MEMS薄膜热流传感器研制

李 娟， 张丛春， 杨申勇， 丁桂甫， 董 威， 段 力

(1.上海交通大学 微米/纳米加工技术重点实验室,上海 200240;2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院 微纳电子学系,上海 200240;3.上海交通大学 机械与动力工程学院,上海 200240)

0 引 言

在工农生产、科学研究、航空航天、动力工程以及日常生活中,存在着大量的热量传递问题有待解决[1,2]。随着现代科学技术的飞速发展，热流检测的理论和技术越来越受到重视[3]。目前，最常见的且应用得最多的热流计就是热阻式热流计[4,5]。

在航空航天等技术领域中经常需要精确测量涡轮、燃烧室等高温部件表面热流密度，用来验证冷却效率以及热障涂层的性能，并防止涡轮叶片等热端部件因为超高温而损坏[6]。微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)薄膜热流计以其体积小、热容量小、干扰小以及不破坏部件表面气流等特点，成为发动机热端部件表面热流测量新的测试方法[7，8]。

本文提出了基于MEMS工艺制备高温薄膜热流传感器应用于发动机涡轮叶片表面热流密度测量，该应用将为航空发动机表面的热流密度监测系统提供保障。

1 工作原理

根据塞贝克效应，薄膜热电偶将温度差转换为电压输出，输出电压与和与热流密度呈线性关系。由于单个热电偶输出电势较小，故利用多对热电偶串联形成热电堆，放大薄膜热流计的输出电势，提高灵敏度。薄膜热流计所测的热流值Q为[6]

Q=K(T1-T2)/d

(1)

式中K为热阻层的导热系数，T1为热结点温度，T2为冷结点温度，d为热阻层的厚度。

通过分析可得，当热流密度和热阻层的厚度相同，热导系数越小的热阻层产生的温差越大。本文设计采用导热系数小的聚酰亚胺和耐高温的氧化硅为热阻层分别用于高温和低温环境，可以有效提高传感器灵敏度和高温性能。

2 仿真分析

2.1 模型建立

利用COMSOL仿真软件，采用聚酰亚胺为热阻层，分别研究了不同热流值、基底厚度以及热流计半径对MEMS薄膜热流计输出性能的影响趋势，氧化硅为热阻层时仿真结果变化与聚酰亚胺热阻层时趋势一样。基本的设计参数如表1所示。

表1 薄膜热流计主要的设计参数

被测物选用金属Cu，通过导热传递热能，环境初始温度设为20 ℃。图1(a)为当施加3 500 W/m2的阶梯热流，达到热稳定状态后，被测物和热流传感器的温度分布情况。MEMS薄膜热流计表面温度分布如图1(b)所示。由于MEMS薄膜热流传感器热电堆的输出电势与冷热结点的温差呈正比，故冷热节点的温差越大，则输出电势越大。

图1 温度分布

2.2 仿真计算

图2(a)为施加不同表面阶梯热流密度，热流传感器冷热结点的温度差随时间的变化曲线。可知，施加不同的热流时，稳定后冷热结点温差随热流的增大而增大，但热流传感器的响应时间几乎不变。图2(b)为不同的传感器半径对冷热结点温差的影响，由图可得，随着热流计半径的增大，热流计冷热结点的温差随半径的增大而增大，但响应时间几乎不受半径变化而影响。热流传感器的基底厚度不同，其传感器冷热结点的温度差随时间的变化曲线如图2(c)所示。可知，温差将随基底厚度的减小而减小，响应时间也随基底厚度的减小而减小。

图2 热流计冷热结点温差曲线

上述仿真结果表明，MEMS薄膜热流传感器的输出电压与热流密度、热流传感器半径和基底厚度有关，氧化硅为热阻层也有相同变化趋势。热流传感器在不同的应用场合中可以选择对应合适的基底厚度和半径。为了得到大的电压输出，同时使得传感器小型化，本实验设计传感器半径为18 mm，采用0.75 mm的陶瓷基片为基底，由于其相比于一些金属，其具有相对高热导率、耐高温、容易获取的优点。

3 制备工艺

MEMS薄膜热流传感器应用微加工工艺制备。主要的工艺步骤包括：光刻显影技术、提离(liftoff)、溅射沉积、刻蚀工艺等。薄膜热电堆采用铂—铂铑13热电偶构成，基底选用氧化铝陶瓷，热阻层选用聚酰亚胺或氧化硅。主要工艺流程如图3所示。

图3 MEMS薄膜热流传感器制备工艺

(a)基片表面旋涂光刻胶、固化、光刻显影图形化，磁控溅射沉积Cr/Pt，然后提离。

(b)旋涂光刻胶，固化、光刻显影图形化，磁控溅射沉积Cr/PtRh13，再提离。

(c)采用旋涂工艺旋涂聚酰亚胺或者离子束溅射沉积氧化硅，光刻胶图形化后，利用显影液过显图形化聚酰亚胺或者氢氟酸刻蚀氧化硅形成热阻层。图4为所制备的MEMS薄膜热流计实物图。

图4 MEMS薄膜热流传感器实物照片

4 热流传感器标定

4.1 标定系统

由于MEMS薄膜热流计的材质、形状和制造工艺都不一致。每个热流计的灵敏度不可能完全的相同。因此，每个热流计在使用前都应该经过标定。本文设计搭建了辐射式热流标定测试系统，如图5所示，并对制备的MEMS薄膜热流计进行响应测试和灵敏度标定。

图5 辐射式热流标定系统示意

采用石英灯加热，通过加热控制系统控制施加在石英灯管上的功率，得到所需的热流值。美国OMEGA公司的HFS—4热流传感器作为标准热流传感器。标准热流计与MEMS薄膜热流传感器以中间石英灯中心位置对称安装。忽略各石英灯管之间的差异以及两个热流传感器的测量位置偏差，假设两个热流传感器所测量的热流密度相同。用国际标准的仪器NI34465A数据采集器采集MEMS薄膜热流传感器的输出电压。

4.2 响应测试

如图6所示为当施加2 kW/m2阶梯热流时，MEMS薄膜热流计输出电压响应曲线。由图可得，输出电压先迅速增大到最大值，达到最大值后逐渐减小，最后趋于一个稳定值。通过分析可知，响应曲线的变化趋势与仿真结果一致。

图6 2 kW/m2阶梯热流密度时MEMS薄膜热流计的输出电压响应曲线

4.3 灵敏度测试

图7为MEMS薄膜热流传感器的标定结果，传感器的输出电压与热流密度呈线性关系。灵敏度为1.038 3×10-4mV/(W·m-2)，对于不同的热流值和温度环境下，灵敏度几乎不变。

图7 MEMS薄膜热流计的输出电压—热流曲线

灵敏度的测量误差是传感器和测量系统误差的结合。本实验的误差分析是信号噪声、系统误差和标准传感器测量误差的结合，再加上2只传感器的热流偏差的不确定性，在这种情况下将标定灵敏度总误差估计为10 %。

5 结 论

在理论分析的基础上，基于MEMS工艺技术，设计和制备了MEMS薄膜热流传感器，该传感器采用聚酰亚胺或氧化硅为热阻层。建立辐射标定系统对传感器进行测试和标定，可发现传感器的响应曲线的变化规律与仿真结果基本一致，也进一步地验证了设计的有效性。同时，可得出MEMS薄膜热流计的输出电压与热流密度呈良好的线性关系，其灵敏度为1.038 3×10-4mV/(W·m-2)。鉴于标定系统温度限制，未测试高温，氧化硅热阻层的热流计有希望应用于更高温条件下热流的测量。