含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器及制备方法，由高温保护薄膜组与并联钨铼薄膜热电偶共同构成传感器芯片。其中钨铼合金薄膜组、高温电极和氧化铝薄膜保护层这三部分均连接在碳化硅质基底上，覆盖非晶态碳化硅薄膜保护层。本发明专利技术能够能在高温下(1000-1700K)，长时间测量温度信号，具有耐高温、防氧化、高塞贝克系数的特性，并同时解决了现有技术中存在的问题——如高温下的热失配、氧化、1400K附近基本失效的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微型温度传感器芯片
，具体涉及一种含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器及制备方法。
技术介绍
热电偶温度传感器，自19世纪20年代被首次专利技术后，在温度测量领域应用广泛，作为标准测试测量设备的一种，具有在制造使用上简单方便、在测量测试上高精度惯性小的优点。其中的高温热电偶温度传感器，在测量恶劣工况下的温度中有重要价值。然而，对于需要微型化的接触式高温直接测量，现在技术手段不足。采用磁控溅射技术的新型薄膜热电偶结构，是一个解决此问题的新发展方向。最近有基于这种结构特性的研究成果，如使用镍铬合金的结合结构。虽然有一定效果，但仍旧没有解决在长时间高温下的温度测量问题。传统型热电偶温度传感器以电偶丝为核心工作部件，工作温度高，但缺点为体积较大，难于应用于特殊的工业需求之下。目前，现有技术中曾提出一种采用钨铼合金薄膜热电偶温度传感器芯片，在1000K以下高温测量上效果明显，但当测温范围上升到更高的温度，即1000K～1700K范围内，由于不同的失效机理，仍然效果不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中高温下的热失配、氧化、1400K附近基本失效等问题，提出一种含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器及制备方法，使其具有能长时间在1000K～1700K高温下温度测量的同时，还兼具了微型化的特点。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器，包括碳化硅质基底，碳化硅质基底的上表面设置并联钨铼合金薄膜组；并联钨铼合金薄膜组的正负极分别连接高温电极，并联钨铼合金薄膜组上依次设置有氧化铝薄膜保护层和碳化硅薄膜保护层。本专利技术进一步的改进在于：所述并联钨铼合金薄膜组的正极一侧与负极一侧厚度相同。所述高温电极与并联钨铼合金薄膜组的冷端相连。所述并联钨铼合金薄膜组被氧化铝薄膜保护层完全包覆，氧化铝薄膜保护层的厚度为并联钨铼合金薄膜组厚度的2～3倍。所述碳化硅薄膜保护层为非晶态碳化硅薄膜保护层。所述氧化铝薄膜保护层被非晶态碳化硅薄膜保护层完全包覆，非晶态碳化硅薄膜保护层的厚度与并联钨铼合金薄膜组厚度相同。一种含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器的制备方法，包括以下步骤：1)将碳化硅压制抛光为表面粗糙度为10级的底片，并在80～200℃下进行无氧烧结，得到碳化硅质基底；2)采用浓硫酸与双氧水的混合溶液，超声波清洗碳化硅质基底；其中，浓硫酸与双氧水的体积比例为3:1；3)清洗后脱水烘干，单面涂覆光刻胶，采用光薄掩膜板进行紫外线光刻，刻蚀深度为2μm；4)采用磁控溅射，选取150w功率，60sccm流量，镀并联钨铼合金薄膜组；5)剥离，使用丙酮溶液洗涤，磁控溅射镀氧化铝薄膜保护层；6)冷却，磁控溅射镀非晶态碳化硅薄膜保护层；7)激光打孔，在碳化硅质基底打孔，采用高温水泥与高温导电胶复合连接，将电偶补偿导线引入，制作高温电极。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：对传统热电偶、不含复合保护薄膜组结构层的钨铼合金热电偶薄膜传感器和使用本专利技术的一种含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器进行对比，得到如下分析结果：比较项目本专利技术实现了微型化大塞贝克系数材料的高温度传感器在耐1000K～1700K范围内的高温长时间运行，较好的解决了材料蒸腾与脱落的问题，加强了防氧化的效果。【附图说明】图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的正面视图及工作示意图。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：参见图1和图2，本专利技术含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器，包括碳化硅质基底1，碳化硅质基底1的正面与并联钨铼合金薄膜组2相连，并联钨铼合金薄膜组2由多组钨铼电偶薄膜正极和钨铼电偶薄膜负极这两种成分不同的金属薄膜组成薄膜电偶整体。并联钨铼合金薄膜组2中的钨铼合金正极膜与钨铼合金负极膜互相连接，并保证厚度一致。并联钨铼合金薄膜组2与高温电极3相连。高温电极3与钨铼合金薄膜组2采用对应比例的钨铼合金，并保证与钨铼合金薄膜组2正负极相互对应。高温电极3通过在碳化硅质基底1激光打孔，采用高温水泥与高温导电胶复合连接，将电偶补偿导线引入。高温电极3与钨铼合金薄膜组2冷端相连。并联钨铼合金薄膜组2被氧化铝薄膜保护层4完全包覆，氧化铝薄膜保护层4的厚度约为钨铼合金薄膜组2厚度的2倍。氧化铝薄膜保护层4被非晶态碳化硅薄膜保护层5完全包覆，非晶态碳化硅薄膜保护层5的厚度与钨铼合金薄膜组2厚度基本相同。本专利技术的工作原理为：首先，本专利技术通过所采用的高温保护薄膜组致密的隔绝空气作用与优良的导热性能，对钨铼薄膜热电偶层在不影响温度测试的情况下起到防氧化的作用，延长其工作时间，提升其工作最高温度，且不影响其迅速的响应时间。薄膜热电偶的特殊结构导致其最主要的优势之一就是响应迅速，非常适合测量瞬变的温度场。用时间常数τ来表示其响应时间。当薄膜热电偶突然置于温度为T的被测环境中，热量首先由被测介质以对流换热的方式传输到热电偶防氧化膜表面，而在防氧化膜内部和后续的热电偶层以及基底中，热量是以热传导的形式传输的。由于热电偶薄膜的厚度通常为微米量级，而基底的厚度通常都比较厚，所以可以认为基底相对于热电偶薄膜在厚度方向上无限大，同时忽略防氧化薄膜的热阻影响(主要原因是高温保护薄膜组结构层较薄，通常为微米甚至纳米级，热阻作用小)，因此热量在薄膜热电偶的内部传输可以视为一维非稳态导热过程。采用对钨铼薄膜热电偶的高温保护薄膜组结构层的微型传感器响应时间数学模型如下：θ1(δ,t)θs=erfc(δ4α1t)-K[erfc(3δ4α1t)-erfc(δ4α1t)]]]>式中，θ1为薄膜的初始温度，θs为基底材料的到达温度，δ为薄膜厚度，t为响应时间，erfc为高斯误差函数，α1为薄膜的热扩散系数，K为影响薄膜热电偶响应快慢的因数，且有：K=-1+k1k2α2α1/1+k1k2α2α1]]>上式中，α2为基底材料的热扩散系数，k1为薄膜的导热系数，k2为基底材料的导热系数。其次，一种含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器，通过所采用的高温保护薄膜组与钨铼薄膜热电偶层相匹配的热膨胀系数与材料强度，本文档来自技高网...

【技术保护点】
含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器，其特征在于，包括碳化硅质基底(1)，碳化硅质基底(1)的上表面设置并联钨铼合金薄膜组(2)；并联钨铼合金薄膜组(2)的正负极分别连接高温电极(3)，并联钨铼合金薄膜组(2)上依次设置有氧化铝薄膜保护层(4)和碳化硅薄膜保护层(5)。

【技术特征摘要】
1.含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器，其特征在于，包括碳化硅质
基底(1)，碳化硅质基底(1)的上表面设置并联钨铼合金薄膜组(2)；并联钨
铼合金薄膜组(2)的正负极分别连接高温电极(3)，并联钨铼合金薄膜组(2)
上依次设置有氧化铝薄膜保护层(4)和碳化硅薄膜保护层(5)。
2.根据权利要求1所述的含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器，其特
征在于，所述并联钨铼合金薄膜组(2)的正极一侧与负极一侧厚度相同。
3.根据权利要求1或2所述的含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器，
其特征在于，所述高温电极(3)与并联钨铼合金薄膜组(2)的冷端相连。
4.根据权利要求1或2所述的含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器，
其特征在于，所述并联钨铼合金薄膜组(2)被氧化铝薄膜保护层(4)完全包覆，
氧化铝薄膜保护层(4)的厚度为并联钨铼合金薄膜组(2)厚度的2～3倍。
5.根据权利要求1或2所述的含高温保护薄膜组的钨铼薄膜热电偶传感器，
其特征在于，所述碳化硅薄膜保护层(5)为非晶态碳化硅薄膜保护...

【专利技术属性】
技术研发人员：田边，张仲恺，郑晨，史鹏，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61