薄膜传感器及其制备方法

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种薄膜传感器及其制备方法。

背景技术：

航空航天发动机在工作时，在燃气燃烧所产生的高温、高压等恶劣环境下，涡轮叶片高速旋转，其表面温度急剧上升且会承受变化巨大的各种应力，对发动机的性能和寿命有着很大影响。为了对发动机高温部件等材料进行评估及新型高温部件的研制，需要对发动机高温部件的参数进行测量，如表面温度、应变、表面热流量等。且为了保证发动机的安全运行，也需要实时监测涡轮叶片等部件，这些部件若达到故障或瘫痪的状况，需要及时进行维修或更换，进而保证航天器运行的安全性。

现有技术中，通常采用温度传感器、压力传感器及热流传感器分别实现对高温部件温度、应变及热流量的测量，但是现有的传感器体积较大，在高温部件上占用面积较大，对高温部件表面换热及表面气流具有一定的干扰。

技术实现要素：

本发明提供一种薄膜传感器及其制备方法，以解决现有技术传感器体积较大的问题。

第一个方面，本发明实施例提供一种薄膜传感器，包括：

基片；

设置在基片上的绝缘层；

以及设置在所述绝缘层上的第一薄膜热电偶、薄膜热电偶阵列和敏感栅单元3种器件中的至少两种；

所述第一薄膜热电偶用于温度测量；

所述薄膜热电偶阵列用于热流密度测量；

所述敏感栅单元用于应变测量。

第二个方面，本发明实施例提供一种薄膜传感器的制备方法，包括：

先后采用丙酮、乙醇、去离子水对基片的表面进行清洗，并于氮气气氛下获得干燥基片；

在所述干燥基片上沉积绝缘层，获得带有绝缘层的第一复合片；

在所述第一复合片的绝缘层表面沉积热电偶电极薄膜材料层和/或敏感栅材料层，获得第二复合片；

在所述第二复合片的热电偶电极薄膜材料层上沉积热阻层，获得第三复合片；

对所述第三复合片进行退火处理，获得薄膜传感器。

本发明通过在基片上设置绝缘层，在绝缘层上设置第一薄膜热电偶、薄膜热电偶阵列和敏感栅单元3种器件中的至少两种，使得一个薄膜传感器能够同时实现温度、热流密度及应变中至少两种数据的测量，可有效减小传感器体积，从而减小传感器对待测的高温部件面积的占用，降低传感器对高温部件表面换热及表面气流的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的薄膜传感器的一种示例性结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的第一薄膜热电偶的一种示例性结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的第一薄膜热电偶的另一种示例性结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的薄膜热电偶阵列的一种示例性结构示意图；

图5为本发明一实施例提供的薄膜热电偶阵列的另一种示例性结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的薄膜热电偶阵列的再一种示例性结构示意图；

图7为本发明一实施例提供的敏感栅单元的一种示例性结构示意图；

图8为本发明一实施例提供的敏感栅单元的另一种示例性结构示意图；

图9为本发明一实施例提供的热阻层的一种示例性示意图；

图10为本发明一实施例提供的热阻层的另一种示例性示意图；

图11为本发明一实施例提供的热阻层的再一种示例性示意图；

图12为本发明一实施例提供的薄膜传感器的另一种示例性结构示意图；

图13为本发明一实施例提供的图12的实际视图；

图14为本发明一实施例提供的薄膜传感器与外部设备连接示意图；

图15为本发明一实施例提供的薄膜传感器的制备方法的流程示意图；

图16为本发明一实施例提供的薄膜传感器制备过程示意图；

图17为本发明一实施例提供的热阻层的一种示例性制备过程示意图；

图18为本发明一实施例提供的薄热阻层18的一种示例性示意图；

图19为本发明一实施例提供的薄膜传感器的一种示例性的立体结构示意图；

附图标记：

10-薄膜传感器；

11-基片；

12-绝缘层；

13-第一薄膜热电偶；

131-第一薄膜热电偶的第一电极(或称a电极)；

132-第一薄膜热电偶的第二电极(或称b电极)；

133-第一薄膜热电偶的热结点；

134-第一薄膜热电偶的一外接端；

135-第一薄膜热电偶的另一外接端；

14-薄膜热电偶阵列；

141-第二薄膜热电偶；

142-薄膜热电偶阵列的第一外接端；

143-薄膜热电偶阵列的第二外接端；

144-薄膜热电偶阵列的第一热结点；

145-薄膜热电偶阵列的第二热结点；

15-敏感栅单元；

151-电阻栅；

152-两电阻栅之间的连接点；

153-敏感栅单元的第三外接端；

154-敏感栅单元的第四连接端；

16-热阻层；

17-第一热阻层(即厚热阻层)；

18-第二热阻层(即薄热阻层)；

19-第一层热阻层；

20-第二层热阻层；

1-焊盘1；

2-焊盘2；

3-焊盘3；

4-焊盘4；

5-焊盘5；

6-焊盘6；

1’-补偿导线1’；

2’-补偿导线2’；

3’-补偿导线3’；

4’-补偿导线4’；

5’-补偿导线5’；

6’-补偿导线6’。

通过上述附图，已示出本发明明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本发明构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在以下各实施例的描述中，“多个”的含义是两个及两个以上，除非另有明确具体的限定。

下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。

本发明一实施例提供一种薄膜传感器，用于航空航天等技术领域中发动机涡轮叶片等部件的温度、应力、热流等的测量。

如图1所示，为本实施例提供的薄膜传感器的一种示例性结构示意图，该图为薄膜传感器的俯视图，本发明实施例均以薄膜传感器的基片平行于水平面为参考，该薄膜传感器10包括：基片11；设置在基片11上的绝缘层12；设置在所述绝缘层12上的第一薄膜热电偶13、薄膜热电偶阵列14和敏感栅单元15这三种器件中的至少两种；所述第一薄膜热电偶13用于温度测量；所述薄膜热电偶阵列14用于热流密度测量；所述敏感栅单元15用于应变测量。

具体的，设置在所述绝缘层12上的第一薄膜热电偶13、薄膜热电偶阵列14和敏感栅单元15这3种器件中的至少两种，具体包括以下4种情况：1、该薄膜传感器10包括第一薄膜热电偶13和薄膜热电偶阵列14，从而可以实现温度和热流密度的测量；2、该薄膜传感器10包括第一薄膜热电偶13和敏感栅单元15，从而可以实现温度和应变的测量；3、该薄膜传感器10包括薄膜热电偶阵列14和敏感栅单元15，从而可以实现热流密度和应变的测量；4、该薄膜传感器10包括第一薄膜热电偶13、薄膜热电偶阵列14和敏感栅单元15，从而可以同时实现温度、热流密度和应变的测量。第一薄膜热电偶13、薄膜热电偶阵列14及敏感栅单元15均为在绝缘层12上沉积的相应图形(比如图1中的图形)的薄膜层，具体厚度可以根据实际需求设置，图1只是一种示例性结构，示例性示出薄膜传感器10的组成以及一种分布方式，实际应用中，该薄膜传感器10的具体结构及各部分的厚度、形状、分布方式可以根据实际需求设置。

本实施例的薄膜传感器，通过在基片上设置绝缘层，在绝缘层上设置第一薄膜热电偶、薄膜热电偶阵列和敏感栅单元这三种器件中的至少两种，使得一个薄膜传感器能够同时实现温度、热流密度及应变中至少两种数据的测量，可有效减小传感器体积，从而减小传感器对待测的高温部件面积的占用，降低传感器对高温部件表面换热及表面气流的干扰。

在一些实施例中，基片11材料可以为钛合金、镍、镍合金或不锈钢等材料，具体可以根据实际需求设置；绝缘层12材料可以为氮化硅、氧化铝等材料；绝缘层12的设置可以使薄膜热电偶及敏感栅单元15更加牢固；敏感栅单元15的材料可以为镍铬合金、铁铬铝合金(0cr21al6nb)、铂钨合金或钯铬合金等材料。

在一些实施例中，如图2所示，为本实施例提供的第一薄膜热电偶的一种示例性结构示意图。图2为图1中第一薄膜热电偶13的放大示意图。该第一薄膜热电偶13包括两个电极，比如第一电极131(也可称a电极，图2中用黑色表示)和第二电极132(也可称为b电极，图2中用灰色表示)，两电极材料不同，比如r型ptrh13-pt热电偶，a电极的一端和b电极的一端连接形成热结点133，该热结点133作为工作端，a电极的另一端134和b电极的另一端135作为外接端与数据采集器连接，为了区分该数据采集器可以称为第一数据采集器，具体的，两外接端134和135可以通过焊盘与补偿导线连接，通过补偿导线与第一数据采集器连接，第一数据采集器基于薄膜热电偶的热电效应采集第一薄膜热电偶13两外接端134和135输出的热电势信号(或称电势信号)，发送给计算机设备，计算机设备可以显示接收的电势信号，计算机设备还可以根据接收的电势信号计算获得温度，还可以将获得的温度在计算机设备上进行显示。计算机设备根据电势信号确定温度具体可以是根据预设映射规则来计算，比如预先获得薄膜传感器10对应的电势-温度变化曲线，在实际应用中，在获得薄膜传感器10的第一薄膜热电偶13输出的电势信号后，根据预先获得的该薄膜传感器10对应的电势-温度变化曲线来确定对应的温度，具体计算原理为现有技术，在此不再赘述，电势-温度变化曲线可以通过综合冷却效果试验获得，比如将标准热电偶与本发明薄膜传感器置于相同高温试验条件，采用标准热电偶对本发明薄膜传感器进行标定，具体来说，采用标准热电偶输出的电势、温度变化数据对本发明薄膜传感器10的第一薄膜热电偶13的输出电势信号进行多次比较分析，绘制出本发明薄膜传感器10对应的电势-温度变化曲线。第一薄膜热电偶13的具体形状可以根据实际需求设置，不限于图2的形状。示例性的，如图3所示，为本实施例提供的第一薄膜热电偶的另一种示例性结构示意图。

数据采集(daq，dataacquisition)器是指测量电压、电流、温度、压力、声音、编码数据等电气或物理现象过程的设备。

可选地，第一薄膜热电偶13可以为r型热电偶，具体为r型ptrh13-pt热电偶，第一薄膜热电偶13也可以为其他热电偶材料，如b型铂铑30-铂铑6、k型镍铬10-镍硅3、j型铁-铜镍及t型铜-铜镍等，具体可以根据实际需求设置。

在一些实施例中，如图4所示，为本实施例提供的薄膜热电偶阵列的一种示例性结构示意图，该图为图1中薄膜热电偶阵列14的放大示意图，薄膜热电偶阵列14是将两个或两个以上的薄膜热电偶(称为第二薄膜热电偶141)串联连接组成的热电偶组，薄膜热电偶阵列14第一外接端142和第二外接端143分别用于与第二数据采集器连接，具体可以是通过焊盘与补偿导线连接，进而通过补偿导线与第二采集信号连接，第二采集信号采集第一外接端和第二外接端输出的电势信号，发送给计算机设备，计算机设备根据电势信号，确定热流密度。第二薄膜热电偶可以是与第一薄膜热电偶13相同，也可以根据实际需求设置为与第一薄膜热电偶13不同的薄膜热电偶。薄膜热电偶阵列14中各第二薄膜热电偶同样包括两个材料不同的电极，比如称为第三电极(也可称为c电极，见图4中的黑色电极)和第四电极(也可称为d电极，见图4中灰色电极)，对于一个第二薄膜热电偶，其结构与第一薄膜热电偶13类似，c电极的一端和d电极的一端连接形成热结点，该热结点作为工作端，c电极的另一端可以称为第一外接点、d电极的另一端可以称为第二外接点，对于两个相邻的第二薄膜热电偶，比如第二薄膜热电偶e和第二薄膜热电偶f，e的第二外接点与f的第一外接点连接，该连接处也可以称为热结点，可以将第二薄膜热电偶工作端的热结点称为第一热结点144，将两第二薄膜热电偶连接处的热结点称为第二热结点145，从而实现e和f的串联，以此类推，可以实现更多个第二薄膜热电偶的串联，作为薄膜热电偶阵列14，最终获得的薄膜热电偶阵列14中第一个第二薄膜热电偶的第一外接点作为薄膜热电偶阵列14的第一外接端142，最后一个第二薄膜热电偶的第二外接点作为薄膜热电偶阵列14的第二外接端143。薄膜热电偶阵列14通过多个薄膜热电偶串联将多个薄膜热电偶的热电效应叠加，使得输出的电势增大，因此薄膜热电偶阵列14可以称为热电堆，薄膜热电偶阵列14的第一外接端142和第二外接端143可以与数据采集器(可以称为第二数据采集器)连接，第二数据采集器可以是与第一数据采集器为同一数据采集器，也可以是不同数据采集器，具体可以根据实际需求设置，第二数据采集器采集薄膜热电偶阵列14两外接端输出的电势信号，根据该热电势信号来确定热流密度，具体可以根据预先获得的薄膜传感器10对应的电势-热流密度变化曲线来确定热流密度。薄膜传感器10对应的电势-热流密度变化曲线可以通过综合冷却效果试验获得，比如将ht-50标准热流传感器与本发明薄膜传感器10置于相同高温条件下进行试验，采用ht-50标准热流传感器对本发明薄膜传感器10进行标定，将ht-50标准热流传感器输出的热流密度变化数据与本发明薄膜传感器10输出的电势信号进行多次比较分析，绘制出薄膜传感器10对应的电势-热流密度变化曲线，即获得本发明薄膜传感器10的输出电势与热流密度的映射关系，从而在实际测量时，可以根据薄膜传感器10的薄膜热电偶阵列14的输出热电势来确定最终的热流密度。

可选地，薄膜热电偶阵列14的图形可以为弓字形、z字形、弧形等，不限于图4中的形状，具体可以根据实际需求设置。如图5所示，为本实施例提供的薄膜热电偶阵列的另一种示例性结构示意图。如图6所示，为本实施例提供的薄膜热电偶阵列的再一种示例性结构示意图。薄膜热电偶阵列14中包括的第二薄膜热电偶的数量可以根据实际需求设置。

在一些实施例中，如图7所示，为本实施例提供的敏感栅单元的一种示例性结构示意图，该图为图1中敏感栅单元15的放大示意图，敏感栅单元15包括至少两个电阻栅151，该至少两个电阻栅串联连接，敏感栅单元15的两外接端与动态信号测试分析系统(比如dh5929动态信号测试分析系统)连接；每个电阻栅151可以包括两个连接端，分别称为第一连接端和第二连接端，对于相邻的两个电阻栅，一个电阻栅的第二连接端与另一个电阻栅的第一连接端连接，连接处可以称为连接点152，从而形成敏感栅单元15，敏感栅单元15中第一个电阻栅的第一连接端作为该敏感栅单元15的一个外接端(可以称为第三外接端153)，该敏感栅单元15中的最后一个电阻栅的第二连接端作为该敏感栅单元15的另一外接端(可以称为第四外接端154)，第三外接端和第四外接端可以与动态信号测试分析系统连接，将基片11的应变转变为电压信号或电流信号，通过动态信号测试分析系统采集电压信号或电流信号，从而实现对应变的测量。具体来说，敏感栅单元15基于电阻应变效应与压阻效应，通过敏感栅变形将外界引起的基片11的应变转换成电信号(电压信号或电流信号)输出，从而实现对待测高温部件表面或内部的应力以及应变的实时测量，测量结果可以以电压或电流形式在计算机设备显示。以电压信号为例，可以预先获得薄膜传感器10对应的电压-应变变化曲线，动态信号测试分析系统实时采集薄膜传感器10输出的电压信号，根据薄膜传感器10对应的电压-应变变化曲线来确定应变；薄膜传感器10对应的电压-应变变化曲线可以通过综合冷却效果试验获得，比如，将标准高温应变计与本发明的薄膜传感器10置于相同高温试验条件，采用标准高温应变计对本发明薄膜传感器进行标定，将标准高温应变计输出的应力、应变变化数据与本发明薄膜传感器10输出的电压进行多次比较分析，绘制出薄膜传感器10对应的电压-应变变化曲线。

可选地，敏感栅单元15的具体结构及图形可以根据实际需求设置，不限于图7中的结构及图形。比如敏感栅单元15包括的电阻栅数量可以为其他数量，各电阻栅在绝缘层12上的布局可以根据实际需求设置为其他布局。

示例性的，如图8所示，为本实施例提供的敏感栅单元的另一种示例性结构示意图，该敏感栅单元15包括4个电阻栅。

在实际应用中，薄膜传感器10的基片11形状可以根据实际需求设置，比如可以设置为圆形、矩形、椭圆形、长方形，相应的绝缘层12的形状与基片11一致，第一薄膜热电偶13、薄膜热电偶阵列14和敏感栅单元15分布在绝缘层12上，基片11的厚度可以根据实际需求设置，比如可以为0.5mm～1mm，基片11的大小可以根据实际需求设置，比如以圆形基片11为例，直径可以为20mm～100mm，绝缘层12的厚度可以为0.05μm～0.1μm，薄膜热电偶(包括第一薄膜热电偶13和薄膜热电偶阵列14中的各第二薄膜热电偶)的厚度可以为0.2～0.5μm，敏感栅单元15的厚度可以为400～800nm。

可以理解地，薄膜热电偶的工作需要结合热阻层(图1中未示出)实现，示例性的，如图9所示，为本实施例提供的热阻层的一种示例性示意图，该图为热阻层与第一薄膜热电偶13及薄膜热电偶阵列14的关系示意图，可以认为是除去基片和绝缘层后的仰视图，该薄膜传感器10包括热阻层16，该热阻层16设置在第一薄膜热电偶13的工作端热结点133及各第二薄膜热电偶的工作端第一热结点144上，使得第一薄膜热电偶13的工作端热结点133及各第二薄膜热电偶的工作端第一热结点144在热阻层16的垂直投影位于热阻层16上，第一薄膜热电偶13的两外接端134和135及各第二薄膜热电偶的外接点(包括第一外接端142、第二外接端143、第二热结点145)在热阻层的垂直投影位于热阻层16外，也即薄膜热电偶阵列14相邻两热结点中一个(上述第一热结点)投影到热阻层16上，另一个(上述第二热结点)投影到热阻层16外。对于第一薄膜热电偶13来说，当薄膜传感器10在承受热冲击时，热阻层16会延缓热传递，导致热阻层16上的工作端(热结点)与热阻层16外的外接端之间存在短暂温度差，根据赛贝克效应，两端的温度差会导致相应的热电势差，则输出的电势可评价温度，从而实现对温度的实时测量。对于薄膜热电偶阵列14，输出的电势则是多个热结点间热电势差的累积结果，该输出电势可以评价热流密度的大小，从而实现对热流密度的实时测量。

可选地，该热阻层16的厚度具体可以根据实际需求设置，比如可以设置为0.5μm～10μm之间的厚度值。

示例性的，如图10所示，为本实施例提供的热阻层的另一种示例性示意图，该图为热阻层与第一薄膜热电偶13及薄膜热电偶阵列14的关系示意图，可以认为是除去基片和绝缘层后的仰视图，该热阻层包括厚热阻层17(可以称为第一热阻层)和薄热阻层18(可以称为第二热阻层)，厚热阻层厚度大于薄热阻层的厚度，第一薄膜热电偶13的工作端与所述厚热阻层接触，所述第一薄膜热电偶13的两外接端与所述薄热阻层接触，所述薄膜热电偶阵列14中各第二薄膜热电偶的工作端与所述第一热阻层接触，各第二薄膜热电偶的外接点与所述第二热阻层接触，具体来说，厚热阻层设置在第一薄膜热电偶13的工作端热结点133及各第二薄膜热电偶的工作端第一热结点144上方，薄热阻层设置在第一薄膜热电偶13的外接端(134和135)及各第二薄膜热电偶的外接点(包括第一外接端142、第二外接端143、第二热结点145)上方，使得第一薄膜热电偶13的工作端热结点133及各第二薄膜热电偶的工作端第一热结点144在热阻层的垂直投影位于厚热阻层上，而第一薄膜热电偶13的外接端134和135及各第二薄膜热电偶的外接点(包括第一外接端142、第二外接端143、第二热结点145)在热阻层的垂直投影位于薄热阻层上。根据厚热阻层和薄热阻层对热传递的延缓效果不同，导致相邻两热结点之间的温度差，从而输出电势，实现温度测量和热流密度测量，基于输出电势确定温度及热流密度的具体原理与前述一致，在此不再赘述。

可选地，第一热阻层和第二热阻层的厚度可以根据实际需求设置，比如第一热阻层的厚度可以设置为5μm～11μm之间的值，第二热阻层的厚度可以设置为0.5μm～1μm之间的值。

对于图6所示的薄膜热电偶阵列14，如图11所示，为本实施例提供的热阻层的再一种示例性示意图，该热阻层16的设置原理与图9类似，将薄膜热电偶阵列14相邻两热结点中一个(上述第一热结点)投影到热阻层上，另一个(上述第二热结点)投影到热阻层外即可，具体不再赘述。该热阻层也可以包括厚热阻层和薄热阻层，原理与图10类似，在此不再赘述。

可选地，热阻层材料可以为sio2、ta2o5、氧化铝等材料，具体可以根据实际需求设置。

可选地，第一薄膜热电偶13、薄膜热电偶阵列14和敏感栅单元15在绝缘层12上的具体分布方式可以根据实际需求设置，不限于图1中的布局。

示例性的，如图12所示，为本实施例提供的薄膜传感器的另一种示例性结构示意图，该薄膜传感器10的基片11为矩形，相应的，绝缘层12为与基片11相同形状的一层，第一薄膜热电偶13为角形，薄膜热电偶阵列14为弓字形，其中每个第二薄膜热电偶为一字形，敏感栅单元15包括4个电阻栅，在薄膜热电偶阵列14及第一薄膜热电偶13上设置有热阻层16，图12中为了清除表示热阻层与第一薄膜热电偶13及薄膜热电偶阵列14的关系，热阻层16未将第一薄膜热电偶13及薄膜热电偶的相应部分遮盖，实际热阻层16是覆盖住了第一薄膜热电偶13及薄膜热电偶的相应部分，如图13所示，为本实施例提供的图12的实际视图。各部分的外接端可以通过焊盘连接各自对应的补偿导线，进而通过补偿导线连接相应的数据采集器，具体工作原理不再赘述。

在一些实施例中，可选地，基片11可以为独立于待测高温部件的基片，在制备成薄膜传感器后，薄膜传感器安装到待测的高温部件相应区域，具体安装方式可以根据实际需求设置，比如可以设置安装结构，将薄膜传感器安装到待测高温部件上，安装结构可以根据实际需求设置，本发明实施例不做限定。

在一些实施例中，可选地，基片11可以为待测的高温部件(比如涡轮叶片或者其他任意的高温部件)上的目标区域，目标区域即为需要测量温度、热流密度及应变的区域，则将该目标区域作为基片11，在基片11上沉积绝缘层12、第一薄膜热电偶13、薄膜热电偶阵列14、敏感栅单元15及其他需要部分，比如热阻层、各部分的外接端连接的焊盘等。

示例性的，如图14所示，为本实施例提供的薄膜传感器与外部设备连接示意图，第一薄膜热电偶(图14中被覆盖在厚热阻层17和薄热阻层18下)的两外接端134和135分别通过焊盘1和焊盘2与各自对应的补偿导线1’及补偿导线2’连接，补偿导线1’和2’与第一数据采集器连接；薄膜热电偶阵列14的第一外接端142通过焊盘3与补偿导线3’连接，薄膜热电偶阵列(图14中被覆盖在厚热阻层17和薄热阻层18下)的第二外接端143通过焊盘4与补偿导线4’连接，补偿导线3’和4’与第二数据采集器连接，若第一数据采集器有足够的端口，补偿导线3’和4’也可以与第一数据采集器连接；敏感栅单元15的第三外接端153通过焊盘5与补偿导线5’连接，敏感栅单元15的第四外接端154通过焊盘6与补偿导线6’连接，补偿导线5’和6’与动态信号测试分析系统连接，第一数据采集器、第二数据采集器和动态信号测试分析系统均与计算机设备连接，将采集的信号发送给计算机设备，由计算机设备计算获得温度、热流密度及应变的具体结果，并可以显示。

本发明另一实施例提供一种薄膜传感器的制备方法，用于上述实施例提供的薄膜传感器的制备。

如图15所示，为本实施例提供的薄膜传感器的制备方法的流程示意图，该方法包括：

步骤201，先后采用丙酮、乙醇、去离子水对基片的表面进行清洗，并于氮气气氛下获得干燥基片。

具体的，基片材料可以为钛合金、镍、镍合金或不锈钢等材料，具体可以根据实际需求设置，基片的厚度可以根据实际需求设置，比如可以为0.5mm～1mm，当基片为待测高温部件的目标区域时，基片的厚度即为待测高温部件的厚度；基片的大小可以根据实际需求设置，比如以圆形基片为例，直径可以为20mm～100mm，可以将基片放入玻璃皿中，倒入足够的丙酮溶剂覆盖基片，再将玻璃皿放入超声清洗机中进行超声震荡第一预设时间，比如5min，然后将超声清洗完毕的基片放入乙醇溶液中再次进行超声清洗第二预设时间，比如6min，然后再将超声清洗完毕的基片放入去离子水中进行超声清洗第三预设时间，清洗后，使用干燥的氮气将基片表面的水分吹干，具体的清洗时间(第一预设时间、第二预设时间和第三预设时间)可以根据实际需求设置。

步骤202，在干燥基片上沉积绝缘层，获得带有绝缘层的第一复合片。

具体的，在获得干燥基片后，则可以在干燥基片上沉积绝缘层，获得带有绝缘层的基片，为了与原基片区分可以称为第一复合片；沉积绝缘层可以采用任意的物理气相沉积方式，比如磁控溅射沉积方式、离子束溅射沉积方式等，磁控溅射沉积方式可以包括射频磁控溅射法和直流磁控溅射法。

示例性的，将干燥基片放入磁控溅射的沉积腔中，采用物理气相沉积方法在干燥基片表面沉积绝缘层。

绝缘层材料可以为氮化硅、氧化铝等材料；绝缘层的设置可以使薄膜热电偶及敏感栅单元更加牢固；绝缘层的厚度可以为0.05μm～0.1μm，具体厚度值可以根据实际需求设置。

步骤203，在第一复合片的绝缘层表面沉积热电偶电极薄膜材料层和/或敏感栅材料层，获得第二复合片。

具体的，在沉积完绝缘层获得第一复合片后，可以在第一复合片的绝缘层表面沉积热电偶电极薄膜材料层和/或敏感栅材料层，热电偶电极薄膜材料层可以包括第一薄膜热电偶的电极薄膜材料和/或薄膜热电偶阵列的电极薄膜材料，也即沉积内容可以根据想要制备的薄膜传感器的具体类型来确定，若想要薄膜传感器实现测量温度和热流密度，则沉积第一薄膜热电偶的电极薄膜材料和薄膜热电偶阵列的电极薄膜材料即可，若想要薄膜传感器实现测量温度和应变，则沉积薄膜热电偶阵列的电极薄膜材料和敏感栅材料层，若想要实现测量温度和应变则沉积第一薄膜热电偶的电极薄膜材料和敏感栅材料层，若想要实现测量温度、热流密度和应变，则沉积第一薄膜热电偶的电极薄膜材料、薄膜热电偶阵列的电极薄膜材料和敏感栅材料层。由于每个薄膜热电偶包括两个材料不同的电极，在沉积时两电极需要分别沉积。以下以在第一复合片的绝缘层表面沉积第一薄膜热电偶的电极薄膜材料、薄膜热电偶阵列的电极薄膜材料和敏感栅材料层为例进行说明，实际制备过程中，可以根据实际需求沉积其中的至少两种器件的材料层。

对于第一薄膜热电偶与薄膜热电偶阵列中第二薄膜热电偶为同一种薄膜热电偶的情况，可以预先制作两种电极对应的掩膜版，比如称为第一掩膜版和第二掩膜版，掩膜版可以是金属掩膜版，比如不锈钢掩膜版，第一掩膜版可以包括设置好布局的第一薄膜热电偶a电极图形及薄膜热电偶阵列中各第二薄膜热电偶c电极(与a电极材料相同)图形，同理，第二掩膜版可以包括第一薄膜热电偶b电极图形及各第二薄膜热电偶d电极图形，从而可以通过第一掩膜版同时沉积第一薄膜热电偶的a电极和各第二薄膜热电偶的c电极，通过第二掩膜版可以同时沉积第一薄膜热电偶的b电极和各第二薄膜热电偶的d电极；以第一掩膜版为例，在沉积时，可以将第一掩膜版与第一复合片固定装到一起，可以使用不锈钢夹具固定，将固定有第一掩膜版的第一复合片放置到离子束溅射镀膜机的沉积腔中，采用离子束溅射沉积方式在绝缘层表面沉积第一薄膜热电偶的a电极和各第二薄膜热电偶的c电极的电极薄膜材料，沉积完后取下第一掩膜版，然后再将第二掩膜版与第一复合片固定沉积第一薄膜热电偶的b电极和各第二薄膜热电偶的d电极的电极薄膜材料，具体不再赘述。

对于第一薄膜热电偶和薄膜热电偶阵列中第二薄膜热电偶为不同类型薄膜热电偶的情况，第一薄膜热电偶需要与薄膜热电偶阵列分开沉积，可以不分先后顺序，比如可以预先设置各材料电极对应的掩膜版(4种材料对应4个掩膜版)，具体沉积过程与上述类似，在此不再赘述。

可选地，薄膜热电偶的沉积可以采用任意的物理气相沉积方式，比如磁控溅射沉积方式、离子束溅射沉积方式等，磁控溅射沉积方式可以包括射频磁控溅射法和直流磁控溅射法。

可选地，薄膜热电偶(包括第一薄膜热电偶和薄膜热电偶阵列中的各第二薄膜热电偶)的厚度可以为0.2μm～0.5μm，具体可以根据实际需求设置。

同样地，敏感栅材料层的沉积也可以是预先设置对应的掩膜版，可以称为第三掩膜版，第三掩膜版包括敏感栅单元的图形，将第三掩膜版与沉积完第一薄膜热电偶及薄膜热电偶阵列的第一复合片固定，采用磁控溅射沉积方式将相应靶材(比如镍铬合金靶材)沉积到绝缘层上，形成镍铬合金薄膜，即制备获得敏感栅单元。

可选地，敏感栅单元的沉积方式可以采用任意的物理气相沉积方式，比如磁控溅射沉积方式、离子束溅射沉积方式等，磁控溅射沉积方式可以包括射频磁控溅射法和直流磁控溅射法。

可选地，敏感栅单元的厚度可以为400～800nm，具体可以根据实际需求设置。

可选地，金属掩膜版可以采用一定厚度的钼片，比如300微米，具体厚度可以根据实际需求设置。

步骤204，在第二复合片的热电偶电极薄膜材料层上沉积热阻层，获得第三复合片。

具体的，在获得第二复合片后，可以在第二复合片的热电偶电极薄膜材料层上沉积热阻层，获得第三复合片。具体来说，可以预先设置热阻层掩膜版，基于热阻层掩膜版，采用物理气相沉积方式(比如离子束溅射沉积方式)在热电偶电极薄膜材料层上相应位置沉积热阻层材料。

参见上述实施例，热阻层可以只在薄膜热电偶工作端上方沉积一定区域的一种厚度的热阻层，也可以是在薄膜热电偶工作端上方沉积厚热阻层，在第一薄膜热电偶的两外接端及薄膜热电偶阵列中各第二薄膜热电偶的外接点上方沉积薄热阻层，具体沉积区域及厚度可以根据实际需求设置；热阻层的具体作用及位置参见上述实施例，在此不再赘述；对于两种厚度的热阻层的沉积，可以设置两个掩膜版，具体基于掩膜版沉积的具体过程与上述沉积过程类似，在此不再赘述。

可选地，热阻层的沉积方式可以采用任意的物理气相沉积方式，比如磁控溅射沉积方式、离子束溅射沉积方式等，磁控溅射沉积方式可以包括射频磁控溅射法和直流磁控溅射法。

可选地，热阻层的厚度可以根据实际需求设置，比如对于只沉积一种厚度的热阻层来说，热阻层的厚度可以为0.5μm～10μm之间的厚度值；对于沉积厚热阻层和薄热阻层来说，厚热阻层的厚度可以设置为5μm～10μm之间的值，薄热阻层的厚度可以设置为0.5μm～1μm之间的值。

步骤205，对第三复合片进行退火处理，获得薄膜传感器。

具体的，退火处理可以是在高温气氛退火炉进行，在高温气氛退火炉放入第三复合片，对制备的第三复合片各种薄膜材料进行退火处理，退火温度范围可以是800℃～1000℃，退火时间可以在1小时～4小时之间，具体退火温度和退火时间可以根据实际需求设置，本发明实施例不做限定。

可选地，在退火之后还可以进行切片，将退火后的第三复合片多余的基片及绝缘层部分切掉，获得预设形状的薄膜传感器，比如为了方便制备，基片表面形状为矩形或正方形，想要制备的传感器实际需要基片表面为圆形，则可以在退火后切为圆形，具体可以根据实际需求进行切片。

可选地，在获得薄膜传感器后，可以将薄膜传感器中第一薄膜热电偶的两外接端、薄膜热电偶阵列的两外接端(第一外接端和第二外接端)及敏感栅单元的两外接端(第三外接端和第四外接端)分别通过焊盘与各自对应的补偿导线连接，具体可以是在焊盘处通过焊接连接。

可选地，在实际制备过程中，上述各部分(包括第一薄膜热电偶、薄膜热电偶阵列、敏感栅单元及热阻层)的沉积可以部分先后顺序，不限于上述的步骤顺序，具体顺序可以根据实际需求设置，比如可以先基于第三掩膜版沉积敏感栅材料层制备敏感栅单元，再基于第一掩膜版进行沉积，然后基于第二掩膜版进行沉积。

可以理解地，各掩膜版的具体形状、大小、包括的图形位置等可以根据各部分在第一复合片绝缘层表面的布局进行设置。

本实施例提供的薄膜传感器的制备方法，通过在基片上沉积绝缘层，在绝缘层上沉积第一薄膜热电偶、薄膜热电偶阵列及敏感栅单元中的至少两种，能够时第一薄膜热电偶、薄膜热电偶阵列及敏感栅单元更加牢固，不容易剥落，可以同时实现至少两种数据的测量，可有效减小传感器体积，从而减小传感器对待测的高温部件面积的占用，降低传感器对高温部件表面换热及表面气流的干扰。

在一些实施例中，所述在所述第一复合片的绝缘层表面沉积热电偶电极薄膜材料层及敏感栅材料层，获得第二复合片，包括：

在所述绝缘层表面沉积第一薄膜热电偶的第一电极薄膜材料层及薄膜热电偶阵列中各第二薄膜热电偶的第一电极薄膜材料层；在所述绝缘层表面沉积第一薄膜热电偶的第二电极薄膜材料及薄膜热电偶阵列中各第二薄膜热电偶的第二电极薄膜材料，以使第一薄膜热电偶的第一电极薄膜材料和第一薄膜热电偶的第二电极薄膜材料形成第一薄膜热电偶，各第二薄膜热电偶的第一电极薄膜材料和各第二薄膜热电偶的第二电极薄膜材料形成薄膜热电偶阵列；在所述绝缘层表面所述热电偶电极薄膜材料层周围沉积敏感栅材料层，获得第二复合片。

需要说明的是，这些步骤的具体操作已在前述实施例进行了详细说明，在此不再赘述。

在一些实施例中，所述在所述第二复合片的热电偶电极薄膜材料层上沉积热阻层，获得第三复合片，包括：

在所述第一薄膜热电偶及各所述第二薄膜热电偶的工作端上方沉积第一热阻层；在所述第一薄膜热电偶的外接端及各所述第二薄膜热电偶的外接点上方沉积第二热阻层；所述第一热阻层的厚度大于所述第二热阻层的厚度。

具体的，这些步骤的具体操作已在前述实施例进行了详细说明，在此不再赘述。

在一些实施例中，退火温度为800℃～1000℃，退火时间为1～4小时，退火气氛为真空，还可以在退火炉中充入氮气。

在一些实施例中，所述在所述干燥基片上沉积绝缘层，获得带有绝缘层的第一复合片，包括：

采用磁控溅射沉积方式在所述干燥基片上沉积绝缘层，获得带有绝缘层的第一复合片。

在一些实施例中，所述在所述第一复合片的绝缘层表面沉积热电偶电极薄膜材料层和/或敏感栅材料层，获得第二复合片，包括：

采用离子束溅射沉积方式在所述第一复合片的绝缘层表面沉积热电偶电极薄膜材料层，以及采用磁控溅射沉积方式沉积敏感栅材料层，获得第二复合片。

在一些实施例中，所述在所述第二复合片的热电偶电极薄膜材料层上沉积热阻层，获得第三复合片，包括：

采用离子束溅射沉积方式在所述第二复合片的热电偶电极薄膜材料层上沉积热阻层，获得第三复合片。

具体的，上述各部分沉积过程中，可以采用任意可实施的沉积方式，比如磁控溅射沉积方式、离子束溅射沉积方式等，磁控溅射沉积方式可以包括射频磁控溅射法和直流磁控溅射法，其中，绝缘层的沉积优选采用磁控溅射沉积方式，更优选采用射频磁控溅射沉积方式；热电偶电极薄膜材料层的沉积优选采用离子束溅射沉积方式；敏感栅材料层的沉积优选采用磁控溅射沉积方式，更优选地采用射频磁控溅射沉积方式；热阻层的沉积优选采用离子束溅射沉积方式。

示例性的，如图16所示，为本实施例提供的薄膜传感器制备过程示意图。该过程以图1中沿a1-a2的剖面图的制备过程为例进行说明，其它部分未示出，具体包括：在基片11上沉积绝缘层12，在绝缘层12上沉积热电偶电极薄膜材料层(图中示出的是薄膜热电偶阵列的c电极和d电极的薄膜材料层，第一薄膜热电偶的薄膜材料层未示出)及敏感栅材料层15，在热电偶电极薄膜材料层上沉积厚热阻层17和薄热阻层18，还有其他相关部分的沉积在图16中未示出，比如焊盘，具体沉积位置可以根据实际需求设置。

在一些实施例中，可选地，如图17所示，为本实施例提供的热阻层的一种示例性制备过程示意图。即对于厚热阻层17和薄热阻层18的沉积方式可以是先沉积第一层热阻层19，再在该第一层热阻层表面的部分区域上沉积与第一层热阻层相同材料的第二层热阻层20，由于两层材料相同，其实质效果与上述17和18相同，第一层热阻层19和第二层热阻层20的具体厚度可以根据实际需求设置。

在一些实施例中，对于只有一个热阻层16的情况，其沉积位置与上述第一热阻层17一致，具体厚度可以根据实际需求设置，在此不再赘述。

在一些实施例中，如图18所示，为本实施例提供的薄热阻层18的一种示例性示意图，该薄热阻层18覆盖第一薄膜热电偶的两外接端(图18中未示出)及薄膜热电偶阵列中各第二薄膜热电偶的外接点。

在一示例性实施例中，如图19所示，为本实施例提供的薄膜传感器的一种示例性的立体结构示意图，需要说明的是，为了清楚地展示第一薄膜热电偶及薄膜热电偶阵列与厚热阻层17和薄热阻层18的关系，图中厚热阻层17和薄热阻层18设置了一定的透明度，实际应用中，厚热阻层17和薄热阻层18没有透明度。

在一种示例性的实施例中，该薄膜传感器的制备方法具体可以包括：

1、将直径为20～100mm，厚度0.5mm～1mm的钛合金基片放入玻璃皿中，倒入足够的丙酮溶剂覆盖基基片材料，再将玻璃皿放入超声清洗机中进行超声震荡5min，然后将超声清洗完毕的基片材料放入乙醇溶液中再次进行超声清洗5min，然后再将超声清洗完毕的基片放入去离子水中进行超声清洗5min，然后使用干燥的氮气将基片表面的水分吹干，获得干燥基片。

2、将干燥基片放入磁控溅射的沉积腔中，通过物理气相沉积方式在干燥基片表面沉积厚度为0.05μm～0.1μm的氮化硅绝缘层。

3、将r型ptrh13-pt热电偶ptrh13电极的不锈钢掩膜版(即上述第一掩膜版)和基片装在一起，使用不锈钢夹具固定好，并置于离子束溅射镀膜机的沉积腔中。这里，第一薄膜热电偶和第二薄膜热电偶均采用该r型ptrh13-pt热电偶。

4、在绝缘层表面使用离子束溅射沉积方式沉积r型ptrh13-pt热电偶ptrh13电极薄膜材料，取下第一掩膜版。

5、将r型ptrh13-pt热电偶pt电极的不锈钢掩膜版(即上述第二掩膜版)和基片装在一起，使用不锈钢夹具固定好，并置于离子束溅射镀膜机的沉积腔中。

6、在绝缘层表面使用离子束溅射沉积方式沉积r型ptrh13-pt热电偶pt电极薄膜材料，取下第二掩膜版。

7、在绝缘层上热电偶电极薄膜材料层周围覆上敏感栅掩膜版，将镍铬合金靶材通过磁控溅射沉积方式沉积在基片绝缘层上，形成厚度为400～800nm的镍铬合金薄膜，即得敏感栅单元。

8、将厚热阻层材料的不锈钢掩膜版与基片装在一起，并置于离子束溅射镀膜机的沉积腔中。

9、沉积厚度为5μm～11μm厚热阻层sio2薄膜材料于基片上r型ptrh13-pt热电偶ptrh13电极和pt电极的接点位置(及两电极连接的热结点)；取下厚热阻层材料的不锈钢掩膜版。

10、将薄热阻层材料的不锈钢掩膜版与基片装在一起，并置于离子束溅射镀膜机的沉积腔中；

11、沉积厚度为0.5μm～1μm的薄热阻层sio2薄膜材料于基片上相邻r型ptrh13-pt热电偶ptrh13电极和pt电极的连接点(即薄膜热电偶阵列中各第二薄膜热电偶的外接点)和单独r型ptrh13-pt热电偶(即第一薄膜热电偶)的电极自由端(即两外接端)位置，取下薄热阻层材料的不锈钢掩膜版。

12、在高温气氛退火炉放入经过上述步骤制得的多层薄膜传感器，退火温度为800℃～1000℃，比如设为1000℃，退火炉中充入氮气，退火气氛为真空，退火时间为2小时，对制备的薄膜传感器进行退火处理。

13、通过切片机切片制得最终的薄膜传感器。

14、将薄膜传感器上第一薄膜热电偶的两外接端、薄膜热电偶阵列的两外接端及敏感栅单元的两外接端分别与各自的补偿导线在焊盘处通过电阻焊接机焊接连接。

由于该方法制备获得的薄膜传感器集成了温度、热流密度及应变三种数据的测量功能，实现了一个传感器同时测量温度、热流密度和热流，相对于现有技术中实现这三种功能的传感器来说，本发明的薄膜传感器大大减小了传感器体积，从而减小传感器对待测的高温部件面积的占用，降低传感器对高温部件表面换热及表面气流的干扰。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求书指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求书来限制。