阅读说明：本技术 一种基于热电半导体的双功能薄膜传感器及其制备方法 (A kind of difunctional thin film sensor and preparation method thereof based on thermoelectric semiconductor ) 是由 黄海明 王雪强 李玮洁 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于热电半导体的双功能薄膜传感器及其制备方法,属于传感器技术领域。本发明在基体表面制备温度传感器热电偶和热流传感器热电堆,热流传感器热电堆由多个热电偶阵列构成。在温度传感器热电偶周围覆盖Al<Sub>2</Sub>O<Sub>3</Sub>保护层,防止氧化。在热流传感器热电堆不同位置处上方覆盖不同厚度的热阻层,形成温差,用以检测热流；热电偶的电极材料为P型碳化硼半导体和N型碳化硼半导体,可实现2000℃以下热流的直接测量。利用塞贝克效应输出热电势,通过温度补偿处理后可输出温度。本发明在超高温条件下热稳定性好,结构可靠,灵敏度高,可为实现下一代高超声速导弹的热防护优化设计提供有效的技术支撑。(The invention discloses a kind of difunctional thin film sensor and preparation method thereof based on thermoelectric semiconductor, belongs to sensor technical field.The present invention is made of in matrix surface preparation temperature sensor thermocouple and heat flow transducer thermoelectric pile, heat flow transducer thermoelectric pile multiple thermocouple arrays.Al is covered around temperature sensor thermocouple 2 O 3 Protective layer prevents from aoxidizing.The thermoresistance layer that different-thickness is covered above at the heat flow transducer thermoelectric pile different location, forms the temperature difference, to detect hot-fluid；The electrode material of thermocouple is for p-type boron carbide semiconductor and N-type boron carbide semiconductor, it can be achieved that the direct measurement of 2000 DEG C or less hot-fluids.Thermoelectrical potential, exportable temperature after handling by temperature-compensating are exported using Seebeck effect.Present invention thermal stability under ultra-high temperature condition is good, and structure is reliable, high sensitivity, can provide effective technical support to realize the thermal protection optimization design of next-generation hypersonic missile.)

一种基于热电半导体的双功能薄膜传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及到薄膜热流传感器和薄膜温度传感器的综合设计和制备，适用于高超声速飞行器表面温度及热流的检测，也可适用于其他高温设备。

背景技术

临近空间高超声速导弹具有飞行速度快、可机动、多弹道变化选择、突防能力强和能够打击时间敏感目标等突出优势，美国、俄罗斯、中国等都开展了相关的研究并取得了重要进展。激波后高温气流对飞行器的正常飞行产生严重的影响，飞行器必须设置热防护系统；但是，飞行器所承受的热负荷分布的精准测量至今还是空白，甚至热防护设计人员也回答不了飞行器热防护的安全系数是多少，该现象的主要原因是无法直接测量热流和表面温度。随着薄膜材料与高温热电半导体制备技术的发展，微型化、薄膜化、集成化超高温薄膜热电传感器已具备研制的可行性。为了更好地补给国防航天事业的迅猛发展，超高温氧化环境下的热流测量技术亟待解决。本发明充分发挥自主创新能力，提出了超高温薄膜传感器的设计与工程化制备工艺。

发明内容

本发明旨在实现对高超声速飞行器、冲压发动机等设备的超高温表面进行温度和热流的直接测量，克服目前热流传感器响应速度慢、可测极限温度低的不足，为下一代高超声速导弹的热防护优化设计提供有效的技术支撑。

为实现以上目的，本发明的解决方案如下：

本发明提供一种基于热电半导体的双功能薄膜传感器及其制备方法，所述双功能薄膜传感器，包括包括基体，保护层，厚热阻层，薄热阻层，热流传感器热电堆，导线，冷端温度补偿端，补偿导线，温度传感器热电偶；所述基体覆盖在被测物体表面；在所述基体表面制备温度传感器热电偶和热流传感器热电堆，所述热流传感器热电堆由多个热电偶阵列构成；所述热电偶由P型电极和N型电极组成，所述P型电极和N型电极在接头位置处连接；所述温度传感器热电偶周围覆盖有保护层；所述热流传感器热电堆不同位置处上方覆盖有不同厚度的热阻层，在所述热阻层下形成温差，用以检测热流；所述温度传感器热电偶的末端有补偿导线连接，接到冷端温度补偿端进行温度补偿，补偿后的温度信号通过导线输入到计算机；所述热流传感器热电堆末端有导线连接，将热流信号输入到计算机。

所述基体材料为Al₂O₃陶瓷；所述热电偶由P型电极和N型电极组成，所述P型电极材料为P型碳化硼半导体，所述N型电极材料为N型碳化硼半导体，厚度均为1μm；所述厚热阻层和薄热阻层材料为Al₂O₃，所述厚热阻层厚度为5μm，所述薄热阻层厚度为2μm，用于产生温差以及防止电极发生氧化；所述保护层材料为Al₂O₃，厚度为2μm，用于防止电极发生氧化。

所述双功能薄膜传感器通过光刻工艺和磁控溅射工艺进行制备，过程如下。

(1)提供基体并清洗；

(2)通过光刻工艺，使用掩膜版将所有P型电极图形转移到基体上；

(3)通过磁控溅射工艺生成P型电极；

(4)通过光刻工艺，使用掩膜版将所有N型电极图形转移到基体上；

(5)通过磁控溅射工艺生成N型电极；

(6)在温度传感器热电偶周围通过磁控溅射工艺覆盖致密的保护层；

(7)在热流传感器热电堆不同位置处上方覆盖不同厚度的热阻层，一侧为厚热阻层，另一侧为薄热阻层；

(8)连接补偿导线和导线。

本发明的有益效果：本发明可以对超高温和热流进行直接测量，为实现下一代高超声速导弹的热防护优化设计提供有效的技术支撑；响应时间在微秒级，可实现瞬态测量；采用新型电极材料，所检测的温度可高达2000℃，比传统的金属热电偶电极材料要高，适合超高温环境下使用；碳化硼热电材料的塞贝克系数位于200μV/℃～300μV/℃之间，是传统金属基热电偶电极材料的5～10倍，传感器有更高的灵敏度，以及更小的分辨率；所述双功能薄膜传感器在600～2000℃之间，输出的热电势与温度之间保持较好的线性关系，热稳定性好；采用热电堆式设计，可提高传感器的输出信号和测试精度；将热流传感器与温度传感器集成，可同时测量热流和温度；本发明的制备工艺简单，可量化生产，降低制造成本，提高效益。

附图说明

图1为本发明双功能薄膜传感器正等测图；

图2为图1中的双功能薄膜传感器的A向视图；

图3为图1中的双功能薄膜传感器的B向视图；

图4为图1中的双功能薄膜传感器的C向视图；

图中：1—基体，2—保护层，3—厚热阻层，4—薄热阻层，5—热流传感器热电堆，6—P型电极，7—N型电极，8—导线，9—冷端温度补偿端，10—补偿导线，11—温度传感器热电偶，12—被测物体。

具体实施方式

所述双功能薄膜传感器：包括基体1，保护层2，厚热阻层3，薄热阻层4，热流传感器热电堆5，导线8，冷端温度补偿端9，补偿导线10，温度传感器热电偶11；所述基体1覆盖在被测物体12表面；在所述基体1表面制备温度传感器热电偶11(用来测量温度)和热流传感器热电堆5(用来测量热流)，所述热流传感器热电堆5由多个热电偶阵列构成；所述温度传感器热电偶11由P型电极6和N型电极7组成，所述P型电极6和N型电极7在接头位置处连接；所述温度传感器热电偶11周围覆盖有保护层2；所述热流传感器热电堆5不同位置处上方覆盖有厚热阻层3和薄热阻层4，在所述厚热阻层3和薄热阻层4下形成温差，用以检测热流；利用电极材料的塞贝克效应输出热电势，通过热电势反映温度；所述温度传感器热电偶11的末端有补偿导线10连接，接到冷端温度补偿端9进行温度补偿，补偿后的温度信号通过导线8输入到计算机；所述热流传感器热电堆5末端有导线8连接，将热流信号输入到计算机。

所述基体1材料为Al₂O₃陶瓷；所述P型电极6材料为P型碳化硼半导体，所述N型电极7材料为N型碳化硼半导体，厚度均为1μm；所述热阻层材料为Al₂O₃，所述厚热阻层3厚度为5μm，所述薄热阻层4厚度为2μm，用于产生温差以及防止电极发生氧化；所述保护层2材料为Al₂O₃，厚度为2μm，用于防止电极发生氧化。

所述温度传感器热电偶11，热流传感器热电堆5，保护层6，厚热阻层3和薄热阻层4通过光刻工艺和磁控溅射工艺进行制备，具体过程如下：

◆光刻工艺

(1)基体清洗

先用肥皂水浸泡基体，然后用去离子水冲洗基体表面，同时用刷子近距离地接触表面，产生高能量的清洗动作，除去颗粒污染和有机物，之后采用丙酮、去离子水对基体超声清洗15分钟，最后用丙酮再擦一遍，在光学显微镜下观察是否还有污染物。

(2)预烘烤

将清洗干净后的基体在120℃的温度下烘烤15分钟，去除吸附在表面的湿气，充分干燥并保持洁净，使光刻胶能在基体上更好地附着。

(3)旋转涂胶

在基体表面均匀旋涂光刻胶。

(4)软烘烤

涂胶后，光刻胶仍处于液体状态，在90℃的温度下烘烤30分钟，去除光刻胶内大量的溶剂，以免在紫外曝光机样品台上发黏，影响曝光的溶解度。

(5)曝光+显影

放置P型电极掩模版版图，经过曝光机紫外光的照射使部分光刻胶的性质改变，性质改变的光刻胶用显影液去掉。

(6)硬烘烤

在100℃的温度下烘烤30分钟，消除显影过程中所带来的水分，保持基体与光刻胶良好的附着性能。

(7)溅射P型电极材料，使P型电极薄膜厚度达到1μm。

(8)去胶

(9)采用步骤(5)～(8)的相同制备工艺，利用N型电极材料制备N型电极，厚度达到1μm。

(10)在温度传感器热电偶周围通过磁控溅射工艺覆盖致密的保护层。

(11)在热流传感器热电堆不同位置处上方通过磁控溅射工艺覆盖不同厚度的热阻层，一侧为厚度为5μm的厚热阻层，另一侧为厚度为2μm的薄热阻层。

◆溅射工艺

(1)镀前准备

保持真空室洁净。

清洁靶材时，先用无绒布清洁，然后用酒精清洁，再用去离子水冲洗，冲洗后烘干靶材去除水分，保证光刻胶与基体之间的附着力不会降低。

(2)装入靶材

将溅射靶材装入靶源中，溅射基体放入相应位置。

(3)抽真空

低阀抽真空到3Pa、分子泵抽真空到1.5×10^-3Pa。

(4)充入惰性气体—氩气

(5)溅射形成薄膜

高密度的氩离子弧柱轰击靶材表面，溅射出靶材原子来制作薄膜。溅射镀膜时首先将挡板调节到托盘表面的正上方，防止靶材上的杂质掉落到托盘上影响镀膜的质量。然后打开交流电源，当达到设定功率时，将靶材挡板移开，此时会发生辉光放电的现象，开始溅射薄膜。溅射薄膜的厚度是由时间进行控制的，计时从发生辉光放电开始，当达到所需要厚度后关闭电源。

◆关于靶材的说明

溅射P型电极时，所用靶材为加入1-4-二氨基苯的邻碳硼化物。

溅射N型电极时，所用靶材为间碳硼化物(1-7-二碳十二碳硼烷)，且加入浓度为1％镍或浓度为4％的铬。

溅射保护层、厚热阻层、薄热阻层时，所用靶材为Al₂O₃。

完成制备，温度传感器与热流传感器集成在同一基体上。