偶或S型热电偶，优选为R型热电偶。可将薄膜温度烧蚀复合传感器I埋设于绝热层8材料内，实现对待测工件9的绝热层烧蚀过程中烧蚀温度及烧蚀速率双参数的测量。上述薄膜温度烧蚀复合传感器的制备方法，包括如下步骤
(1)清洗基片，去除基片表面油污及杂质；
(2)将基片与薄膜热电偶A电极的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放在沉积镀膜系统的行星架上；
(3)依次在基片表面淀积过渡层薄膜和薄膜热电偶A电极的薄膜材料，取下不锈钢掩膜；其中过渡层薄膜用以增强热电偶薄膜与基片层的结合力，并增强热电偶薄膜在高温下的稳定性；
(4)将基片与薄膜热电偶B电极的不锈钢掩膜板套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放于沉积镀膜系统的行星架上；
(5)依次在基片表面淀积过渡层薄膜和薄膜热电偶B电极的薄膜材料；取下不锈钢掩
膜；
(6)将经上述步骤制成的薄膜热电偶基片放入高温气氛退火炉，对制备的热电偶薄膜进行退火处理，使电偶薄膜结构趋于稳定；
(7)将薄膜热电偶基片与不锈钢掩膜套装在一起并放入沉积镀膜系统行星架，沉积保护膜；
(8)利用切片机切片制得薄膜温度烧蚀复合传感器；
(9)将薄膜温度烧蚀复合传感器上薄膜热电偶的电极与补偿导线用电阻焊机焊接。其中，步骤(6)所述的退火温度为600°C 800°C，退火气氛为真空，退火时间为O. 5 I小时。下面结合设计及工作原理对本发明作进一步说明
本发明提出的薄膜温度烧蚀复合传感器，包括基片，设于基片上的过渡层，设有过渡层上的薄膜热电偶阵列，所述薄膜热电偶阵列上设有保护膜，所述薄膜热电偶阵列是由两个以上的薄膜热电偶构成的，可根据实际测量要求设计调整热电偶个数和间隙，以满足不同的测量精度要求，所述薄膜热电偶包括补偿引线。在发动机工作过程中，随着绝热层的烧蚀，薄膜热电偶依次逐个暴露在发动机高温环境中，高温和颗粒冲刷将造成薄膜热电偶的断开，通过信号采集装置对薄膜热电偶的通断信号进行实时扫描和采集，获得薄膜热电偶的通断与时间之间的关系，可得到绝热层烧蚀率随时间的变化关系，实现绝热层烧蚀性能的测量。与此同时，薄膜热电偶可同步获取绝热层相应深度的温度值，并可通过绝热层传热学分析得出烧蚀面的表面温度。这样，本发明的薄膜温度烧蚀复合传感器实现了绝热层烧蚀过程温度、烧蚀速率双参数的实时测量。其中，所述基片材料为Al2O3陶瓷,其直径为50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述过渡层材料为Ta2O5,厚度为O. 05 μ m O. I μ m ;所述热电偶为R型热电偶、B型热电偶、S型热电偶的一种，优选R型热电偶，其厚度为O. I μ m O. 2 μ m ;所述保护膜为电介质材料，优选为SiO2，厚度为O. Iym 0.2 μπι。进一步地，薄膜热电偶阵列由不少于2列的多列薄膜热电偶构成，薄膜热电偶纵向间隔作为影响和决定烧蚀速率测量精度的决定性因素之一，可根据产品特性与要求决定薄膜热电偶之间纵向间隔值，以获取不同的产品性能。与现有技术相比，本发明的有益效果是·
a)本发明采用成熟的工艺技术和材料，在基片表面制备了一组薄膜热电偶，在发动机工作或飞行器飞行时，随着绝热层的烧蚀，埋设在绝热层中的薄膜热电偶可获取绝热层相应深度的温度值，也可通过绝热层传热学分析得出烧蚀面的表面温度；
b)由于薄膜热电偶将逐组暴露在高温高压恶劣环境中，薄膜热电偶状态由导通变为断开，通过信号采集卡将电阻的这种通断状态进行采集和记录，在已知薄膜热电偶纵向间隙的情况下，经过简单的计算就可以得到绝热层烧蚀速率；
c)本发明采用溅射淀积技术、不锈钢掩膜技术、电阻焊技术等微机械加工技术，有利于提高加工工艺的一致性和传感器工作的可靠性水平，并可实现薄膜温度烧蚀复合传感器的批量生产，有效降低制造成本；
d)本发明利用微机械加工技术可以在一片基片上同时制造数百上千个薄膜温度烧蚀复合传感器，提高加工效率、加工重复性和加工尺寸的可控性水平，并大大降低制造成本。
图I是本发明薄膜温度烧蚀复合传感器结构示意 图2是本发明薄膜温度烧蚀复合传感器制备工艺流程 图3是在同一基片上制造多个薄膜温度烧蚀复合传感器的结构示意 图4是图I薄膜温度烧蚀复合传感器埋设于待测绝热层的结构示意 图中I、薄膜温度烧蚀复合传感器；2、基片；3、过渡膜；4、A电极；5、B电极；6、保护膜；7、补偿导线；8、绝热层；9、待测工件；10、薄膜热电偶。
具体实施例方式实施例I
参见图I至图4，所述薄膜温度烧蚀复合传感器I包括基片2，设于基片2上的过渡层3，设于过渡层3上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列上设有保护膜6 ;所述薄膜热电偶阵列由两个以上包括电极4和B电极5的薄膜热电偶10构成；所述薄膜热电偶10包括将薄膜热电偶10的热电势信号引出的补偿导线7 ；其中，所述基片2材料为Al2O3陶瓷,其直径为50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述过渡层3材料为Ta2O5,厚度为O. 05 μ m O. I μ m ;所述薄膜热电偶10为R型PtRhl3_Pt热电偶，其厚度为O. 2μπι O. 5μπι ;所述保护膜6材料为SiO2,厚度为O. I μ m O. 2 μ m。实施例2
参见图2，本发明，所述薄膜温度烧蚀复合传感器制备方法包括以下步骤
(1)对直径50mm 150mm、厚度O.5mm Imm的Al2O3基片进行清洗，去除基片抛光面的油污及杂质站污等；
(2)将基片与R型PtRhl3-Pt热电偶PtRhl3电极的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈 钢夹具夹好放入离子束溅射镀膜机的行星架上；
(3)利用离子束溅射沉积厚度O.05 μ m O. I μ m的Ta2O5过渡膜和O. I μ m O. 2 μ m的PtRhl3热电偶薄膜，取下不锈钢掩膜；
(4)将基片与R型PtRhl3-Pt热电偶Pt电极的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放入离子束溅射镀膜机的行星架上；
(5)利用离子束溅射沉积厚度O.05 μ m O. I μ m的Ta2O5过渡膜和O. I μ m O. 2 μ m的Pt热电偶薄膜，取下不锈钢掩膜；
(6)将经上述步骤制成的薄膜热电偶基片放入高温气氛退火炉，在600°C 800°C条件下进行真空退火O. 5 I小时；
(7)将薄膜热电偶基片与保护膜的不锈钢掩膜套装在一起，放入离子束镀膜机内的行星架上，沉积O. I μ m O. 2 μ m厚的SiO2膜；
(8)用划片机划片，薄膜温度烧蚀复合传感器分割成型；
(9)采用电阻焊机分别完成PtRh13薄膜热电偶电极与直径为75μ m PtRh13补偿线的连接，以及Pt热电偶电极与线径75 μ m的Pt补偿线的连接。至此，完成本发明薄膜温度烧蚀复合传感器的制备。可将传感器埋设于绝热层材料的内，实现绝热层烧蚀过程中烧蚀温度及烧蚀速率双参数的测量。上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
权利要求
1.一种薄膜温度烧蚀复合传感器，其特征在于，所述薄膜温度烧蚀复合传感器(I)包括基片(2)，设于基片(2)上的过渡层(3)，设于过渡层(3)上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列上设有保护膜(6);所述薄膜热电偶阵列由两个以上包括A电极(4)和B电极(5)的薄膜热电偶(10)构成；所述薄膜热电偶(10)包括将薄膜热电偶(10)的热电势信号引出的补偿导线(7);所述基片(2)材料为Al2O3陶瓷；所述过渡层(3)材料为Ta2O5 ;所述保护膜(6)为电介质材料。
2.如权利要求I所述的薄膜温度烧蚀复合传感器，其特征在于，所述基片(2)直径为50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述过渡层(3)厚度为O. 05 μ m O. Ium ;所述薄膜热电偶(10)的厚度为O. 2μπι O. 5μπι ;所述保护膜(6)厚度为O. I μ m O. 2 μ m。
3.如权利要求I所述的薄膜温度烧蚀复合传感器，其特征在于，所述薄膜热电偶(10)为R型热电偶、B型热电偶或S型热电偶。
4.如权利要求3所述的薄膜温度烧蚀复合传感器，其特征在于，所述薄膜热电偶(10)为R型热电偶。
5.如权利要求I所述的薄膜温度烧蚀复合传感器，其特征在于，所述保护膜(6)材料为Si02。
6.—种如权利要求I 5之一所述薄膜温度烧蚀复合传感器的制备方法，包括如下步骤 (1)清洗基片； (2)将基片与薄膜热电偶A电极的不锈钢掩膜套装在一起并放于沉积镀膜系统的行星架上； (3)依次在基片表面淀积过渡层薄膜和薄膜热电偶A电极的薄膜材料，取下不锈钢掩膜； (4)将基片与薄膜热电偶B电极的不锈钢掩膜板套装在一起并放于沉积镀膜系统的行星架上； (5)依次在基片表面淀积过渡层薄膜和薄膜热电偶B电极的薄膜材料；取下不锈钢掩膜； (6)将经上述步骤制成的薄膜热电偶基片放入高温气氛退火炉，对制备的热电偶薄膜进行退火； (7)将薄膜热电偶基片与不锈钢掩膜套装在一起并放入沉积镀膜系统行星架，沉积保护膜； (8)切片制得薄膜温度烧蚀复合传感器； (9)将薄膜温度烧蚀复合传感器上薄膜热电偶的电极与补偿导线焊接。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(6)所述的退火温度为600°C 800°C，退火气氛为真空。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(6)所述的退火时间为O.5 I小时。
全文摘要
本发明公开了一种薄膜温度烧蚀复合传感器及其制备方法，所述传感器是一种绝热层材料烧蚀温度与烧蚀速率测量集成型薄膜传感器。本发明采用微机械加工技术在基片表面制作了一组薄膜热电偶，然后将薄膜热电偶垂直埋设于绝热层内，这样，在绝热层材料的烧蚀过程中，就可以通过薄膜热电偶组测量出绝热层烧蚀面以及绝热层不同深度点的温度，并可通过薄膜热电偶的通断判断绝热层烧蚀面的位置，结合烧蚀时间，可得出绝热层材料的烧蚀速率。采用这种发明的有益效果是可同时对绝热层材料烧蚀过程中的温度变化及绝热层烧蚀速率进行测量，为绝热层的设计提供数据参考，并且采用这种发明的薄膜温度烧蚀传感器制备工艺简单，结构可靠。
文档编号G01D21/02GK102901534SQ201210362540
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者景涛, 谢贵久, 颜志红, 程文进, 白庆星, 何峰, 王栋, 张环宇 申请人:中国电子科技集团公司第四十八研究所