一种微型化三维热流传感器及其应用

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种微型化三维热流传感器及其应用。

背景技术

热流传感器因具备结构简单、测热通量精度高等优点被广泛应用于工业制造、生产生活等领域。随着航空航天装备中高温部件工作负荷与性能要求的不断提升，如何准确、快速地测量其表面热流密度，成为设计热保护系统的难题和关键。基于薄膜技术制备的热流传感器因具有体积小、响应快、灵敏度高等优点，成为航空航天部件热流参数测试用传感器的主要发展方向。

然而，这些薄膜热流计对微加工技术要求高，制备工艺复杂，且响应速度提升受热阻层厚度限制。当前薄膜热流传感器的制备主要基于平面薄膜沉积工艺，具有结构简单、薄膜均匀性好等优势。然而现流通的薄膜热电偶难以满足耐超高温、高灵敏度、判断热流流向等实际应用需求。

因此，提供一种微型化三维热流传感器，用于解决同类型传感器无法判断热流流动方向，结构复杂，成本较高，低灵敏度且难以适应复杂工业测温环境问题具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种微型化三维热流传感器及其应用，用于解决三维空间的热流测量的技术问题，既可以测量热流的大小，也可以判断测量的方向。

本发明采用以下技术方案：

一种微型化三维热流传感器，包括本体，本体由三个侧体相互垂直设置构成，三个侧体的外表面及对应的内表面分别设置有薄膜热电堆，且外表面与对应内表面的薄膜热电堆串联连接，薄膜热电堆上涂覆有黑体涂料。

优选地，三个侧体的面积相同。

更优选地，侧体的形状为等腰三角形或等腰梯形。

优选地，侧体形状为等腰三角形时，本体上端面和下端面的垂直距离为2～2.5cm；各侧体的厚度为1.5～2.5mm。

优选地，每个侧体的下底面设置有凹槽，凹槽的深度为2.5～3.5mm，宽度为0.5～1.5mm。

优选地，薄膜热电堆包括第一薄膜层和第二薄膜层，第一薄膜层与第二薄膜层搭接形成薄膜热电堆的节点，单一节点左右两侧的第一薄膜层与第二薄膜层形成热电偶结构。

更优选地，节点与侧体长边的距离为2～3mm；侧体长边的长度为2～4mm。

更优选地，侧体各表面的节点个数≥3个，且侧体各表面的节点个数相同。

更优选地，第一薄膜层的厚度为0.5～1μm，第二薄膜层的厚度为0.5～1μm。

本发明的另一技术方案是，微型化三维热流传感器在超高温热流测量中的应用。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

一种微型化三维热流传感器，结构设置为三个侧体相互垂直，是为了形成测量三维热流的空间坐标系；三个侧体的外表面及对应的内表面分别设置有薄膜热电堆薄膜热电堆是为了感知各方向热流的大小；薄膜热电堆上涂覆有黑体涂料是为了提高热流传感器对各方向上热辐射的吸收；热流传感器在使用时，仅本体前端(三侧体的长边围成的下底面)紧贴热流场的壁面，其余部分隐藏在壁面内部，对热流场的干扰小，其对热流测量的灵敏度达0.0382μV/(W/m

进一步的，三个侧体的面积相同是为了保证建立的空间坐标系各测量面的一致性。

进一步的，侧体的形状为等腰三角形或等腰梯形是为了形成互相垂直的三个测量平面。

进一步的，本体上端面和下端面的垂直距离为2～2.5cm，是为了将传感器小型化，减少对热流的干扰；各侧体的厚度为1.5～2.5mm，是为了保证热流测量的灵敏度。

进一步的，下底面设置凹槽，是为了避免热电堆与底面接触，防止短路，凹槽的深度为2.5～3.5mm，宽度为0.5～1.5mm，是减少凹槽对传感器结构的影响。

进一步的，第一薄膜层第二薄膜层的设置是为了在各个面上形成测量热流的热电堆。

进一步的，节点与侧体长边的距离为2～3mm；侧体长边的长度为2～4mm是为了表面避免各表面上的热电堆相互产生干扰。

进一步的，各表面的节点个数≥3个是为了保证各个面上对热流测量的灵敏度。

进一步的，第一薄膜层的厚度为0.5～1μm，第二薄膜层的厚度为0.5～1μm是为了保证热电堆在高温下的服役性能，防止物质挥发造成失效。

综上所述，本发明制备简单，成本低，灵敏度高，将结构安装在被测件待测面区域，由于在温度场中占有的空间较小，可减小传感器对温度场的干扰，可应用于高温炉窑的热流监测、航天器的热流监测、反应釜的温度监测和控制等多场景测高温热流及热流流向。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明微型化三维热流传感器的仰视结构示意图；

图2为本发明微型化三维热流传感器的俯视结构示意图；

图3为本发明微型化三维热流传感器的顶视结构示意图。

其中：1.本体；2.第一薄膜层；3.第二薄膜层；4.黑体涂料。

具体实施方式

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种微型化三维热流传感器及其应用，基于热电堆阵列原理，将薄膜热电堆阵列设置在本体的各侧面及对应内表面，并通过本体在下底面凹槽处用对应涂料进行丝网印刷实现各侧面与内表面热电堆的串联连接，内表面上的热电堆节点经丝网印刷连接并延伸至距离底端2～3mm，不仅能够实现变温流场环境下的瞬时高温热流测量，而且可以对3个垂直方向的热流进行测量，通过建立三维热流坐标系可判断热流流向。本发明制备封装方法简单，成本较低，灵敏度高，通过热电堆在相互垂直的各侧面及对应内表面的连接，其本身对应的侧体等效为热阻层，将结构安装在被测件待测面区域，由于在温度场中占有的空间较小，可减小传感器对温度场的干扰，可应用于高温炉窑的热流监测、航天器的热流监测(如火箭发动机)、反应釜的温度监测和控制等多场景测高温热流及热流流向。

请参阅图1、图2和图3，本发明一种微型化三维热流传感器，包括本体1，本体1为面积相同的三侧体构成，且三侧体互相垂直，本体1的各侧体外表面及对应内表面各设置有薄膜热电堆，薄膜热电堆包括第一薄膜层2和第二薄膜层3，第一薄膜层2与第二薄膜层3搭接形成薄膜热电堆的节点，本体1各侧体外表面的薄膜热电堆涂覆黑体涂料4。

其中，第一薄膜层2与第二薄膜层3搭接形成薄膜热电堆的节点，单一节点左右两侧的第一薄膜层2与第二薄膜层3形成热电偶结构，根据塞贝克效应，在热流的作用下，产生输出电动势，而热流密度越大，输出电动势越大，通过测量输出电压的大小，进而可以得到热流值。

本体1的材质优选为氧化铝陶瓷，氧化铝陶瓷材料耐高温，抗氧化，弹性模量低，具有优异的热机械稳定性与电器绝缘性，能够保证传感器在高温环境下稳定工作。

优选地，本体1的各侧体外表面形状优选为等腰三角形或等腰梯形。

当各侧体外表面形状为等腰梯形时，本体1上端面和下端面的垂直距离优选为2～2.5cm，进一步优选为2.1～2.4cm，更优选为2.2～2.3cm。

本体1的上端面中心设置有贯穿螺纹孔，以方便在各种类型被测件中的安装，所述贯穿螺纹孔的直径优选为2～4mm，进一步优选为2.5～3.5mm，更优选为2.7～3mm。

各侧体的厚度优选为1.5～2.5mm，进一步优选为1.7～2.3mm，更优选为1.8～2mm。

各侧体的下底面设置凹槽，凹槽的深度优选为2.5～3.5mm，进一步优选为2.7～3.3mm，更优选为2.8～3mm；宽度优选为0.5～1.5mm，进一步优选为0.7～1.3mm，更优选为0.8～1mm。

优选地，薄膜热电堆为阵列化结构。

其中，各侧体的外表面薄膜热电堆与内表面薄膜热电堆通过本体1在下底面连接凹槽处丝网印刷对应薄膜层实现各侧面和对应内表面热电堆的串联连接。

各侧体经过内外表面的薄膜热电堆串联后，各侧体等效为热阻层，热阻层间相互垂直。

节点与侧体长边的距离优选为2～3mm，进一步优选为2.2～2.8mm，更优选为2.3～2.5mm。

将各个侧体内表面的薄膜热电堆沿内表面进行丝网印刷，引出并延伸至本体1的下底面优选2～3mm，进一步优选2.2～2.8mm，更优选2.3～2.5mm，然后通过下底面的凹槽引出，从而与内表面的薄膜热电堆串联连接。

侧体长边的长度优选为2～4mm，进一步优选为2.5～3.5mm，更优选为2.7～3mm。

第一薄膜层2与第二薄膜层3搭接形成薄膜热电堆的节点，第一薄膜层2与第二薄膜层3呈现带状，第一薄膜层2与第二薄膜层3在节点处交替连接；各侧体各表面中节点的个数优选≥3个，进一步优选≥4个，更优选≥5个；且各侧体各表面中的节点个数相同；节点个数越多，也即热电偶串联的对数越多，热电堆的热电势输出越大，测量精度越高，热电堆的线宽取决与串联的热电偶的对数与侧体表面的面积。

为了保证薄膜层在高温下的服役性能，对薄膜有一定的厚度要求，薄膜层太薄容易失效，薄膜太厚会增大传感器的响应时间，因此本发明设置所述第一薄膜层2的厚度优选为0.5～1μm，进一步优选为0.6～0.9μm，更优选为0.7～0.8μm；第二薄膜层3的厚度优选为0.5～1μm，进一步优选为0.6～0.9μm，更优选为0.7～0.8μm。

优选地，第一薄膜层2为铟掺杂的氧化锌，第二薄膜层3为铝掺杂的氧化锌。

第一薄膜层2和第二薄膜层3均通过丝网印刷法制备，并掩模成型。

优选地，黑体涂料4由陶瓷氧化物和稀土氧化物复合而成，黑体涂料4可以为日本JAPANSENSOR公司的JSC-3型黑体涂料或日本TASCO公司的THI-1B黑体涂料，黑体涂料4能够提高对热流的吸收能力，从而大幅提高用于超高温热流测量的织物的灵敏度，减小误差。

本发明所述微型化三维热流传感器能够在超高温热流测量中应用。

本发明通过螺栓等直接安装于待测部位，本发明制备简单，成本低，灵敏度高，由于在温度场中占有的空间较小，可减小传感器对温度场的干扰，可应用于高温炉窑的热流监测、航天器的热流监测、反应釜的温度监测和控制等多场景测量高温热流及热流流向。

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

实施例

本实施例提供了一种微型化三维热流传感器，包括本体，本体的材料为氧化铝耐高温陶瓷，本体为面积相同的三侧体构成，且三侧体互相垂直，侧体长边的长度为3mm，各侧体外表面形状为等腰梯形(上端面和下端面的垂直距离为2.5cm)，本体的中心还设置有直径为3mm的贯穿螺纹孔，各侧体的厚度为2mm，各侧体的下底面设置深度为3mm，宽度为1mm的凹槽，本体的各侧体外表面及对应内表面各设置有薄膜热电堆，薄膜热电堆为阵列化结构，薄膜热电堆包含第一薄膜层(厚度为0.8μm的铟掺杂的氧化锌，通过丝网印刷法制备，并掩模成型)和第二薄膜层(厚度为0.8μm的铝掺杂的氧化锌，通过丝网印刷法制备，并掩模成型)，第一薄膜层和第二薄膜层搭接形成薄膜热电堆的节点，各侧体各表面中节点的个数为3个；各侧体的外表面薄膜热电堆与内表面薄膜热电堆通过本体下底面的凹槽串联连接(将各个侧体内表面的薄膜热电堆沿内表面进行丝网印刷，引出并延伸至本体下底面2.5mm，然后再引出，从而与内表面的薄膜热电堆串联连接)，各侧体经过内外表面的薄膜热电堆串联后，各侧体等效为热阻层，热阻层间相互垂直；本体各侧体外表面的薄膜热电堆涂覆黑体涂料，黑体涂料为日本TASCO公司的THI-1B黑体涂料。

本发明微型化三维热流传感器的工作原理如下：

热流通过热辐射、热对流或者热传导等方式传递至热流传感器的敏感单元上，由于有热阻层的存在，被热阻层覆盖的区域温度较低，未被热阻层覆盖的区域温度较高，被热阻层覆盖的薄膜热电堆的节点温度较低，未被覆盖的节点温度较高，根据塞贝克效应，回路中产生温差热电势，虽然温差较小，但由于薄膜热电堆串联的个数多，热阻层厚度大，提高输出电压值；

当热流值增大时，被覆盖的节点与未被覆盖节点的温差进一步加大，温差电动势增大，传感器输出增大，对传感器进行标定，可以根据传感器的输出值换算出热流值的大小。

综上所述，本发明一种微型化三维热流传感器及其应用，利用耐超高温性能优越的三侧面及对应内表面分别均相互垂直的三角锥形薄层陶瓷基及巧妙设计热电堆结构搭接，发明出一种微型化三维热流传感器，该类型热传感器较好地解决了传统平面热流传感器无法判断热流流动方向、超高温不耐受、低灵敏度的难题。制备过程采用丝网印刷掩模制备出IZO-In

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。