薄膜微結(jié)構(gòu)換能元溫度測量技術(shù)研究*

張一中，韋學勇*，張國棟，趙玉龍，平 川，張 蕊，任 煒

(1.西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西 西安 710054；2.陜西應用物理化學研究所應用物理化學國家級重點實驗室，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研究者的青睞，成為各國競爭的重要前瞻領域[1-2]。 MEMS 火工技術(shù)是以MEMS 技術(shù)的先進制造和集成為指導思想，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構(gòu)等進行集成化制造[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)非接觸式測量，并具有響應速度快等優(yōu)點，但是其成本高、測量結(jié)果易受被測表面發(fā)射率的影響[8]。 而薄膜熱電阻可通過MEMS 工藝制備以適用于小間隙場合測量[9]，且具有低成本、高精度等特性。 國內(nèi)外學者已對熱電阻進行了大量研究，如法國國家科學研究中心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 ℃進行熱處理，TCR 基本保持不變，接近3.1×10-3/℃。 西北工業(yè)大學趙建國等人[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題，電阻溫度系數(shù)達4.64×10-3/℃。上海交通大學段力等人[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-溫度關系以及熱處理工藝對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，通過測量鉑電阻的阻值變化來獲得薄膜微結(jié)構(gòu)換能元溫度變化；并利用多物理場有限元軟件(COMSOL MultiphysicsTM)對薄膜微結(jié)構(gòu)換能元進行仿真，與測量結(jié)果進行了對比。

1 換能元與熱電阻的集成化設計與制備

1.1 薄膜集成化設計

鉑由于具有良好的物理和化學穩(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)設計為橋式(如圖1 所示)，設計參考電阻值為1Ω ～10 Ω，為達到電阻設計值，橋區(qū)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為:長×寬×厚= 100 μm×50 μm×500 nm。 利用薄膜電阻計算式(1)和薄膜電阻率式(2)，并考慮引線電阻，計算得總設計電阻約為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為薄膜長度(μm)；w為薄膜寬度(μm)。

為了測量薄膜微結(jié)構(gòu)換能元在直流激勵過程中溫度的變化，以及滿足測量范圍不大于1 mm 要求，在換能元周圍設計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，其目的是測量微結(jié)構(gòu)換能元在直流激勵下溫度的變化情況；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 電阻設計過程中，必須考慮電阻溫度系數(shù)。薄膜Pt 電阻的電阻溫度系數(shù)與薄膜厚度關系如圖2 所示，兩者呈正相關，并且當厚度大于1 μm 時，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)，薄膜厚度設計為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)與厚度關系[9]

根據(jù)薄膜電阻溫度系數(shù)計算式(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大一些。 由式(1)和式(2)可知，薄膜電阻值不僅與厚度有關，也與長度成正比，與寬度成反比。 此外，當薄膜厚度比金屬材料的平均自由程大一個數(shù)量級時，可以忽略表面散射對薄膜電阻的影響[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時的電阻值(Ω)；R0為溫度為T0時的電阻值(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/℃)。

為進一步確定薄膜Pt 電阻的幾何參數(shù)，利用COMSOL 軟件對熱電阻1 進行了仿真，主要研究線寬、厚度和間隙對于熱響應的影響。 如圖3 所示，圖3(a)顯示了某一時刻熱電阻1 上溫度的分布，溫度在熱電阻1 上分布均勻，溫差不超過1 ℃，避免了溫度在熱電阻上分布不均造成的測量誤差；由圖3(b)、(c)和(d)可知，厚度對于熱電阻響應的影響最為明顯，間隙對于熱電阻響應的影響最小。 考慮到以上因素、測試區(qū)域大小以及加工工藝的影響，熱電阻幾何參數(shù)設計如表1 所示。

圖3 不同幾何參數(shù)條件下熱電阻1 的響應

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 薄膜鉑電阻測試

薄膜Pt 電阻測試主要包括幾何參數(shù)表征和靜態(tài)性能標定兩部分。 幾何參數(shù)表征主要是利用AFM 對線寬、厚度等進行測試；靜態(tài)標定主要是對薄膜Pt 電阻的電阻-溫度特性進行標定并對靜態(tài)特性進行分析，為測量薄膜微結(jié)構(gòu)換能元溫度提供基礎數(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 的間隙設計值為5 μm，利用AFM 測量其輪廓，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，用顯微鏡測得熱電阻2的外徑約為781.11 μm，與設計值基本保持一致。

圖6 熱電阻1 輪廓圖

圖7 熱電阻2 測量結(jié)果

2.2 靜態(tài)標定及分析

靜態(tài)標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)標定中，薄膜Pt 電阻的接線方式會影響結(jié)果的準確性。 為了減少導線和接觸電阻引起的誤差，采用四線制接線法[15]。 此外，必須選擇合適的測量電流，電流太大會產(chǎn)生明顯的自熱效應，太小又會使輸出電壓信號微弱，增加了測量電路的復雜性。 本文中的測量電流選擇1 mA。

對熱電阻1 和熱電阻2 進行靜態(tài)標定過程中，升溫梯度為50 ℃，升溫速率為1 ℃/min，溫度從100 ℃～500 ℃變化過程中測量電阻變化值，利用最小二乘法對三次測量結(jié)果分別進行擬合。 如圖8 所示，第一次測量結(jié)果和后兩次測量結(jié)果相差較大，第二次和第三次重復性較好。 這主要是因為在第一次測量過程中，薄膜Pt 電阻經(jīng)歷長時間的加熱，相當于對其在空氣中進行熱處理，減少了沉積Pt 薄膜的缺陷(如空位、錯位、晶粒間界)，同時薄膜的內(nèi)應力得到釋放，由原來介穩(wěn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為相對穩(wěn)定狀態(tài)，薄膜電阻的性能也發(fā)生相應改變[16]。 如表2 所示，線性擬合系數(shù)R2在第一次測量之后有所提高，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 換能元溫度測試

3.1 不裝藥測試

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

圖9 薄膜微結(jié)構(gòu)換能元溫度測量裝置示意圖

圖10 熱電阻1 測量溫度誤差帶

圖11 熱電阻1 測得溫度與仿真值的對比

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電流，以100 mA 為梯度，逐漸增大激勵電流，同時測量熱電阻1 的阻值變化。 如圖12 所示，在激勵電流為900 mA，激勵時間約為20 s 時，換能元由于熱應力失配從基底上剝落失效，此時熱電阻1 測量溫度值約為500 ℃。 根據(jù)對薄膜微結(jié)構(gòu)換能元在不同激勵電流的溫度特性測量，在900 mA 激勵電流內(nèi)可以滿足常用點火藥點火溫度的要求[17]。

圖12 不同直流激勵下溫度隨時間變化過程

3.2 斯蒂芬酸鉛點火測試

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

圖13 點火測試結(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 電阻集成化設計與制備，并利用薄膜Pt 電阻測量了薄膜微結(jié)構(gòu)換能元在直流激勵下的溫度變化過程；利用COMSOL 軟件對薄膜微結(jié)構(gòu)換能元進行仿真，并與測量值進行了對比。 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 直流激勵下，利用Pt 電阻對換能元溫度進行多次測量，最大相對偏差不超過2.4%，并且與仿真值基本保持一致。 在900 mA(20 s)直流激勵下，薄膜微結(jié)構(gòu)換能元能點火溫度達到500 ℃，高于常見起爆藥和點火藥的發(fā)火溫度；此外，還測量了斯蒂芬酸鉛的點火溫度，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)開展更多溫度測試實驗，為微納結(jié)構(gòu)藥劑微小尺度下輸出性能研究提供基礎數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。