原子層熱電堆熱流傳感器研制及其性能測(cè)試

楊 凱,朱 濤,王 雄,陶伯萬,朱新新,王輝,楊慶濤

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動(dòng)力研究所,四川 綿陽 621000;2.電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610054)

0 引 言

邊界層轉(zhuǎn)捩是經(jīng)典力學(xué)遺留的少數(shù)基礎(chǔ)科學(xué)問題之一，與湍流問題一起被稱為“世紀(jì)難題”[1]。對(duì)于高超聲速飛行，當(dāng)高超聲速邊界層由層流變?yōu)橥牧骱?，壁面熱量和摩擦力都?huì)急劇增加。因此，高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩的理論和試驗(yàn)研究(飛行試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn))是認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)捩機(jī)理、從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)捩控制的重要手段。當(dāng)前高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩理論研究中，來流擾動(dòng)的演化和發(fā)展被認(rèn)為是邊界層轉(zhuǎn)捩機(jī)理的核心[2]。相應(yīng)地，在風(fēng)洞試驗(yàn)研究中也越來越關(guān)注高頻脈動(dòng)量的測(cè)試與分析。目前，風(fēng)洞試驗(yàn)中常見的測(cè)試內(nèi)容包括：高頻壓力脈動(dòng)[3-8]、高頻速度脈動(dòng)[9-11]、高頻密度脈動(dòng)[12-15]以及高頻熱流脈動(dòng)[16-19]等。其中，高頻脈動(dòng)測(cè)試多采用PCB 132高頻脈動(dòng)壓力傳感器實(shí)現(xiàn)，但其有效測(cè)試頻率往往低于傳感器敏感元件大于1 MHz的固有頻率的要求；熱線風(fēng)速儀主要用于速度脈動(dòng)測(cè)試，更細(xì)的熱線是提升其測(cè)試頻率的有效手段，而帶來的問題就是在使用過程中熱線更容易損壞；聚焦激光差分干涉儀是一種非接觸式的光學(xué)測(cè)試儀器，能捕捉到1 MHz以上的高頻密度脈動(dòng)，但是對(duì)測(cè)試光路有較高的要求；ALTP熱流傳感器能捕捉到1 MHz以上的高頻熱流脈動(dòng)，但是其敏感薄膜耐不住強(qiáng)氣流多次沖刷[2]，在沒有保護(hù)膜的情況下長(zhǎng)時(shí)間使用容易失效。

天津大學(xué)韓健[20]嘗試?yán)帽∧犭娮锜崃鱾鞲衅鬟M(jìn)行高頻脈動(dòng)熱流測(cè)試。但是，在將基于半無限大體假設(shè)的薄膜熱電阻熱流傳感器測(cè)試到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱流時(shí)，其算法會(huì)放大噪聲干擾[21]。而ALTP熱流傳感器的輸出與輸入的被測(cè)熱流成線性正比關(guān)系，不存在算法變換的問題。事實(shí)上，ALTP熱流傳感器的敏感元件釔-鋇-銅-氧化物(YBa2Cu3O7-δ，簡(jiǎn)記YBCO)最早是作為高溫超導(dǎo)體材料被發(fā)現(xiàn)的。在其光感生電壓機(jī)理的物理解釋中，可以明顯看出其與基于溫差的熱阻式熱流傳感器的測(cè)熱原理是一致的[22-23]。由于YBCO薄膜在百納米量級(jí)，相應(yīng)的響應(yīng)頻率就能夠達(dá)到1 MHz以上，因此發(fā)展出這一類可用于高頻熱流脈動(dòng)測(cè)試的ALTP熱流傳感器[23-24]。

本文所述ALTP熱流傳感器參照國(guó)外ALTP熱流傳感器的測(cè)熱原理，設(shè)計(jì)了敏感芯片參數(shù)、傳感器封裝結(jié)構(gòu)，依托國(guó)內(nèi)YBCO薄膜取向生長(zhǎng)和薄膜基底加工技術(shù)開展了ALTP熱流傳感器研制，并利用可溯源至室溫電替代輻射計(jì)的弧光燈熱流傳感器標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)研制的ALTP熱流傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定,獲得了其靈敏度系數(shù)。在不明確光電效應(yīng)與熱電效應(yīng)之間響應(yīng)時(shí)間是否有差異的情況下,利用激波風(fēng)洞試驗(yàn)確定了所研制的ALTP熱流傳感器的響應(yīng)時(shí)間上限。

1 ALTP熱流傳感器

1.1 熱流測(cè)試原理

文獻(xiàn)[18,22-25]對(duì)ALTP熱流傳感器的測(cè)熱原理作了說明。為了內(nèi)容上的完整性，在此對(duì)ALTP熱流傳感器的測(cè)熱原理進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。YBCO晶體是一類各向異性材料，即描述YBCO薄膜熱電效應(yīng)的Seebeck系數(shù)是一個(gè)二階張量。當(dāng)YBCO薄膜中存在溫度梯度時(shí)，產(chǎn)生的電場(chǎng)E可表示為：

E=ST

(1)

其中，S是Seebeck張量，T是溫度梯度場(chǎng)，如圖1所示，當(dāng)YBCO晶體c軸與坐標(biāo)軸z軸方向的溫度梯度成αc角時(shí)，Seebeck張量S可寫成如下形式：

圖1 ALTP熱流傳感器的測(cè)熱原理[24]Fig.1 The measuring principle of the ALTP heat-flux sensor[24]

(2)

其中，sc和sab分別是YBCO薄膜在c軸和垂直于c軸的ab平面內(nèi)的Seebeck系數(shù)分量。YBCO薄膜沿z軸(厚度方向)的溫度梯度為zT=ΔT/δF，ΔT=TFFS-TFBS是YBCO薄膜z軸方向薄膜上下表面的溫度差(TFFS上表面溫度，TFBS下表面溫度)，δF是YBCO薄膜厚度。則有：

(3)

z軸方向溫度差ΔT在x軸方向產(chǎn)生的電壓為：

(4)

式(4)即橫向Seebeck效應(yīng)，即電壓方向與溫度梯度方向垂直。

(5)

(6)

1.2 傳感器設(shè)計(jì)及封裝

為了獲得較好的傳感器性能，在綜合考慮傳感器尺寸、敏感薄膜成膜工藝、基片加工難度等問題的基礎(chǔ)上，選擇YBCO薄膜厚度約為200 nm，αc=12°，長(zhǎng)×寬為3 mm×0.4 mm。查詢可知，sab-sc≈10 μV/℃，kz=1.5 J/(m·s·℃)，λ=6.1×10-7m2/s。由此，代入式(5)和(6)可得ALTP熱流傳感器的特征響應(yīng)時(shí)間和靈敏度系數(shù)：

(7)

(8)

顯然，0.131 μs的特征響應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的響應(yīng)頻率大于1 MHz。值得說明的是，YBCO薄膜的沉積多是利用脈沖激光沉積(Pulsed Laser Deposition,PLD)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，薄膜厚度依賴于沉積時(shí)間。YBCO薄膜的取向生長(zhǎng)主要是通過調(diào)控薄膜沉積基底(通常是SrTiO3晶體)的晶格取向來實(shí)現(xiàn)。

圖2 ALTP熱流傳感器封裝效果Fig.2 The packed ALTP heat-flux sensor

圖3 ALTP熱流傳感器Fig.3 The ALTP heat-flux sensor

2 傳感器性能測(cè)試

利用可溯源至室溫電替代輻射計(jì)的弧光燈熱流傳感器標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)ALTP熱流傳感器進(jìn)行靜態(tài)對(duì)比標(biāo)定，獲得傳感器的靈敏度系數(shù)。文獻(xiàn)[24-25]利用脈沖激光標(biāo)定的方式獲得ALTP熱流傳感器的響應(yīng)頻率，其隱含的假設(shè)有：光電效應(yīng)與熱電效應(yīng)是等效的；光電效應(yīng)和熱電效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間是一致的。在不明確光電效應(yīng)與熱電效應(yīng)響應(yīng)時(shí)間是否一致的前提下，本文利用激波風(fēng)洞對(duì)ALTP熱流傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，并將其與薄膜熱電阻熱流傳感器對(duì)比，獲得其響應(yīng)時(shí)間上限。

2.1 靈敏度系數(shù)

文獻(xiàn)[26-27,29]對(duì)弧光燈熱流傳感器標(biāo)定系統(tǒng)作了較為詳細(xì)的介紹，在此不再贅述。每支傳感器均在5個(gè)不同熱流條件下進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，其中ALTP-1熱流傳感器在64.45 kW/m2標(biāo)定熱流下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。通過靜態(tài)標(biāo)定獲得ALTP-1和ALTP-2熱流傳感器的靈敏度系數(shù)如圖5所示。從靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果可知，本文ALTP傳感器輸出線性度較好，ALTP-1熱流傳感器的靈敏度系數(shù)為8.24 μV/(kW·m-2)，ALTP-2熱流傳感器的靈敏度系數(shù)為8.33 μV/(kW·m-2)，均優(yōu)于文獻(xiàn)[24]所述ALTP熱流傳感器(同尺寸敏感元件)6.90 μV/(kW·m-2)的靈敏度系數(shù)。值得注意的是，同尺寸指的是傳感器最終的封裝尺寸以及式(4)中的薄膜有效長(zhǎng)度。

圖4 ALTP-1熱流傳感器的一組典型標(biāo)定數(shù)據(jù)Fig.4 A typical profile of original calibration data

圖5 2支ALTP熱流傳感器的靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果Fig.5 The static calibration results of two ALTP heat-flux sensors

2.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間

如前所述，利用光輻射對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定時(shí)，傳感器表面噴涂一層涂層可獲得穩(wěn)定的光吸收率，但會(huì)大大降低傳感器的響應(yīng)時(shí)間。在不確定光電效應(yīng)和熱電效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間是否一致的前提下，激波風(fēng)洞試驗(yàn)是確定ALTP熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間的一個(gè)較好途徑。利用Φ0.6 m激波風(fēng)洞在一壓縮拐角模型上，齊平模型表面安裝3支ALTP熱流傳感器，在齊平ALTP熱流傳感器的安裝位置處布置薄膜熱電阻熱流傳感器，風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。預(yù)設(shè)流場(chǎng)參數(shù)為：來流馬赫數(shù)數(shù)Ma∞=10，驅(qū)動(dòng)段壓力p4=28 MPa，被驅(qū)動(dòng)段壓力p1=0.03 MPa，激波馬赫數(shù)Mas=6.200，單位雷諾數(shù)Re∞/L=6.9×105/m，氣流速度U=3200 m/s，氣流總溫T0=4270 K，氣流總壓p0=10 MPa，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到Mas=6.134，即實(shí)際流場(chǎng)與預(yù)設(shè)流場(chǎng)狀態(tài)相差不大。數(shù)據(jù)采樣頻率為5 MHz，無濾波處理，試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 The experimental setup in the shock wind tunnel

從圖7中可知，ALTP-1熱流傳感器較好地捕捉到了溫度躍變，響應(yīng)時(shí)間在0.20 μs以內(nèi)，與理論估算的響應(yīng)時(shí)間0.13 μs相當(dāng)。2種不同類型熱流傳感器的熱流測(cè)試結(jié)果如圖8所示，從圖中可以看出ALTP-1熱流傳感器測(cè)得的熱流與薄膜熱電阻測(cè)得的熱流是一致的。

圖7 激波風(fēng)洞試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)Fig.7 The original experimental data in the shock wind tunnel

圖8 熱流測(cè)試結(jié)果Fig.8 The measured heat flux density

3 結(jié) 論

基于ALTP熱流傳感器測(cè)熱原理，設(shè)計(jì)了敏感元件參數(shù)和傳感器封裝結(jié)構(gòu)，并依托國(guó)內(nèi)薄膜沉積和基片加工技術(shù)研制了ALTP熱流傳感器，并利用弧光燈熱流傳感器標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)對(duì)比標(biāo)定獲得了傳感器的靈敏度系數(shù)，同時(shí)利用激波風(fēng)洞試驗(yàn)及與薄膜熱電阻進(jìn)行對(duì)比初步確定了所研制的ALTP熱流傳感器的響應(yīng)時(shí)間。結(jié)論如下：

(1) 所研制的ALTP熱流傳感器輸出線性度優(yōu)于±3.05%，線性度良好；

(2) ALTP熱流傳感器靈敏度系數(shù)約為8.24 μV/(kW·m-2)，優(yōu)于國(guó)外同尺寸同類型傳感器6.90 μV/(kW·m-2)的靈敏度系數(shù)；

(3) ALTP熱流傳感器測(cè)熱響應(yīng)時(shí)間小于0.20 μs，可用于高頻脈動(dòng)熱流測(cè)試。

致謝:本文工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2019YFA0405300)、國(guó)家自然科學(xué)基金(11802321)和中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速空氣動(dòng)力研究所自主發(fā)展基金資助。同時(shí)感謝支東、馬平、李強(qiáng)、胡守超和吳里銀等在實(shí)驗(yàn)過程中給予的大量幫助。