西安交大研发兼具快速响应与高灵敏度的热流传感器
2026-07-24 06:19:49 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
西安交通大学研究团队针对基于热电堆的热流传感器灵敏度与响应时间难以同时兼顾的矛盾，基于六边形密排原理设计了热电堆阵列，以在有限区域内增加结数，同时在热结和冷结处设置不同功能的薄膜以增大温差，成功研制出在高温环境下兼具高灵敏度与快速响应特性的热流传感器。
热流（Heat Flux）反映了热量传递过程，是热过程控制与管理、航空航天热防护以及节能减排应用中的重要物理参数。对热流密度的精准测量有助于提升供热效率或增强热防护能力。作为热流密度测量的核心器件，热流传感器的性能直接影响热流密度数据的获取。然而，受热阻厚度和热电堆结数的限制，热流传感器往往难以同时兼具高灵敏度和快速响应时间。
据麦姆斯咨询介绍，西安交通大学研究团队针对基于热电堆的热流传感器灵敏度与响应时间难以同时兼顾的矛盾，基于六边形密排原理设计了热电堆阵列，以在有限区域内增加结数，同时在热结和冷结处设置不同功能的薄膜以增大温差，成功研制出在高温环境下兼具高灵敏度与快速响应特性的热流传感器。相关研究成果已经以“A heat flux sensor with both fast response and high sensitivity”为题，发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
论文摘要附图
热流传感器设计
研究人员基于六边形密排原理在有限区域内设计了更多的结数。在热端沉积高吸热率、低热阻的SiC薄膜，冷端沉积高热阻薄膜，显著增大了冷热端温差。同时，在有限区域内增加了串联热电偶数量，热电堆分别采用ITO和In₂O₃作为热电极材料，二者具备优异的高温稳定性和较大的塞贝克系数，可有效提升传感器输出信号。在实现高输出的前提下，进一步减小热阻薄膜厚度，从而提升传感器响应速度。研究人员采用MEMS工艺制备微米级厚度的薄膜，以提升传感器的响应时间。
图1 高灵敏度、快速响应的热流传感器设计
所开发的热流传感器在热端沉积了高发射率SiC薄膜以提高薄膜的吸热率，并在冷端覆盖高隔热性SiO₂以降低冷端温度，最终形成如图1e所示的设计结构。如图1f所示，在相同传热条件下计算了不同发射率薄膜的温度，传热稳定时，发射率为0.9的薄膜温度比发射率0.7的薄膜高1.57 K，比发射率0.1的薄膜高11.52 K，表明通过调节发射率可实现薄膜表面温度的改变。
图2 热流传感器仿真结果
热流传感器制备
该热流传感器的制备过程如图3所示，具体步骤如下：（1）首先，将基底置于丙酮和乙醇溶液中进行超声清洗，每种溶液清洗10分钟，水浴温度约为50℃；（2）通过磁控溅射和掩膜工艺生长并图案化ITO薄膜，随后以相同方式制备In₂O₃；（3）采用掩膜和溅射工艺制备SiC薄膜；（4）通过等离子体增强化学气相沉积法制备耐热层SiO₂；（5）将制备好的热流传感器放入马弗炉中进行退火处理；（6）采用耐高温导线和银浆对传感器进行引线连接。
图3 热流传感器制备工艺
图4 热流传感器微观表征
分析与讨论
该研究为实现高温环境下高灵敏度、快速响应的热流传感器，设计了六边形排布的热电堆以提升密度，在1 cm × 1 cm的面积内设置了112对热电偶。所研制的热流传感器冷热端之间的温差主要由设置在热端的SiC吸热层提供。与仅依靠热阻层产生温差的传统设计相比，该传感器的输出性能更为显著。同时，得益于输出性能的提升，热阻膜可制备得更薄，从而显著提高传感器的响应速度。校准结果表明，随着热流密度的增大，传感器的输出灵敏度得到提升，有利于高温热流密度的测量。在低热流密度范围，该传感器的输出性能也优于无吸热层的传感器。采用热吸收率和热导率更高的薄膜，可进一步提升低热流密度范围的输出性能。
图5 热流传感器性能分析
多组传感器测试结果表明，在0-207 kW/m²范围内，传感器输出与热流密度的二次拟合决定系数R²大于0.999；在114-201 kW/m²线性工作区间内，传感器的最大热流密度灵敏度可达91.13 μV/(W/m²)。在不同激光功率和作用时长下，传感器的响应时间均快于2.85 ms。
该热流传感器对呼吸气流、火焰、热空气等热流信号具有良好的响应特性，有望应用于高温、快速变化的传热过程测量。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01361-7
延伸阅读：