高温薄膜传感器制备与性能研究

王 强，张久斌，邵 靖，程 萍，丁桂甫，段 力

(1.上海中航商用航空发动机制造有限责任公司，上海 201108；2.上海交通大学 电子信息与电子工程学院 微纳电子学系 微/纳米国家重点实验室，上海 200240;3.中航商用航空发动机有限责任公司，上海 200241)



高温薄膜传感器制备与性能研究

王 强1，张久斌2，邵 靖1，程 萍2，丁桂甫2，段 力2

(1.上海中航商用航空发动机制造有限责任公司，上海 201108；2.上海交通大学 电子信息与电子工程学院 微纳电子学系 微/纳米国家重点实验室，上海 200240;3.中航商用航空发动机有限责任公司，上海 200241)

利用微机电系统(MEMS)工艺在Al2O3基片上制备了Pt—PtRh薄膜热电偶，其工作温度最高可达到1 300 ℃,最大输出电势达14.8 mV。薄膜热电偶的电势—温度曲线与标准热电偶的曲线基本重合，同时研究了不同粘结层对薄膜微结构、器件寿命的影响。实验结果表明：以Ta为粘结层时薄膜传感器的寿命最长，在1 300 ℃下可达到14 h。

微机电系统； 高温； 薄膜； 温度传感器； 寿命

0 引 言

随着航空发动机与燃气轮机技术的进步，其循环效率不断提升，涡轮进口温度、压气机压比等循环参数也随之提高，另外，更多精细化的设计方法也在得到应用。为此，对测试技术提出了更高的要求。在温度测试方面，传统的温度传感器由于体积较大，导致响应慢、对流场干扰大，且在小空间中的应用受到局限。基于MEMS技术的薄膜温度传感器具有微型化设计和集成化制造的特点，可成功覆盖狭窄流道或小空间壁面的温度测试。同时薄膜温度传感器对发动机部件结构破坏程度小、不影响流场性能，且测试精度高、动态响应时间快、可阵列化与批量化，因此特别适于测量物体表面和小空间的温度，尤其是对测试响应时间要求较高或温度快速变化的区域[1～3]。

本文研制目标是实现1 000～1 200 ℃左右的薄膜壁面温度测试能力，在这一温度范围内，通常采用铂铑合金和铂作为热电偶的敏感材料，如S型和R型丝状热电偶[4～6]。除此之外，其他的贵金属如金、钯，也常被用来制备高温热电偶，即金—铂热电偶、铂—钯热电偶，而铂—钯热电偶比金—铂热电偶可以承受更高的温度[7～10]。但相比而言，铂—铂铑热电偶在高温测试领域的应用是最广泛的。

本文采用MEMS技术在氧化铝基底上研制了Pt—PtRh13薄膜热电偶，测试结果表明:薄膜热电偶的最高测量温度可达1 300 ℃，且输出电势—温度曲线与标准热电偶基本一致。同时比较研究了不同粘结层对器件性能和寿命的影响。

1 薄膜热电偶结构

图1是薄膜温度传感器的结构示意图，薄膜Pt与PtRh13的厚度分别为1 μm和1.5 μm，两个薄膜热敏感层的线宽均为300 μm，引脚区域的大小为1.0 mm×1.5 mm，从而使其有足够大的面积与延伸到炉外的引线进行焊接相连。除此之外，在热敏感层与基底之间需要一层粘结层来增强它们之间的结合力，本文分别采用Ti，Ta和Cr作为粘结层。

图1 薄膜温度传感器结构示意图Fig 1 Structure diagram of TFTCs

2 实验过程

2.1 制备过程

采用MEMS工艺制备薄膜热电偶温度传感器，流片工艺流程图如图2所示，具体工艺步骤描述如下：

a)清洗Al2O3基片:利用碳酸钙机械摩擦清洗，并分别使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，而后利用重铬酸钾溶液和铁氰化钾溶液超声清洗，最后利用去离子水超声清洗干净；在烘箱将基片烘干后，在Ulvac超高真空溅射机中分别溅射10 nm 的粘结层(Ti或Ta或Cr)和1 μm的Pt层，溅射机的真空度为5.8×10-5Pa开始溅射，其溅射条件分别为功率110 W，电压395 V以及功率110 W，电压425 V。

图2 薄膜温度传感器的工艺流程Fig 2 Technique process of TFTCs

b)旋涂10 μm光刻胶AZ4620，再利用Pt层掩膜板光刻图形化，随后在离子束刻蚀机中对Pt进行干法刻蚀，从而得到Pt层的完整图形，而后将基片清洗干净。

c)旋涂10 μm光刻胶AZ4620，并利用PtRh层掩膜板，将光刻胶图形化成PtRh的形状。

d)在基片上溅射Cr/Cu种子层，其厚度分别为20,80 nm，而后将基片放在丙酮中进行提离(lift_off)，并在乙醇、去离子水中浸泡将基片清洗干净，将PtRh形状上的种子层去除。

e)将基片烘干后，旋涂10 μm的光刻胶AZ4620，再用PtRh层掩膜板光刻图形化，随后放入电镀槽内电镀铜，电流密度为10 mA/cm2，沉积速率为10 μm/h，最终获得厚度约为10 μm的铜。

f)去除光刻胶并清洁烘干基片后，重新旋涂10 μm的光刻胶AZ4620，并用热结点掩膜板来进行光刻图形化，从而确保Pt,PtRh热结点之间没有其他金属。

g)在Ulvac超高真空溅射机内溅射10 nm的粘结层(Ti,Ta或Cr)，然后再去除光刻胶，并清洁烘干基片，而后溅射1.5 μm的PtRh层，取出基片后，在去铜液(双氧水∶氨水∶去离子水=1∶5∶12)以及去铬液(铁氰化钾3g+氢氧化钾1g+去离子水100 mL)中浸泡，从而实现对PtRh的图形化。

h)将图形化的基片清洁烘干，然后旋涂10 μm光刻胶AZ4620，用直线槽掩膜板图形化，切出宽0.2 mm、深0.2 mm的直线槽，最后将基片切割成独立的器件，其尺寸大小为7.4 mm×3.9 mm×0.8 mm，如图3(a)所示。

将Pt丝与PtRh丝分别连在各自的引脚处，并分别用铂浆和铂铑浆料进行焊接，而后将其放在马弗炉中在800 ℃下保温20 min，随后自然冷却，得到焊有引线的单个器件，如图3(b)所示。

图3 薄膜温度传感器批量样品和焊有引线的单个器件Fig 3 A batch of TFTCs and a single thermocouple with lead wire

2.2 测试过程

将薄膜热电偶置于高温炉内，将延长的引线置于炉外的恒温水浴槽内，保持0 ℃；随后升温至1 300 ℃，并在1 300 ℃下保温数小时直至器件失效，记录不同温度下的电势差，从而绘制出电压与温度的关系曲线，并与标准热电偶进行对比，保温过程中记录下器件失效寿命。用场发射扫描电镜(FE—SEM，Ultra 55，Zeiss，德国)和X射线衍射仪(XRD，Ultrima IV，Rigaka，日本)表征薄膜传感器失效后的表面形貌和晶粒大小。

3 结果与讨论

图4比较了薄膜温度传感器和标准热电偶的输出电势—温度曲线，测温范围为50～1 300 ℃，从图中可以看出，高温薄膜温度传感器与标准热电偶的输出电势—温度曲线基本重合，且均呈线性关系。在1 300 ℃，高温薄膜热电偶的输出电势为14.8 mV，近似等于标准热电偶的输出电势。

图4 薄膜温度传感器与标准热电偶的电势—温度曲线比较Fig 4 Voltage-temperature curves comparison of standard thermocouples and thin film temperature sensor

在研究中，为探究粘结层对于薄膜温度传感器性能的影响，分别采用了Ti，Ta和Cr作为粘结层。图5为不同粘结层时高温薄膜温度传感器输出电势—温度(V-T)曲线，从图中可以看出，采用不同粘结层时薄膜温度传感器的V-T曲线基本重合，因而不同粘结层对于薄膜热电偶的电学特性基本没有影响。为了比较不同粘结层对薄膜温度传感器寿命的影响，将不同粘结层的温度传感器在1 300 ℃热处理数小时，直至其失效，并记录下器件的寿命。实验结果表明:以Ti和Cr为粘结层的薄膜温度传感器的寿命在1 300 ℃下约为12 h，而以Ta为粘结层的薄膜温度传感器的寿命则为14 h，相对而言，Ta粘结层的薄膜温度传感器的寿命更长。

图5 不同粘结层薄膜温度传感器的电势—温度曲线Fig 5 Voltage-temperature curves of TFTCs with different adhesion layers

为研究采用不同粘结层时薄膜温度传感器的高温稳定性，将不同粘结层的薄膜温度传感器在1 300 ℃下保温10 h，然后观察其表面形貌。图6为分别采用Ti粘结层、Ta粘结层和Cr粘结层时PtRh电极的表面形貌图。从图中可以看出，在1 300 ℃下保温10 h后，以Ti或Cr为粘结层的器件表面有孔洞或裂纹，表面不平整或不连续，而与另外两种器件相比，以Ta为粘结层的器件表面在高温热处理后仍然相对平整和完整，这解释了以Ta为粘结层的薄膜温度传感器寿命最长的原因。

图6 不同粘结层时薄膜温度传感器在1 300 ℃下保温10 h后，PtRh电极表面的SEM形貌Fig 6 SEM image of PtRh electrode surface while TFTCs with different adhesion film preserving heat at 1 300 ℃ for 10 h

为研究不同粘结层的薄膜传感器敏感层在高温时的晶体结构变化，比较了不同粘结层的薄膜温度传感器在1 300 ℃下热处理10 h前、后的XRD图，如图7所示。

图7为不同粘结层的敏感膜在1 300 ℃热处理前、后的XRD图谱。从图中可以看出，所有Pt/PtRh敏感膜都具有明显的择优取向，只有一个峰值为2θ≈40°的衍射峰，对应于Pt的(111)晶面。但与热处理前相比，热处理后其峰值强度有明显提高。根据谢乐公式，可以计算出不同粘结层敏感膜在1 300 ℃热处理前后的晶粒尺寸变化，如图7所示。可以看出，晶粒尺寸在热处理前后有明显变化，处理后的晶粒尺寸均远远大于处理前，而在三种粘结层的器件中，Ta粘结层的器件的晶粒尺寸的变化相对最大，这可能是其寿命较长的原因，但相关机理还有待深入研究。

图7 不同粘结层上的Pt/PtRh膜在1 300 ℃热处理前后的XRD图谱Fig 7 XRD spectra of Pt/PtRh film with different adhesion layers before and after heat treating at 1 300 ℃

4 结 论

利用MEMS工艺在Al2O3基片上制备了Pt—PtRh薄膜温度传感器，其工作温度可高达1 300 ℃。在1 300 ℃，薄膜热电偶的输出电势值为14.8 mV，与标准丝状热电偶的电势值相等。薄膜温度传感器的V-T曲线与标准热电偶的曲线基本重合。同时研究了不同粘结层对薄膜温度传感器微结构、性能与寿命的影响，研究结果表明:以Ta为粘结层的薄膜传感器寿命最长，在1 300 ℃下可达到14 h。观察失效前和失效后的样品的表面形貌和晶体结构，以Ta为粘结层的器件，其表面形貌相对比较完整，且晶粒尺寸生长速率最大。

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张久斌，通讯作者，E—mail：pcheng2008@sjtu.edu.cn。

Fabrication and performance study of high temperature thin film sensor

WANG Qiang1,ZHANG Jiu-bin2,SHAO Jing1,CHENG Ping2,DING Gui-fu2,DUAN Li2

(1.Shanghai AVIC Commercial Aircraft Engine Manufacturing Co Ltd,Shanghai 201108,China;2.National Key Laboratory of Science and Technology on Micro/Nano Fabrication, Department of Micro/Nano Electronics,School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;3.AVIC Commercial Aircraft Engine Co Ltd,Shanghai 200241,China)

Pt-PtRh thin film thermocouples(TFTCs)are fabricated on Al2O3substrate by micro-electro-mechanical system(MEMS)technology.Its operating temperature is up to 1300℃.The maximum thermoelectric voltage of TFTCs is 14.8 mV.Its V-T curve is in accordance with that of standard thermocouple approximately.Effect of different adhesion layer materials on micro-structure of TFTCs and lifetime of device are studied.The film sensor with tantalum adhesion layer has the longest lifetime,which is up to 14 h at 1 300 ℃.

MEMS;high temperature;thin film;temperature sensor;lifetime

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0033—03

2016—01—21

V 216.8

A

1000—9787(2016)11—0033—03

王 强(1972-)，男，辽宁庄河人，硕士，高级工程师，从事航空发动机状态检测和测试方面工作。