都比較厚，所以可以認為基底相對于熱電偶薄膜在厚 度方向上無限大，同時忽略防氧化薄膜的熱阻影響（主要原因是高溫保護薄膜組結構層較 薄，通常為微米甚至納米級，熱阻作用小），因此熱量在薄膜熱電偶的內部傳輸可以視為一 維非穩態導熱過程。采用對鎢錸薄膜熱電偶的高溫保護薄膜組結構層的微型傳感器響應時 間數學模型如下：
[0034]
[0035] 式中，Θ:為薄膜的初始溫度，0S為基底材料的到達溫度，δ為薄膜厚度，t為響應時 間，erfc為高斯誤差函數， 〇1為薄膜的熱擴散系數，K為影響薄膜熱電偶響應快慢的因數，且 有：
[0036]
[0037] 上式中，α2為基底材料的熱擴散系數，h為薄膜的導熱系數，k2為基底材料的導熱 系數。
[0038] 其次，一種含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，通過所采用的高溫保護 薄膜組與鎢錸薄膜熱電偶層相匹配的熱膨脹系數與材料強度，在與鎢錸薄膜熱電偶層復合 時不引起熱失配問題，從而解決1000-1700K溫度下的熱應力造成傳感器失效的問題。
[0039] 最后，一種含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，采用鎢錸合金材料的塞 貝克效應作為敏感原理。
[0040] 塞貝克效應的實質是兩種金屬接觸時會產生接觸電勢差，該電勢差取決于兩種金 屬中的電子溢出功不同及兩種金屬中電子濃度，受熱端向冷端的電子擴散與電子自由程影 響，塞貝克效應電勢差的計算公式：
[0041]
[0042]式中：SA與SB分別為兩種材料的塞貝克系數，T為熱電偶溫度，1^為冷端溫度，T 2為 熱端溫度。
[0043]當傳感器芯片受到某一熱流作用時，由于溫度場發生改變，根據塞貝克效應原理， 會在鎢錸合金薄膜組上產生對應的電動勢，經由高溫電極傳導，外部會接受到對應的電信 號，因此傳感器芯片的輸出電壓由其所處的溫度值決定，傳感器芯片實現了將物理量的溫 度轉換為便于采集與測量的電壓信號的功能。
[0044]本發明還公開了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，包 括以下步驟：
[0045] a)將碳化硅壓制拋光為表面粗糙度10級的底片，在80~200攝氏度內無氧燒結。 [0046] b)采用硫酸與雙氧水以3:1的比例超聲波清洗碳化硅基底。
[0047] c)清洗后脫水烘干，單面涂覆光刻膠，采用薄掩膜板進行紫外線光刻，刻蝕深度為 2μηι；
[0048] d)采用磁控濺射，選取150?功率，6〇SCCm流量，鍍復合鎢錸合金薄膜組。
[0049] e)剝離，使用丙酮溶液洗滌，磁控濺射鍍氧化鋁保護膜。
[0050] f)冷卻，磁控濺射鍍非晶態碳化硅保護膜；
[0051] g)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，制作高 溫電極。
[0052] 以上內容僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按 照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明權利要求書 的保護范圍之內。
【主權項】
1. 含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，其特征在于，包括碳化硅質基底（1)， 碳化硅質基底（1)的上表面設置并聯鎢錸合金薄膜組(2);并聯鎢錸合金薄膜組(2)的正負 極分別連接高溫電極(3)，并聯鎢錸合金薄膜組(2)上依次設置有氧化鋁薄膜保護層(4)和 碳化硅薄膜保護層(5)。2. 根據權利要求1所述的含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，其特征在于，所 述并聯鎢錸合金薄膜組(2)的正極一側與負極一側厚度相同。3. 根據權利要求1或2所述的含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，其特征在 于，所述高溫電極(3)與并聯鎢錸合金薄膜組(2)的冷端相連。4. 根據權利要求1或2所述的含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，其特征在 于，所述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) 的厚度為并聯鎢錸合金薄膜組(2)厚度的2~3倍。5. 根據權利要求1或2所述的含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，其特征在 于，所述碳化硅薄膜保護層(5)為非晶態碳化硅薄膜保護層。6. 根據權利要求5所述的含高溫保護薄膜組的鎢錸薄膜熱電偶傳感器，其特征在于，所 述氧化鋁薄膜保護層(4)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(2)厚度相同。7. -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，其特征在于，包括以 下步驟： 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； 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; 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2μ m； 4) 采用磁控濺射，選取150w功率，6〇SCCm流量，鍍并聯鎢錸合金薄膜組； 5) 剝離，使用丙酮溶液洗滌，磁控濺射鍍氧化鋁薄膜保護層； 6) 冷卻，磁控濺射鍍非晶態碳化硅薄膜保護層； 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。
【專利摘要】本發明公開了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，由高溫保護薄膜組與并聯鎢錸薄膜熱電偶共同構成傳感器芯片。其中鎢錸合金薄膜組、高溫電極和氧化鋁薄膜保護層這三部分均連接在碳化硅質基底上，覆蓋非晶態碳化硅薄膜保護層。本發明能夠能在高溫下(1000-1700K)，長時間測量溫度信號，具有耐高溫、防氧化、高塞貝克系數的特性，并同時解決了現有技術中存在的問題——如高溫下的熱失配、氧化、1400K附近基本失效的問題。
【IPC分類】G01K7/02, G01K1/12
【公開號】CN105675160
【申請號】CN201610031404
【發明人】田邊, 張仲愷, 鄭晨, 史鵬, 蔣莊德
【申請人】西安交通大學
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月18日