基于薄膜熱電堆的新型高溫瞬態熱流密度傳感器的研制

周麗麗 劉正坤 寶劍光 柴葳 洪義麟

(1.中國科學技術大學國家同步輻射實驗室，合肥 230029；2.中航工業飛機強度研究所，西安 710065)

1 引 言

從20世紀60年代起，為滿足國防、航天事業的發展需要，通過“載人航天”等重大工程的牽引，地面試驗設備能力得到大力發展。與此同時，熱流密度測量技術也得到相應發展。熱流傳感器可用于測量飛機殼體與空氣在高超聲速飛行過程中所產生的熱流等[1]。如何高精度、快速地測量出表面熱流密度，是設計熱保護系統的關鍵。薄膜熱流傳感器具有熱容量小、靈敏度高、精度高等特點，可以制備在被測物表面或復雜形狀的物體上。雖然優點很多，但國內在日常的測量和應用中比較罕見，主要問題如下：(1)測試環境主要以低溫為主，電極材料仍為標準熱電偶型。(2)一致性較差，鍍膜設備比較復雜，生產效率低。(3)靈敏度受到限制，北工大李超等制作的熱流傳感器由于采用激光掩膜工藝，熱電偶數目并不多[4]。(4)熱流傳感器幾乎被國外廠商壟斷，包括美國Vatell公司、法國Captec公司、日本Kyoto、荷蘭Hukseflux公司、美國iTi等[4]。我國目前仍停留在使用圓箔式熱流傳感器，國外已經被薄膜熱流傳感器所取代。近年來，我國一些研究機構也開展了薄膜熱流傳感器的研制并取得了成功，但遺憾的是，尚未形成產業化生產。本文對國內、外現有的技術進行深入的研究，經過綜合分析，提出一種基于光刻技術與薄膜濺射工藝來研制薄膜熱流傳感器的方法。利用熱阻式熱流傳感器簡單的測量原理和方法，結合光刻技術與薄膜技術，在基底上濺射幾百對熱電偶，進行瞬態大熱流的測量，這種薄膜熱流傳感器，既適用于實際工程，又可以滿足航空航天對瞬態熱流的測量需求。

2 熱流密度測量原理

當有熱流通過傳感器時，在傳感區域的熱阻層兩側產生溫度梯度，根據傅里葉定律，可以獲得通過熱流傳感器的熱流密度。如圖1所示，熱流矢量方向與等溫面垂直。

圖1 傅里葉定律原理圖Fig.1 Schematic diagram of Fu Liye′s law

通過熱流傳感器的熱流密度q按式(1)表示

(1)

式中：q——熱流密度，W/m2;λ——熱阻層的導熱系數，W/m2·K;△T/△X——垂直于等溫面方向的溫度梯度;T1、T2——分別為熱阻層上、下表面的溫度，K;dx——熱阻層的厚度，m。

如果熱流傳感器材料和幾何尺寸確定，只要測得這個溫差也就可以得到熱流密度值。根據熱電堆測溫原理得到式(2)

E=S·N·ΔT

(2)

式中：E——輸出熱電勢，mV;S——熱電偶的塞貝克系數，mV/℃;N——組成熱電堆的熱電偶個數。

將式(1)與式(2)聯合起來，得到熱流密度與熱電堆輸出關系如式(3)

(3)

只要測得熱電勢的大小，熱流密度就可獲得。這里引用一個概念--傳感區域系數C。其意義是：熱流傳感器測量到CW/m2的熱流密度時，傳感器輸出1mV的熱電勢。傳感區域系數C值的倒數為靈敏度，C值越大，則傳感器靈敏度越低。傳感區域系數按式(4)計算。

(4)

熱流密度按式(5)計算

q=C·E

(5)

式中：C——傳感區域系數，W/m2·mV。

綜合上式，可以得到關于系數C的一些結論:

(1)熱電偶的數目越多，輸出熱電勢越大，傳感區域系數C越小，反應越靈敏。這就要求在設計熱流傳感器時，盡量在單位面積內安裝更多的熱電偶。

(2)不考慮溫度對熱阻層導熱系數λ和熱電偶塞貝克系數S的影響，熱流傳感器系數C是一個固定值。因此，在選擇熱阻層材料和熱電偶材料時，盡可能選擇熱阻層和熱電偶材料比較穩定的材料。

(3)熱阻層的厚度dx越大，傳感區域系數C越小，熱流傳感器越靈敏。但是，當厚度dx較大時，響應時間會變長，不利于瞬態熱流的測量。同時還會引起較大的側向熱流，改變傳感區域內部一維導熱條件，影響測量結果。因此，在熱流傳感器制作過程中，應當根據實際情況，綜合考慮上述因素，選取合適的材料，設計合理的結構尺寸。

3 熱流傳感器的設計與制作

3.1設計思路

整體結構是一個三層平面型結構，底層為水冷基底可置于高溫環境，頂層為階梯型熱阻層用于產生溫差，中間層為溫差檢測元件T型熱電堆,準確度可達±0.1℃。如圖2所示。圖中1為熱電堆冷端，2為熱電堆熱端。共有200對T型熱電偶串聯組成，基底尺寸為10mm×10mm，線寬為0.1mm，線長為1mm，金屬線條厚800nm來保證金屬膜是連續的，冷端熱阻層200nm，熱端熱阻層1200nm，使其產生較大的溫差。

圖2 平面結構示意圖Fig.2 Planar structure diagram

3.2制作材料

實驗用的無氧銅靶材直徑100mm，厚度5mm，純度為99.99%；康銅靶材(重量比：銅55%，鎳45%)直徑100mm，厚度5mm，純度為99.99%；氧化鋁靶材(熱阻層)直徑100mm，厚度8mm，純度99.99%；氫氧化鈉固體粉末；AZ5200光刻膠；TD-8810高溫銀粉導電膠。

3.3制作裝置

超聲波清洗機、KDC-40勻膠機、磁控濺射鍍膜機、SFG-02.400型電熱恒溫鼓風干燥箱、URE-2000/35型深紫外曝光機、DM-700C型真空鍍膜機等。

3.4制作步驟

新型高溫瞬態熱流密度傳感器的生產制作可分為三部分：剝離工藝、確定鍍膜方案和引線連接。

3.4.1 剝離工藝

剝離工藝的關鍵是形成上寬下窄的倒臺面光刻膠剖面，如圖3所示。濺射的金屬薄膜無法在掩模的上下兩端面連續,同時丙酮可以滲透到縫隙中，將金屬底部的光刻膠溶解,造成倒臺面上部的金屬坍塌，實現剝離。

圖3 剝離工藝示意圖Fig.3 Diagrammatic sketch of lift-off

3.4.1.1 基片清洗

基底的潔凈程度對薄膜的附著性有著重要影響，為了使基底表面干凈，去除表面粘附的油脂及有機物，首先用丙酮超聲清洗基底15 min，用氮氣吹干，放入SFG-02.400型電熱恒溫鼓風干燥箱中備用。

3.4.1.2 灰化

涂膠前對基底進行灰化，通過氧等離子體轟擊增加表面的附著力，防止顯影中出現脫膠問題。灰化使用的設備為DM-700C型真空鍍膜機，灰化真空度12Pa，轟擊電流120mA,時間15min。通過光學顯微鏡仔細觀察基底是否干凈，沒有雜質。

3.4.1.3 旋涂光刻膠

光刻膠選用AZ5200,設置KDC-40勻膠機轉速350rpm、時間3s，轉速為650rpm、時間11s。甩膠完成后需要在烘箱中進行前烘，蒸發光刻膠有機溶劑部分，使膠固化，前烘溫度90℃，時間30min。

3.4.1.4 紫外光刻

AZ5200光刻膠光刻增加反轉烘和泛曝光兩道工序，曝光設備為中科院光電研究所研制的URE-2000/35型深紫外曝光機，掩模曝光5s，反轉烘90℃，10min，泛曝光50s。曝光完成后將基底浸沒在5‰的NaOH溶液中顯影，時間90s左右。

3.4.2 鍍膜方案的確定

該方案在水冷塊基底上磁控濺射200對T型熱電偶，熱阻層氧化鋁厚度1μm。傳感區域分4次進行鍍膜：第1層鍍銅，第2層鍍康銅，厚度都為0.8μm，這2層金屬薄膜構成銅-康銅熱電堆，第3層鍍熱端熱阻層氧化鋁，厚度為0.2μm，第4層鍍冷端熱阻層氧化鋁，厚度為1.2μm。掩模如圖4所示，圖中“+”為掩模對準標記。

圖4 熱流傳感器掩模圖形Fig.4 Mask pattern of heat flux sensor

濺射金屬薄膜電極前要對基底進行灰化，高能等離子體轟擊可除去表面吸附的雜質，包括殘余光刻膠，改善薄膜形核和生長狀態，提高界面結合強度。通過多次摸索，得出鍍膜過程中的工藝參數，如表1所示。

表1 濺射鍍膜工藝參數Tab1 Parameters of sputtering coating process

3.4.3 引線連接

為了構成傳感器的測量回路并將輸出信號傳送到儀表上，常常需要補償導線將電極連接到測量儀器上。利用高溫導電膠的導電性及粘結力，在高溫熱處理的過程中，導電銀膠中的有機物揮發形成導電金屬，達到導線與薄膜連接的目的。該方法操作簡單、快捷，不需要復雜的裝置。

選用直徑為75μm的銅絲作為補償導線，用耐高溫的高強度導電銀膠TD-8810將銅絲與銅電極區域粘接在一起。自然干燥12h后，放入80℃烘箱中保溫2h，最后，在150℃保溫2h，用絕緣密封膠進行縫隙密封、絕緣及加固。其具體工藝流程如圖5所示。新型高溫瞬態熱流密度傳感器如圖6所示。

圖5 熱流傳感器工藝流程Fig.5 Manufacturing process of heat flux sensor

圖6 新型高溫瞬態熱流密度傳感器圖Fig.6 Novel high temperature transient heat flux sensors

4 傳感區域系數的標定及相關測試

本文采用比對法標定，即在均勻的加熱場下應用標準熱流傳感器測量加載熱流，同時采集待標定熱流傳感器的輸出熱電勢，從而實現校準的目的。通過調節標定系統中模塊化石英燈加熱臺加載電壓和電流，使其產生不同的熱流值。石英燈加熱臺主要依靠石英燈絲高溫輻射向外界提供能量，其最大的特點是熱慣性小，熱效率高、加熱時間長、易于控制，特別適用于加熱量較大的地面等效熱環境模擬試驗。利用美國vatell公司生產的水冷熱通量熱流傳感器TG-1000，編號9728，精度優于3%，作為標準熱流傳感器測量加載熱流密度，采集待標定的熱流傳感器的輸出電壓，用確定系數 R 的平方根來表征擬合的好壞。得到擬合直線如圖7～圖9所示。

圖7 熱流傳感器1#系數標定結果擬合直線Fig.7 Fitting straight line of calibration result of coefficient of heat flux sensor1#

圖8 熱流傳感器2#系數標定結果擬合直線Fig.8 Fitting straight line of calibration result of coefficient of heat flux sensor2#

圖9 熱流傳感器3#系數標定結果擬合直線Fig.9 Fitting straight line of calibration result of coefficient of heat flux sensor3#

從擬合結果來看，待標定的熱流傳感器輸出熱電勢與標準熱流傳感器測量得到的加載熱流密度呈現良好的線性關系，與理論分析一致。1#，2#，3#樣品的線性關系式分別為y=0.1216x-5.427，y=0.1209x-5.522，y=0.1209x-5.456。得到熱流傳感器1#傳感區域系數8.222kW/(m2·mV )，熱流傳感器2#傳感區域系數為8.273 kW/(m2·mV )，熱流傳感器3#傳感區域系數為8.269kW/(m2·mV )。表2列出了標定線性擬合結果及擬合誤差。

表2 標定線性擬合結果及擬合誤差Tab.2 Calibration results of linear fitting and fitting error

為了測試所研制的新型高溫瞬態熱流密度傳感器的一致性，分別對三支熱流傳感器進行了一致性及重復性試驗。

4.1一致性測試

工業化批量生產的產品需要保持良好的一致性，即每一個制作出來的產品的各項性能參數應該相同,結構參數應該相同，結構參數見表3。為了測試所研制的新型高溫瞬態熱流密度傳感器的一致性，將電壓從0V加載至6V，采集頻率10Hz，連續采樣30s，分別對三支熱流傳感器進行輸出電壓測量，如圖10所示。

表3 熱流傳感器結構參數Tab.3 Structure parameter of heat flux sensors

圖10 三支熱流傳感器同一條件下輸出電壓響應Fig.10 Output voltage response of three heat flux sensors under the same conditions

4.2重復性測試

將電壓分別從0V加載至2V，2V加載至4V，4V加載至6V，采集頻率10Hz，連續采樣10s，分別對三支熱流傳感器進行輸出電壓測量，如圖11～圖13所示。

圖11 熱流傳感器1#在0至2V的輸出熱電勢Fig.11 Output voltage of the heat flux sensor 1# at 0 to 2V

圖12 熱流傳感器2#在2至4V的輸出熱電勢Fig.12 Output voltage of the heat flux sensor 2# at 2 to 4V

圖13 熱流傳感器3#在4至6V的輸出熱電勢Fig.13 Output voltage of the heat flux sensor 3# at 4 to 6V

通過對比三支熱流傳感器的輸出電壓隨熱流密度的變化可以發現，在相同熱流密度條件下，整體趨勢是非常相似的，隨著加載熱流密度的增加，輸出熱電勢也隨之加大，影響熱流傳感器的測量。通過誤差計算公式進行兩兩比較，先求出殘余誤差，然后按貝塞爾公式計算，最后求取算術平均值，得到一致性誤差為0.211%，即工藝的一致性約為99.79%，創新研制的新型高溫瞬態熱流密度傳感器的一致性非常好，主要原因是后期濺射工藝確定以后,濺射薄膜的靶材成分不會發生變化，保證了電極材料的一致性，研制的熱流傳感器制備工藝流程具備良好重復性和可移植性。對比在不同熱流密度下的響應電壓可以發現，熱流傳感器1#的重復性約為99.65%，2#的重復性約為99.787%，3#的重復性約為99.86%，熱流傳感器1#的輸出有微小的差別，由于在制作過程中熱流傳感器1#金屬薄膜電極更厚，傳感區域系數更小，靈敏度更高。為此，如果基片在磁控濺射鍍膜機真空腔的安裝位置一致，金屬薄膜電極的制備更加均勻，傳感器的一致性和重復性會進一步提高。良好的一致性、重復性、穩定性可大大減輕批量標定的工作量，為熱流傳感器標準化、產業化提供了良好的基礎。

5 標定過程的誤差分析

5.1 標定環境中的空氣擾動。標定廠房不規則的空氣流動和實驗人員的來回走動等導致熱流場變化，從而影響標定的一致性。

5.2 測試儀表引入的誤差。測試儀表的測量精度和采集系統的延遲會對熱流傳感器的測量精度和響應時間有較大的限制，從而影響熱流傳感器的測量效果。

6 結束語

本文針對目前國內薄膜瞬態熱流傳感器制備工藝不成熟、制備效率低下等問題，提出了基于離子束濺射鍍膜工藝和光刻工藝的制備方法，200對T型金屬薄膜熱電偶沉積在10mm×10mm的水冷塊上，測量1μm的氧化鋁熱阻層溫差，從而得到瞬態熱流密度值。對熱流傳感器進行比對法標定，結果表明熱流傳感器1#傳感區域系數為8.222kW/(m2·mV)，2#傳感區域系數為8.273kW/(m2·mV)，3#傳感區域系數為8.269kW/(m2·mV)。通過對比在相同熱流密度條件下三支熱流傳感器的輸出電壓可知，一致性誤差為0.211%，符合檢定規程的要求，即工藝的一致性約為99.79%。對同一支傳感器重復進行3次實驗，薄膜熱流傳感器重復性較好，分別為99.65%，99.787%，99.86%。實驗表明，新研制的新型高溫瞬態熱流密度傳感器的一致性非常好,制備工藝具備良好重復性和可移植性，能夠滿足高溫瞬態熱流檢測需要，為熱流傳感器的推廣應用及標準化、批量化生產提供了良好的技術支撐。下一個目標是增強薄膜致密性和高溫特性，改善熱阻層與基底的熱膨脹匹配性。