技术领域
[0001] 本
发明涉及热流测量技术及
传感器制备技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于高温瞬态热流测量的薄膜热流计及制作方法。
背景技术
[0002] 随着科学技术的高速发展，各类航天
飞行器朝着飞行高度更高，运行速度更快的方向发展，对于超声飞行器的研究和设计层面来讲，飞行器运行条件下外表面的高温流场，
发动机在高速运行条件下
燃烧室所处的热环境一直是航天飞行器运行速度进一步提升的核心点。航天飞行器发动机，由于其燃烧室在工作过程中不仅要承受高温、高压，同时需要承受长时间的热流冲刷，所以在发动机的实际设计过程中，不仅仅要考虑
温度和压
力两个数值，同时特别需要注意燃烧室壁面的热防护工作。由于我国研究航天飞行器发动机起步较晚，热防护技术发展还不是很成熟，尤其涉及到的高温热流测量技术还没有很好的解决办法。
[0003] 目前，检测热流的传感器有很多种，市面上流通的同轴
热电偶式热流计、圆箔式热流传感器、薄膜
热电堆式热流传感器等，但是这些热流传感器在不同程度上都存在一些问题，不能很好的对高温环境下的热流
密度进行检测。
[0004] 例如同轴热电偶响应时间快，响应时间可以达到1ms。由于选取的热
电极材料、绝缘层材料为耐高温材料，所以可以承受住高温以及高温热流的冲刷。同轴式热电偶式热流计尺寸小，测量及封装装置直径尺寸仅为几毫米，具有体积小，安装
位置灵活度，可多次重复使用的优点。但是此类型热流计也有很大的缺点，由于在具体实际加工过程中，每个传感器的加工都是独立的，所以在使用之前需要对每个传感器进行标定，重复性差。另一方面，此传感器输出值为
电压值，并不能直接反应热流情况，需要经过计算机换算才能获得实时热流值，操作耗时繁琐。
[0005] 薄膜传感器测量端敏感元件较小，能敏锐的监测到周围温度的变化，因此薄膜传感器的具有极短的响应时间，但是受材料的影响，膜基结合力不足，在高温热流的冲刷下极其容易脱落，同时受到高温冲刷之后，薄膜
电阻发生变化，重复使用时需要进行再次标定。
[0006] 圆箔式热流传感器可测量范围较大，在不同监测环境下，最大量程可以达到5MW/m2。不足之处在于圆箔式热流传感器只能监测
辐射热流。
[0007] 薄膜热电堆热流传感器虽然说都是采用薄膜溅射技术，但是两者的基本原理不同。热电堆式热流传感器在实际工作时，通
过冷热端温度不同产生热电势，通过傅里叶定律，可以换算得出施加在热流计上的热流值，这种传感器响应时间短，仅为40ms左右，但是由于受到材料和
镀膜技术的限制，引线端极其容易在高温热流的冲刷下脱落，导致传感器的失效。
发明内容
[0008] 根据上述提出的技术问题，而提供一种基于高温瞬态热流测量的薄膜热流计及制作方法。本发明将铂铑6贵金属引线与
氧化
铝陶瓷基底一体化设计取代了导电
银胶的使用，避免了使用导电银胶所带来的引线端硬、脆，易脱落的弊端，同时对引线的固定化，避免了在高温热流震荡情况下引线脱落的情况。
[0009] 本发明采用的技术手段如下：
[0010] 一种基于高温瞬态热流测量的薄膜热流计，包括：
[0011] 包括：氧化铝陶瓷基底、热电堆薄膜、氧化铝热阻层薄膜以及氧化锆保护层薄膜；所述热电堆薄膜、氧化铝热阻层薄膜以及氧化锆保护层薄膜均设置在所述氧化铝陶瓷基底上；所述热电堆薄膜包括铂铑6热电堆薄膜和铂铑30热电堆薄膜；所述热电堆薄膜和氧化铝热阻层薄膜共同组成薄膜热流计的热电堆功能薄膜；所述氧化铝陶瓷基底上开设有两个通孔，通孔内放置引线，所述引线的一端突出0.3mm，连同氧化铝热阻层薄膜表面一起
抛光至统一平面，且表面达到镜面；所述引线的另一端引线突出50mm，连接
数据采集信号设备；
[0012] 所述氧化铝热阻层薄膜使热电堆功能薄膜的冷端热端在处于相同环境时的温度不同，在单位时间内传导到测量
节点的热量不同，基于
塞贝克效应，在铂铑6热电堆薄膜和铂铑30热电堆薄膜之间产生热电势，输出热电势通过内置引线输出到数据采集信号设备，通过公式换算得到单位时间内的加载在热流计上的热流密度，热电堆薄膜的输出热电势与热流密度相关，从而实现对热流密度的瞬态测量。
[0013] 进一步地，所述热电堆薄膜为成对的铂铑6-铂铑30贵金属薄膜热电偶
串联而成。
[0014] 进一步地，所述热电堆薄膜的形状为锯齿形，或波浪形，或弧形，或Z字型。
[0015] 进一步地，所述氧化铝热阻层薄膜将热电堆薄膜进行冷端热端分离，形成热电堆功能薄膜热结点和热电堆功能薄膜冷结点。
[0016] 进一步地，所述的引线为铂铑6贵金属引线
[0017] 进一步地，所述氧化铝陶瓷基底为定制尺寸，且表面需经过抛光处理达到镜面。
[0018] 本发明还提供了一种基于高温瞬态热流测量的薄膜热流计的制作方法，所述制作方法包括如下步骤：
[0019] S1、将氧化铝陶瓷基底表面分别用5，3.5，2.5,1.5,0.5粒度的抛光膏在抛光机上进行抛光，抛光表面需达到镜面；
[0020] S2、将铂铑6贵金属引线埋设在预先加工好的氧化铝陶瓷基底通孔中，通过填充材料并进行
烧结将两者
固化，重复抛光步骤，保证铂铑6贵金属引线露出端与氧化铝陶瓷基底表面在一个平面；
[0021] S3、采用掩模
磁控溅射方法，在步骤S2的氧化铝陶瓷基底上形成铂铑6热电堆薄膜；
[0022] S4、采用掩模磁控溅射方法，在步骤S2的氧化铝陶瓷基底上形成铂铑30热电堆薄膜；
[0023] S5、采用掩模磁控溅射方法，在步骤S3、S4的铂铑6-铂铑30热电堆薄膜上表面形成氧化铝热阻层薄膜；
[0024] S6、采用掩模磁控溅射方法，在步骤S5的氧化铝热阻层薄膜上表面形成氧化锆保护层薄膜。
[0025] 较
现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0026] 1、本发明提供的基于高温瞬态热流测量的薄膜热流计，选用铂铑6和铂铑30作为热电堆薄膜材料，其可以在高达1200摄氏度的高温环境下工作。
[0027] 2、本发明提供的基于高温瞬态热流测量的薄膜热流计，选用氧化铝作为热阻层薄膜材料，其具有耐高温、硬度高、密度大、导热系数优良等优点。
[0028] 3、本发明提供的基于高温瞬态热流测量的薄膜热流计，保护膜采用氧化锆材料，氧化锆薄膜耐，致密性优良，能和基底及功能膜良好的结合在一起，起到保护功能膜的作用。
[0029] 4、本发明提供的基于高温瞬态热流测量的薄膜热流计，采用铂铑6贵金属引线与氧化铝陶瓷基底一体化设计取代了导电银胶的使用，避免了使用导电银胶所带来的引线端硬、脆，易脱落的弊端，同时对铂铑6贵金属引线的固定化，避免了在热流震荡情况下的引线脱落的情况。
[0030] 5、本发明提供的瞬态薄膜热流计，具有结构尺寸小、响应时间快，测量
精度高，便于装配等优点。
[0031] 基于上述理由本发明可在热流测量技术及传感器制备等领域广泛推广。
附图说明
[0032] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033] 图1是本发明的爆炸示意图；
[0034] 图2是本发明的俯视图；
[0035] 图3是本发明的俯视图的A-A面剖视图；
[0036] 图4是本发明的A-A剖面示意图中Ⅰ的局部放大示意图；
[0037] 图5是本发明制作铂铑6热电堆薄膜的机械掩模三维图；
[0038] 图6是本发明制作铂铑30热电堆薄膜的机械掩模三维图；
[0039] 图7是本发明制作氧化铝保护层薄膜的机械掩模三维图；
[0040] 图中：1、铂铑6热电堆薄膜；2、铂铑30热电堆薄膜；3、氧化铝热阻层薄膜；4、氧化锆保护层薄膜；5、氧化铝陶瓷基底；6、填充材料；7、引线；A、热电堆功能膜热结点；B、热电堆功能膜冷节点；Ⅰ、主视图的剖视图局部放大图；a、溅射薄膜表面；b、引线端表面。
具体实施方式
[0041] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0042] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本
说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0044] 除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
[0045] 在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、
水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
[0046] 为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被
定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
[0047] 此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行
声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0048] 如图1、3所示，本发明提供了一种基于高温瞬态热流测量的薄膜热流计，包括：氧化铝陶瓷基底5、热电堆薄膜、氧化铝热阻层薄膜3以及氧化锆保护层薄膜4；热电堆薄膜包括铂铑6热电堆薄膜1和铂铑30热电堆薄膜2；
[0049] 热电堆薄膜、氧化铝热阻层薄膜3以及氧化锆保护层薄膜4均设置在氧化铝陶瓷基底5上；热电堆薄膜和氧化铝热阻层薄膜3共同组成瞬态薄膜热流计的热电堆功能薄膜；氧化铝热阻层薄膜4将热电堆薄膜进行冷端热端分离，形成热电堆功能薄膜热结点A和热电堆功能薄膜冷结点B。氧化铝陶瓷基底5上开设有两个通孔，通孔内放置引线7，引线7的一端突出0.3mm，连同氧化铝热阻层薄膜3表面一起抛光至统一平面，且表面达到镜面；引线7的另一端引线突出50mm，连接数据采集信号设备；所述引线7为铂铑6贵金属引线。
[0050] 氧化铝热阻层薄膜3使热电堆功能薄膜的冷端热端在处于相同环境时的温度不同，在单位时间内传导到测量节点的热量不同，基于塞贝克效应，在铂铑6热电堆薄膜1和铂铑30热电堆薄膜2之间产生热电势，输出热电势通过内置铂铑6贵金属引线输出到数据采集信号设备，通过公式换算得到单位时间内的加载在热流计上的热流密度，热电堆薄膜的输出热电势与热流密度相关，从而实现对热流密度的瞬态测量。
[0051] 如图2所示，所述热电堆薄膜为50对铂铑6-铂铑30贵金属薄膜热电偶串联而成。所述热电堆薄膜的形状是由如图5、6所示的机械掩模形状设定的，可以为锯齿形，波浪形，弧形，Z字型，本实施例中提供的形状为锯齿形。
[0052] 基于上述的高温瞬态薄膜热流计结构，本发明还提供了一种该热流计的制备方法：
[0053] S1、将经过特殊尺寸定制的氧化铝陶瓷基底上开设有两个容纳引线的通孔，用来放置铂铑6贵金属引线，氧化铝陶瓷基底表面分别用5，3.5，2.5,1.5,0.5粒度的抛光膏在抛光机上进行抛光，抛光表面需达到镜面；
[0054] S2、将铂铑6贵金属引线埋设在预先加工好的氧化铝陶瓷基底通孔中，通过填充材料并进行烧结将两者固化，重复抛光步骤，保证铂铑6贵金属引线露出端与氧化铝陶瓷基底表面在一个平面；
[0055] S3、采用掩模磁控溅射方法，在步骤S2的氧化铝陶瓷基底上形成铂铑6热电堆薄膜；具体实施时，将如图5所示的铂铑6热电堆薄膜的机械掩模放入
乙醇溶液中，放入超声清洗机清洗15分钟，清洗完毕用氮气吹干，将铂铑6热电堆薄膜的机械掩模与氧化铝陶瓷基底固定在一起，放入磁控溅射镀膜机的
基台上，更换铂铑6靶材，调整好溅射参数，预溅射五分钟清除表面杂质及附着气体之后，进行铂铑6热电堆薄膜的制备，随炉冷却后取出样品，拆下机械掩模，检查成膜情况。
[0056] S4、采用掩模磁控溅射方法，在步骤S2的氧化铝陶瓷基底上形成铂铑30热电堆薄膜；具体实施时，将如图6所示的铂铑30热电堆薄膜的机械掩模进行
表面处理，清洗，氮气吹干等步骤，更换铂铑30靶材，将铂铑30热电堆薄膜的机械掩模按照设定好的位置与氧化铝陶瓷基底固定在一起，放入磁控溅射镀膜机的基台上，调整好技术参数，预溅射五分钟清除表面杂质及附着气体之后，进行铂铑30热电堆薄膜的制备，随炉冷却后取出样品，拆下机械掩模，检查成膜情况。
[0057] S5、采用掩模磁控溅射方法，在步骤S3、S4的铂铑6-铂铑30热电堆薄膜上表面形成氧化铝热阻层薄膜；具体实施时，将如图7所示的机械掩模进行表面处理、清洗、氮气吹干等预处理步骤，更换氧化铝靶材，将制作好的热阻层薄膜掩模按照设定好的位置与基底固定在一起，放入磁控溅射镀膜机的基台上，调整好技术参数，预溅射五分钟清除表面杂质及附着气体之后，进行氧化铝热阻层薄膜的制备，随炉冷却后取出样品，拆下热阻层薄膜掩模，检查成膜情况。
[0058] S6、采用掩模磁控溅射方法，在步骤S5的氧化铝热阻层薄膜上表面形成氧化锆保护层薄膜。具体实施时，更换氧化锆靶材，将上述制备完毕的铂铑6热电堆薄膜、铂铑30热电堆薄膜及氧化铝热阻层薄膜的试样固定在磁控溅射镀膜机的基台上，调整好技术参数，预溅射五分钟清除表面杂质及附着气体之后，进行氧化锆保护层薄膜的制备，随炉冷却后取出样品，拆下机械掩模，检查成膜情况。
[0059] 所述的氧化锆保护层薄膜主要起到两个作用:①氧化锆薄膜材料耐高温，能够在高温环境下保持稳定，同时抗氧化性强，保护在其下部的功能膜不被氧化；②氧化锆薄膜致密性良好，材质较硬，能够保护功能膜不因外部磨损而失效。
[0060] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
