含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器及制備方法
【專利說明】含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器及制備方法 【技術領域】
[0001] 本發明屬于微型溫度傳感器芯片技術領域，具體涉及一種含高溫保護薄膜組的鎢 錸薄膜熱電偶傳感器及制備方法。 【【背景技術】】
[0002] 熱電偶溫度傳感器，自19世紀20年代被首次發明后，在溫度測量領域應用廣泛，作 為標準測試測量設備的一種，具有在制造使用上簡單方便、在測量測試上高精度慣性小的 優點。其中的高溫熱電偶溫度傳感器，在測量惡劣工況下的溫度中有重要價值。然而，對于 需要微型化的接觸式高溫直接測量，現在技術手段不足。采用磁控濺射技術的新型薄膜熱 電偶結構，是一個解決此問題的新發展方向。最近有基于這種結構特性的研究成果，如使用 鎳鉻合金的結合結構。雖然有一定效果，但仍舊沒有解決在長時間高溫下的溫度測量問題。 傳統型熱電偶溫度傳感器以電偶絲為核心工作部件，工作溫度高，但缺點為體積較大，難于 應用于特殊的工業需求之下。目前，現有技術中曾提出一種采用鎢錸合金薄膜熱電偶溫度 傳感器芯片，在1000K以下高溫測量上效果明顯，但當測溫范圍上升到更高的溫度，即1000K ~1700K范圍內，由于不同的失效機理，仍然效果不足。 【
【發明內容】
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[0003] 本發明的目的在于解決現有技術中高溫下的熱失配、氧化、1400K附近基本失效等 問題，提出一種含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器及制備方法，使其具有能長時 間在1000K~1700K高溫下溫度測量的同時，還兼具了微型化的特點。
[0004] 為達到上述目的，本發明采用以下技術方案予以實現：
[0005] 含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，包括碳化硅質基底，碳化硅質基底 的上表面設置并聯鎢錸合金薄膜組;并聯鎢錸合金薄膜組的正負極分別連接高溫電極，并 聯鎢錸合金薄膜組上依次設置有氧化鋁薄膜保護層和碳化硅薄膜保護層。
[0006] 本發明進一步的改進在于：
[0007] 所述并聯鎢錸合金薄膜組的正極一側與負極一側厚度相同。
[0008] 所述高溫電極與并聯鎢錸合金薄膜組的冷端相連。
[0009] 所述并聯鎢錸合金薄膜組被氧化鋁薄膜保護層完全包覆，氧化鋁薄膜保護層的厚 度為并聯鎢錸合金薄膜組厚度的2~3倍。
[0010] 所述碳化硅薄膜保護層為非晶態碳化硅薄膜保護層。
[0011]所述氧化鋁薄膜保護層被非晶態碳化硅薄膜保護層完全包覆，非晶態碳化硅薄膜 保護層的厚度與并聯鎢錸合金薄膜組厚度相同。
[0012] -種含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器的制備方法，包括以下步驟：
[0013] 1)將碳化硅壓制拋光為表面粗糙度為10級的底片，并在80~200°C下進行無氧燒 結，得到碳化硅質基底；
[0014] 2)采用濃硫酸與雙氧水的混合溶液，超聲波清洗碳化硅質基底;其中，濃硫酸與雙 氧水的體積比例為3:1;
[0015] 3)清洗后脫水烘干，單面涂覆光刻膠，采用光薄掩膜板進行紫外線光刻，刻蝕深度 為 2μηι;
[0016] 4)采用磁控濺射，選取150?功率，6〇SCCm流量，鍍并聯鎢錸合金薄膜組；
[0017] 5)剝離，使用丙酮溶液洗滌，磁控濺射鍍氧化鋁薄膜保護層；
[0018] 6)冷卻，磁控濺射鍍非晶態碳化硅薄膜保護層；
[0019] 7)激光打孔，在碳化硅質基底打孔，采用高溫水泥與高溫導電膠復合連接，將電偶 補償導線引入，制作高溫電極。
[0020] 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
[0021]對傳統熱電偶、不含復合保護薄膜組結構層的鎢錸合金熱電偶薄膜傳感器和使用 本發明的一種含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器進行對比，得到如下分析結果：
[0022] 比較項目
[0023]
[0024] 本發明實現了微型化大塞貝克系數材料的高溫度傳感器在耐1000K~1700K范圍 內的高溫長時間運行，較好的解決了材料蒸騰與脫落的問題，加強了防氧化的效果。 【【附圖說明】】
[0025]圖1為本發明的結構不意圖；
[0026]圖2為本發明的正面視圖及工作示意圖。 【【具體實施方式】】
[0027]下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
[0028]參見圖1和圖2,本發明含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，包括碳化硅 質基底1，碳化硅質基底1的正面與并聯鎢錸合金薄膜組2相連，并聯鎢錸合金薄膜組2由多 組鎢錸電偶薄膜正極和鎢錸電偶薄膜負極這兩種成分不同的金屬薄膜組成薄膜電偶整體。 并聯鎢錸合金薄膜組2中的鎢錸合金正極膜與鎢錸合金負極膜互相連接，并保證厚度一致。 并聯鎢錸合金薄膜組2與高溫電極3相連。
[0029]高溫電極3與鎢錸合金薄膜組2采用對應比例的鎢錸合金，并保證與鎢錸合金薄膜 組2正負極相互對應。高溫電極3通過在碳化硅質基底1激光打孔，采用高溫水泥與高溫導電 膠復合連接，將電偶補償導線引入。高溫電極3與鎢錸合金薄膜組2冷端相連。
[0030] 并聯鎢錸合金薄膜組2被氧化鋁薄膜保護層4完全包覆，氧化鋁薄膜保護層4的厚 度約為鎢錸合金薄膜組2厚度的2倍。氧化鋁薄膜保護層4被非晶態碳化硅薄膜保護層5完全 包覆，非晶態碳化硅薄膜保護層5的厚度與鎢錸合金薄膜組2厚度基本相同。
[0031] 本發明的工作原理為：
[0032] 首先，本發明通過所采用的高溫保護薄膜組致密的隔絕空氣作用與優良的導熱性 能，對鎢錸薄膜熱電偶層在不影響溫度測試的情況下起到防氧化的作用，延長其工作時間， 提升其工作最高溫度，且不影響其迅速的響應時間。
[0033] 薄膜熱電偶的特殊結構導致其最主要的優勢之一就是響應迅速，非常適合測量瞬 變的溫度場。用時間常數τ來表示其響應時間。當薄膜熱電偶突然置于溫度為T的被測環境 中，熱量首先由被測介質以對流換熱的方式傳輸到熱電偶防氧化膜表面，而在防氧化膜內 部和后續的熱電偶層以及基底中，熱量是以熱傳導的形式傳輸的。由于熱電偶薄膜的厚度 通常為微米量級，而基底的厚度通常