薄膜高溫熱流測量技術研究

肖友文，謝貴久，何 峰，張建國，袁云華，宋祖殷

(1.中國電子科技集團公司第四十八研究所，長沙410111;2.空軍駐湖南地區軍代室，長沙410110)

1 引言

高超聲速飛行器在高速飛行過程中，其所在流場的氣體動力學、傳熱學和激波運動等一直是國內外研究的熱點問題，同時也是飛行器工程實踐的基礎［1-2］。

熱流傳感器可用于飛機殼體在高超聲速飛行狀態與空氣磨擦所產生的熱量測量，以及熱流量在不同機殼厚度層的傳遞狀況［3］，還可擴展用于超聲速飛行器殼體材料的熱力學分析，尤其是在高速風洞測試試驗中，需要對飛行器上的每個點在不同馬赫數下和不同攻角狀態下的受熱情況進行測試分析，準確計算出材料在受熱狀態下的力學性能，以便選用合適材料，并采取防熱措施，保障飛行器安全可靠的高速飛行［4］。

因此，如何準確、快速測量出表面熱流量，是設計可靠防熱系統的先決條件。長期以來，通過對溫度變化檢測來實現對熱流量傳遞的測量。薄膜高溫熱流傳感器是一種用于測量非穩態熱流的傳感器，以其反應時間短為主要特點，薄膜熱流傳感器可以用于高超聲速飛行器短時間的高溫熱流測量實驗，滿足瞬態測量要求。

2 原理

薄膜熱流傳感器的測量原理基于傅立葉定律［5］，當熱流通過熱流傳感器探頭時，在探頭的熱障層上產生溫度梯度△T，即厚陶瓷熱障層(X2)溫度T2，薄陶瓷熱障層(X1)溫度T1，根據傅立葉定律算就可以計出通過熱流傳感器探頭的熱流密度(如圖1所示)。由于熱流矢量方向是與等溫面垂直的，則熱流值可以表示為:

q:熱流密度(W/m2);

dQ:通過等溫面上微小面積 dS流過的熱量(W);

λ:材料的導熱系數(W/(m2·K));

△T:兩等溫面的溫差;

△X:厚薄熱障層厚度差。

由公式可知，λ為陶瓷熱障礙層材料的導熱系數(常量)，X1、X2分別為熱障層厚度(定值，通過工藝保證)，所以熱流量q直接與△T(熱電偶電動勢E)成對應關系。

q:熱流密度(W/m2)

C:熱流傳感器測量系數(W/(m2·mV))

E:熱電動勢(mV)

圖1 熱流傳感器基本原理圖

3 試驗制備過程

薄膜高溫熱流傳感器芯片，選用Al2O3陶瓷作為基體材料;通過聚焦離子束濺射鍍膜技術，采用剝離工藝制備出PtRh13和Pt熱電偶薄膜;在熱電偶薄膜的冷端和熱端離子束濺射不同厚度的SiO2熱障膜，濕法刻蝕得到所需的熱障層圖形;最后通過對應的鉑銠和鉑絲引線，完成高溫釉料封接。其具體工藝流程圖如圖2所示。最終制備芯片如圖3所示。

4 結果與分析

實驗測試了薄膜熱流傳感器的工作溫度及不同基底材料對其動態響應的影響。采用定制的高溫電加熱爐絲管，調節輸出功率，產生不同的熱流與溫度，將傳感器置于管口，熱流傳感器表面溫度采用紅外溫度傳感器測量，并利用數據采集系統實時檢測傳感器的輸出信號變化，檢測系統的頻率響應可達1ms。

圖2 薄膜熱流傳感器工藝流程圖

圖3 熱流傳感器外形圖

4.1 工作溫度對熱流傳感器使用影響

調節電加熱管輸出功率，測量熱流傳感器表面溫度，并在各溫度段保持工作3min，實驗比較了600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃工作溫度下熱流傳感器的性能變化情況。工作溫度800℃時，傳感器表面形貌基本無變化，恢復常溫下測量樣品電阻正常;溫度900℃下樣品熱障層出現部分裂紋，恢復常溫，測量樣品電阻正常;溫度1000℃工作3min后，恢復到常溫，樣品表面SiO2層完全龜裂及脫落，但樣品電阻測試無變化。圖4為傳感器在不同工作溫度后薄膜熱電偶層的SEM圖，從圖中可以看出，高溫1000℃工作后的熱流傳感器薄膜層變黑，裂紋增多。

工作溫度對熱流傳感器的影響主要體現在對熱障層及熱電偶薄膜材料的影響，熱障層SiO2薄膜與陶瓷基底材料的熱膨脹系數相差較大，溫度過高時，SiO2層發生龜裂;實驗測試，薄膜熱電偶的性能變化不大，雖然金屬薄膜與陶瓷基底的熱膨脹系數相差較大，但由于膜層較薄，金屬延展性比較好，與陶瓷基底的粘附性比較好，膜層性能變化較小，無斷裂現象。

因此，熱流傳感器在陶瓷基底上采用SiO2材料作為熱障層，溫度在900℃下能正常工作，但超過該溫度，SiO2材料與基底的附著力下降，出現龜裂現象，但熱敏層性能變化不大，仍可繼續工作。

圖4 不同工作溫度下熱流傳感器樣品表面形貌圖

4.2 基底材料對熱流測量影響

高溫薄膜熱流傳感器主要應用于工業或航天領域中。在使用過程中，會應用于各種各樣的環境或用于測量不同物體的散熱情況，金屬是最常見的測量對象。所以，實驗比較了不同金屬基底材料(銅，鋁，1Cr18Ni9Ti不銹鋼)對熱流傳感器測量誤差的影響。三種金屬材料的熱參數性能如表1所示。

試驗將熱流傳感器緊密夾接在三種不同金屬材料上，固定加熱爐管溫度，比較三種材料基底材料上的熱流傳感器信號輸出特性。圖5為在不同基底材料上熱流傳感器的輸出特性圖。

圖5 不同基底材料對熱流測量影響

從圖5中可以看出不同基底材料對熱流傳感器穩態輸出基本沒有差別，不過到達測量平衡點的時間有差異，三者之間銅基底響應時間最快，其次為鋁，最慢為不銹鋼材料。在銅基底上熱流傳感器響應時間t0.5為0.1s，而不銹鋼基底t0.5為0.15s。從表1中可以看出，不銹鋼基底材料的導熱系數為16.27W/m2·K，銅的導熱系數為387.6W/m2·K，導熱系數大的材料，熱量傳導的更快，因此，響應時間更快。此外，在高溫條件下的熱流測試，基底材料的密度、比熱等因素對熱流測量影響較小，達到平衡后的熱流測量結果基本相同。

5 結束語

通過離子束濺射鍍膜工藝，成功制備了薄膜熱流傳感器樣件，測試結果表明:薄膜熱流傳感器最高工作溫度可達900℃。熱響應時間可達0.1s，可以滿足目前諸多領域對熱流測試的快速響應要求。

實驗表明，該傳感器具有較好的穩定性和可靠性，能夠實現高溫瞬態熱流檢測需要。目前由于熱流標定裝置還存在不少問題，測量精度有待提高。下一步的主要研究工作是改進測量實驗平臺，以達到優化測量方法的目的，提高測量精度。如何增強膜層致密性，提高材料高溫特性，保障熱障層及熱敏材料與基底材料的熱膨脹匹配性，也是后期工作研究的重點。

［1］ 徐多，谷笳華，吳松，等.柔性基底瞬態熱流率測量傳感器的研制及其應用［J］.科學通報，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］ 張扣立，樂川，羅義成，等.Φ2m激波風洞高超聲速飛行器氣動熱測量技術研究［C］.空氣動力測控技術五屆四次測控學術交流會論文集，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.