一種兩級(jí)微橋結(jié)構(gòu)快速測(cè)溫微型傳感器的研制

秦自強(qiáng)，王　寧，鄧佩剛武漢工程大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430205

QIN Ziqiang，WANG Ning，DENG Peigang*School of science，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205

一種兩級(jí)微橋結(jié)構(gòu)快速測(cè)溫微型傳感器的研制

秦自強(qiáng)，王寧，鄧佩剛*
武漢工程大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430205

設(shè)計(jì)了一種新型薄膜熱電阻溫度傳感器.傳感器感溫結(jié)構(gòu)由基片（Si）/絕緣層（SiO2）/感溫部（Pt）組成，Pt薄膜片以懸空的微橋連接方式搭接在SiO2片上，SiO2片也以同樣的方式搭接在Si片上，以此構(gòu)成兩級(jí)微橋機(jī)構(gòu).較之傳統(tǒng)溫度傳感器，該感溫部件采用懸空布置結(jié)構(gòu)可使測(cè)溫過(guò)程中的熱損失大為減少，并能保證溫度傳感器熱響應(yīng)的線性度和可靠性.通過(guò)ANSYS有限元軟件仿真Pt薄膜片在不同厚度SiO2片下的溫度分布情況.當(dāng)SiO2片厚度為2 μm，該傳感器熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)達(dá)到最小的10 ms，與SiO2片厚度為5 μm和10 μm相比其時(shí)間常數(shù)減小了50%以上.研究結(jié)果表明：在溫度測(cè)量過(guò)程中，SiO2片厚度對(duì)感溫的Pt薄膜片熱損失影響很大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能減小SiO2片厚度.

溫度傳感器；微橋機(jī)構(gòu)；熱響應(yīng)；時(shí)間常數(shù)；熱損失

快速測(cè)溫是用來(lái)測(cè)量某一時(shí)間內(nèi)溫度變化迅速、劇烈的，尤其是汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火瞬間、壓縮機(jī)活塞室氣體溫度壓縮過(guò)程、內(nèi)燃機(jī)燃燒室的壁面以及火箭尾部噴嘴壁面等場(chǎng)所的溫度監(jiān)測(cè)或測(cè)量技術(shù)［2］.但目前的溫度傳感器在應(yīng)用中仍有一些不足，比如，薄膜熱電偶的熱結(jié)點(diǎn)是一種很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在制備過(guò)程中容易產(chǎn)生缺陷，諸如空位、替位和填隙雜質(zhì)等問(wèn)題，這些缺陷會(huì)通過(guò)擴(kuò)散作用向金屬薄膜的內(nèi)部偏移，進(jìn)而影響薄膜熱電偶的性能［3-4］；紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)又涉及多學(xué)科，技術(shù)復(fù)雜，被測(cè)物體的發(fā)射率難以確定，尤其是混合流體；而光纖光柵溫度傳感器需要復(fù)雜的光電系統(tǒng)，其感溫探頭加工工藝精度要求高等問(wèn)題［5］.

考慮到上述溫度傳感器在使用中所面臨的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，符合現(xiàn)代加工工藝，又能實(shí)現(xiàn)快速瞬態(tài)測(cè)溫的溫度傳感器就成為一個(gè)需要解決的問(wèn)題.本文中的微橋結(jié)構(gòu)Pt薄膜溫度傳感器，采用成熟的微電子機(jī)械（MEMS）加工技術(shù)，相較于熱電偶傳感器加工技術(shù)更穩(wěn)定成熟，沒(méi)有光纖光柵溫度傳感器復(fù)雜的測(cè)溫系統(tǒng)［6］，也無(wú)需紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)涉及到繁冗的學(xué)科理論.而且，鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在一定的溫度范圍內(nèi)，其電阻值隨溫度呈線性變化的原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，具有很好的測(cè)溫穩(wěn)定性和線性度［7］.

通過(guò)傳熱的理論分析，MEMS Pt膜溫度傳感器中大部分熱量的損失，是通過(guò)Pt薄膜片以導(dǎo)熱方式將熱量傳遞到與之接觸的基底襯底片上.設(shè)計(jì)時(shí)采用兩級(jí)微橋機(jī)構(gòu)，可描述為：感溫的Pt薄膜以懸空的微橋連接方式搭接在一個(gè)SiO2的薄膜片上；同時(shí)SiO2薄膜片也以懸空的微橋連接方式搭接在Si基底襯底片上；這種兩級(jí)懸空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與多層疊加式、單橋連接式等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，即減少了Pt薄膜片與絕緣層的接觸面，進(jìn)而降低了兩者之間的熱量傳遞，又可使承載多組Pt薄膜片以彎折的形式組合.另外，多組彎折的Pt薄膜片可增大感溫部的整體熱阻，而熱電阻溫度傳感器又是通過(guò)測(cè)量回路的電阻變化產(chǎn)生的電流來(lái)測(cè)量的，所以當(dāng)感溫部接觸到被測(cè)環(huán)境時(shí)，即便是較小的溫度差距也能引起明顯的電阻值變化，測(cè)量回路也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電流值，進(jìn)而能快速測(cè)出被測(cè)環(huán)境的溫度值.本設(shè)計(jì)采用了MEMS加工技術(shù)，能在一定程度上保證感溫元件體積小，重量輕，熱容量小，以確保傳感器感溫部的快速響應(yīng).

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為三層，如圖1所示，自下往上依次為Si基片、SiO2薄膜絕緣層和Pt感溫薄膜；作為基底的Si片主要用于固定感溫結(jié)構(gòu)，其尺寸設(shè)定范圍較寬，可達(dá)到幾毫米甚至更大，以便于感溫探頭的安裝、移動(dòng)等；SiO2為絕緣層，防止Si片對(duì)Pt熱電阻電流回路發(fā)生短路；作為感溫核心部分的Pt薄膜片是利用其電阻率隨溫度變化的特性，將測(cè)溫環(huán)境的溫度變化轉(zhuǎn)化為Pt電阻值的變化，進(jìn)而改變感溫電阻回路中電流的變化.

圖1　MEMS溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structurediagram of MEMS temperature sensor temperature sensor

為了增加Pt薄膜片的整體電阻，感溫區(qū)域布置成折彎的形狀（參見(jiàn)圖2）.圖2中沒(méi)有畫(huà)出Pt感溫薄膜的電源引線部分，因這部分設(shè)計(jì)時(shí)可大面積鋪滿SiO2層，且為金屬，所以對(duì)本次熱分析影響很小，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間本次模擬熱分析不做考慮.

圖2為Pt感溫部件圖，其采用MEMS加工工藝的結(jié)構(gòu)布局可描述為：作為基底的Si襯底片上以微橋形式搭載一對(duì)SiO2薄膜片，SiO2薄片懸空部分的尺寸如圖2所示；感溫的折彎Pt薄膜片也以微橋形式搭載于SiO2薄膜片上，搭載結(jié)合部分的長(zhǎng)度為5 μm，其余的Pt薄膜片亦懸空布置，盡可能減小了在測(cè)溫過(guò)程中Pt薄膜片與SiO2薄片之間的熱量傳遞.

上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可在MEMS加工技術(shù)中的光刻、淀積、濺射、剝離（lift-off）和深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）等工藝得以實(shí)現(xiàn)［8］.

圖2　感溫部結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structurediagram of temperature sensing unit

3　結(jié)果與討論

3.1仿真分析

現(xiàn)利用ANSYS有限元軟件對(duì)感溫部在穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和交變溫度場(chǎng)兩種情況下的熱響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行仿真模擬.鑒于Pt薄膜片組是感溫核心部分，SiO2片和Si片是起支承和固定作用，因此，在仿真過(guò)程中對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，但只對(duì)Pt薄膜片部測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析.

在有限元分析中，采用的初始條件和邊界條件如下：溫度傳感器整體初始溫度為25℃，突然置于200℃的空氣中，其對(duì)流換熱系數(shù)h= 100 W/（m2·K）.通過(guò)有限元分析，將得到以下幾個(gè)方面的結(jié)果：1）感溫Pt薄膜片的瞬態(tài)溫升過(guò)程；2）感溫Pt薄膜片上的溫度分布的均勻性；3）SiO2薄膜片的厚度對(duì)上述溫升過(guò)程的影響.

表1列出了仿真過(guò)程中所需的Si、SiO2和Pt的熱物理性質(zhì)，包括密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù).另外，假設(shè)溫度傳感器的感溫部件與被檢測(cè)環(huán)境的傳熱是強(qiáng)制對(duì)流換熱效果，在此情況下對(duì)流換熱系數(shù)可取h=100 W/（m2·K）［9］.

表1　各材料的熱物理性質(zhì)Tab.1　Thermal physical properties of materials

3.2穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析

為方便起見(jiàn)，定義本溫度傳感器的輸出變化達(dá)到其初始值和最終值之差的63.2%所需的時(shí)間，為熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)τ［10］.同時(shí)，選取感溫Pt薄膜片上的兩個(gè)不同點(diǎn)來(lái)做瞬態(tài)溫升分析：A點(diǎn)（參考圖2）為Pt薄膜片與SiO2微橋結(jié)合處的點(diǎn)，B點(diǎn)（參考圖2）為Pt薄膜片懸空部分的中間點(diǎn).

圖3為SiO2片厚度為2 μm時(shí)，Pt薄膜片的ANSYS有限元仿真模擬分析結(jié)果溫度云圖.由圖可見(jiàn)，本設(shè)計(jì)能滿足整個(gè)感溫薄膜的溫度分布均勻性（均勻性達(dá)到99%），從而保證了溫度傳感器響應(yīng)的線性度和可靠性.

圖3　感溫區(qū)域溫度分布云圖Fig.3　Temperaturedistributiondiagram of the temperature sensing unit

圖4（a）為當(dāng)SiO2片厚度分別為2 μm、5 μm和10 μm時(shí)，Pt薄膜片上A點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的曲線.從圖4中可知，當(dāng)SiO2片厚度為2 μm時(shí)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間約為0.1 s；其時(shí)間常數(shù)τ為12 ms，而在SiO2片厚度為5 μm和10 μm時(shí)，其對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)τ分別為30 ms和60 ms，SiO2片厚度為2 μm時(shí)的時(shí)間常數(shù)τ較之于SiO2片厚度為5 μm和10 μm的分別減小了60%和80%.顯然，SiO2的厚度對(duì)本溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)有很大的影響，其厚度越小則時(shí)間常數(shù)越小.這是因?yàn)镻t感溫膜的厚度很小，其熱容量也很小，所以它能迅速隨著環(huán)境溫度的變化而變化.另一方面搭載Pt膜的SiO2膜片因?yàn)橐紤]其機(jī)械穩(wěn)定性，不可能太薄，所以SiO2膜的厚度和熱容量都會(huì)大于Pt膜的厚度和熱容量.這樣，當(dāng)環(huán)境溫度升高后，Pt薄膜的溫度會(huì)迅速上升，而SiO2膜的溫度上升則會(huì)慢一些.其結(jié)果是熱量會(huì)從Pt薄膜通過(guò)微橋向SiO2膜傳遞，這樣就會(huì)降低Pt薄膜的熱響應(yīng)過(guò)程.顯然，當(dāng)SiO2膜越薄的時(shí)候，這個(gè)傳遞的熱量就會(huì)越少，則感溫Pt薄膜的熱相應(yīng)時(shí)間就會(huì)越小.

圖4（b）為在SiO2片厚度為2 μm時(shí)，Pt薄膜片A點(diǎn)和B點(diǎn)熱響應(yīng)時(shí)間溫變圖，由此圖可知，處在SiO2片和Pt薄膜片發(fā)生熱量傳遞接觸位置上的A點(diǎn)，也能保持和懸空部分上B點(diǎn)有相同的溫變，這說(shuō)明Pt薄膜片不會(huì)因?yàn)闇囟炔痪鶎?dǎo)致熱阻不穩(wěn)（結(jié)合圖3中A和B兩點(diǎn)溫度分布云圖）.

圖4　溫度傳感器瞬態(tài)溫變特性曲線（a）A點(diǎn)瞬態(tài)溫變曲線；（b）A點(diǎn)和B點(diǎn)瞬態(tài)溫變曲線Fig.4　Transient temperaturechangecurves of temperature sensor（a）Transient temperaturechangecurves of point A；（b）Transient temperaturechangecurves of point A and B

3.3交變溫度場(chǎng)分析

現(xiàn)保持結(jié)構(gòu)尺寸和其他參數(shù)條件不變，在只改變環(huán)境溫度情況下，觀察SiO2片厚度仍為2 μm、5 μm和10 μm時(shí)對(duì)Pt薄膜片A點(diǎn)的溫度變化影響.假設(shè)被測(cè)環(huán)境溫度成周期性變化，且其溫度變化函數(shù)方程式為T(mén)（t）=100+50×sin（31.4×t），其中t表示時(shí)間，顯然環(huán)境溫度的交變周期為T(mén)=0.2 s.溫度傳感器的感溫元件在上述環(huán)境溫度場(chǎng)中經(jīng)過(guò)一段時(shí)間振蕩后，其測(cè)量溫度將隨環(huán)境溫度變化周期產(chǎn)生相應(yīng)變化，圖5是略去振蕩部分后的Pt薄膜片A點(diǎn)溫度變化情況.為了研究方便，可定義感溫元件測(cè)得最大（?。囟戎蹬c環(huán)境溫度最大（?。囟戎抵g的差值與環(huán)境溫度最大（小）值的比值為溫度值誤差，感溫元件測(cè)得最大（小）溫度值時(shí)間與環(huán)境溫度最大（?。囟戎禃r(shí)間的差值與環(huán)境溫度變化周期的比值為時(shí)間延后，通過(guò)對(duì)比這兩個(gè)值來(lái)考察溫度傳感器的精度及靈敏度.

由圖5可知，在交變溫度場(chǎng)中，不同的SiO2片厚度情況下A點(diǎn)測(cè)得環(huán)境溫度與實(shí)際環(huán)境溫度有一定差距，時(shí)間上也有一定延遲，但與SiO2片厚度為5 μm和10 μm相比，SiO2片厚度為2 μm時(shí)感溫元件的測(cè)量溫度更接近環(huán)境溫度，時(shí)間延遲也更小.而在實(shí)際測(cè)量交變溫度場(chǎng)時(shí)，可參考表2所得參數(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償來(lái)彌補(bǔ)測(cè)量時(shí)的誤差.

表2　感溫元件性能參數(shù)Tab.2　Performance parameters of the temperature sensing unit

4　結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種用于快速測(cè)溫的兩級(jí)微橋機(jī)構(gòu)Pt薄膜熱電阻MEMS溫度傳感器，通過(guò)ANSYS有限元分析軟件模擬了Pt薄膜熱電阻傳感器在穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和交變溫度場(chǎng)中溫度變化情況，并討論三種不同SiO2片厚度對(duì)Pt薄膜片在快速測(cè)溫過(guò)程熱損失的影響，最終，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可知當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí)，SiO2片厚度為2 μm時(shí)的時(shí)間常數(shù)τ較之于SiO2片厚度為5 μm和10 μm時(shí)分別減小了60% 和80%，而其測(cè)量誤差也比5 μm和10 μm二者降低了65%和76.5%，時(shí)間延后也降低了38.5%和50%.由此可見(jiàn)，SiO2片厚度越小，其與Pt薄膜片間熱量傳遞會(huì)隨之變少，精度值也會(huì)越高，該溫度傳感器性能也相應(yīng)地提高.

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本文編輯：陳小平

Investigation on Two-Stage Micro-Bridge Structure of Fast Temperature Measurement Microsensors

A thin film temperature sensor of micro electro mechanical systems wasconstructed.The sensorconsists of three parts：substrate（Si），insulating layer（SiO2）and the temperature sensing unit（Pt）.The Pt thin film sits on the SiO2layer and the latter sits on the Si substrate by a free-standing micro-bridge strucrure.Thus，a two-stage micro-bridge structure was formed.Compared with the traditional temperature sensor，the temperature sensing unitcan greatly reduce heat loss in the process of measuring temperature by using vacant layout structure，and itcan ensure the linearity and reliability of thermal response of the temperature sensor.We use the finite element software of ANSYS to simulated the temperaturedistribution of Pt thin film underdifferent thicknesses of SiO2film.The timeconstant of thermal response of the sensor reaches 10 millisecond when the thickness of SiO2film is 2μm，decreasing by more than50%compared with that of5μm and 10μm.The results prove that the thickness of SiO2film has a great influence on the thermal loss of Pt thin films in the process of temperature measurement.So the thickness of SiO2film should be reduced as much as possible in thedesign work.

temperature sensor；micro-bridge structure；thermal response；timeconstant；thermal loss；

TP212.1

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.02.017

1674-2869（2016）02-0195-05

QIN Ziqiang，WANG Ning，DENG Peigang*
School of science，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205

1引言

2016-01-14

秦自強(qiáng)，碩士研究生.E-mail：1036364328@qq.com

鄧佩剛，博士，教授.E-mail：1762512416@qq.com

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研工作等息息相關(guān).因此，測(cè)溫儀器應(yīng)運(yùn)而生.隨著新材料、新工藝和新技術(shù)的加入，溫度傳感器性能不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越精細(xì)，其中快速測(cè)溫是今后測(cè)溫領(lǐng)域一個(gè)重要的應(yīng)用方向［1］.