一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器及其制作方法技术

本发明专利技术一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器及其制作方法，属于薄膜热流传感器技术领域；提供了电势信号与灵敏度高、响应时间短、能在高温环境中稳定工作和实现热电势信号稳定读取的3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器及其制作方法；技术方案为：一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器，包括上温度梯度隔离层、上热电偶堆、正极引出电极、连接件、微米级陶瓷基底、下热电偶堆、负极引出电极和下温度梯度隔离层，微米级陶瓷基底的上表面设有3D打印生成的上热电偶堆，上热电偶堆的上方涂有上温度梯度隔离层，微米级陶瓷基底的下表面设有3D打印生成的下热电偶堆，下热电偶堆的上方涂有下温度梯度隔离层；本发明专利技术可用于温度梯度测量领域。

3D direct writing alumina ceramic thin film heat flow sensor and its making method

The invention relates to a 3D direct-writing alumina ceramic thin film heat flux sensor and a manufacturing method thereof, which belongs to the technical field of thin film heat flux sensor and provides a 3D direct-writing alumina ceramic thin film heat flux sensor with high electric potential signal and sensitivity, short response time, stable operation in high temperature environment and stable reading of thermoelectric potential signal. The device and its fabrication method are as follows: a 3D direct-writing alumina ceramic film heat flux sensor, including an upper temperature gradient isolation layer, an upper thermocouple stack, a positive electrode, a connector, a micron ceramic substrate, a lower thermocouple stack, a negative electrode and a lower temperature gradient isolation layer, and an upper micron ceramic substrate. There is an upper thermocouple stack produced by 3D printing on the surface, an upper temperature gradient isolation layer coated on the top of the upper thermocouple stack, a lower thermocouple stack produced by 3D printing on the lower surface of the micron ceramic substrate, and a lower temperature gradient isolation layer coated on the top of the lower thermocouple stack; the invention can be used in the field of temperature gradient measurement.

【技术实现步骤摘要】
一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器及其制作方法
本专利技术涉及一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器及其制作方法，属于薄膜热流传感器

技术介绍
热流传感器通过测量物体的温度梯度来确定通过物体的热流参数。当前热流传感器分为圆箔式和薄膜式两种热流传感器，圆箔式热流传感器响应时间长，超过一定使用工作温度需要水冷从而使得器件体积较大；相比之下，薄膜式传感器热电势输出信号微弱不易被仪器识别分辨，此外，薄膜式传感灵敏度较小，误差大。专利CN203643055U报道的一种用于高温大热流测量的薄膜热流传感器集成的热电堆数目有限，温度梯度热障层材料因导热系数大从而使得产生的温度梯度很小，使得热电堆热电势输出信号强度受限，进而使得输出灵敏度很小，对数据采集仪器提出了很高要求；另外，该传感器及其引线的制作工艺繁杂，引线在高温下容易软化而接触不良。此外，薄膜式热流传感器的热电偶堆通常布置在单层，其灵敏度有待进一步提高。
技术实现思路
本专利技术一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器及其制作方法，克服了现有技术存在的不足，提供了电势信号与灵敏度高、响应时间短、能在在高温环境中稳定工作和实现热电势信号稳定读取的3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器及其制作方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器，包括上温度梯度隔离层、上热电偶堆、正极引出电极、连接件、微米级陶瓷基底、下热电偶堆、负极引出电极和下温度梯度隔离层，微米级陶瓷基底的上表面设有3D打印生成的上热电偶堆，上热电偶堆的上方涂有上温度梯度隔离层，微米级陶瓷基底的下表面设有3D打印生成的下热电偶堆，下热电偶堆的上方涂有下温度梯度隔离层,上热电偶堆通过连接件与下热电偶堆相连，正极引出电极与上热电偶堆相连，负极引出电极与下热电偶堆相连。进一步，所述上热电偶堆包括上正极热电偶堆和上负极热电偶堆，上正极热电偶堆和上负极热电偶堆相连，所述正极引出电极与所述上正极热电偶堆相连；所述下热电偶堆包括下负极热电偶堆和下正极热电偶堆，下负极热电偶堆和下正极热电偶堆相连，所述负极引出电极与下负极热电偶堆相连。进一步，一个所述上正极热电偶堆中的正极热电偶与一个所述上负极热电偶堆中的负极热电偶串联形成一对热电偶，多对热电偶收尾相连，热电偶对循环环绕在所述微米级陶瓷基底上表面的热流敏感区域。进一步，一个所述下正极热电偶堆中的正极热电偶与一个所述下负极热电偶堆中的负极热电偶串联形成一对热电偶，多对热电偶收尾相连，热电偶对循环环绕在所述微米级陶瓷基底下表面的热流敏感区域。进一步，所述热电偶对包括多个直径不同的C形热电偶圈。进一步，所述C形热电偶圈的圈数为6个。进一步，所述上热电偶堆和所述下热电偶堆选用的材料为铂-铂铑10热电偶，正极引出电极选用的材料为铂，负极引出电极选用的材料为铂铑10。进一步，所述上热电偶堆和所述下热电偶堆选用的材料为金-金钯热电偶，正极引出电极选用的材料为金，负极引出电极选用的材料为金钯。进一步，所述连接件所用材料与所述正极引出电极或所述负极引出电极所用的材料相同。上述的一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器的制作方法，包括以下步骤：S1.使用3D打印机陶瓷喷嘴对准微米级陶瓷基底上的过孔，使用熔融的金属填充过孔，冷却至室温形成连接件；S2.使用3D打印机陶瓷喷嘴对准定位，在微米级陶瓷基底的上表层打印正极热电偶和正极引出电极，冷却至室温；S3.使用3D打印机陶瓷喷嘴对准定位，在微米级陶瓷基底的上表层打印负极热电偶,使负极热电偶与连接件相连，冷却至室温；S4.使用3D打印机陶瓷喷嘴对准定位，在微米级陶瓷基底的下表层打印负极热电偶和负极引出电极,冷却至室温；S5.使用3D打印机陶瓷喷嘴对准定位，在微米级陶瓷基底的下表层打印正极热电偶,使正极热电偶与连接件相连，冷却至室温；S6.使用相应的掩膜版对准上热电偶堆，涂刷耐高温热保温涂料，覆盖上热电偶堆的全部冷结点，形成上温度梯度隔离层,然后升温至300℃烘干；S7.使用相应的掩膜版对准下热电偶堆，涂刷耐高温热保温涂料，覆盖下热电偶堆的全部冷结点，形成下温度梯度隔离层，然后升温至300℃烘干；S8.将涂刷有耐高温热保温涂料的微米级陶瓷基底在烧结炉里在500℃下烧结1小时成型，薄膜传感器制作完成。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果为：本专利技术使用厚度为微米级氧化铝陶瓷基底和高熔点金属使热流传感器能使热流传感器能在工作在高温环境中实现高响应频率工作；使用3D直写打印得到的薄膜金属厚度薄而均匀，不仅工艺简单，而且将提高热流传感器的响应频率和实现热电势信号的稳定读取；设计的传感器为引出式使细线引出电极处在低温区，可实现热电势信号的稳定读取；使用3D直写打印得到的热电偶使其为薄膜循环环绕串联模式，在有限面积内3D集成了密集热电偶阵列结构，选用导热系数很低的耐高温隔热保温涂料和上下双层温度梯度隔离层隔热保温产生大温度梯度，三者协同作用输出热电势增大，从而使得灵敏度增大。附图说明图1为本专利技术实施例的正视图。图2为本专利技术实施例的俯视图。图3为本专利技术实施例的爆炸视图。图4为本专利技术实施例制作方法的工艺流程图。图5为本专利技术实施例的测试接线示意图。图中，1-上温度梯度隔离层，2-上正极热电偶堆，3-正极引出电极，4-上负极热电偶堆，5-连接件，6-微米级陶瓷基底，7-下负极热电偶堆，8-负极引出电极，9-下正极热电偶堆，10-下温度梯度隔离层，11-热流敏感区域，12-引出电极引出区域，13-银导线，14-热电势读取设备。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的说明。如图1-图3所示，本专利技术一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器，包括上温度梯度隔离层1、上热电偶堆、正极引出电极3、连接件5、微米级陶瓷基底6、下热电偶堆、负极引出电极8和下温度梯度隔离层10，微米级陶瓷基底6的上表面设有3D打印生成的上热电偶堆，上热电偶堆的上方涂有上温度梯度隔离层1，微米级陶瓷基底6的下表面设有3D打印生成的下热电偶堆，下热电偶堆的上方涂有下温度梯度隔离层10,上热电偶堆通过连接件5与下热电偶堆相连，正极引出电极3与上热电偶堆相连，负极引出电极8与下热电偶堆相连。连接件5所用材料与正极引出电极3或负极引出电极8所用的材料相同。上温度梯度隔离层1和下温度梯度隔离层10选用的材料为耐高温隔热保温纳米气相二氧硅化物微粉，厚度1mm。微米级陶瓷基底6选用的材料为氧化铝陶瓷。上热电偶堆包括上正极热电偶堆2和上负极热电偶堆4，上正极热电偶堆2和上负极热电偶堆4相连，正极引出电极3与上正极热电偶堆2相连；下热电偶堆包括下负极热电偶堆7和下正极热电偶堆9，下负极热电偶堆7和下正极热电偶堆9相连，负极引出电极8与下负极热电偶堆相连。一个上正极热电偶堆2中的正极热电偶与一个上负极热电偶堆4中的负极热电偶串联形成一对热电偶，多对热电偶收尾相连，热电偶对循环环绕在微米级陶瓷基底6上表面的热流敏感区域11。一个下正极热电偶堆9中的正极热电偶与一个下负极热电偶堆7中的负极热电偶串联形成一对热电偶，多对热电偶收尾相连，热电偶对循环环绕在微米级陶瓷基底6下表面的热流敏感区域11。热电偶对包括6个直径不同的C形热电偶圈。为实现有限面积内薄膜细线热电堆电极的大热电势本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器，其特征在于：包括上温度梯度隔离层（1）、上热电偶堆、正极引出电极（3）、连接件（5）、微米级陶瓷基底（6）、下热电偶堆、负极引出电极（8）和下温度梯度隔离层（10），微米级陶瓷基底（6）的上表面设有3D打印生成的上热电偶堆，上热电偶堆的上方涂有上温度梯度隔离层（1），微米级陶瓷基底（6）的下表面设有3D打印生成的下热电偶堆，下热电偶堆的上方涂有下温度梯度隔离层（10）,上热电偶堆通过连接件（5）与下热电偶堆相连，正极引出电极（3）与上热电偶堆相连，负极引出电极（8）与下热电偶堆相连。

【技术特征摘要】
1.一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器，其特征在于：包括上温度梯度隔离层（1）、上热电偶堆、正极引出电极（3）、连接件（5）、微米级陶瓷基底（6）、下热电偶堆、负极引出电极（8）和下温度梯度隔离层（10），微米级陶瓷基底（6）的上表面设有3D打印生成的上热电偶堆，上热电偶堆的上方涂有上温度梯度隔离层（1），微米级陶瓷基底（6）的下表面设有3D打印生成的下热电偶堆，下热电偶堆的上方涂有下温度梯度隔离层（10）,上热电偶堆通过连接件（5）与下热电偶堆相连，正极引出电极（3）与上热电偶堆相连，负极引出电极（8）与下热电偶堆相连。2.根据权利要求1所述的一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器，其特征在于：所述上热电偶堆包括上正极热电偶堆（2）和上负极热电偶堆（4），上正极热电偶堆（2）和上负极热电偶堆（4）相连，所述正极引出电极（3）与所述上正极热电偶堆（2）相连；所述下热电偶堆包括下负极热电偶堆（7）和下正极热电偶堆（9），下负极热电偶堆（7）和下正极热电偶堆（9）相连，所述负极引出电极（8）与下负极热电偶堆相连。3.根据权利要求1所述的一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器，其特征在于：一个所述上正极热电偶堆（2）中的正极热电偶与一个所述上负极热电偶堆（4）中的负极热电偶串联形成一对热电偶，多对热电偶收尾相连，热电偶对循环环绕在所述微米级陶瓷基底（6）上表面的热流敏感区域（11）。4.根据权利要求1所述的一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器，其特征在于：一个所述下正极热电偶堆（9）中的正极热电偶与一个所述下负极热电偶堆（7）中的负极热电偶串联形成一对热电偶，多对热电偶收尾相连，热电偶对循环环绕在所述微米级陶瓷基底（6）下表面的热流敏感区域（11）。5.根据权利要求3或4所述的一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传感器，其特征在于：所述热电偶对包括多个直径不同的C形热电偶圈。6.根据权利要求5所述的一种3D直写式氧化铝陶瓷薄膜热流传...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭秋林，吕文，刘文倩，吉耀辉，熊继军，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14