一种小尺寸原子层热电堆热流传感器及其封装方法

本发明涉及热流传感器，尤其涉及一种小尺寸原子层热电堆热流传感器及其封装方法。

背景技术：

1、我国航空航天领域的高速发展对热流精密测量技术提出了更为严苛的挑战。其中高超声速飞行器在高速飞行中会与周围气体相互作用，进而在表面形成高温边界层，其巨大的热负荷严重影响飞行器的结构安全和寿命。因此热流信息的获取对其寿命评估、安全保障至关重要。此外，高超声速飞行器飞行中再入轨道参数实时变化、边界层转捩及姿态变化等因素与来流扰动影响息息相关。因此如何准确获取热流密度数据的波动情况是亟待解决的问题。

2、热流传感器作为热流密度测量的关键元件，广泛应用于航空航天、农业生产、动力工程等各个领域。伴随着薄膜制备技术的发展，薄膜热流传感器也随之兴起，通常薄膜热流传感器尺寸相对较小，所以测试环境对其干扰较小，同时因其纳米/微米量级的厚度，可用于快速瞬态热通量测量。而原子层热电堆(altp)薄膜技术可在薄膜上下表面出现温差后产生热电势，再依据其灵敏系数直接换算热流率。避免了由温度信号噪声以及计算过程带来的热流率测量偏差，同时还具有更高的频率响应特性。当前，国外高频脉动热流的测试主要是利用altp热流传感器，但国内尚缺乏大规模商业化器件，主要是这类器件结构复杂，加工成本高，影响了广泛应用。同时对于这类侵入式传感器的来流测试方式，往往希望尽量小的尺寸以尽可能减弱传感器对流场的影响。

技术实现思路

1、基于以上问题，本发明的目的在于提供一种小型化的薄膜热电堆型热流传感器结构及封装方法，使得传感器尺寸小巧和便于安装，能减弱传感器对流场的影响，且结构简单，便于加工，能解决同类型传感器成本较高、结构复杂、尺寸较大、难以广泛应用的问题。

2、本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种小尺寸原子层热电堆热流传感器，包括导电膜、altp敏感芯片、导电胶、封装外壳、绝缘灌封胶、接线柱，其中：

3、封装外壳内部设置有两个相同尺寸、且按设定间距设置的通孔，接线柱的整体结构分为前端、后端、尾端三部分，其前端部分安装于通孔内且与所述通孔紧密贴合、后端部分与通孔孔壁之间有一定间距且一部分位于封装外壳外部、尾端位于封装外壳外部；所述接线柱后端与通孔孔壁之间还灌注有绝缘灌封胶；

4、所述封装外壳顶端设置有芯片槽，芯片槽底部与接线柱顶端齐平，altp敏感芯片的下表面通过绝缘胶紧密贴合粘接固定在所述芯片槽内且上表面与所述封装外壳顶端表面齐平；

5、所述altp敏感芯片的结构为：倾斜单晶基片上表面外延生长有altp热流敏感薄膜，通过晶胞特征参数匹配实现altp热流敏感薄膜在倾斜单晶基片上双轴织构生长；

6、所述altp敏感芯片上表面两端以及两侧沉积有连续导电膜；

7、所述芯片槽两侧还分别开设有与其连通的导通槽，导通槽底部也与接线柱顶端齐平，导通槽内部填充有导电胶，导电胶和导电膜共同形成所述altp敏感芯片和接线柱之间的电导通。

8、优选地，所述封装外壳的材料为氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、聚四氟乙烯、对位聚苯中的一种。

9、优选地，所述封装外壳直径≤4mm。

10、优选地，所述接线柱的材料为红铜、黄铜、铝、钢中的一种。

11、优选地，所述altp热流敏感薄膜为具有横向塞贝克效应的薄膜。

12、作为进一步的优选方案，所述具有横向塞贝克效应的薄膜为钇钡铜氧薄膜、镧钙锰氧薄膜中的一种。

13、本发明还提供了一种小尺寸原子层热电堆热流传感器的封装方法，包括下述步骤：

14、s1、通过磁控溅射沉积、或化学气相沉积、或脉冲激光沉积方法在倾斜单晶基片上沉积altp热流敏感薄膜，再通过机械加工将晶片划切成所需尺寸的altp敏感芯片；

15、s2、通过磁控溅射沉积、或化学气相沉积、或脉冲激光沉积、或电阻蒸发真空镀膜方法在所述altp敏感芯片上表面两端以及两侧沉积导电膜；

16、s3、通过机械加工、或激光加工、或一体成型方式对封装外壳进行成型加工，封装外壳内部开设两个相同尺寸、且按设定间距设置的通孔，封装外壳顶端开设芯片槽，芯片槽两侧分别开设与其连通的导通槽，芯片槽及导通槽底部与所述通孔上表面齐平；

17、s4、将接线柱穿入所述通孔且接线柱上端面与芯片槽及导通槽底部平面齐平，在通孔内灌注绝缘灌封胶以粘接的方式固定接线柱；

18、s5、将所述altp敏感芯片下表面通过绝缘胶粘接固定于所述芯片槽中，并保证altp敏感芯片上表面与封装外壳顶端表面齐平；

19、s6、在导通槽中灌注导电胶以固化粘连方式固定所述altp敏感芯片，并通过导电胶和导电膜共同形成所述altp敏感芯片和接线柱之间电导通。

20、本发明的有益效果为：

21、本发明是基于横向塞贝克效应制备的altp热流传感器，结构紧凑，减小了器件加工所需要的尺寸冗余度，能够满足风洞测热等实验下进行高频脉冲热流测试对传感器尺寸小和便于安装的要求，传感器尺寸小于目前国内外大部分商业化产品，较小的器件尺寸可减小例如在常规高超声速风洞、飞行试验等长时间高频脉动热流测试中的来流干扰，同时减小侵入式传感器对流场的影响；传感器结构和封装工艺简单，便于加工，成本低，更适合大规模生产。

技术特征：

1.一种小尺寸原子层热电堆热流传感器，其特征在于，包括导电膜(1)、altp敏感芯片、导电胶(4)、封装外壳(5)、绝缘灌封胶(6)、接线柱(7)，其中：

2.根据权利要求1所述的一种小尺寸原子层热电堆热流传感器，其特征在于：所述封装外壳(5)的材料为氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、聚四氟乙烯、对位聚苯中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种小尺寸原子层热电堆热流传感器，其特征在于：所述封装外壳(5)直径≤4mm。

4.根据权利要求1所述的一种小尺寸原子层热电堆热流传感器，其特征在于：所述接线柱(7)的材料为红铜、黄铜、铝、钢中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种小尺寸原子层热电堆热流传感器，其特征在于：所述altp热流敏感薄膜(2)为具有横向塞贝克效应的薄膜。

6.根据权利要求5所述的一种小尺寸原子层热电堆热流传感器，其特征在于：所述具有横向塞贝克效应的薄膜为钇钡铜氧薄膜、镧钙锰氧薄膜中的一种。

7.一种小尺寸原子层热电堆热流传感器的封装方法，其特征在于，包括下述步骤：

技术总结本发明提供一种小尺寸原子层热电堆热流传感器，涉及热流传感器技术领域，其主要结构为：封装外壳内设置有两个通孔，接线柱前端安装于通孔内，封装外壳顶端设置有芯片槽和导通槽，ALTP敏感芯片的下表面通过绝缘胶紧密贴合粘接固定在芯片槽内，ALTP敏感芯片结构为：倾斜单晶基片上表面外延生长有ALTP热流敏感薄膜；ALTP敏感芯片上表面两端以及两侧沉积有连续导电膜；导通槽内填充有导电胶，导电胶和导电膜共同形成ALTP敏感芯片和接线柱之间的电导通。本发明还提供了一种小尺寸原子层热电堆热流传感器的封装方法。本发明的传感器尺寸小巧、便于安装，能减弱传感器对流场的影响，且结构简单，便于加工。技术研发人员：陶伯万,赵明原,赵睿鹏,陈曦,谢天,李禛哲受保护的技术使用者：电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15