一种电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器，传感器包括：封装外壳，封装外壳用以隔绝外界环境，支撑、保护内部结构；陶瓷端盖，陶瓷端盖设置在封装外壳顶端，陶瓷端盖中间设置有多个纳米通孔，陶瓷端盖和封装外壳共同界定一个内部检测空间；基板，基板设置在封装外壳内侧的底部，基板上设置有衬底，衬底上设置有用于检测温差的检测组件；检测组件包括四个检测单元，四个检测单元呈中心对称设置在衬底上，检测单元上设置有热阻层，相邻检测单元上的热阻层厚度不同，不相邻检测单元上的热阻层厚度相同。本发明专利技术的电桥结构，大大的提高了电阻式热流密度传感器的灵敏度，可以快速测量出热流密度，使器件长期稳定工作在高温测试环境中。
【技术实现步骤摘要】
一种电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器
本专利技术涉及热流密度检测
，具体涉及一种电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器。
技术介绍
在工农生产、科学研究、航空航天、动力工程以及日常生活中，存在着大量的热量传递问题有待解决。随着现代科学技术的飞速发展，热流检测的理论和技术越来越受到重视。在众多领域对于热流的监测要求日益增大，尤其对于长时间高温恶劣环境下热流的测量是目前面临的重要问题之一。例如在航空航天发动机、重型燃气轮机及冶炼炉等设备中，就需要用高温热流密度传感器对这些设备的高温部件的热流密度进行实时监测，从而准确的评估高温部件的健康状况，有利于解决关键部件及装备的热通量测量及热防护问题。根据传热方式的不同，热流传感器可分为测量传导热流的热阻式热流传感器、测量辐射热流的辐射式热流传感器以及测量对流热流的对流式热流传感器。热流密度传感器的雏形最早出现在1914年，德国慕尼黑工业大学Henky教授利用己知的软木板导热系数和厚度，测出温度梯度得出流过软木板的热流密度。1924年，Schmidt用电焊的方式设计带状热电堆组成传感区域，工艺比较复杂。1939年，Gier和Boelter用电镀银在康铜线上制成了康铜—银热电堆。随着半导体技术和薄膜技术的发展，提出了利用半导体材料和各种薄膜沉积技术制作热流密度传感器的传感区域，将传感器尺寸减小到微米级，这类传感区域具有较高的灵敏度，响应时间减小到微秒，因此，新材料和新技术被用于制造传感区域，这为开发研制新型热流密度传感器创造了条件。申请号为201711445344.3的专利就公布了一种SiC热电堆型高温热流传感器，专利采用了优良性能的单晶SiC最为热电材料，就是一种热阻式热流密度传感器；专利号为201721817346.6的专利公布了一种基于分层温度响应的组合式热流密度传感器，属于高温高速气体对流和辐传热热流密度传感器，通过多柱塞和多热电偶设计得到多部位热流密度传感器。与上述热流密度传感器相比，由于石墨烯具有优良的电学、热学、力学和化学性能，石墨烯热导率高达5300W/(m·K)，可稳定存在于3000℃的高温无氧环境中，是良好的纳米传感器材料。
技术实现思路
为了有效解决上述
技术介绍
问题的不足，本专利技术采用石墨烯材料组成内部电桥结构设计了一种电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器。一种电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器，所述传感器包括：封装外壳，所述封装外壳用以隔绝外界环境，支撑、保护内部结构；陶瓷端盖，所述陶瓷端盖设置在所述封装外壳顶端，所述陶瓷端盖中间设置有多个纳米通孔，所述陶瓷端盖和封装外壳共同界定一个内部检测空间；基板，所述基板设置在所述封装外壳内侧的底部，所述基板上设置有衬底，所述衬底上设置有用于检测温差的检测组件；所述检测组件包括四个检测单元，四个所述检测单元呈中心对称设置在所述衬底上，所述检测单元上设置有热阻层，相邻检测单元上的热阻层厚度不同，不相邻检测单元上的热阻层厚度相同。可选地，所述检测单元包括：纳米薄膜与内部互连电极，所述内部互连电极分别设置在纳米薄膜两端并分别与纳米薄膜的两端连接，相邻检测单元的内部互连电极相互连接，使内部互连电极和纳米薄膜形成电桥结构。可选地，所述纳米薄膜包括：两层氮化硼薄膜以及设置在氮化硼薄膜之间的石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜两端搭接在内部互连电极上。可选地，所述石墨烯薄膜为回折形结构。可选地，所述热阻层覆盖在所述纳米薄膜上，所述热阻层为氧化铝薄膜。可选地，所述内部互连电极与衬底之间均设置有阻挡层。可选地，所述传感器还包括互连组件，所述互连组件分别将所述内部互连电极与外部检测电路连接用于导出纳米薄膜中的温度变化电学响应。可选地，所述互连组件包括：导线，互连焊盘，引线柱和外部互连电极；所述内部互连电极通过导线与互连焊盘连接，所述封装外壳底部开设有安装所述引线柱的安装孔，所述引线柱设置在所述安装孔内，所述互连焊盘与所述引线柱位于封装外壳内部一端连接，所述外部互连电极设置在所述封装外壳底部并与所述引线柱位于封装外壳外部一端连接，所述外部互连电极连接外部检测组件用于传递石墨烯薄膜检测到的温度变化电学相应信号。本专利技术的有益效果在于，利用包含具有优良特性的新材料石墨烯，并且通过电桥结构，大大的提高了电阻式热流密度传感器的灵敏度，并且由于石墨烯材料的高热导率，有效的提高了器件的响应速度。同时，检测单元被氧化铝和衬底包裹着，有效地消除了周围环境中的干扰因素，且氧化铝隔绝了石墨烯与外界的直接接触，从而提升了器件的耐高温能力以及稳定性，可应用于及其恶劣的高温测试环境，是十分理想的高温热流密度传感器，可以快速测量出热流密度，有利于提高器件的灵敏度，使器件长期稳定工作在高温测试环境中。附图说明图1为本专利技术外部结构示意图；图2为本专利技术整体结构截面示意图；图3为本专利技术多个检测单元组成的电桥结构示意图；图4为本专利技术阻层结构示意图；图5为本专利技术检测单元截面结构示意图；图6为本专利技术石墨烯薄膜结构示意图。图中所示，附图标记清单如下：1、2-热阻层；3、4、26、27-纳米薄膜；5、6-导线；7、8、23、24-内部互连电极；9-衬底；10-焊点；11、12-互连焊盘；13、16-引线柱；15、18-外部互连电极；14-基板；17-外壳；19-陶瓷端盖；21-石墨烯薄膜；20、22-氮化硼薄膜；25-阻挡层；28-纳米通孔。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。以下结合附图对本专利技术做进一步说明：如图1-2所示，一种电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器，可以长期稳定工作在1500℃的高温，所述传感器包括：封装外壳17，所述封装外壳17整体可以为圆柱体、立方体、长方体等形状，并不做具体限定，本专利技术附图中，仅示出了圆柱体结构，所述封装外壳17用以隔绝外界环境，支撑、保护内部结构；陶瓷端盖19，所述陶瓷端盖19设置在所述封装外壳17顶端，所述陶瓷端盖19中间设置有多个纳米通孔28，所述陶瓷端盖19和封装外壳17共同界定一个内部检测空间，所述纳米通孔28有利于气体传输到内部检测空间；基板14，所述基板14设置在所述封装外壳17内侧的底部，所述基板14上设置有衬底9，所述衬底9上设置有用于检测温差的检测组件；所述检测组件包括四个检测单元，四个所述检测单元呈中心对称设置在所述衬底9上，所述检测单元上设置有热阻层1、2，相邻检测单元上的热阻层1、2厚度不同，不相邻检测单元上的热阻层1、2厚度相同，可以通过不同厚度热阻层1、2产生的温差，通过检测单元检测其温度变化，实现对热流密度的测量，所述检测单元的长度和宽度远大于其厚度。所述衬底9本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器，其特征在于，所述传感器包括：/n封装外壳(17)，所述封装外壳(17)用以隔绝外界环境，支撑、保护内部结构；/n陶瓷端盖(19)，所述陶瓷端盖(19)设置在所述封装外壳(17)顶端，所述陶瓷端盖(19)中间设置有多个纳米通孔(28)，所述陶瓷端盖(19)和封装外壳(17)共同界定一个内部检测空间；/n基板(14)，所述基板(14)设置在所述封装外壳(17)内侧的底部，所述基板(14)上设置有衬底(9)，所述衬底(9)上设置有用于检测温差的检测组件；/n所述检测组件包括四个检测单元，四个所述检测单元呈中心对称设置在所述衬底(9)上，所述检测单元上设置有热阻层(1、2)，相邻检测单元上的热阻层(1、2)厚度不同，不相邻检测单元上的热阻层(1、2)厚度相同。/n
【技术特征摘要】
1.一种电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器，其特征在于，所述传感器包括：
封装外壳(17)，所述封装外壳(17)用以隔绝外界环境，支撑、保护内部结构；
陶瓷端盖(19)，所述陶瓷端盖(19)设置在所述封装外壳(17)顶端，所述陶瓷端盖(19)中间设置有多个纳米通孔(28)，所述陶瓷端盖(19)和封装外壳(17)共同界定一个内部检测空间；
基板(14)，所述基板(14)设置在所述封装外壳(17)内侧的底部，所述基板(14)上设置有衬底(9)，所述衬底(9)上设置有用于检测温差的检测组件；
所述检测组件包括四个检测单元，四个所述检测单元呈中心对称设置在所述衬底(9)上，所述检测单元上设置有热阻层(1、2)，相邻检测单元上的热阻层(1、2)厚度不同，不相邻检测单元上的热阻层(1、2)厚度相同。
2.根据权利要求1所述的电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器，其特征在于，所述检测单元包括：纳米薄膜(3、4、26、27)与内部互连电极(7、8、23、24)，所述内部互连电极(7、8、23、24)分别设置在纳米薄膜(3、4、26、27)两端并分别与纳米薄膜(3、4、26、27)的两端连接，相邻检测单元的内部互连电极(7、8、23、24)相互连接，使内部互连电极(7、8、23、24)和纳米薄膜(3、4、26、27)形成电桥结构。
3.根据权利要求2所述的电桥结构石墨烯高温瞬态热流密度传感器，其特征在于，所述纳米薄膜(3、4、26、27)包括：两层氮化硼薄膜(22、20)以及设置在氮化硼薄膜(22、20)之间的石墨烯薄膜(21)，所述石墨烯薄膜(21)两端搭接在内部互连电极(7、8、23、24)上。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：王俊强，齐越，毛喜玲，李孟委，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
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