薄膜微結(jié)構(gòu)換能元溫度測(cè)量技術(shù)研究*

張一中，韋學(xué)勇*，張國(guó)棟，趙玉龍，平 川，張 蕊，任 煒

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710061)

為了滿足武器裝備信息化、智能化和微型化的發(fā)展需求，以MEMS 火工品為代表的第四代火工品得到了各國(guó)研究者的青睞，成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的重要前瞻領(lǐng)域[1-2]。 MEMS 火工技術(shù)是以MEMS 技術(shù)的先進(jìn)制造和集成為指導(dǎo)思想，采用MEMS 工藝將薄膜微結(jié)構(gòu)換能元、微含能芯片和微安保機(jī)構(gòu)等進(jìn)行集成化制造[3-4]。 其中，薄膜微結(jié)構(gòu)換能元是MEMS火工品的核心部分，其性能直接影響著火工品的安全性與可靠性。 因此，開(kāi)展MEMS 火工品薄膜微結(jié)構(gòu)換能元輸出性能研究十分必要。

目前，換能元溫度測(cè)試主要采用紅外熱像儀[2，5-7]，該方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式測(cè)量，并具有響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是其成本高、測(cè)量結(jié)果易受被測(cè)表面發(fā)射率的影響[8]。 而薄膜熱電阻可通過(guò)MEMS 工藝制備以適用于小間隙場(chǎng)合測(cè)量[9]，且具有低成本、高精度等特性。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)熱電阻進(jìn)行了大量研究，如法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心Mailly等人[10]研究了改善鉑電阻溫度系數(shù)的不同沉積方法，其中電子束蒸發(fā)制備的Pt 傳感器在600 ℃進(jìn)行熱處理，TCR 基本保持不變，接近3.1×10-3/℃。 西北工業(yè)大學(xué)趙建國(guó)等人[11]以Ni 為熱敏材料、PI 為基底，制備了線性度較好的柔性溫度傳感器，并通過(guò)研究濺射及熱處理工藝，提高了電阻溫度系數(shù)，解決了薄膜黏附性問(wèn)題，電阻溫度系數(shù)達(dá)4.64×10-3/℃。上海交通大學(xué)段力等人[12]在氧化鋁基板上制備了鉑薄膜溫度傳感器，并在25 ～900 ℃范圍內(nèi)研究了電阻-溫度關(guān)系以及熱處理工藝對(duì)電阻率和電阻溫度系數(shù)的影響規(guī)律。 結(jié)果表明，薄膜鉑電阻具有良好線性度，熱處理后的最大電阻溫度系數(shù)為2.44×10-3/℃。 上述研究多集中于提高電阻溫度系數(shù)，使其接近塊材。 本文則利用MEMS 技術(shù)將薄膜鉑電阻與薄膜微結(jié)構(gòu)換能元集成，通過(guò)測(cè)量鉑電阻的阻值變化來(lái)獲得薄膜微結(jié)構(gòu)換能元溫度變化；并利用多物理場(chǎng)有限元軟件(COMSOL MultiphysicsTM)對(duì)薄膜微結(jié)構(gòu)換能元進(jìn)行仿真，與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 換能元與熱電阻的集成化設(shè)計(jì)與制備

1.1 薄膜集成化設(shè)計(jì)

鉑由于具有良好的物理和化學(xué)穩(wěn)定性，且抗氧化和高溫穩(wěn)定性優(yōu)良，因此選擇鉑(Pt)作為微結(jié)構(gòu)換能元材料，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為橋式(如圖1 所示)，設(shè)計(jì)參考電阻值為1Ω ～10 Ω，為達(dá)到電阻設(shè)計(jì)值，橋區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為:長(zhǎng)×寬×厚= 100 μm×50 μm×500 nm。 利用薄膜電阻計(jì)算式(1)和薄膜電阻率式(2)，并考慮引線電阻，計(jì)算得總設(shè)計(jì)電阻約為5 Ω。

式中:ρ，ρB為薄膜電阻率和金屬塊材電阻率(Ω·m)；λ為金屬的平均電子自由程(nm)；t為薄膜厚度(nm)；l為薄膜長(zhǎng)度(μm)；w為薄膜寬度(μm)。

為了測(cè)量薄膜微結(jié)構(gòu)換能元在直流激勵(lì)過(guò)程中溫度的變化，以及滿足測(cè)量范圍不大于1 mm 要求，在換能元周圍設(shè)計(jì)了兩種不同形狀的薄膜鉑電阻。如圖1 所示，薄膜熱電阻1 布置在最接近微結(jié)構(gòu)換能元主要發(fā)熱區(qū)域的位置，其目的是測(cè)量微結(jié)構(gòu)換能元在直流激勵(lì)下溫度的變化情況；薄膜熱電阻2以微結(jié)構(gòu)發(fā)熱區(qū)為圓心，以圓弧形式布置在微結(jié)構(gòu)換能元周圍，其目的是為了研究藥劑在加熱過(guò)程中受熱的均勻性。 電阻溫度系數(shù)是表征薄膜溫度傳感器的重要參數(shù)，它影響著溫度傳感器的靈敏度，故在薄膜Pt 電阻設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須考慮電阻溫度系數(shù)。薄膜Pt 電阻的電阻溫度系數(shù)與薄膜厚度關(guān)系如圖2 所示，兩者呈正相關(guān)，并且當(dāng)厚度大于1 μm 時(shí)，薄膜電阻溫度系數(shù)趨于塊材電阻溫度系數(shù)。 因此，為了盡可能接近塊材電阻溫度系數(shù)，薄膜厚度設(shè)計(jì)為1 μm。

圖1 薄膜鉑電阻與薄膜微結(jié)構(gòu)換能元集成示意圖

圖2 薄膜鉑電阻溫度系數(shù)與厚度關(guān)系[9]

根據(jù)薄膜電阻溫度系數(shù)計(jì)算式(3)可知，電阻溫度系數(shù)與初始電阻值呈反比，與靈敏度呈正比。 當(dāng)薄膜Pt 電阻的電阻溫度系數(shù)確定后，為了獲得較大的靈敏度，薄膜Pt 電阻的初始電阻值應(yīng)大一些。 由式(1)和式(2)可知，薄膜電阻值不僅與厚度有關(guān)，也與長(zhǎng)度成正比，與寬度成反比。 此外，當(dāng)薄膜厚度比金屬材料的平均自由程大一個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)，可以忽略表面散射對(duì)薄膜電阻的影響[13]。 Pt 電阻的平均自由程一般為11 nm，故薄膜厚度一般大于110 nm[14]。

式中:α為電阻溫度系數(shù)(℃-1)；R為溫度為T時(shí)的電阻值(Ω)；R0為溫度為T0時(shí)的電阻值(Ω)；T為薄膜電阻溫度(℃)；T0為薄膜電阻初始溫度值(℃)；S為薄膜電阻的靈敏度(Ω/℃)。

為進(jìn)一步確定薄膜Pt 電阻的幾何參數(shù)，利用COMSOL 軟件對(duì)熱電阻1 進(jìn)行了仿真，主要研究線寬、厚度和間隙對(duì)于熱響應(yīng)的影響。 如圖3 所示，圖3(a)顯示了某一時(shí)刻熱電阻1 上溫度的分布，溫度在熱電阻1 上分布均勻，溫差不超過(guò)1 ℃，避免了溫度在熱電阻上分布不均造成的測(cè)量誤差；由圖3(b)、(c)和(d)可知，厚度對(duì)于熱電阻響應(yīng)的影響最為明顯，間隙對(duì)于熱電阻響應(yīng)的影響最小。 考慮到以上因素、測(cè)試區(qū)域大小以及加工工藝的影響，熱電阻幾何參數(shù)設(shè)計(jì)如表1 所示。

圖3 不同幾何參數(shù)條件下熱電阻1 的響應(yīng)

表1 熱電阻幾何參數(shù)

1.2 集成化薄膜制備

由于薄膜微結(jié)構(gòu)換能元與薄膜Pt 電阻制備在同一平面上，且它們的厚度不同，因此需要通過(guò)多次濺射工藝制備。 具體制備流程如圖4 所示:(a)在4 英寸硅片上通過(guò)LPCVD 沉積300 nm 的Si3N4，以起到絕緣和減少熱損失的作用；(b)在襯底上涂一層AZ4620 光刻膠；(c)光刻并顯影；(d)磁控濺射沉積約250 nm Pt，從而形成薄膜熱電阻；(e)用丙酮溶液去除剩余的光刻膠，最終形成薄膜Pt 電阻圖案；(f)在襯底上再涂一層AZ4620 的光刻膠；(g)光刻并顯影；(h)磁控濺射沉積約0.5 μm Pt，形成薄膜微結(jié)構(gòu)換能元；(i)用丙酮溶液去除剩余的光刻膠，得到Pt 電阻與換能元的集成單元。 樣品顯微鏡照片如圖5 所示。

圖4 薄膜微結(jié)構(gòu)換能元與薄膜鉑電阻集成化加工流程

圖5 換能元與熱電阻集成化顯微鏡圖

2 薄膜鉑電阻測(cè)試

薄膜Pt 電阻測(cè)試主要包括幾何參數(shù)表征和靜態(tài)性能標(biāo)定兩部分。 幾何參數(shù)表征主要是利用AFM 對(duì)線寬、厚度等進(jìn)行測(cè)試；靜態(tài)標(biāo)定主要是對(duì)薄膜Pt 電阻的電阻-溫度特性進(jìn)行標(biāo)定并對(duì)靜態(tài)特性進(jìn)行分析，為測(cè)量薄膜微結(jié)構(gòu)換能元溫度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.1 幾何參數(shù)表征

薄膜Pt 電阻幾何參數(shù)主要包括線寬、間隙和厚度，這些參數(shù)影響著薄膜電阻值，而電阻值大小直接影響著器件的靈敏度。 由于熱電阻1 的間隙設(shè)計(jì)值為5 μm，利用AFM 測(cè)量其輪廓，結(jié)果如圖6 所示，熱電阻1 的平均厚度約為282 nm，平均線寬約為5.105 μm，平均間隙約為4.713 μm。 如圖7(a)所示，AFM 測(cè)得熱電阻2 的線寬約為9.7 μm，厚度約為250 nm；如圖7(b)所示，用顯微鏡測(cè)得熱電阻2的外徑約為781.11 μm，與設(shè)計(jì)值基本保持一致。

圖6 熱電阻1 輪廓圖

圖7 熱電阻2 測(cè)量結(jié)果

2.2 靜態(tài)標(biāo)定及分析

靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性，如線性度、靈敏度等。 在靜態(tài)標(biāo)定中，薄膜Pt 電阻的接線方式會(huì)影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。 為了減少導(dǎo)線和接觸電阻引起的誤差，采用四線制接線法[15]。 此外，必須選擇合適的測(cè)量電流，電流太大會(huì)產(chǎn)生明顯的自熱效應(yīng)，太小又會(huì)使輸出電壓信號(hào)微弱，增加了測(cè)量電路的復(fù)雜性。 本文中的測(cè)量電流選擇1 mA。

對(duì)熱電阻1 和熱電阻2 進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定過(guò)程中，升溫梯度為50 ℃，升溫速率為1 ℃/min，溫度從100 ℃～500 ℃變化過(guò)程中測(cè)量電阻變化值，利用最小二乘法對(duì)三次測(cè)量結(jié)果分別進(jìn)行擬合。 如圖8 所示，第一次測(cè)量結(jié)果和后兩次測(cè)量結(jié)果相差較大，第二次和第三次重復(fù)性較好。 這主要是因?yàn)樵诘谝淮螠y(cè)量過(guò)程中，薄膜Pt 電阻經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的加熱，相當(dāng)于對(duì)其在空氣中進(jìn)行熱處理，減少了沉積Pt 薄膜的缺陷(如空位、錯(cuò)位、晶粒間界)，同時(shí)薄膜的內(nèi)應(yīng)力得到釋放，由原來(lái)介穩(wěn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，薄膜電阻的性能也發(fā)生相應(yīng)改變[16]。 如表2 所示，線性擬合系數(shù)R2在第一次測(cè)量之后有所提高，均大于0.998；靈敏度、線性度和電阻溫度系數(shù)也均在第一次測(cè)量之后有所改善，并且第二次和第三次基本保持一致。 經(jīng)過(guò)合適的熱處理之后，薄膜Pt 電阻表現(xiàn)出良好的靜態(tài)性能。

圖8 薄膜鉑電阻—溫度曲線

表2 薄膜鉑電阻靜態(tài)特性

3 換能元溫度測(cè)試

3.1 不裝藥測(cè)試

薄膜微結(jié)構(gòu)換能元是一種利用焦耳熱效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為熱能的器件，主要用于藥劑的起爆，實(shí)現(xiàn)對(duì)外做功。 為了獲得薄膜微結(jié)構(gòu)換能元的溫度響應(yīng)特性，本文對(duì)換能元在不同直流激勵(lì)下的溫度變化進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量裝置如圖9 所示。 首先，用500 mA 直流激勵(lì)薄膜微結(jié)構(gòu)換能元，多次測(cè)量薄膜熱電阻1的電阻變化并繪制出溫度隨時(shí)間變化的誤差帶。 如圖10 所示，多次測(cè)量結(jié)果重復(fù)性比較好，最大相對(duì)偏差不超過(guò)2.4%。 其次，利用COMSOL 軟件對(duì)薄膜微結(jié)構(gòu)換能元進(jìn)行熱電仿真，電流終端設(shè)置為500 mA，獲取與熱電阻1 對(duì)應(yīng)位置點(diǎn)的溫度變化。如圖11 所示，仿真結(jié)果與測(cè)量值基本保持一致。

圖9 薄膜微結(jié)構(gòu)換能元溫度測(cè)量裝置示意圖

圖10 熱電阻1 測(cè)量溫度誤差帶

圖11 熱電阻1 測(cè)得溫度與仿真值的對(duì)比

此外，為了獲得薄膜微結(jié)構(gòu)換能元能夠承受的最大激勵(lì)電流，以100 mA 為梯度，逐漸增大激勵(lì)電流，同時(shí)測(cè)量熱電阻1 的阻值變化。 如圖12 所示，在激勵(lì)電流為900 mA，激勵(lì)時(shí)間約為20 s 時(shí)，換能元由于熱應(yīng)力失配從基底上剝落失效，此時(shí)熱電阻1 測(cè)量溫度值約為500 ℃。 根據(jù)對(duì)薄膜微結(jié)構(gòu)換能元在不同激勵(lì)電流的溫度特性測(cè)量，在900 mA 激勵(lì)電流內(nèi)可以滿足常用點(diǎn)火藥點(diǎn)火溫度的要求[17]。

圖12 不同直流激勵(lì)下溫度隨時(shí)間變化過(guò)程

3.2 斯蒂芬酸鉛點(diǎn)火測(cè)試

將集成薄膜Pt 電阻的微結(jié)構(gòu)換能元與裝藥腔通過(guò)紫外固化膠粘結(jié)，然后將斯蒂芬酸鉛藥劑裝入藥腔。 利用700 mA 恒流激勵(lì)薄膜微結(jié)構(gòu)換能元，共進(jìn)行4 次實(shí)驗(yàn)，四次測(cè)得點(diǎn)火溫度分別為330 ℃、300 ℃、298 ℃和345 ℃，平均溫度為318 ℃，與理論值330～350 ℃接近[18]。 圖13 為典型的測(cè)試結(jié)果圖，可以看出，熱電阻1 最先測(cè)到溫度，然后熱電阻2 才開(kāi)始測(cè)到溫度。 這是由于熱電阻2 比熱電阻1距換能元更遠(yuǎn)，熱量傳遞需要一定時(shí)間。 因此，熱電阻1 在相同時(shí)間內(nèi)比熱電阻2 接受到的溫度更高。熱電阻1 信號(hào)最先消失，這是由于斯蒂芬酸鉛點(diǎn)燃后將熱電阻1 結(jié)構(gòu)破壞，此時(shí)的溫度即為斯蒂芬酸鉛的點(diǎn)火溫度。 點(diǎn)火時(shí)，熱電阻2 比熱電阻1 溫度低140 ℃，這是由于在加熱過(guò)程中，熱量向藥劑傳導(dǎo)，導(dǎo)致其在基底上分布不均所致。

圖13 點(diǎn)火測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本文研究了薄膜微結(jié)構(gòu)換能元與薄膜Pt 電阻集成化設(shè)計(jì)與制備，并利用薄膜Pt 電阻測(cè)量了薄膜微結(jié)構(gòu)換能元在直流激勵(lì)下的溫度變化過(guò)程；利用COMSOL 軟件對(duì)薄膜微結(jié)構(gòu)換能元進(jìn)行仿真，并與測(cè)量值進(jìn)行了對(duì)比。 結(jié)果表明，薄膜Pt 電阻在100 ℃～500 ℃內(nèi)具有良好的線性度。 在500 mA 直流激勵(lì)下，利用Pt 電阻對(duì)換能元溫度進(jìn)行多次測(cè)量，最大相對(duì)偏差不超過(guò)2.4%，并且與仿真值基本保持一致。 在900 mA(20 s)直流激勵(lì)下，薄膜微結(jié)構(gòu)換能元能點(diǎn)火溫度達(dá)到500 ℃，高于常見(jiàn)起爆藥和點(diǎn)火藥的發(fā)火溫度；此外，還測(cè)量了斯蒂芬酸鉛的點(diǎn)火溫度，結(jié)果與參考值基本接近。 后續(xù)工作將繼續(xù)改善傳感器性能，并結(jié)合不同藥劑(如疊氮化鉛、疊氮化銅等)開(kāi)展更多溫度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，為微納結(jié)構(gòu)藥劑微小尺度下輸出性能研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。