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专利名称：一种薄膜烧蚀传感器及其制备方法
技术领域：
本发明属于烧蚀传感器技术领域，具体涉及一种基于微机械加工技术的薄膜烧蚀传感器及其制备方法。更具体地说，本发明涉及一种薄膜烧蚀传感器及其制备方法，通过薄膜电阻实现绝热层烧蚀速率的测量，这种薄膜烧蚀传感器制造工艺简单，具有较高的测量精度。
背景技术：
绝热层主要应用于固体火箭发动机、再入大气飞行器等航天器的防热保护中，绝热层性能的好坏直接影响到发动机工作的可靠性，甚至影响到火箭发射的成败。绝热层的工作环境十分恶劣，它要经受高温高压燃气的烧蚀和凝相颗粒的冲 刷，严重时会导致内绝热层防护失效，发动机壳体烧穿，造成发动机失效。因此，绝热层厚度及其几何形状等直接影响到固体火箭发动机结构可靠性，而绝热层的设计是由其烧蚀情况来确定的，绝热层材料烧蚀特性是绝热层设计的重要参考依据之一，烧蚀传感器是测量绝热层材料烧蚀特性的特种传感器。目前，绝热层的烧蚀率一般通过测量总的烧蚀厚度和烧蚀时间确定，只能得到绝热层的平均烧蚀率，不能完全反映真实的烧蚀过程。专利CN102183196A介绍了一种连续测量烧蚀传感器，采用绕线工艺将金属电阻丝均匀密绕在涂覆有填充材料的芯线上，金属电阻丝绕线与芯线之间通过填充材料实现绝缘隔离，当传感器随着绝热层烧蚀时，填充材料碳化并形成导电碳化层，传感器的输出阻值随填充材料烧蚀长度的不断变化而变化，从而测得绝热层烧蚀厚度。据称这种传感器可以实现绝热层烧蚀厚度的连续测量，提高了测量精度。但该专利技术存在以下缺点
a)传感器敏感组件制备过程需要将金属绕线均匀缠绕在预涂覆有填充材料的芯线上，其中填充材料通过酚醛树脂和硅微粉的混合胶液烧结固化形成，传感器生产工艺复杂。b)传感器敏感组件包括引线、芯线、绝缘座、毛细管、绕线和填充材料等，该传感器结构复杂，降低了传感器在恶劣环境下工作的可靠性水平。c)传感器敏感组件制备过程需通过涂覆胶液、烧结固化、金属丝绕线等工艺过程，生产工艺复杂，生产成本高，生产周期长。

发明内容
本发明旨在针对现有技术烧蚀传感器生产工艺复杂、传感器可靠性水平不高等方面的缺陷，提供一种薄膜烧蚀传感器及其制备方法，该传感器生产工艺简单成熟，具有良好的抗环境干扰能力和可靠性水平。为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是
所述薄膜烧蚀传感器I包括基底2，设于基底2上的过渡层3，设于过渡层3上的烧蚀电阻4 ;所述烧蚀电阻4上设有保护膜6 ;所述烧蚀电阻4是由两个以上的电阻构成的电阻序列；所述电阻包括引线焊接盘区5 ;所述引线焊接盘区5通过引线10与转接板13连接；所述基底2上设有高度调节孔9 ；
其中，所述基底2材料为硅片、Al2O3陶瓷、硼硅玻璃中的至少一种，其直径为50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述过渡层(3)材料为Ta2O 5，厚度为O. 05 μ m O. Iym ;所述烧蚀电阻4材料为金属材料,优选为Au,其厚度为O. 2μηι O. 5μηι ;所述保护膜6为电介质材料，优选为SiO2,厚度为O. I μ πΓΟ. 2 μ m。所述高度调节孔9为I. 6mmX IOmm通孔。进一步地，所述烧蚀电阻4由不少于两列的多列电阻构成，薄膜烧蚀电阻序列间隔作为影响烧蚀传感器测量精度的决定性因素之一，可根据产品特性与要求决定薄膜 电阻序列之间的间隔值，以获取不同的产品性能，上述薄膜烧蚀电阻序列的间隔优选为< 500 μ m。上述薄膜烧蚀传感器的制备方法，包括如下步骤
(1)清洗基底，去除基底表面油污及杂质；
(2)在基底表面沉积过渡层薄膜，在过渡层上淀积烧蚀电阻薄膜，过渡层薄膜用以增强烧蚀电阻薄膜与基底层的结合力；
(3)在步骤(2)形成的烧蚀电阻薄膜上刻蚀出烧蚀电阻；
(4)在步骤(3)制备的烧蚀电阻上沉积出烧蚀电阻保护膜；
(5 )在经步骤(I)至(4 )处理后的基底表面制作高度调节孔；
(6)切片制得薄膜烧蚀传感器；
(7)将薄膜烧蚀传感器上烧蚀电阻的引线焊接盘区通过引线与转接板连接。其中，所述步骤(2 )是通过溅射淀积技术在基底表面沉积过渡层薄膜，在过渡层上淀积烧蚀电阻薄膜；所述步骤(3)是利用光刻技术在步骤(2)形成的烧蚀电阻薄膜上制作烧蚀电阻的光刻胶掩膜图形，再利用湿法腐蚀技术或干法刻蚀法以光刻胶为掩膜层刻蚀出烧蚀电阻，刻蚀深度为烧蚀电阻薄膜厚度；所述步骤(4)是在烧蚀电阻上制备出保护膜的光刻胶掩膜图形，再利用物理气相淀积技术淀积出薄膜烧蚀电阻保护膜；所述步骤(5)是采用激光打孔或超声打孔技术在经步骤(I)至(4)处理后的基底表面非功能区域制作高度调节孔；所述步骤(6)是采用切片机进行切片，制得薄膜烧蚀电阻。下面结合附图对本发明薄膜烧蚀传感器的安装作进一步说明
参见图4和图5，薄膜烧蚀传感器I通过调节螺母(Ml. 6)8固定在支架7上，并且可通过高度调节孔9对烧蚀传感器I的安装高度进行微调，从而使得烧蚀传感器第一组烧蚀薄膜电阻与待测绝热层表面齐平，其中支架7的固定方式较为简单，只需在待测部件12的绝热层上制作Φ1. 6的安装孔，再以固定螺母(Ml. 6) 11固定即可；连接板13也由固定螺母(Ml. 6) 11固定。总的来说，薄膜烧蚀传感器的安装对绝热层破坏较小。与现有技术相比，本发明的有益效果是
a)本发明采用成熟的工艺技术和材料，在基底表面制备了一组Au薄膜电阻，在发动机工作时，随着绝热层的烧蚀，埋设在绝热层中的Au薄膜烧蚀电阻逐组暴露在发动机高温环境中，电阻状态由导通变为断开；通过信号采集卡将电阻的这种通断状态进行采集和记录，在已知电阻序列之间间隔的情况下，经过简单的计算就可以得到绝热层烧蚀速率。b)本发明采用薄膜烧蚀电阻序列实现绝热层烧蚀性能的测量，可根据产品特性与要求决定薄膜电阻序列之间的间隔值，以获取不同的产品性能。c)本发明采用溅射淀积技术、光刻技术、湿法腐蚀技术、干法刻蚀技术等微机械加工技术，有利于提高加工工艺的一致性和传感器工作的可靠性水平，并可实现烧蚀传感器的批量生产，有效降低制造成本。d)本发明利用微机械加工技术可以在一片基底上同时制造数百上千个薄膜烧蚀传感器，提高加工效率、加工重复性和加工尺寸的可控性水平，并大大降低制造成本。


图I是本发明薄膜烧蚀传感器俯视 图2是本发明薄膜烧蚀传感器制备工艺流程 图3是在同一基底上制造多个薄膜烧蚀传感器的俯视 图4是图I薄膜烧蚀传感器安装于待测部件后的俯视图； 图5是图I薄膜烧蚀传感器安装示意图。图中1、薄膜烧蚀传感器；2、基底；3、过渡膜；4、烧蚀电阻；5、传感器引线焊盘区；6、保护膜；7、支架；8、调节螺母；9、高度调节孔；10、引线；11、固定螺母；12、待测部件；13、转接板；14、烧蚀材料层。
具体实施例方式实施例I
参见图I至图5，所述薄膜烧蚀传感器I包括基底2，设于基底2上的过渡层3，设于过渡层3上的烧蚀电阻4 ;所述烧蚀电阻4上设有保护膜6 ;所述烧蚀电阻4是由两个以上的电阻构成的电阻序列；所述电阻包括引线焊接盘区5 ;所述引线焊接盘区5通过引线10与转接板13连接；所述基底2上设有高度调节孔9 ；
其中，所述基底2材料为Al2O3,其直径为50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述过渡层3材料为Ta2O5，厚度为O. 05μπι O. Iym;所述烧蚀电阻4材料为Au，其厚度为
0.2μπι O. 5μπι;所述保护膜6材料为SiO2,厚度为O. I μ πΓθ. 2 μ m。所述高度调节孔9为
1.6mmX IOmm通孔。所述烧蚀电阻4的多列电阻序列之间的间隔< 500 μ m。实施例2
Cl)对直径50mnTl50mm、厚度O. 5mnTlmm的Al2O3基底2进行清洗，去除基底抛光面的油污及杂质玷污等；
(2)利用离子束溅射沉积厚度O.05 μ m O. I μ m的Ta2O5过渡膜3，用以增强Au薄膜层与基底层2的结合力；
(3)离子束溅射沉积厚度O.2 μ πΓθ. 5 μ m的Au薄膜层，即为烧蚀材料层14 ；
(4)在Au薄膜上利用光刻工艺制作与烧蚀电阻形状的光刻胶掩膜层，利用碘、碘化钾腐蚀溶液对Au薄膜进行腐蚀，去除不需要的Au薄膜区域，形成Au薄膜烧蚀电阻4和引线焊接区5;
(5)利用光刻工艺制作光刻胶掩膜层，对引线焊接区域形成保护；
(6)离子束溅射沉积厚度O.I μ πΓθ. 2 μ m的SiO2保护膜6，防止Au薄膜烧蚀电阻在生产与安装过程产生划痕等缺陷，避免烧蚀电阻失效；
(7)利用激光打孔技术制作高度调节孔9;
(8)划片机划片，薄膜烧蚀传感器I分割成型。(9)将薄膜烧蚀传感器上烧蚀电阻的引线焊接盘区通过引线与转接板连接。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明 之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
权利要求
1.一种薄膜烧蚀传感器，其特征在于，所述薄膜烧蚀传感器(I)包括基底(2)，设于基底 2)上的过渡层(3)，设于过渡层(3)上的烧蚀电阻(4);所述烧蚀电阻(4)上设有保护膜(6);所述烧蚀电阻(4)是由两个以上的电阻构成的电阻序列；所述电阻包括引线焊接盘区(5);所述引线焊接盘区(5)通过引线(10)与转接板(13)连接；所述基底(2)材料为硅片、Al2O3陶瓷、硼硅玻璃中的至少一种；所述过渡层(3)材料为Ta2O5 ;所述保护膜(6)为电介质材料。
2.如权利要求I所述的薄膜烧蚀传感器，其特征在于，所述基底(2)上设有高度调节孔(9)。
3.如权利要求2所述的薄膜烧蚀传感器，其特征在于，所述高度调节孔(9)为1.6mmX 10mm 通孔。
4.如权利要求I所述的薄膜烧蚀传感器，其特征在于，所述基底(2)直径为50mm 150mm,厚度O. 5mm Imm ;所述过渡层(3)厚度为O. 05 μ m O. Iym ;所述烧蚀电阻(4)厚度为O. 2μηι O. 5μηι ;所述保护膜(6)厚度为O. I μ πΓθ. 2 μ m。
5.如权利要求I所述的薄膜烧蚀传感器，其特征在于，所述烧蚀电阻(4)材料为Au。
6.如权利要求I所述的薄膜烧蚀传感器，其特征在于，所述烧蚀电阻(4)的多列电阻彼此间隔≤500 μ m。
7.如权利要求I所述的薄膜烧蚀传感器，其特征在于，所述保护膜(6)材料为Si02。
8.—种如权利要求f 7之一所述的薄膜烧蚀传感器的制备方法，包括如下步骤 (1)清洗基底； (2)通过溅射淀积技术在基底表面沉积过渡层薄膜，在过渡层上淀积烧蚀电阻薄膜； (3)利用光刻技术在步骤(2)形成的烧蚀电阻薄膜上制作烧蚀电阻的光刻胶掩膜图形，再利用湿法腐蚀技术或干法刻蚀法以光刻胶为掩膜层刻蚀出烧蚀电阻，刻蚀深度为烧蚀电阻薄膜厚度； (4)在步骤(3)制备的烧蚀电阻上制备出保护膜的光刻胶掩膜图形，利用物理气相淀积技术淀积出薄膜烧蚀电阻保护膜； (5)在经步骤(I)至(4)处理后的基底表面制作高度调节孔； (6)切片制得薄膜烧蚀传感器； (7)将薄膜烧蚀传感器上烧蚀电阻的引线焊接盘区通过引线与转接板连接。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)是采用激光打孔或超声打孔技术在经步骤(I)至(4 )处理后的基底表面制作高度调节孔。
全文摘要
本发明公开了一种薄膜烧蚀传感器及其制备方法，所述薄膜烧蚀传感器包括基底，设于基底上的过渡层，设于过渡层上的烧蚀电阻；所述烧蚀电阻包括引线焊接盘区；所述引线焊接盘区通过引线与转接板连接；所述烧蚀电阻上设有保护膜；所述基底上设有高度调节孔。本发明采用微机械加工技术制备该薄膜烧蚀传感器。根据本发明的薄膜烧蚀传感器制造工艺简单，可满足不同的测量精度要求。
文档编号G01N27/04GK102879434SQ20121032187
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月4日 优先权日2012年9月4日
发明者景涛, 谢贵久, 颜志红, 张建国 申请人:中国电子科技集团公司第四十八研究所