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摘要美國國家航空航天局格倫研究中心（GRC）自1999年以來一直在測試用于放射性同位素動力系統的高效自由活塞斯特林變換器。斯特林變換器已運行多年，以證明放射性同位素動力系統能夠為潛在的多年任務提供可靠的動力。用于監測轉換器性能變化的技術包括溫度、壓力、能量添加和能量抑制的測量。在斯特林變換器試驗裝置中采用了多孔體絕緣，以減少電熱源對環境的熱能損失。在長時間運行之前對絕緣進行了表征，從而使變流器的凈熱能增加量能夠相互關聯。老化微孔體絕緣改變了絕緣效率，引入了凈熱能增加的相關誤差。設計并制作了一種薄膜熱流傳感器，用于直接測量斯特林變換器的凈熱能。制造技術包括滑動鑄造和物理氣相沉積（PVD）。用一微米厚的貴金屬熱電偶測量了氧化鋁陶瓷盤表面的溫度，計算了熱通量。介紹了一種薄膜熱流傳感器的制作、集成和測試結果。崩潰厚膜熱流計的設計與制作
超高溫環境傳感器
熊繼軍
中北大學分院儀器科學與動態測量重點實驗室，中國太原030051
中北大學分院電子測試實驗室科學技術，中國太原030051
這項工作部分由中國國家自然科學基金資助，授予U183209，授予51425505，并授予。
61471324人，部分被山西省優秀青年人才扶持計劃，部分被山西省“1331工程”重點扶持
學科建設。
本文介紹了一種陶瓷基厚lm熱ux傳感器（TFHFS），用以監測工業生產中的熱ux
描述了高溫環境。TFHFS由130對Pt/Rh熱電偶組成
在陶瓷基體上呈蛇形分布。一個絕緣體被用來產生溫度
差分，這增加了熱電勢（輸出電壓）并提高了傳感器的靈敏度
擬定TFHFS。有兩對獨立的熱電偶用于溫度監測。屏幕-
制作過程采用印刷工藝。表征結果表明，鉑電極
在1350℃燒結后，Pt/Rh電極連接良好，電極的厚度和寬度增加
熱電偶電極分別約為20 m和300 m。測試結果表明
所提出的熱 ux傳感器的最大輸出電壓約為1.44 mV，熱
在0.025～0.030mv/（kW/m2）范圍內，3～57kw/m2的ux靈敏度分布均勻
結果表明，該傳感器在給定的加熱范圍內具有較高的靈敏度。此外，
可重用性研究表明，所制備的TFHFS具有穩定的輸出電壓和較低的功耗
50ࡉ900 C時的誤差水平。因此，我們假設所提出的傳感器可以用來監測熱量
ux在渦輪機械和航空航天工業等惡劣應用中的應用。
索引詞陶瓷傳感器，熱傳感器，高溫監測，熱電偶。
一。導言
熱能傳遞研究中的熱量測量
在惡劣的環境中，如核電站中是必不可少的
現代渦輪機械，或者說高溫
航天器的加熱率和空氣動力載荷
保護系統[1][3]。一個好的熱傳感器應該
具有體積小、干擾小等優點
環境、高精度和靈敏度[4]。此外，
熱的長期測量-
要求很高。例如，隨著燃料成本的增加，
航空公司面臨著降低燃油消耗的挑戰，而
下一代商用飛機將需要
更高的燃油效率。最簡單的方法是
使發動機在更高的溫度下運轉。因此，有
迫切需要一種能夠承受
負責協調本手稿審查的副主編
批準出版的是亞辛·馬利赫。
更高的溫度以實現高溫下的熱 ux監測-
溫度環境，控制熱傳遞ef cacy[5]。
幾種熱傳感器，如薄lm型Gordon
類型和插頭式傳感器已經開發出來[6][12]。
斯科特D。威爾遜研究了一個薄的lm熱ux傳感器陣列，
用于斯特林變換器的熱工測試。
該儀表需要復雜的冷端補償，以及
由于它的厚度，它對熱的反應很慢
ux[7]。克里斯托弗報告了一個薄的lm熱ux傳感器
由一系列基于不同溫度的鉑/銠熱電偶組成-
耳鼻咽喉基底。盡管其響應頻率很高（3 kHz），
它的靈敏度很低[13]。西奧菲洛斯和他的團隊
采用熱噴涂技術，研制了一種熱氧傳感器-
ogy，并實現了100℃下的熱 ux測試[14]。威爾遜S D
設計了一種薄型lm電阻熱ux傳感器并進行了測試
溫度在120攝氏度。然而，高溫試驗
本研究中未進行[6]。大部分熱量
用于高溫環境的傳感器需要
水冷設備的使用，如施密特-波爾特
2019年第7卷本作品獲得知識共享署名4.0許可。有關詳細信息，請參閱TZhang等人：超高溫環境下TFHFS的設計和制造
圖1。本設計中的熱流測量理論。
和Gordon模型），導致繁瑣的MEA本文介紹了熱流測量原理。
和Gordon模型），從而導致繁瑣的測量
系統[15]。因此，有必要發展一個高質量的-
無需水冷的溫度熱傳感器-
慣性導航與制導。此外，還討論了熱傳感器的制作工藝
上面提到的是復雜和昂貴的。厚 lm
傳感器具有與薄lm傳感器相同的優點，例如
對測試環境的影響較小，響應時間較短
次數[13]，[16]。更重要的是，厚度
lm傳感器是薄的 lm傳感器的10倍或更多；
因此，厚lm傳感器在超高壓下具有更好的耐用性
更適合在惡劣環境中使用-
是的。
在這項研究中，一個厚lm熱ux傳感器（TFHFS）為基礎
對一維傳熱進行了研究。這位參議員-
sor是以Al2O3陶瓷為基礎的，共有130對Pt-
鉑/銠熱電偶呈蛇形分布。
絲網印刷用于放置熱電偶和
實現熱電偶連接。鉑和鉑-
熱電元件選用inum/10%銠（Pt/Rh）
材料。形態和參數特征
用激光共聚焦顯微鏡研究了該傳感器的性能-
范圍和掃描電子顯微鏡（SEM）。最終，
研究了所制備的傳感器的傳感性能
分析。與設計的熱傳感器相比[17]
以前，這種設計在內部集成了更多的熱電偶
同樣的區域，簡化了制造過程。毛皮-
傳感器的安裝和測試方向
以減少基板熱量的影響
傳感器測試結果的傳導。另外，兩個
tempera增加了成對的獨立熱電偶-
實時監控。
A.原則
熱傳感器基于傅里葉定律和塞貝克定律
效果。介紹了本設計中的熱量測量原理
如圖1所示。
根據Fourier定律，推導出了熱量的計算公式
ux密度q如（1）所示。
q D kdT=dx（1）
q表示接口上的熱量ux，k表示
物體的熱導率，dT/dx是變化率
指定厚度的溫差
對象。根據塞貝克效應，熱電偶
圖2設計的TFHFS結構圖。
串聯并聯的輸出電壓U為：
美國國家安全局（2）
N是熱電偶的數量（TC），SAB代表
TC金屬的塞貝克系數（金屬A和B，如圖所示
在圖1中）。
熱傳感器的靈敏度定義為：
S D U=q（3）
通過合成（1）、（2）和（3），S等于：
S D NSABdx=k（4）
因此，從（4）中，靈敏度S與N，k，
dx和TC材料的Seebeck系數。此外，
如（2）所示，輸出電壓取決于N、dT和
TC材料的Seebeck系數。
B傳感器設計
在機理分析的基礎上，提出了一種適用于惡劣環境的TFHFS-
如圖2所示，提出了一種新的方法來增強
傳感器在高溫環境下的耐久性，
該傳感器是基于氧化鋁陶瓷基板，而
鉑（Pt）和鉑/10%銠（Pt/Rh）為des-
指定為TC材料。TCs連接在一起
一種蛇形結構，位于鋁合金表面-
mina陶瓷基板用作傳感空間。
納米氧化硅具有導熱性
0.013 w/m/k，用作隔熱材料。它覆蓋了一半
如圖2所示。此外，兩對獨立的
熱電偶位于熱電偶的兩側
溫度監測系列。一個的熱連接
熱電偶（TC1）埋在保溫層下面
測量絕緣層下的溫度，以及
其他熱電偶（TC2）直接暴露在空氣中
測量環境溫度。
鉑和鉑/銠信號電極，如圖2所示，
從高溫區延伸到低溫區-
溫度區域，有利于讀出
測試信號。130對晶體的熱電勢
熱電偶，由于
180772第7卷，2019年
TZhang等人：超高溫環境下TFHFS的設計和制造
表1.TFHFS的參數。
表2絲網印刷網的參數。
熱接點和冷接點串聯，以獲得
熱量傳感器的輸出電壓。表1列出了
設計的TFHFS的相關參數。注意h
是絕緣體的寬度；L是傳感器的邊長
面積，即正方形；Tx表示厚度，其中x
表示絕緣體、陶瓷基板或熱電偶；我和
d是單個鉑或鉑/銠電極的長度和寬度
分別為TC。
二。傳感器制造
A.制作
絲網印刷技術與陶瓷的結合
電子制造比其他制造業更簡單、更便宜
方法[18]，a |
