用于发动机关键部件的微型自供能传感器设计及其制备方法

1.本发明涉及微机电技术领域，具体地，涉及一种用于发动机关键部件的微型自供能传感器设计及其制备方法。


背景技术：

2.除了运动能和阳光之外，热能也是一种广泛的能量能源，但在我们的日常生活中常常被忽略和浪费。如今，在工农生产、科学研究、航空航天、动力工程以及日常生活中,存在着大量的热量传递和耗散问题。如果将这些热能转化为电能，收益巨大。
3.例如，航发发动机处于高温大热流环境，为了充分收集航发发动机废热能，热电传感器利用热电偶的的塞贝克的测量原理，结合薄膜技术，能实现热流密度的瞬态测量，同时输出的电动势，为其他传感芯片，如应变，压力传感器提供能量。
4.近些年来航空事业发展迅速，已经渗透到个人旅行到国防建设的方方面面。另一方面，也对航空飞机的性能和安全性提出了更高的要求。为了配合性能优化与安全性监控，传感器芯片在航空工业的应用中渐趋广泛。如，温度传感器、热流传感器、应力传感器及剪切力、扭矩传感器等，为飞行器结构件各项指标的实时监控创造了可能性。然而，这些传感器芯片需要微小的电动势以驱动其工作，如果采用传统的外接电源，就必须在结构件上布线连接。这不仅不能保证长时可靠的测量，更会影响结构件本身的力学性能。
5.另外，由于航空飞行器动力装置运行在高速高温状态，通常需要外加冷却装置维持稳定。也正是如此，动力装置乃至附近结构部件表面存在较大的纵向温度差。这些温差可以被热电器件利用，将其转换成微小的电动势。
6.现有公开号为cn105874622a的中国专利，其公开了一种传感器，传感器具有用于将热能转换为电能的热电发电机(10)、用于接触热源和冷源的接触面(14、16)和热导体路径(18、20)，热电发电机(10)具有热力作用的上侧和底侧(10a、10b)，热导体路径(18、20)将接触面(14、16)与热电发电机(10)的上侧和底侧(10a、10b)相连，以在热电发电机(10)的上侧与底侧(10a、10b)之间产生热梯度，其中第一和/或第二热导体路径(18、20)被构造为：在将接触面(14、16)中的至少一个相对于热电发电机(10)的上侧和底侧(10a、10b)中的至少一个不同取向的情况下使传感器中的热梯度转向。
7.发明人认为现有技术不足以利用发动机结构部件上的热能转化为电能，需要提供一种更合理的结构。


技术实现要素：

8.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于发动机关键部件的微型自供能传感器设计。
9.根据本发明提供的一种用于发动机关键部件的微型自供能传感器设计及其制备方法,包括电气隔离层、热阻层、p型半导体以及n型半导体；电气隔离层表面设置有一个或多个热阻层，设置有热阻层区域形成有热端区域，未覆盖有热阻层区域形成有冷端区域；p
型半导体与n型半导体二者均设置在电气隔离层和热阻层形成的结合体上，p型半导体与n型半导体间隔设置且依次首尾相连，连接处形成有节点。
10.优选地，电气隔离层设置在结构件基底表面，且结构件基底存在温度梯度。
11.优选地，p型半导体与n型半导体组成的传感电路两端形成有pad区，一端为p型半导体，另一端为n型半导体；pad区用于将电势引出。
12.优选地，节点包括热节点和冷节点，热节点和冷节点间隔设置，热节点位于热端区域，冷节点位于冷端区域。
13.优选地，当电气隔离层上设置有多个热端区域时，任一热端区域仅设置有一个热节点。
14.优选地，当电气隔离层上仅设置有一个热端区域时，热端区域上设置有有多个热节点。
15.优选地，当电气隔离层上设置有多个热端区域时，任一热阻层上均设置有一个或多个热节点。
16.优选地，热阻层的截面形状包括梯形，热阻层的厚度包括1-10um；热阻层包括氧化铝、二氧化硅以及氧化铝和二氧化硅复合材料中的任一种。
17.优选地，电气隔离层包括聚酰亚胺、氧化铝以及二氧化硅等绝缘材料中任一种。
18.根据本发明提供的一种根据上述的用于发动机关键部件的微型自供能传感器设计的制备方法，制备方法包括如下步骤：
19.s1，在结构件基底表面制备一层电气隔离层；
20.s2，利用掩膜图形化工艺结合旋涂、物理溅射等成膜方法，在电气隔离层上制备热阻层；
21.s3，利用掩膜图形化工艺结合丝网印刷或磁控溅射，在电气隔离层和热阻层上制备p型半导体线条；
22.s4，利用光刻图形化工艺结合丝网印刷或磁控溅射，在电气隔离层和热阻层上制备n型半导体线条，n型半导体与p型半导体间隔设置且依次首尾相连，形成微型自供能传感器。
23.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
24.1、本发明通过在电气隔离层上制备热阻层，再在二者上制备p型半导体和n型半导体组成的传感器电路，有助于将热能转化为电能，从而有助于利用发动机本身的能量转化。
25.2、本发明通过以发动机结构件表面为基底，利用结构件基底存在的温度梯度，有助于充分将热能转化为电能。
26.3、本发明通过采用多种热端区域与热节点的配合方式，有助于提高传感器的工作效率，从而有助于提高传感器的适用范围。
附图说明
27.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
28.图1为本发明主要体现用于发动机关键部件的微型自供能传感器设计的整体结构示意图；
29.图2为本发明主要体现实施例中用于发动机关键部件的微型自供能传感器设计的平面示意图；
30.图3为本发明主要体现变化例1中用于发动机关键部件的微型自供能传感器设计的平面示意图；
31.图4为本发明主要体现变化例2中用于发动机关键部件的微型自供能传感器设计的平面示意图。
32.图中所示：
33.结构件基底1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电气隔离层2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
热阻层3
34.p型半导体4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
n型半导体5
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
pad区6
具体实施方式
35.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
36.实施例1
37.如图1和图2所示，根据本发明提供的一种用于发动机关键部件的微型自供能传感器设计，包括：电气隔离层2、热阻层3、p型半导体4以及n型半导体5；电气隔离层2表面设置有一个或多个热阻层3，设置有热阻层3区域形成有热端区域，未覆盖有热阻层3区域形成有冷端区域。p型半导体4与n型半导体5二者均设置在电气隔离层2和热阻层3形成的结合体上，p型半导体4与n型半导体5间隔设置且依次首尾相连，连接处形成有节点。
38.本发明可以将航空发动机相关部件表面的热能转化为电能，供其他传感器芯片使用，特别是为用于监测发动机关键部件的传感器芯片提供电源。发动机内部存在温度梯度的，且存在需要外接电源供电的元器件。利用本发明，就可以实现自供能，无需外接电源。由于航空飞行器动力装置运行在高速高温状态，通常需要外加冷却装置维持稳定，本发明同时可减少外置冷却装置，进而减少发动机重量。本发明的微型指的是相对通常的传统的自供能系统，传感器内部结构的特征尺寸在微米量级。
39.本发明以发动机结构件表面为基底，电气隔离层2设置在结构件基底1表面，且结构件基底1存在温度梯度。根据使用温度区间不同，电气隔离层2包括聚酰亚胺、氧化铝以及二氧化硅等绝缘材料中任一种。
40.热阻层3的截面形状包括梯形，热阻层3的厚度包括1-10um。热阻层3包括氧化铝、二氧化硅以及氧化铝和二氧化硅复合材料中的任一种。热阻层3利用掩膜图形化工艺结合旋涂、物理溅射等成膜方法制备形成。
41.热阻层3覆盖部分电气隔离层2的区域，在此区域热阻层阻止了热量向下传导，因而形成相对高温的区域，即热端区域。未被热阻层3覆盖的电气隔离层2的区域，形成冷端区域。
42.p型半导体4与n型半导体5二者均设置在电气隔离层2和热阻层3形成的结合体上。利用掩膜图形化工艺结合丝网印刷或磁控溅射，在电气隔离层2和热阻层3上制备p型半导体4和n型半导体5线条。，n型半导体5与p型半导体4间隔设置且依次首尾相连，形成微型自
供能传感器。
43.p型半导体4与n型半导体5组成的传感电路两端形成有pad区6，一端为p型半导体4，另一端为n型半导体5。优选地，pad区6位于冷端区域，且相对于热、冷节点，pad区6的制备面积较大，用于后续焊线将电势引出。
44.节点包括热节点和冷节点，热节点和冷节点间隔设置，热节点位于热端区域，冷节点位于冷端区域。
45.当电气隔离层2上设置有多个热端区域时，任一热端区域仅设置有一个热节点。p型半导体4与n型半导体5组成的传感电路呈蛇形排列，且传感电路两端形成的pad区6位于同一侧，便于将电势引出。
46.热节点与热阻层3一一对应，充分利用结构件基底1表面的温度梯度，提高转化电能的效率。
47.变化例1
48.如图3所示，基于实施例1，当电气隔离层2上仅设置有一个热端区域时，热端区域上设置有多个热节点。热节点设置在热阻层3相对的两侧，冷节点对应设置在两侧外，使得p型半导体4与n型半导体5交错排列成折线形。传感电路两端形成的pad区6位于同一侧，便于将电势引出。
49.在结构件基底1表面制备一个大范围的热阻层3，充分利用结构件基底1表面的热能，提高热能的转化率。
50.变化例2
51.如图4所示，基于实施例1，当电气隔离层2上设置有多个热端区域时，任一热端区域上均设置有一个或多个热节点。任一热阻层3相对的两侧设置有多个热节点，冷节点对应设置在两侧外，任一热阻层3上型半导体4与n型半导体5交错排列成折线形。多个热阻层3分布使得感电路整体呈蛇形排列，且传感电路两端形成的pad区6位于同一侧，便于将电势引出。
52.根据结构件基底1表面的实际存在的温度梯度，择优制备热阻层3的大小，充分利用结构件基底1表面的热能，提高热能转化电能的效率。
53.实施例2
54.根据本发明提供的一种基于实施例1的用于发动机关键部件的微型自供能传感器设计的制备方法，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
55.s1，在结构件基底1表面制备一层电气隔离层2；
56.s2，利用掩膜图形化工艺结合旋涂、物理溅射等成膜方法，在电气隔离层2上制备热阻层3；
57.s3，利用掩膜图形化工艺结合丝网印刷或磁控溅射，在电气隔离层2和热阻层3上制备p型半导体4线条；
58.s4，利用光刻图形化工艺结合丝网印刷或磁控溅射，在电气隔离层2和热阻层3上制备n型半导体5线条，n型半导体5与p型半导体4间隔设置且依次首尾相连，形成微型自供能传感器。
59.工作原理
60.结构件基底1存在温度梯度，p型半导体4与n型半导体5组成的传感电路，利用这些
温差，将热能转化为电能，再通过pad区6将电势引出，供其他传感器芯片使用。
61.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
62.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。