CN118794553A - 一种铂薄片热电阻热流传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铂薄片热电阻热流传感器及其制备方法，涉及热流测量及高超声速风洞试验测试技术领域，包括：传感器底座；基底，其固定设置在传感器底座上表面；铂薄片线条，其为同向双螺旋线状结构，所述铂薄片线条固定设置在基底上表面；两条导电膜，其分别与铂薄片线条的两端相接，且导电膜紧贴传感器底座、基底的表面；两根信号线，其分别与导电膜相接。本发明通过激光将铂薄片切割形成同向双螺旋线状结构，增大了铂薄片电阻，提高了热流传感器灵敏度，同时提高了测热敏感元件的性能稳定性和热流传感器的结构强度，增强了热流传感器的耐冲刷性，提升了热流传感器热流测量的一致性和可靠性，可广泛应用于高超声速风洞热流测量试验。

Description

一种铂薄片热电阻热流传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于热流测量及高超声速风洞试验测试技术领域，更具体地说，本发明涉及一种铂薄片热电阻热流传感器及其制备方法。

背景技术

高超声速风洞测热试验主要用于获取试验模型表面的热流分布，为飞行器气动热环境评估、防热系统设计等提供输入。目前常见的高瞬态热流传感器主要有同轴热电偶和薄膜热电阻两种。其中，薄膜热电阻因尺寸小、灵敏度系数高、响应时间快等优点而得到广泛使用。

现有薄膜热电阻主要采用的是磁控溅射等物理气相沉积（PVD）技术生成的约500nm厚的铂薄膜作为敏感元件，但受PVD工艺参数稳定性、靶室环境污染、基底光洁度等因素影响，铂薄膜与基底之间的结合力、铂薄膜自身致密度以及物理性能的一致性都相对较差，传感器使用前的批量标定数据偏离显著，在高超声速风洞试验使用中容易被冲刷减薄导致测量结果不准确，严重时甚至被冲刷脱落，损坏率高，降低试验效率和增加试验成本。

鉴于以上不足，采用微米量级厚度的铂薄片来代替传统薄膜，提高测热敏感元件性能的稳定性，并且保持热流测量分辨率和响应频率与传统铂薄膜热电阻相当。结合飞秒激光的焊接、冷去除等加工技术，发明了一种铂薄片热电阻热流传感器制备方法，通过该方法制备的新型铂电阻热流传感器既能提高测量数据的一致性，还大幅提升测热敏感元件的耐冲刷性能，进而提高高超声速风洞测热试验质量和效率。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和优点，提供了一种铂薄片热电阻热流传感器，包括：

传感器底座；

基底，其固定设置在所述传感器底座的上表面；

铂薄片线条，其为同向双螺旋线状结构，所述铂薄片线条固定设置在所述基底的上表面；

两条导电膜，其分别与所述铂薄片线条的两端相接，且所述导电膜紧贴所述传感器底座、基底的表面；

两根信号线，其分别与所述导电膜相接。

优选的是，其中，所述基底为圆柱结构，所述基底的材质为可透激光氧化锆单晶，所述基底的直径为2mm，厚度为2mm。

优选的是，其中，所述基底的上表面和下表面为光洁面。

优选的是，其中，所述铂薄片线条的厚度为1μm~5μm。

优选的是，其中，所述导电膜材质为导电银浆。

优选的是，其中，所述传感器底座的材质为氧化锆单晶。

优选的是，其中，所述信号线为铜芯导线。

一种铂薄片热电阻热流传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将块状金属铂辊压为片状的金属铂片，然后将金属铂片通过激光焊接到基底的上表面；再通过激光冷切割将片状的金属铂片切割为同向双螺旋线状结构，得到铂薄片线条；

步骤二、将焊接有铂薄片线条的基底与传感器底座通过激光焊接在一起；

步骤三、在铂薄片线条两端高温敷设导电银浆，导电银浆在传感器底座和基底的表面高温固化形成导电膜，在传感器底座底端采用两根不同颜色或者不同标记的铜芯导线与导电银浆高温固化后的导电膜点焊，实现铜芯导线与导电膜的电性连接。

优选的是，其中，所述铂薄片热电阻热流传感器对于待测热流q ₁的计算公式为：

其中，ρ是基底的密度、c是基底的比热容、k是基底的导热系数，t _n 、t _i 、t _i -₁分别表示第n、i、i-1时刻，T _1,i 表示铂薄片线条电阻变换而来的第i时刻基底上表面温度、T _1,i-1表示铂薄片线条电阻变换而来的第i-1时刻基底上表面温度。

本发明至少包括以下有益效果：

1. 本发明采用物理性能稳定性好、致密度高的金属铂薄片作为测热敏感元件，传感器敏感性能一致性好，且不易被高超声速来流冲刷减薄，提高测热结果的稳定性和可靠性。

2. 本发明采用激光焊接铂薄片线条与基底，使得连接更为牢固，不易被高超声速来流直接吹掉铂片，降低热流传感器损坏率，节约测热试验成本，提高测热试验效率。

3. 本发明通过激光冷切割铂薄片形成同向双螺旋线状结构，增加铂薄片的电阻，提升传感器灵敏度系数。

4. 本发明提供的铂薄片热电阻热流传感器的制备方法，通过控制铂薄片线条的厚度以及切割尺寸，进而产生不同响应频率和量程的热流传感器，实现系列化热流传感器的制备，用于不同状态的高超声速风洞热流试验。

本发明所要解决的技术问题是提供一种铂薄片热电阻热流传感器的制备方法，能够提高测热敏感元件的性能稳定性和热流传感器的结构强度，增强热流传感器的耐冲刷性，提升热流传感器热流测量的一致性和可靠性，降低试验成本，提高试验效率，可广泛应用于高超声速风洞热流测量试验。

附图说明

图1为本发明提供的铂薄片热电阻热流传感器的结构示意图；

图2为本发明提供的同向双螺旋线状的铂薄片线条的结构示意图；

图3为金属铂片与基底激光焊接示意图；

图4为基底与传感器底座激光焊接示意图。

图中各附图标记对应结构名称为：1-铂薄片线条，2-基底，3-信号线，4-传感器底座，5-导电膜，6-激光。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个元件或其组合的存在或添加。

实施例：

如图1和图2所示，本实施例提供了一种铂薄片热电阻热流传感器，其结构包括：

传感器底座4，其材质为氧化锆单晶；

基底2，其固定设置在所述传感器底座4的上表面，基底2为圆柱结构，所述基底2的材质为可透激光氧化锆单晶，基底2的上表面和下表面为光洁面，所述基底2的直径为2mm，厚度为2mm；

铂薄片线条1，其为同向双螺旋线状结构，其厚度为1μm，所述铂薄片线条1固定设置在所述基底2的上表面；

两条导电膜5，其分别与所述铂薄片线条1的两端相接，且所述导电膜5紧贴所述传感器底座4、基底2的表面；导电膜5由导电银浆高温固化形成；

两根信号线3，其分别与所述导电膜5相接，信号线3为铜芯导线，铜芯导线的长度不小于1000mm。

工作原理：本发明采用铂薄片线条1作为测热敏感元件，通过激光将薄片切割形成同向双螺旋线状结构，增大了铂薄片线条1的电阻，提高了热流传感器的灵敏度；本实施例的铂薄片热电阻热流传感器在测量热流时，铂薄片线条1暴露于流场中，当热量通过基底2时基底2上表面温度升高，布置于基底2上表面的铂薄片线条1随之升温，由于铂的电阻率随温度升高而增加，因此铂薄片线条1的电阻也会随之增加，这个电阻变化通过导电膜5和信号线3传输到外部数据采集设备。外部数据采集设备通过测量铂薄片线条1电阻的变化，推算出铂薄片线条1的温度变化，进而反映出基底2上表面的温升历程。由于热流是基底2上表面温度变化的直接原因且基底2上表面与铂薄片线条1紧密接触，因此可以通过铂薄片线条1的温度历程来间接测量热流的大小。具体来说，外部数据采集设备记录铂薄片线条1在初始温度下的电阻值，并实时监测热流通过时铂薄片线条1电阻的变化。通过比较电阻值的变化，结合标定得到的铂薄片线条1的电阻率-温度关系曲线，计算出铂薄片线条1的温度变化量。最后，结合基底2的比热容、热导率等物理参数，以及标定得到的铂薄片线条1的温度变化范围，推算出所测热流的大小。即本发明提供的铂薄片热电阻热流传感器对于待测热流q ₁的计算公式为：

其中，ρ是基底2的密度、c是基底2的比热容、k是基底2的导热系数，t _n 、t _i 、t _i -₁分别表示第n、i、i-1时刻，T _1,i 表示铂薄片线条1电阻变换而来的第i时刻基底2上表面温度、T _1,i-1表示铂薄片线条1电阻变换而来的第i-1时刻基底2上表面温度。

图2所示的铂薄片线条1结构中，其同向双螺旋线状结构具体为包括两个连接端点和中部呈螺旋状的线状结构，其中两个连接端点用于与导电膜5和信号线3相接，用以将铂薄片的电阻变化信号引出。将铂薄片线条1激光加工为同向双螺旋线状结构后，增加了铂薄片线条1的长度，从而增大了铂薄片线条1的电阻，使得铂薄片线条1通电后两端的电压变化更为显著，进而提高了热流传感器的灵敏度。传感器底座4具有延长热流传感器基底2的效果，便于热流传感器的安装和使用。

一种铂薄片热电阻热流传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将块状金属铂辊压为片状，然后将片状的金属铂通过激光焊接到基底2的上表面，如图3所示，激光6的焦点位于基底2的上表面，局部熔化基底2表面，使得片状结构的金属铂焊接固定在基底2的上表面；再通过激光冷切割将片状的金属铂切割为同向双螺旋线状结构，得到同向双螺旋线状结构的铂薄片线条1；

步骤二、将焊接有铂薄片线条1的基底2与传感器底座4通过激光焊接在一起，如图4所示，激光6的焦点位于传感器底座4上表面，局部熔化传感器底座4的上表面，使得基底2被焊接固定在传感器底座4上；

步骤三、在铂薄片线条1两端高温敷设导电银浆，导电银浆在传感器底座4和基底2的表面高温固化形成导电膜5，在传感器底座4底端采用两根不同颜色或者不同标记的铜芯导线与导电银浆高温固化后的导电膜5点焊，实现铜芯导线与导电膜5的电性连接。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (9)

1.一种铂薄片热电阻热流传感器，其特征在于，包括：

传感器底座；

基底，其固定设置在所述传感器底座的上表面；

铂薄片线条，其为同向双螺旋线状结构，所述铂薄片线条固定设置在所述基底的上表面；

两条导电膜，其分别与所述铂薄片线条的两端相接，且所述导电膜紧贴所述传感器底座、基底的表面；

两根信号线，其分别与所述导电膜相接。

2.如权利要求1所述的铂薄片热电阻热流传感器，其特征在于，所述基底为圆柱结构，所述基底的材质为可透激光氧化锆单晶，所述基底的直径为2mm，厚度为2mm。

3.如权利要求1所述的铂薄片热电阻热流传感器，其特征在于，所述基底的上表面和下表面为光洁面。

4.如权利要求1所述的铂薄片热电阻热流传感器，其特征在于，所述铂薄片线条的厚度为1μm~5μm。

5.如权利要求1所述的铂薄片热电阻热流传感器，其特征在于，所述导电膜材质为导电银浆。

6.如权利要求1所述的铂薄片热电阻热流传感器，其特征在于，所述传感器底座的材质为氧化锆单晶。

7.如权利要求1所述的铂薄片热电阻热流传感器，其特征在于，所述信号线为铜芯导线。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的铂薄片热电阻热流传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将块状金属铂辊压为片状的金属铂片，然后将金属铂片通过激光焊接到基底的上表面；再通过激光冷切割将片状的金属铂片切割为同向双螺旋线状结构，得到铂薄片线条；

步骤二、将焊接有铂薄片线条的基底与传感器底座通过激光焊接在一起；

步骤三、在铂薄片线条两端高温敷设导电银浆，导电银浆在传感器底座和基底的表面高温固化形成导电膜，在传感器底座底端采用两根不同颜色或者不同标记的铜芯导线与导电银浆高温固化后的导电膜点焊，实现铜芯导线与导电膜的电性连接。

9.如权利要求1所述的铂薄片热电阻热流传感器，其特征在于，所述铂薄片热电阻热流传感器对于待测热流q ₁的计算公式为：

其中，ρ是基底的密度、c是基底的比热容、k是基底的导热系数，t _n 、t _i 、t _i -₁分别表示第n、i、i-1时刻，T _1,i 表示铂薄片线条电阻变换而来的第i时刻基底上表面温度、T _1,i-1表示铂薄片线条电阻变换而来的第i-1时刻基底上表面温度。