MEMS薄膜熱流傳感器研制

李 娟， 張叢春， 楊申勇， 丁桂甫， 董 威， 段 力

(1.上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)重點實驗室,上海 200240;2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系,上海 200240;3.上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院,上海 200240)

0 引 言

在工農(nóng)生產(chǎn)、科學(xué)研究、航空航天、動力工程以及日常生活中,存在著大量的熱量傳遞問題有待解決[1,2]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，熱流檢測的理論和技術(shù)越來越受到重視[3]。目前，最常見的且應(yīng)用得最多的熱流計就是熱阻式熱流計[4,5]。

在航空航天等技術(shù)領(lǐng)域中經(jīng)常需要精確測量渦輪、燃燒室等高溫部件表面熱流密度，用來驗證冷卻效率以及熱障涂層的性能，并防止渦輪葉片等熱端部件因為超高溫而損壞[6]。微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)薄膜熱流計以其體積小、熱容量小、干擾小以及不破壞部件表面氣流等特點，成為發(fā)動機熱端部件表面熱流測量新的測試方法[7，8]。

本文提出了基于MEMS工藝制備高溫薄膜熱流傳感器應(yīng)用于發(fā)動機渦輪葉片表面熱流密度測量，該應(yīng)用將為航空發(fā)動機表面的熱流密度監(jiān)測系統(tǒng)提供保障。

1 工作原理

根據(jù)塞貝克效應(yīng)，薄膜熱電偶將溫度差轉(zhuǎn)換為電壓輸出，輸出電壓與和與熱流密度呈線性關(guān)系。由于單個熱電偶輸出電勢較小，故利用多對熱電偶串聯(lián)形成熱電堆，放大薄膜熱流計的輸出電勢，提高靈敏度。薄膜熱流計所測的熱流值Q為[6]

Q=K(T1-T2)/d

(1)

式中K為熱阻層的導(dǎo)熱系數(shù)，T1為熱結(jié)點溫度，T2為冷結(jié)點溫度，d為熱阻層的厚度。

通過分析可得，當(dāng)熱流密度和熱阻層的厚度相同，熱導(dǎo)系數(shù)越小的熱阻層產(chǎn)生的溫差越大。本文設(shè)計采用導(dǎo)熱系數(shù)小的聚酰亞胺和耐高溫的氧化硅為熱阻層分別用于高溫和低溫環(huán)境，可以有效提高傳感器靈敏度和高溫性能。

2 仿真分析

2.1 模型建立

利用COMSOL仿真軟件，采用聚酰亞胺為熱阻層，分別研究了不同熱流值、基底厚度以及熱流計半徑對MEMS薄膜熱流計輸出性能的影響趨勢，氧化硅為熱阻層時仿真結(jié)果變化與聚酰亞胺熱阻層時趨勢一樣?；镜脑O(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 薄膜熱流計主要的設(shè)計參數(shù)

被測物選用金屬Cu，通過導(dǎo)熱傳遞熱能，環(huán)境初始溫度設(shè)為20 ℃。圖1(a)為當(dāng)施加3 500 W/m2的階梯熱流，達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，被測物和熱流傳感器的溫度分布情況。MEMS薄膜熱流計表面溫度分布如圖1(b)所示。由于MEMS薄膜熱流傳感器熱電堆的輸出電勢與冷熱結(jié)點的溫差呈正比，故冷熱節(jié)點的溫差越大，則輸出電勢越大。

圖1 溫度分布

2.2 仿真計算

圖2(a)為施加不同表面階梯熱流密度，熱流傳感器冷熱結(jié)點的溫度差隨時間的變化曲線。可知，施加不同的熱流時，穩(wěn)定后冷熱結(jié)點溫差隨熱流的增大而增大，但熱流傳感器的響應(yīng)時間幾乎不變。圖2(b)為不同的傳感器半徑對冷熱結(jié)點溫差的影響，由圖可得，隨著熱流計半徑的增大，熱流計冷熱結(jié)點的溫差隨半徑的增大而增大，但響應(yīng)時間幾乎不受半徑變化而影響。熱流傳感器的基底厚度不同，其傳感器冷熱結(jié)點的溫度差隨時間的變化曲線如圖2(c)所示?？芍?，溫差將隨基底厚度的減小而減小，響應(yīng)時間也隨基底厚度的減小而減小。

圖2 熱流計冷熱結(jié)點溫差曲線

上述仿真結(jié)果表明，MEMS薄膜熱流傳感器的輸出電壓與熱流密度、熱流傳感器半徑和基底厚度有關(guān)，氧化硅為熱阻層也有相同變化趨勢。熱流傳感器在不同的應(yīng)用場合中可以選擇對應(yīng)合適的基底厚度和半徑。為了得到大的電壓輸出，同時使得傳感器小型化，本實驗設(shè)計傳感器半徑為18 mm，采用0.75 mm的陶瓷基片為基底，由于其相比于一些金屬，其具有相對高熱導(dǎo)率、耐高溫、容易獲取的優(yōu)點。

3 制備工藝

MEMS薄膜熱流傳感器應(yīng)用微加工工藝制備。主要的工藝步驟包括：光刻顯影技術(shù)、提離(liftoff)、濺射沉積、刻蝕工藝等。薄膜熱電堆采用鉑—鉑銠13熱電偶構(gòu)成，基底選用氧化鋁陶瓷，熱阻層選用聚酰亞胺或氧化硅。主要工藝流程如圖3所示。

圖3 MEMS薄膜熱流傳感器制備工藝

(a)基片表面旋涂光刻膠、固化、光刻顯影圖形化，磁控濺射沉積Cr/Pt，然后提離。

(b)旋涂光刻膠，固化、光刻顯影圖形化，磁控濺射沉積Cr/PtRh13，再提離。

(c)采用旋涂工藝旋涂聚酰亞胺或者離子束濺射沉積氧化硅，光刻膠圖形化后，利用顯影液過顯圖形化聚酰亞胺或者氫氟酸刻蝕氧化硅形成熱阻層。圖4為所制備的MEMS薄膜熱流計實物圖。

圖4 MEMS薄膜熱流傳感器實物照片

4 熱流傳感器標(biāo)定

4.1 標(biāo)定系統(tǒng)

由于MEMS薄膜熱流計的材質(zhì)、形狀和制造工藝都不一致。每個熱流計的靈敏度不可能完全的相同。因此，每個熱流計在使用前都應(yīng)該經(jīng)過標(biāo)定。本文設(shè)計搭建了輻射式熱流標(biāo)定測試系統(tǒng)，如圖5所示，并對制備的MEMS薄膜熱流計進行響應(yīng)測試和靈敏度標(biāo)定。

圖5 輻射式熱流標(biāo)定系統(tǒng)示意

采用石英燈加熱，通過加熱控制系統(tǒng)控制施加在石英燈管上的功率，得到所需的熱流值。美國OMEGA公司的HFS—4熱流傳感器作為標(biāo)準(zhǔn)熱流傳感器。標(biāo)準(zhǔn)熱流計與MEMS薄膜熱流傳感器以中間石英燈中心位置對稱安裝。忽略各石英燈管之間的差異以及兩個熱流傳感器的測量位置偏差，假設(shè)兩個熱流傳感器所測量的熱流密度相同。用國際標(biāo)準(zhǔn)的儀器NI34465A數(shù)據(jù)采集器采集MEMS薄膜熱流傳感器的輸出電壓。

4.2 響應(yīng)測試

如圖6所示為當(dāng)施加2 kW/m2階梯熱流時，MEMS薄膜熱流計輸出電壓響應(yīng)曲線。由圖可得，輸出電壓先迅速增大到最大值，達(dá)到最大值后逐漸減小，最后趨于一個穩(wěn)定值。通過分析可知，響應(yīng)曲線的變化趨勢與仿真結(jié)果一致。

圖6 2 kW/m2階梯熱流密度時MEMS薄膜熱流計的輸出電壓響應(yīng)曲線

4.3 靈敏度測試

圖7為MEMS薄膜熱流傳感器的標(biāo)定結(jié)果，傳感器的輸出電壓與熱流密度呈線性關(guān)系。靈敏度為1.038 3×10-4mV/(W·m-2)，對于不同的熱流值和溫度環(huán)境下，靈敏度幾乎不變。

圖7 MEMS薄膜熱流計的輸出電壓—熱流曲線

靈敏度的測量誤差是傳感器和測量系統(tǒng)誤差的結(jié)合。本實驗的誤差分析是信號噪聲、系統(tǒng)誤差和標(biāo)準(zhǔn)傳感器測量誤差的結(jié)合，再加上2只傳感器的熱流偏差的不確定性，在這種情況下將標(biāo)定靈敏度總誤差估計為10 %。

5 結(jié) 論

在理論分析的基礎(chǔ)上，基于MEMS工藝技術(shù)，設(shè)計和制備了MEMS薄膜熱流傳感器，該傳感器采用聚酰亞胺或氧化硅為熱阻層。建立輻射標(biāo)定系統(tǒng)對傳感器進行測試和標(biāo)定，可發(fā)現(xiàn)傳感器的響應(yīng)曲線的變化規(guī)律與仿真結(jié)果基本一致，也進一步地驗證了設(shè)計的有效性。同時，可得出MEMS薄膜熱流計的輸出電壓與熱流密度呈良好的線性關(guān)系，其靈敏度為1.038 3×10-4mV/(W·m-2)。鑒于標(biāo)定系統(tǒng)溫度限制，未測試高溫，氧化硅熱阻層的熱流計有希望應(yīng)用于更高溫條件下熱流的測量。