薄膜高温热流测量技术研究

肖友文，谢贵久，何 峰，张建国，袁云华，宋祖殷

(1.中国电子科技集团公司第四十八研究所，长沙410111;2.空军驻湖南地区军代室，长沙410110)

1 引言

高超声速飞行器在高速飞行过程中，其所在流场的气体动力学、传热学和激波运动等一直是国内外研究的热点问题，同时也是飞行器工程实践的基础［1-2］。

热流传感器可用于飞机壳体在高超声速飞行状态与空气磨擦所产生的热量测量，以及热流量在不同机壳厚度层的传递状况［3］，还可扩展用于超声速飞行器壳体材料的热力学分析，尤其是在高速风洞测试试验中，需要对飞行器上的每个点在不同马赫数下和不同攻角状态下的受热情况进行测试分析，准确计算出材料在受热状态下的力学性能，以便选用合适材料，并采取防热措施，保障飞行器安全可靠的高速飞行［4］。

因此，如何准确、快速测量出表面热流量，是设计可靠防热系统的先决条件。长期以来，通过对温度变化检测来实现对热流量传递的测量。薄膜高温热流传感器是一种用于测量非稳态热流的传感器，以其反应时间短为主要特点，薄膜热流传感器可以用于高超声速飞行器短时间的高温热流测量实验，满足瞬态测量要求。

2 原理

薄膜热流传感器的测量原理基于傅立叶定律［5］，当热流通过热流传感器探头时，在探头的热障层上产生温度梯度△T，即厚陶瓷热障层(X2)温度T2，薄陶瓷热障层(X1)温度T1，根据傅立叶定律算就可以计出通过热流传感器探头的热流密度(如图1所示)。由于热流矢量方向是与等温面垂直的，则热流值可以表示为:

q:热流密度(W/m2);

dQ:通过等温面上微小面积 dS流过的热量(W);

λ:材料的导热系数(W/(m2·K));

△T:两等温面的温差;

△X:厚薄热障层厚度差。

由公式可知，λ为陶瓷热障碍层材料的导热系数(常量)，X1、X2分别为热障层厚度(定值，通过工艺保证)，所以热流量q直接与△T(热电偶电动势E)成对应关系。

q:热流密度(W/m2)

C:热流传感器测量系数(W/(m2·mV))

E:热电动势(mV)

图1 热流传感器基本原理图

3 试验制备过程

薄膜高温热流传感器芯片，选用Al2O3陶瓷作为基体材料;通过聚焦离子束溅射镀膜技术，采用剥离工艺制备出PtRh13和Pt热电偶薄膜;在热电偶薄膜的冷端和热端离子束溅射不同厚度的SiO2热障膜，湿法刻蚀得到所需的热障层图形;最后通过对应的铂铑和铂丝引线，完成高温釉料封接。其具体工艺流程图如图2所示。最终制备芯片如图3所示。

4 结果与分析

实验测试了薄膜热流传感器的工作温度及不同基底材料对其动态响应的影响。采用定制的高温电加热炉丝管，调节输出功率，产生不同的热流与温度，将传感器置于管口，热流传感器表面温度采用红外温度传感器测量，并利用数据采集系统实时检测传感器的输出信号变化，检测系统的频率响应可达1ms。

图2 薄膜热流传感器工艺流程图

图3 热流传感器外形图

4.1 工作温度对热流传感器使用影响

调节电加热管输出功率，测量热流传感器表面温度，并在各温度段保持工作3min，实验比较了600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃工作温度下热流传感器的性能变化情况。工作温度800℃时，传感器表面形貌基本无变化，恢复常温下测量样品电阻正常;温度900℃下样品热障层出现部分裂纹，恢复常温，测量样品电阻正常;温度1000℃工作3min后，恢复到常温，样品表面SiO2层完全龟裂及脱落，但样品电阻测试无变化。图4为传感器在不同工作温度后薄膜热电偶层的SEM图，从图中可以看出，高温1000℃工作后的热流传感器薄膜层变黑，裂纹增多。

工作温度对热流传感器的影响主要体现在对热障层及热电偶薄膜材料的影响，热障层SiO2薄膜与陶瓷基底材料的热膨胀系数相差较大，温度过高时，SiO2层发生龟裂;实验测试，薄膜热电偶的性能变化不大，虽然金属薄膜与陶瓷基底的热膨胀系数相差较大，但由于膜层较薄，金属延展性比较好，与陶瓷基底的粘附性比较好，膜层性能变化较小，无断裂现象。

因此，热流传感器在陶瓷基底上采用SiO2材料作为热障层，温度在900℃下能正常工作，但超过该温度，SiO2材料与基底的附着力下降，出现龟裂现象，但热敏层性能变化不大，仍可继续工作。

图4 不同工作温度下热流传感器样品表面形貌图

4.2 基底材料对热流测量影响

高温薄膜热流传感器主要应用于工业或航天领域中。在使用过程中，会应用于各种各样的环境或用于测量不同物体的散热情况，金属是最常见的测量对象。所以，实验比较了不同金属基底材料(铜，铝，1Cr18Ni9Ti不锈钢)对热流传感器测量误差的影响。三种金属材料的热参数性能如表1所示。

试验将热流传感器紧密夹接在三种不同金属材料上，固定加热炉管温度，比较三种材料基底材料上的热流传感器信号输出特性。图5为在不同基底材料上热流传感器的输出特性图。

图5 不同基底材料对热流测量影响

从图5中可以看出不同基底材料对热流传感器稳态输出基本没有差别，不过到达测量平衡点的时间有差异，三者之间铜基底响应时间最快，其次为铝，最慢为不锈钢材料。在铜基底上热流传感器响应时间t0.5为0.1s，而不锈钢基底t0.5为0.15s。从表1中可以看出，不锈钢基底材料的导热系数为16.27W/m2·K，铜的导热系数为387.6W/m2·K，导热系数大的材料，热量传导的更快，因此，响应时间更快。此外，在高温条件下的热流测试，基底材料的密度、比热等因素对热流测量影响较小，达到平衡后的热流测量结果基本相同。

5 结束语

通过离子束溅射镀膜工艺，成功制备了薄膜热流传感器样件，测试结果表明:薄膜热流传感器最高工作温度可达900℃。热响应时间可达0.1s，可以满足目前诸多领域对热流测试的快速响应要求。

实验表明，该传感器具有较好的稳定性和可靠性，能够实现高温瞬态热流检测需要。目前由于热流标定装置还存在不少问题，测量精度有待提高。下一步的主要研究工作是改进测量实验平台，以达到优化测量方法的目的，提高测量精度。如何增强膜层致密性，提高材料高温特性，保障热障层及热敏材料与基底材料的热膨胀匹配性，也是后期工作研究的重点。

［1］ 徐多，谷笳华，吴松，等.柔性基底瞬态热流率测量传感器的研制及其应用［J］.科学通报，2009，54(4):414-419.

［2］ John D.Wrbanek，Gustave C.Fralick，Lisa C.Martin，et al.A Thin Film Multifunction Sensor for Harsh Environments［C］.NASA AIAA-2001-3315.

［3］ Kenneth G，Kreider，Frank DiMeo.Platinum/palladium thin-film thermocouples for temperature measurements on silicon wafers［J］.Sensors and Actuators A:Physical，1998，69(1):46-52.

［4］ 张扣立，乐川，罗义成，等.Φ2m激波风洞高超声速飞行器气动热测量技术研究［C］.空气动力测控技术五届四次测控学术交流会论文集，2005(7):418-421.

［5］ Masahiko Emi，Yasuko Suzuki，Yuichi Yamada，et al.Development of thin film thermocouple for measurement of instantaneous heat flux flowing into cast iron combustion chamber wall［J］.Transaction of Society of Automotive Engineers of Japan，2002，33(3):61-66.