[发明专利]一种薄膜温度烧蚀复合传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜特种传感器技术领域，具体涉及一种基于微机械加工技术的薄膜传感器及其制备方法。更具体地说，本发明涉及一种薄膜温度烧蚀复合传感器及其制备方法，通过薄膜热电偶实现绝热层烧蚀温度和烧蚀速率的测量，这种薄膜温度烧蚀复合传感器制造工艺简单，具有较高的测量精度。

背景技术

绝热层主要应用于固体火箭发动机、再入大气飞行器等航天器的防热保护中，绝热层性能的好坏直接影响到发动机工作的可靠性，甚至影响到火箭发射的成败。

绝热层的工作环境十分恶劣，它要经受高温高压气体的烧蚀和凝相颗粒的冲刷，严重时会导致内绝热层防护失效，发动机壳体烧穿，造成发动机失效。因此，绝热层厚度及其几何形状等直接影响到固体火箭发动机结构可靠性，而绝热层的设计是由其烧蚀情况来确定的，绝热层材料烧蚀速率是绝热层设计的重要参考依据之一。

另外，由于与周围空气的剧烈摩擦，绝热层表面的温度急剧升高，如果不能正确掌握绝热层温度变化，设计合适的绝热层厚度，温度会传递至飞行器机体表面，并引起机体表面温度急剧升高，进而导致机体材料的结构强度降低、刚度下降，造成飞行器外形破坏，严重时将导致发射失败。飞行器表面温度剧烈升高，如果大量气动热来不及散失的话，会引起机体表面温度。绝热层材料烧蚀表面及烧蚀层内部温度变化是绝热层设计的重要参考依据之一。

因此，需要一种温度与烧蚀复合传感器可对绝热层烧蚀过程中的温度和烧蚀速率同时进行测量。目前，烧蚀速率测量通过烧蚀传感器，温度测量采用温度传感器，还没有一种传感器可以实现对绝热层烧蚀温度以及烧蚀速率的同时测量。

本发明人曾介绍了一种薄膜烧蚀传感器及其制备方法，通过微机械加工技术在氧化铝陶瓷基片表面制备了一组金薄膜电阻，可通过金薄膜电阻的通断得出绝热层烧蚀速率，该发明的薄膜烧蚀传感器生产工艺简单，并可设计不同的薄膜电阻间隙达到不同的测量精度要求。但该发明的薄膜烧蚀传感器只能获取绝热层的烧蚀速率，不能同时获取绝热层烧蚀温度参量。

专利ZL02205585.1介绍了一种导弹高速热冲击试验陶瓷弹头表面瞬态温度测量装置。该发明将热电偶材料点焊成球，并采用不锈钢压片将热电偶压在导弹表面的凹坑内，这种结构形式不仅会破坏飞行器表面流场，并且可靠性程度低，无法有效满足飞行器测温要求。

专利CN201716128描述了一种高速飞行器外表面温度测量装置，其中测温传感器的敏感头顶端位于机体表面绝热层内0.8mm～1mm，这种安装方式测量所得到的温度并非机体外表面的真实温度，只能通过气动热计算进行校正得到飞行器外表面温度的近似值。

发明内容

本发明旨在提出一种薄膜温度烧蚀复合传感器及其制备方法，可以实现对绝热层烧蚀温度和烧蚀速率的同时测量，这种温度烧蚀复合传感器基本采用现有的成熟工艺技术和材料，生产工艺简单，安装方便，不会影响飞行器结构可靠性，具有良好的抗环境干扰能力及可靠性水平。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述薄膜温度烧蚀复合传感器1包括基片2，设于基片2上的过渡层3，设于过渡层3上的薄膜热电偶阵列；所述薄膜热电偶阵列上设有保护膜6；所述薄膜热电偶阵列由两个以上包括电极4（如PtRh13电极）和B电极5（如Pt电极）的薄膜热电偶10构成；所述薄膜热电偶10包括将薄膜热电偶10的热电势信号引出的补偿导线7；

其中，所述基片2材料为Al₂O₃陶瓷，其直径为50mm～150mm，厚度0.5mm～1mm；所述过渡层3材料为Ta₂O₅，厚度为0.05μm～0.1μm；所述薄膜热电偶10的厚度为0.2μm～0.5μm；所述保护膜6为电介质材料，优选为SiO₂，厚度为0.1μm～0.2μm。

所述薄膜热电偶10为R型热电偶、B型热电偶或S型热电偶，优选为R型热电偶。

可将薄膜温度烧蚀复合传感器1埋设于绝热层8材料内，实现对待测工件9的绝热层烧蚀过程中烧蚀温度及烧蚀速率双参数的测量。

上述薄膜温度烧蚀复合传感器的制备方法，包括如下步骤：

（1）清洗基片，去除基片表面油污及杂质；

（2）将基片与薄膜热电偶A电极的不锈钢掩膜套装在一起，并用不锈钢夹具夹好放在沉积镀膜系统的行星架上；

（3）依次在基片表面淀积过渡层薄膜和薄膜热电偶A电极的薄膜材料，取下不锈钢掩膜；其中过渡层薄膜用以增强热电偶薄膜与基片层的结合力，并增强热电偶薄膜在高温下的稳定性；