專利名稱：一種薄膜溫度燒蝕復合傳感器及其制備方法
技術領域：
本發明屬于薄膜特種傳感器技術領域，具體涉及一種基于微機械加工技術的薄膜傳感器及其制備方法。更具體地說，本發明涉及一種薄膜溫度燒蝕復合傳感器及其制備方法，通過薄膜熱電偶實現絕熱層燒蝕溫度和燒蝕速率的測量，這種薄膜溫度燒蝕復合傳感器制造工藝簡單，具有較 高的測量精度。
背景技術：
絕熱層主要應用于固體火箭發動機、再入大氣飛行器等航天器的防熱保護中，絕熱層性能的好壞直接影響到發動機工作的可靠性，甚至影響到火箭發射的成敗。絕熱層的工作環境十分惡劣，它要經受高溫高壓氣體的燒蝕和凝相顆粒的沖刷，嚴重時會導致內絕熱層防護失效，發動機殼體燒穿，造成發動機失效。因此，絕熱層厚度及其幾何形狀等直接影響到固體火箭發動機結構可靠性，而絕熱層的設計是由其燒蝕情況來確定的，絕熱層材料燒蝕速率是絕熱層設計的重要參考依據之一。另外，由于與周圍空氣的劇烈摩擦，絕熱層表面的溫度急劇升高，如果不能正確掌握絕熱層溫度變化，設計合適的絕熱層厚度，溫度會傳遞至飛行器機體表面，并引起機體表面溫度急劇升高，進而導致機體材料的結構強度降低、剛度下降，造成飛行器外形破壞，嚴重時將導致發射失敗。飛行器表面溫度劇烈升高，如果大量氣動熱來不及散失的話，會引起機體表面溫度。絕熱層材料燒蝕表面及燒蝕層內部溫度變化是絕熱層設計的重要參考依據之一 O因此，需要一種溫度與燒蝕復合傳感器可對絕熱層燒蝕過程中的溫度和燒蝕速率同時進行測量。目前，燒蝕速率測量通過燒蝕傳感器，溫度測量采用溫度傳感器，還沒有一種傳感器可以實現對絕熱層燒蝕溫度以及燒蝕速率的同時測量。本發明人曾介紹了一種薄膜燒蝕傳感器及其制備方法，通過微機械加工技術在氧化鋁陶瓷基片表面制備了一組金薄膜電阻，可通過金薄膜電阻的通斷得出絕熱層燒蝕速率，該發明的薄膜燒蝕傳感器生產工藝簡單，并可設計不同的薄膜電阻間隙達到不同的測量精度要求。但該發明的薄膜燒蝕傳感器只能獲取絕熱層的燒蝕速率，不能同時獲取絕熱層燒蝕溫度參量。專利ZL02205585. I介紹了一種導彈高速熱沖擊試驗陶瓷彈頭表面瞬態溫度測量裝置。該發明將熱電偶材料點焊成球，并采用不銹鋼壓片將熱電偶壓在導彈表面的凹坑內，這種結構形式不僅會破壞飛行器表面流場，并且可靠性程度低，無法有效滿足飛行器測溫要求。專利CN201716128描述了一種高速飛行器外表面溫度測量裝置，其中測溫傳感器的敏感頭頂端位于機體表面絕熱層內O. 8mm 1mm，這種安裝方式測量所得到的溫度并非機體外表面的真實溫度，只能通過氣動熱計算進行校正得到飛行器外表面溫度的近似值
發明內容
本發明旨在提出一種薄膜溫度燒蝕復合傳感器及其制備方法，可以實現對絕熱層燒蝕溫度和燒蝕速率的同時測量，這種溫度燒蝕復合傳感器基本采用現有的成熟工藝技術和材料，生產工藝簡單，安裝方便，不會影響飛行器結構可靠性，具有良好的抗環境干擾能力及可靠性水平。為了達到上述目的，本發明提供的技術方案為
所述薄膜溫度燒蝕復合傳感器I包括基片2，設于基片2上的過渡層3，設于過渡層3上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列上設有保護膜6 ;所述薄膜熱電偶陣列由兩個以上包括電極4 (如PtRh13電極)和B電極5 (如Pt電極)的薄膜熱電偶10構成；所述薄膜熱電偶10包括將薄膜熱電偶10的熱電勢信號引出的補償導線7 ；
其中，所述基片2材料為Al2O3陶瓷,其直徑為50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述過渡層3材料為Ta2O5,厚度為O. 05 μ m O. I μ m ;所述薄膜熱電偶10的厚度為O. 2 μ m O. 5 μ m ;所述保護膜6為電介質材料,優選為SiO2,厚度為O. I μ m O. 2 μ m。 所述薄膜熱電偶10為R型熱電偶、B型熱電偶或S型熱電偶，優選為R型熱電偶。可將薄膜溫度燒蝕復合傳感器I埋設于絕熱層8材料內，實現對待測工件9的絕熱層燒蝕過程中燒蝕溫度及燒蝕速率雙參數的測量。上述薄膜溫度燒蝕復合傳感器的制備方法，包括如下步驟
(1)清洗基片，去除基片表面油污及雜質；
(2)將基片與薄膜熱電偶A電極的不銹鋼掩膜套裝在一起，并用不銹鋼夾具夾好放在沉積鍍膜系統的行星架上；
(3)依次在基片表面淀積過渡層薄膜和薄膜熱電偶A電極的薄膜材料，取下不銹鋼掩膜；其中過渡層薄膜用以增強熱電偶薄膜與基片層的結合力，并增強熱電偶薄膜在高溫下的穩定性；
(4)將基片與薄膜熱電偶B電極的不銹鋼掩膜板套裝在一起，并用不銹鋼夾具夾好放于沉積鍍膜系統的行星架上；
(5)依次在基片表面淀積過渡層薄膜和薄膜熱電偶B電極的薄膜材料；取下不銹鋼掩
膜；
(6)將經上述步驟制成的薄膜熱電偶基片放入高溫氣氛退火爐，對制備的熱電偶薄膜進行退火處理，使電偶薄膜結構趨于穩定；
(7)將薄膜熱電偶基片與不銹鋼掩膜套裝在一起并放入沉積鍍膜系統行星架，沉積保護膜；
(8)利用切片機切片制得薄膜溫度燒蝕復合傳感器；
(9)將薄膜溫度燒蝕復合傳感器上薄膜熱電偶的電極與補償導線用電阻焊機焊接。其中，步驟(6)所述的退火溫度為600°C 800°C，退火氣氛為真空，退火時間為O. 5 I小時。下面結合設計及工作原理對本發明作進一步說明
本發明提出的薄膜溫度燒蝕復合傳感器，包括基片，設于基片上的過渡層，設有過渡層上的薄膜熱電偶陣列，所述薄膜熱電偶陣列上設有保護膜，所述薄膜熱電偶陣列是由兩個以上的薄膜熱電偶構成的，可根據實際測量要求設計調整熱電偶個數和間隙，以滿足不同的測量精度要求，所述薄膜熱電偶包括補償引線。在發動機工作過程中，隨著絕熱層的燒蝕，薄膜熱電偶依次逐個暴露在發動機高溫環境中，高溫和顆粒沖刷將造成薄膜熱電偶的斷開，通過信號采集裝置對薄膜熱電偶的通斷信號進行實時掃描和采集，獲得薄膜熱電偶的通斷與時間之間的關系，可得到絕熱層燒蝕率隨時間的變化關系，實現絕熱層燒蝕性能的測量。與此同時，薄膜熱電偶可同步獲取絕熱層相應深度的溫度值，并可通過絕熱層傳熱學分析得出燒蝕面的表面溫度。這樣，本發明的薄膜溫度燒蝕復合傳感器實現了絕熱層燒蝕過程溫度、燒蝕速率雙參數的實時測量。其中，所述基片材料為Al2O3陶瓷,其直徑為50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述過渡層材料為Ta2O5,厚度為O. 05 μ m O. I μ m ;所述熱電偶為R型熱電偶、B型熱電偶、S型熱電偶的一種，優選R型熱電偶，其厚度為O. I μ m O. 2 μ m ;所述保護膜為電介質材料，優選為SiO2，厚度為O. Iym 0.2 μπι。進一步地，薄膜熱電偶陣列由不少于2列的多列薄膜熱電偶構成，薄膜熱電偶縱向間隔作為影響和決定燒蝕速率測量精度的決定性因素之一，可根據產品特性與要求決定薄膜熱電偶之間縱向間隔值，以獲取不同的產品性能。與現有技術相比，本發明的有益效果是·
a)本發明采用成熟的工藝技術和材料，在基片表面制備了一組薄膜熱電偶，在發動機工作或飛行器飛行時，隨著絕熱層的燒蝕，埋設在絕熱層中的薄膜熱電偶可獲取絕熱層相應深度的溫度值，也可通過絕熱層傳熱學分析得出燒蝕面的表面溫度；
b)由于薄膜熱電偶將逐組暴露在高溫高壓惡劣環境中，薄膜熱電偶狀態由導通變為斷開，通過信號采集卡將電阻的這種通斷狀態進行采集和記錄，在已知薄膜熱電偶縱向間隙的情況下，經過簡單的計算就可以得到絕熱層燒蝕速率；
c)本發明采用濺射淀積技術、不銹鋼掩膜技術、電阻焊技術等微機械加工技術，有利于提高加工工藝的一致性和傳感器工作的可靠性水平，并可實現薄膜溫度燒蝕復合傳感器的批量生產，有效降低制造成本；
d)本發明利用微機械加工技術可以在一片基片上同時制造數百上千個薄膜溫度燒蝕復合傳感器，提高加工效率、加工重復性和加工尺寸的可控性水平，并大大降低制造成本。


圖I是本發明薄膜溫度燒蝕復合傳感器結構示意 圖2是本發明薄膜溫度燒蝕復合傳感器制備工藝流程 圖3是在同一基片上制造多個薄膜溫度燒蝕復合傳感器的結構示意 圖4是圖I薄膜溫度燒蝕復合傳感器埋設于待測絕熱層的結構示意 圖中I、薄膜溫度燒蝕復合傳感器；2、基片；3、過渡膜；4、A電極；5、B電極；6、保護膜；7、補償導線；8、絕熱層；9、待測工件；10、薄膜熱電偶。
具體實施例方式實施例I
參見圖I至圖4，所述薄膜溫度燒蝕復合傳感器I包括基片2，設于基片2上的過渡層3，設于過渡層3上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列上設有保護膜6 ;所述薄膜熱電偶陣列由兩個以上包括電極4和B電極5的薄膜熱電偶10構成；所述薄膜熱電偶10包括將薄膜熱電偶10的熱電勢信號引出的補償導線7 ；其中，所述基片2材料為Al2O3陶瓷,其直徑為50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述過渡層3材料為Ta2O5,厚度為O. 05 μ m O. I μ m ;所述薄膜熱電偶10為R型PtRhl3_Pt熱電偶，其厚度為O. 2μπι O. 5μπι ;所述保護膜6材料為SiO2,厚度為O. I μ m O. 2 μ m。實施例2
參見圖2，本發明，所述薄膜溫度燒蝕復合傳感器制備方法包括以下步驟
(1)對直徑50mm 150mm、厚度O.5mm Imm的Al2O3基片進行清洗，去除基片拋光面的油污及雜質站污等；
(2)將基片與R型PtRhl3-Pt熱電偶PtRhl3電極的不銹鋼掩膜套裝在一起，并用不銹 鋼夾具夾好放入離子束濺射鍍膜機的行星架上；
(3)利用離子束濺射沉積厚度O.05 μ m O. I μ m的Ta2O5過渡膜和O. I μ m O. 2 μ m的PtRhl3熱電偶薄膜，取下不銹鋼掩膜；
(4)將基片與R型PtRhl3-Pt熱電偶Pt電極的不銹鋼掩膜套裝在一起，并用不銹鋼夾具夾好放入離子束濺射鍍膜機的行星架上；
(5)利用離子束濺射沉積厚度O.05 μ m O. I μ m的Ta2O5過渡膜和O. I μ m O. 2 μ m的Pt熱電偶薄膜，取下不銹鋼掩膜；
(6)將經上述步驟制成的薄膜熱電偶基片放入高溫氣氛退火爐，在600°C 800°C條件下進行真空退火O. 5 I小時；
(7)將薄膜熱電偶基片與保護膜的不銹鋼掩膜套裝在一起，放入離子束鍍膜機內的行星架上，沉積O. I μ m O. 2 μ m厚的SiO2膜；
(8)用劃片機劃片，薄膜溫度燒蝕復合傳感器分割成型；
(9)采用電阻焊機分別完成PtRh13薄膜熱電偶電極與直徑為75μ m PtRh13補償線的連接，以及Pt熱電偶電極與線徑75 μ m的Pt補償線的連接。至此，完成本發明薄膜溫度燒蝕復合傳感器的制備。可將傳感器埋設于絕熱層材料的內，實現絕熱層燒蝕過程中燒蝕溫度及燒蝕速率雙參數的測量。上述實施例闡明的內容應當理解為這些實施例僅用于更清楚地說明本發明，而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
權利要求
1.一種薄膜溫度燒蝕復合傳感器，其特征在于，所述薄膜溫度燒蝕復合傳感器(I)包括基片(2)，設于基片(2)上的過渡層(3)，設于過渡層(3)上的薄膜熱電偶陣列；所述薄膜熱電偶陣列上設有保護膜(6);所述薄膜熱電偶陣列由兩個以上包括A電極(4)和B電極(5)的薄膜熱電偶(10)構成；所述薄膜熱電偶(10)包括將薄膜熱電偶(10)的熱電勢信號引出的補償導線(7);所述基片(2)材料為Al2O3陶瓷；所述過渡層(3)材料為Ta2O5 ;所述保護膜(6)為電介質材料。
2.如權利要求I所述的薄膜溫度燒蝕復合傳感器，其特征在于，所述基片(2)直徑為50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述過渡層(3)厚度為O. 05 μ m O. Ium ;所述薄膜熱電偶(10)的厚度為O. 2μπι O. 5μπι ;所述保護膜(6)厚度為O. I μ m O. 2 μ m。
3.如權利要求I所述的薄膜溫度燒蝕復合傳感器，其特征在于，所述薄膜熱電偶(10)為R型熱電偶、B型熱電偶或S型熱電偶。
4.如權利要求3所述的薄膜溫度燒蝕復合傳感器，其特征在于，所述薄膜熱電偶(10)為R型熱電偶。
5.如權利要求I所述的薄膜溫度燒蝕復合傳感器，其特征在于，所述保護膜(6)材料為Si02。
6.—種如權利要求I 5之一所述薄膜溫度燒蝕復合傳感器的制備方法，包括如下步驟 (1)清洗基片； (2)將基片與薄膜熱電偶A電極的不銹鋼掩膜套裝在一起并放于沉積鍍膜系統的行星架上； (3)依次在基片表面淀積過渡層薄膜和薄膜熱電偶A電極的薄膜材料，取下不銹鋼掩膜； (4)將基片與薄膜熱電偶B電極的不銹鋼掩膜板套裝在一起并放于沉積鍍膜系統的行星架上； (5)依次在基片表面淀積過渡層薄膜和薄膜熱電偶B電極的薄膜材料；取下不銹鋼掩膜； (6)將經上述步驟制成的薄膜熱電偶基片放入高溫氣氛退火爐，對制備的熱電偶薄膜進行退火； (7)將薄膜熱電偶基片與不銹鋼掩膜套裝在一起并放入沉積鍍膜系統行星架，沉積保護膜； (8)切片制得薄膜溫度燒蝕復合傳感器； (9)將薄膜溫度燒蝕復合傳感器上薄膜熱電偶的電極與補償導線焊接。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(6)所述的退火溫度為600°C 800°C，退火氣氛為真空。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，步驟(6)所述的退火時間為O.5 I小時。
全文摘要
本發明公開了一種薄膜溫度燒蝕復合傳感器及其制備方法，所述傳感器是一種絕熱層材料燒蝕溫度與燒蝕速率測量集成型薄膜傳感器。本發明采用微機械加工技術在基片表面制作了一組薄膜熱電偶，然后將薄膜熱電偶垂直埋設于絕熱層內，這樣，在絕熱層材料的燒蝕過程中，就可以通過薄膜熱電偶組測量出絕熱層燒蝕面以及絕熱層不同深度點的溫度，并可通過薄膜熱電偶的通斷判斷絕熱層燒蝕面的位置，結合燒蝕時間，可得出絕熱層材料的燒蝕速率。采用這種發明的有益效果是可同時對絕熱層材料燒蝕過程中的溫度變化及絕熱層燒蝕速率進行測量，為絕熱層的設計提供數據參考，并且采用這種發明的薄膜溫度燒蝕傳感器制備工藝簡單，結構可靠。
文檔編號G01D21/02GK102901534SQ201210362540
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月26日 優先權日2012年9月26日
發明者景濤, 謝貴久, 顏志紅, 程文進, 白慶星, 何峰, 王棟, 張環宇 申請人:中國電子科技集團公司第四十八研究所