薄膜熱電偶溫度傳感器研究進展*

趙源深，楊麗紅

（上海理工大學機械工程學院，上海 200093）

0 引言

在科學技術飛速發展的今天，各種材料低維化已經成為了材料科學發展的重要趨勢之一，大量不同功能的薄膜材料已經在工業生產中得到了越來越多的應用，而薄膜熱電偶溫度傳感器正是隨著薄膜材料技術發展而出現的新型傳感器。與普通體塊型熱電偶相比，薄膜熱電偶具有典型的二維特性，其熱結點厚度為微納米量級，因此，具有熱容量小、響應迅速等［1］優點，能夠準確測量瞬態溫度變化。

目前，國內關于薄膜熱電偶溫度傳感器的研究工作主要集中在制備工藝的研究和傳感器的標定上面。隨著薄膜制備技術日趨多樣化，熱電偶薄膜的制備工藝也越來越復雜，工藝的優劣將直接關系到薄膜熱電偶溫度傳感器的各項性能指標，因此，研究制備工藝在其研究中占據非常重要的地位。到目前為止，由于缺乏相關理論基礎和有效的實驗途徑，動態標定依然困擾薄膜熱電偶發展，同時也是急需解決的關鍵問題。近來，國內外相關研究人員從材料物理性能角度出發對薄膜熱電偶展開研究，并取得了一定的研究成果，這些都推動了其進一步發展。在此基礎上，本文綜述了薄膜熱電偶溫度傳感器的國內外的發展現狀，著重介紹了其發展的關鍵技術問題，以及對其未來發展的展望。

1 國內外發展現狀

1.1 國外發展現狀

薄膜熱電偶溫度傳感器的概念最早是由德國人Hackemann P［2］提出的，他將其成功用于測量槍膛在子彈射出后膛壁的溫度變化，此時薄膜厚度達到了2 μm。隨后，美國人 Bendersky D［3］在Hackemann P的基礎上研制出了熱結點厚度為1μm的薄膜熱電偶，從而進一步減小了測溫響應時間。在20世紀60年代，為了測定內燃機壁面的瞬變溫度，日本人小栗達、原正鍵等人發明出了夾板式薄膜熱電偶溫度傳感器，而與此同時，英國人Marshall［4］則提出將熱電極以薄膜的形式直接沉積在被測表面的方法，這兩種方法都比較好地解決了這一問題。美國通用電氣公司［5］采用濺射鍍膜技術制備了響應時間為140 μs的Au-Pd薄膜熱電偶傳感器，并將其應用在測量激光束熱流量的分布。

近年來，國外在薄膜熱電偶溫度傳感器的研究上面又有了新的進展。2006年，圣保羅大學的Cattani M和Salvadori M C等人［6］通過對Pt/Au薄膜熱電偶進行研究，提出了薄膜熱電偶的量子尺寸效應。當薄膜厚度d小于平均自由程l時，薄膜熱電偶的熱電動勢與其厚度的倒數1/d呈現非線性化關系。2008年，日本茨城大學的 Shinozuka J等人［7］采用嵌入式薄膜熱電偶傳感器測量切削刀具工作時的高溫變化，他們通過將內置在刀具中的薄膜熱電偶溫度傳感器在FDA溫度模擬系統中進行仿真實驗，得出的結論表明薄膜熱電偶的賽貝克系數（熱電動勢系數）與薄膜熱電偶回路的電阻呈指數關系。威斯康辛大學麥迪遜分校機械工程系的 Choi H和 Li Xiaochun［8，9］為了研究激光微加工系統的工作機理，他們利用熱結點為2 μm×2 μm快速響應薄膜溫度傳感器，有效地對系統工作溫度進行監測。

2009 年，韓國光州科學技術院的Korotcenkov G和Cho B K［10］研究了薄膜厚度對SnO2基氣敏薄膜傳感器性能影響，其關于功能薄膜尺寸效應的研究思想為薄膜熱電偶溫度傳感器在這方面的研究提供了重要借鑒。實驗結論表明:薄膜厚度決定傳感器的重要特性，因此，確定尺寸效應也是薄膜熱電偶溫度傳感器的重要研究方面，確定熱電偶薄膜厚度方向上的尺寸主要參考因素是其響應速率和靈敏度的要求。

1.2 國內發展現狀

隨著對薄膜熱電偶溫度傳感器應用需求的不斷提高，國內的相關技術也在快速發展。早在1992年，沈陽航空發動機研究［11］所就自行開發設計出一種新型薄膜溫度傳感器，它采用真空鍍膜的方法，將鉑銠10—鉑熱電偶直接制作在渦輪葉片表面，使二者合為一體，從而減小了傳感器對葉片內部換熱和表面燃氣流的干擾，因此，能夠真實而快速地測量葉片表面溫度，其測量精度能達到±3%。1996年，西北工業大學［12］以陶瓷片為基體材料，采用射頻濺射技術成功研制出膜厚為700 nm的Ta薄膜便攜式熱電偶，這種BMB—I型薄膜溫度傳感器不僅很好地解決了絕緣和鍍膜牢固的問題，而且還取得了較高的測量參數:其測溫范圍為0～1200℃，測量精度達到0.5%，響應時間常數小于50μs，已經廣泛應用在各種生產行業當中。

21世紀以來，國內研究人員在薄膜熱電偶傳感器的制備工藝、動態標定以及理論建模等領域都開展了大量工作。大連理工大學精密與特種加工重點實驗室［13，14］運用磁控濺射法，制備出NiCr/NiSi薄膜熱電偶溫度傳感器，并采用激光脈沖法對其進行了動態標定。在借鑒前人激光脈沖標定法的基礎上，中北大學［15］研究人員設計出一套動靜態一體化標定系統，他們用CO2激光器作為靜態標定激勵源，釹玻璃脈沖激光器作為動態標定激勵源，這樣的設計消除了由于表面熱輻射系數差異和位置移動而形成的系統誤差。為了有效解決薄膜熱電偶動態標定過程中數據處理的難題，南京師范大學［16，17］采用動態建模和動態補償的方法對傳感器進行動態校準，并在此基礎上引入小波變換來對實驗數據進行去噪預處理，從而推動了薄膜熱電偶溫度傳感器動態標定的理論發展。2010年，中國飛機強度研究所［18］利用濺射薄膜熱電偶對非金屬結構表面瞬態溫度進行測量的應用研究，并探討了薄膜熱電偶在瞬態加熱條件下與粘貼的常規熱電偶在測量結果上的區別，從而為薄膜熱電偶應用與熱流密度即高溫應變的測量提供了理論基礎。

2 薄膜熱電偶溫度傳感器的關鍵技術

2.1 薄膜熱電偶臨界厚度的確定

根據薄膜的尺寸效應理論，在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物質的連續性具有不確定性。當薄膜的厚度小于某一值時，薄膜連續性發生中斷，從而引起電子輸運現象發生變化，因此，薄膜熱電偶的厚度不是越薄越好，而是存在一個臨界厚度。當薄膜厚度d大于臨界厚度時，金屬薄膜電阻率ρf與厚度之間存在一定關系，即ρf×d值與d呈線性關系，可以根據這一關系來確定金屬薄膜的臨界厚度。

1967 年，美國肯尼科特公司的Ledgemont［19］實驗室就開始對薄膜熱電偶的尺寸效應進行研究，他們通過對不同膜厚的Cu/CuNi薄膜熱電偶的賽貝克系數進行對比，發現當薄膜熱電極的厚度小于120 μm時，其熱電動勢系數急劇減小，電阻率急劇增大。反之，不僅其熱電動勢系數與普通體快型熱電偶相當，而且熱電動勢響應時間也會大大減小，小于1 μs。這表明要研究薄膜熱電偶的熱電動勢系數和響應時間，首先需要確定薄膜的臨界厚度。

2.2 擴散現象對薄膜熱電偶性能的影響

薄膜熱電偶溫度傳感器的工作核心是由2個熱電極薄膜相互搭接而成的熱結點，不同于體塊型熱電偶，由于薄膜材料之間普遍存在相互擴散的現象，而這種金屬薄膜之間的相互擴散勢必會對薄膜的各項性能產生影響，因此，研究薄膜熱電偶電極材料之間的擴散現象對于研制薄膜熱電偶傳感器具有重要意義。

在薄膜熱電偶的熱結點處，兩層金屬薄膜之間所形成的界面通常既不是完全混亂，也不完全有序，而是一種相當復雜的結構。在界面中會產生各種各樣的缺陷，如空位、替位或填隙雜質等，而這些缺陷會通過擴散向金屬薄膜的內部轉移。金屬薄膜相互擴散現象通常可分為可互溶的單晶薄膜擴散和多晶薄膜間的擴散兩種類型，金屬薄膜之間的擴散類型不同所導致的費米能級的變化也不同，進而引起不同的電學特性的改變。如［20］金屬多晶Ag—Au雙層膜之間，在室溫下會發生明顯的相互擴散現象。這主要是由于缺陷短路效應所引起的，即Au沿著Ag的晶粒界面擴散，進而引起薄膜界面之間的勢壘。此外，為了避免金屬基底與金屬薄膜之間的相互擴散，大連理工大學的賈穎等人［21］在W18Cr高速鋼刀頭上鍍制NiCr/NiSi薄膜熱電偶之前，先在刀頭上鍍了一層SiO2薄膜，其作用除了起到絕緣的作用外，同時也是為了阻擋刀頭的金屬元素擴散到熱電偶薄膜當中，影響薄膜熱電偶性能。

2.3 薄膜熱電偶制備工藝的研究

當前制備功能薄膜的技術很多，主要是物理氣相沉積（PVD）和化學氣相沉積（CVD）兩大類方法［22］。不同的薄膜制備技術各有其特點，其中，屬于物理氣相法的濺射鍍膜技術，由于具有高速、低溫、低損傷等優點，同時還可以很好地解決熱電極材料在熱結點處的交叉復合等問題，所以，非常適合用來制備熱電偶薄膜。同時，薄膜在制備過程中不可避免會產生各種各樣的缺陷，這些缺陷會影響薄膜熱電偶的電學性能，而熱處理則可以有效地消除缺陷，改善薄膜的內部組織，提高其性能，所以，薄膜的熱處理工藝也是薄膜熱電偶制備工藝重要的研究領域。

國內外在這方面都做了大量的研究工作，如NIST的Kreider K G 等人［23，24］，研究了反應濺射方法沉積透明導電的氧化銦錫和氧化銻錫熱電偶薄膜的工藝參數和相應的后續熱處理工藝對薄膜熱電偶性能的影響。他們通過控制工藝參數制成了薄膜電阻率為0.001～0.1Ω·cm的不同薄膜熱電偶，并對其進行不同工藝的熱處理。經過靜態標定后發現其賽貝克系數分布在12～80 μV/℃之間。這表明，基片溫度、濺射氣氛、濺射速率、沉積均勻性等鍍膜工藝參數和后續熱處理工藝對控制薄膜的電阻率與熱電勢系數都是非常重要的。

3 結束語

薄膜熱電偶溫度傳感器以其快速響應特性和較高的測溫精度，非常適合對物體表面、小間隙等瞬變溫度測量，具有廣闊的應用前景，但薄膜熱電偶溫度傳感器技術還有待進一步的發展。主要表現在:1）新型薄膜熱電偶傳感器的設計與開發;2）薄膜熱電偶溫度傳感器動態標定理論與實驗方法的創新;3）進一步提高薄膜熱電偶溫度傳感器靈敏度和穩定性;4）薄膜熱電偶溫度傳感器在MEMS中的應用創新。

［1］Liu Yang，Wu Shuang，Zhao Yonggang.Research and developing status on temperature senor of thermocouple［J］.China Instrumentation，2003，11:1 －3.

［2］朱亞明.薄膜溫度傳感器的研制［D］.大連:大連理工大學，2007:4－7.

［3］Zhang Yichen，Ba Dechun，Liu Xidong，et al.Latest progress in development of thin film temperature sensors［J］.Vacuum Science and Technology，2003，23（5）:334 －339.

［4］Fenlei J，Will H A.Thin-film thermocouples and strain gauge technologies for engine application［J］.Sensors and Actuators，1988，65:187 －193.

［5］Gualous H.Thin-film thermal sensor fabrication and application［C］//Part of the Conference on Device and Process Technologies for MEMS and Microelectronics，1999:386 －390.

［6］Cattani M，Saivadori M C，Vaz A R，et al.Thermoelectric power in very thin film thermocouples:Quantum size effects［J］.Journal of Applied Physics，2006，100:114905 －114909.

［7］Shinozuka J，Basti A，Obikawa T.Development of cutting tool with built-in thin film thermocouples for measuring high temperature fields in metal cutting processes［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2008，130:034501 －034506.

［8］Choi H，Li Xiaochun.Fabrication and application of micro thin film thermocouples for transient temperature measurement in nanosecond pulsed laser micromachining of nickel［J］.Sensors and Actuators A，2007，136:118 －124.

［9］Choi Hongseok，Li Xiaochun.Experimental investigations of laser micromachining of nickel using thin film micro thermocouples［J］.Journal of Manufacturing Science and Engineering，2008，130:021002－021008.

［10］Korotcenkov G，Cho B K.Thin film SnO2-based gas sensors:Film thickness influence［J］.Sensors and Actuators B:Chemical，2009，142:321－330.

［11］安保合.薄膜溫度傳感器的研制及應用［J］.推進技術，1992（1）:63－67.

［12］薛 暉，李付國，黃呂權.便攜式薄膜熱電偶測溫傳感器［J］.傳感器技術，1996（1）:46－48.

［13］朱亞明，張 軍，崔云先，等.NiCr/NiSi薄膜熱電偶傳感器的研制及有限元模擬［J］.儀表技術與傳感器，2008（9）:15－17.

［14］Zeng Qinyong，Sun Baoyuan，Xu Jing，et al.Development of thinfilm thermocouple for measurement of workpiece temperature in chemical explosive material machining［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2006，42（3）:206 －211.

［15］Zhou Hanchang，Zhao Dong.A study on the method of calibration for transient surface temperature detectors［J］.Acta ArmamentarⅡ，2001，22（2）:263 －265.

［16］任 玲，黃鳳良.薄膜熱電偶動態特性標定技術研究現狀［J］.傳感器與微系統，2006，25（10）:4 －6.

［17］劉 清.基于模型參考的薄膜熱電偶傳感器動態誤差補償算法［J］.南京師范大學學報:工程技術版，2006，6（1）:5 －8.

［18］郝慶瑞，姜亞軍.濺射薄膜熱電偶在非金屬結構表面瞬態溫度測量中的應用研究［J］.宇航計測技術，2010，30（2）:21－25.

［19］Chopra K L，Bahl S K，Randlett M R.Thermopower in thin-film copper-constantan couples［J］.Journal of Applied Physics，1968，39（3）:1525－1528.

［20］薛增泉，吳全德，李 浩，等.薄膜物理［M］.北京:電子工業出版社，1991:195－228.

［21］賈 穎，孫寶元，曾其勇，等.磁控濺射法制備NiCr/NiSi薄膜熱電偶溫度傳感器［J］.儀表技術與傳感器，2006（2）:1－3.

［22］田民波.薄膜技術與薄膜材料［M］.北京:清華大學出版社，2006:442－539.

［23］Kreider K G.Thin film thermocouples for internal combustion engines［J］.Journal of Vacuum Science ＆ Technology A，1986，4（6）:2618－2623.

［24］Burgess D，Yust M，Kreider K G.Transient thermal response of plasma-sprayed zirconia measured with thin-film thermocouples［J］.Sensors and Actuators A，1990，24（2）:155 －161.