基于熱電堆的新型高溫薄膜熱流傳感器的研制*

郭林琪，張梅菊，金 毅，王禹森，胡國勝，楊伸勇，張叢春*

(1.上海交通大學微米/納米加工技術國家重點實驗室，上海，200240；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院微納電子學系，上海，200240；3.北京長城航空測控技術研究所先進傳感器技術中心，北京，101111)

進入中國制造2025時代，中國的航空航天領域迎來了新一輪的發展機遇，航空發動機作為航空飛行器的核心組件，其設計與研制必須依托先進有效的測試技術來驗證其各項設計性能指標與可靠性[1]。換而言之，航空發動機測試技術是一項在整個發動機預研試驗研究和工程發展應用階段必不可少的支撐性技術，而其中航空發動機熱端部件表面精準的熱流分布信息對于驗證熱-機械建模與仿真的有效性、驗證氣膜冷卻技術冷卻效果及熱障涂層的性能、評估燃氣的燃燒效率、監測發動機運行狀態及故障診斷等環節至關重要[2]。薄膜熱流傳感器是采用薄膜技術和圖形化工藝將傳感器直接以薄膜的形式沉積在被測熱端部件的表面[3]，具有多層膜結構，具有尺寸小(厚度為微米量級)[4]、質量輕、熱容小、響應迅速、對被測環境干擾較小、不破壞被測部件的結構與物理性能等優點[5]，實現結構—功能一體化集成。因此，薄膜熱流傳感器滿足了更高集成化、多功能化、系統化的發展要求[6]，適用于航空發動機復雜結構面和小間隙面積的測量[7]，在過去幾年中引起了航空發動機高溫檢測領域的高度關注[8]。

由于在航空發動機中運行的高溫元件表面的極端瞬態環境，薄膜熱流傳感器必須具有高靈敏度和可靠性[9]。傳感器結構的優化是提高其性能的有效技術手段。NASA’s Lewis Research Center[10]在絕緣基底上制備了由Pt/PtRh薄膜熱電堆組成的薄膜熱流傳感器，通過將不同厚度的SiO2熱阻層沉積在冷熱端點上來產生溫度梯度實現表面熱流測量，并測得傳感器的頻率響應約為3 kHz。Fu Xiaoli[11]制備了一種由W-5Re/W-26Re薄膜熱電堆組成的新型薄膜熱流傳感器，熱電堆的熱結點排列在熱阻層的頂部，冷結點直接排列在基底的頂部。傳感器的靈敏度可達3.8×10-6V/(kW/m2)并且可以在1 000℃的高溫環境下中存活1 h。Li Xin等[12]研究了熱電堆冷熱結點空間分布對基于ITO/In2O3熱電堆的薄膜熱流傳感器輸出特性的影響。根據熱端點和冷端點的排列設計了水平的、垂直的和階梯式的三種結構，并在不同的熱源上測試了它們的靜態和動態特性。結果表明，在對流熱源標定平臺上，基于垂直分布結構的熱流傳感器具有更高的靈敏度；在激光輻射標定平臺上，基于階梯式分布結構的熱流傳感器的輸出靈敏度是最高的，達到74.9 V/(kW/m2)，基于水平分布結構的薄膜熱通量計具有最佳的動態特性，動態頻率達到5.2 kHz。薄膜熱流傳感器的模型可以看作是多層薄膜的熱傳導問題[13]，熱阻層厚度在微觀尺度上很難被忽視。因此，熱阻層的結構對薄膜熱流傳感器的性能影響較大。

因此，本文通過對熱阻層結構的重新設計，結合有限元仿真分析，制備了一種新型高溫薄膜熱流傳感器。該傳感器由Pt/Pt-13Rh薄膜熱電堆作為傳感結構、SiO2/Al2O3作為底層熱阻層、Al2O3作為頂層保護層組成，底層SiO2/Al2O3熱阻層位于Al2O3陶瓷基底和熱電堆之間。通過靜態標定平臺和高溫爐進行高溫實驗，結果表明，基于熱電堆的新型高溫薄膜熱流傳感器具有較高的靈敏度和可靠性。

1 結構設計與仿真

1.1 結構設計

如圖1所示，薄膜熱流傳感器的結構主要由四個部分組成:Al2O3陶瓷基底、底層SiO2/Al2O3熱阻層、Pt/Pt-13Rh熱電堆和頂層Al2O3保護層。熱端排列在底層SiO2熱阻層的上方，冷端排列在底層Al2O3熱阻層的上方。當熱流垂直施加于傳感器時，由于SiO2和Al2O3熱阻層的熱導率差異，具有高導熱系數的Al2O3熱阻層將冷端的多余熱量傳遞到Al2O3陶瓷基底上，以保持冷端具有接近環境溫度的相對恒定的低溫，而具有低導熱系數的SiO2熱阻層則限制了熱端向基底的傳熱，以確保熱端和冷端之間產生溫度梯度。

圖1 薄膜熱流傳感器的結構

熱流值Q可表示為[14]:

式中:Q為熱流密度，單位為為垂直與等溫面方向的溫度梯度；KAl2O3、KSiO2分別為Al2O3和SiO2熱阻層的導熱系數，單位為W/(m·K)；TAl2O3、TSiO2分別為冷端、熱端的溫度；Ts為Al2O3陶瓷基底的恒定溫度。所以熱端和冷端之間的溫度梯度ΔT等于:

所設計的傳感器以熱電堆作為傳感結構，它是由一系列兩種具有不同塞貝克系數的材料組成的熱電堆對串聯形成。根據塞貝克效應，當熱端和冷端之間存在溫差時，會產生熱電勢。由于兩種材料的塞貝克系數差僅為幾微伏每開爾文，一對熱電堆所產生的輸出電壓非常小。因此，為了提高熱電堆的輸出電壓和靈敏度，采用許多對熱電堆串聯形成熱電堆[15]。由N對熱電偶組成的熱電堆的輸出電壓Vout可以描述為[16]

式中:N是熱電堆對的數量，ΔT是熱端和冷端之間的溫度梯度，SA和SB分別是兩種材料的塞貝克系數。

將上述公式合并起來，得到了傳感器輸出與熱流密度的關系如下:

1.2 仿真

為了確保設計的傳感器能夠正確測量熱流并在高溫下表現良好，采用COMSOL有限元軟件進行仿真分析，以獲得傳感器的理論響應特性和靈敏度，并與實驗結果進行比較。仿真建立的有限元模型(FEM)的結構參數與制備的器件參數相同，如表1所示。

表1 有限元模型的幾何參數

將100 kW/m2的熱流應用于傳感器的上表面。初始溫度設定為293 K，Al2O3陶瓷基底設定為恒溫條件(Ts＝293 K)。溫度分布和輸出電壓的仿真結果如圖2、圖3所示。

圖2顯示了當100 kW/m2的熱流垂直施加于傳感器時，達到穩態后，薄膜熱流傳感器的溫度分布。由于SiO2和Al2O3熱阻層的熱導率差異，具有高導熱系數的Al2O3熱阻層將冷端的多余熱量傳遞到Al2O3陶瓷基底上，而具有低導熱系數的SiO2熱阻層則限制了熱端向基底的傳熱，熱端和冷端之間產生溫差，這表明薄膜熱流傳感器的結構設計是合理的。熱端的平均溫度為295.55 K，冷端平均溫度為294.88 K，冷熱端點溫差為0.67 K。

圖2 薄膜熱流傳感器的仿真結果

基于塞貝克效應，薄膜熱流傳感器將0.67 K冷熱端溫差轉化為輸出電壓717 μV，在溫度梯度下導體內的載流子從熱端向冷端運動，并在冷端堆積，從而在材料內部形成電勢差，同時在該電勢差作用下產生一個反向電荷流，當熱運動的電荷流與內部電場達到動態平衡時，材料兩端形成穩定的溫差電動勢，如圖3所示。

圖3 薄膜熱流傳感器的輸出電壓仿真結果

圖4顯示了當20、40、60、80和100 kW/m2的連續熱流施加到傳感器上時，傳感器的輸出電壓隨熱流密度的增加而增大，且線性度良好，傳感器靈敏度的仿真結果為7.17×10-6V/(kW/m2)，說明該薄膜熱流傳感器結構在仿真測試中具有良好的輸出，能夠作為熱流測量的一種傳感手段。

圖4 薄膜熱流傳感器的輸出電壓與熱流關系的仿真結果

2 制備

如圖5所示，基于鉑銠熱電堆的新型高溫薄膜熱流傳感器的制備工藝包括:①基底清洗，②依次濺射底層SiO2熱阻層薄膜、底層Al2O3熱阻層薄膜、Pt薄膜、Pt-13Rh薄膜和頂層Al2O3保護層薄膜，③熱退火，④引線。所制備的傳感器如圖6所示，其中傳感器的結構尺寸如圖6(a)所示，圖6(b)為幾個相互連接的熱電堆條的光學顯微鏡圖。

圖5 薄膜熱流傳感器的制備工藝流程

圖6 所制備的薄膜熱流傳感器

3 高溫熱流校準

本文研究搭建了高溫穩態和瞬態熱流校準系統[17]，通過校準平臺和高溫爐進行相關實驗，測量傳感器的靈敏度和可靠性，進而有效評估新型高溫薄膜熱流傳感器的性能。

3.1 高溫穩態熱流校準

如圖7所示，高溫穩態熱流校準設施為參考熱流傳感器和薄膜熱流傳感器提供均勻恒定的熱流密度。一定數量的石英燈陣列可以提供較大面積均勻的熱流，通過調節石英燈陣列的功率來獲得所需的熱流密度。該系統可以提供0～110 kW/m2密度的熱流密度。為了實現傳感器對熱流的穩定吸收，測試前在傳感器的上表面噴涂了高溫黑體漆。通過水泵循環冷卻水將多余的熱量從系統中帶走，保持傳感器恒定的后表面溫度。傳感器的輸出信號連接到PC的DAQ系統中記錄。在測試開始之前，被測傳感器需要靜置與室溫環境達到熱平衡。

圖7 高溫穩態熱流校準設施

3.2 高溫瞬態熱流校準

如圖8所示，高溫瞬態熱流校準設施由高功率光纖輸出半導體激光器作為熱流源，通過電壓信號控制模塊調制輸出激光，激光通過準直聚焦光學系統，作用到傳感器表面，利用信號調理采集系統，對熱流傳感器輸出信號進行處理和采集。系統運行期間，水冷系統對激光器進行循環冷卻；利用高速光電探測器測量激光器輸出激光脈沖頻率；高速紅外輻射溫度儀實時監測熱流測量熱流傳感器表面溫度變化，反饋信息實時傳輸給電壓信號調制模塊，從而控制激光器穩定輸出；準直聚焦光學系統使得激光輸出能量聚焦；信號調理采集系統對信號進行放大、濾波和采集，最高采樣頻率為150 kHz。

圖8 高溫瞬態熱流校準設施

4 結果與討論

新型高溫薄膜熱流傳感器的穩態校準測量結果如圖9所示，其中電壓值為被測傳感器的輸出電壓，熱流密度值為石英燈陣列施加的均勻熱流密度。通過高溫穩態熱流校準設施施加不同的熱流密度，測得傳感器的相應輸出電壓，完成被測傳感器的穩態校準。所設計傳感器的輸出電壓隨熱流密度增加而增大，表現出良好的線性關系，通過線性擬合得到傳感器的靈敏度為8.04×10-6V/(kW/m2)，與仿真結果接近，也驗證了該傳感器的結構設計合理。

圖9 薄膜熱流傳感器的穩態校準測量結果

高溫可靠性是薄膜熱流傳感器的另一個關鍵性能。利用高溫爐和瞬態熱流校準設施，測試新型高溫薄膜熱流傳感器在經歷高溫后的電阻、靈敏度和響應特性變化。傳感器在高溫爐內以5℃/min的升溫速率從20℃升高至1 000℃，并在最高溫度1 000℃下分別保溫1 h、2 h、3 h，然后在爐內自然冷卻至室溫后測量傳感器的電阻變化。

如圖10所示，傳感器在1 000℃保溫1 h后電阻增大，保溫2 h、3 h后電阻逐漸減小。保溫1 h后電阻增大可能是由于作為Pt/Pt-13Rh薄膜熱電堆過渡層的Ti擴散導致的，隨著保溫時間的增加，薄膜熱電堆層的晶粒逐漸長大、缺陷消除，導致傳感器電阻值減小。傳感器的電阻在經歷較長時間的高溫后仍有較好的表現，這表明傳感器的堅固結構經受住了高溫測試，具有良好的高溫可靠性。

圖10 薄膜熱流傳感器在1 000℃高溫后的電阻變化

傳感器分別在1 000℃高溫下1 h前后施加104 kW/m2的熱流，測試其輸出電壓的變化。如圖11所示，傳感器表現出色，靈敏度及響應特性基本上不受影響。這是因為兩種熱阻層材料與熱電材料之間的熱膨脹系數不匹配引起的熱應力并不顯著，不會影響傳感器的性能。在高溫退火后仔細檢查傳感器，沒有發現焊接故障或傳感器開裂。

圖11 薄膜熱流傳感器在1 000℃高溫下1 h前后的響應曲線

5 結論

在微加工技術理論分析的基礎上，成功設計和制備了基于鉑銠熱電堆的新型高溫薄膜熱流傳感器。該傳感器分別在0至110 kW/m2和1 000℃的熱流水平和溫度下進行了測試。測試結果表明，傳感器輸出電壓隨熱流的增加而增加，呈現線性特性，靈敏度為8.04×10-6V/(kW/m2)，實驗數據與仿真結果相近。傳感器經受住了高溫爐中的1 000℃高溫環境測試。測試結果顯示，傳感器的電阻、靈敏度及響應特性在1 000℃高溫后基本上不受影響，這表明傳感器的堅固結構經受住了高溫測試。設計的傳感器具有高靈敏度和可靠性，將為薄膜熱流傳感器在極端溫度環境下的結構設計提供一種創新方法。

致謝感謝上海交通大學機械與動力工程學院董威教授、陳翔翔同學、郭曉峰同學在靜態測試方面給予的幫助!同時非常感謝中北大學動態測試重點實驗室王高教授、劉云東同學在動態測試方面的幫助。