呂曉霖 侯 文 王俊強 劉佳政 張海坤 李孟委

（1.中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 太原 030051）（2.中北大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院 太原 030051）

（3.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院 太原 030051）

1 引言

溫度是反應(yīng)物質(zhì)所處狀態(tài)下分子熱運動的劇烈程度的重要參數(shù)，對瞬時溫度變化的實時測量在航空、工業(yè)等諸多領(lǐng)域具有重要的作用［1～3］。航空航天發(fā)動機、重型燃氣輪機等動力設(shè)備的主要部件處在快速溫度變化環(huán)境中，利用溫度傳感器對噴嘴、燃燒室、葉片等關(guān)鍵部位的溫度進行實時監(jiān)測，有利于對發(fā)動機的點火時間、噴油量等重要參數(shù)進行精確控制，有助于優(yōu)化發(fā)動機燃燒室的收縮比設(shè)計，提高燃料的燃燒率和發(fā)動機的推進效率［4～6］。因此需要一款響應(yīng)時間小的溫度傳感器。

熱電阻式溫度傳感器因物理化學(xué)性能穩(wěn)定，復(fù)線性好且靈敏度高等特點被廣泛使用。19世紀(jì)70年代，西門子將鉑應(yīng)用于測溫領(lǐng)域，鉑因具有其他金屬所不具備的優(yōu)良特性，逐漸發(fā)展成為測溫領(lǐng)域的重要金屬材料［7］。鉑電阻溫度傳感器特性穩(wěn)定，不會因為高低溫變化引起其物理化學(xué)性質(zhì)變化，所以具有廣泛的溫度測量范圍，且鉑電阻溫度傳感器的電阻溫度系數(shù)小、線性好，精度與靈敏度高，穩(wěn)定性和耐高溫高壓性能好［8～9］，適用于惡劣環(huán)境下的測試需要，但在瞬態(tài)變化中熱響應(yīng)時間長，因此在瞬態(tài)測溫領(lǐng)域應(yīng)用較少。早在1976年Warren C 等人就指出：當(dāng)對變化的溫度進行測量時，絕大部分溫度電阻的響應(yīng)速度會比溫度的變化速度慢。為減小熱慣性獲得更快的響應(yīng)速度，需盡量減小傳感器尺寸以求減小其熱容總量［10～11］。因此本文提出一種新型的鉑電阻薄膜溫度傳感器，通過COMSOL有限元仿真研究薄膜鉑電阻動態(tài)特性，設(shè)計了一種鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片，并使用激光加熱法［12，13］測試其動態(tài)特性。

2 鉑電阻薄膜溫度傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理

鉑電阻薄膜溫度傳感器主要由內(nèi)部芯片與外部陶瓷管殼組成。圖1為本文所提出的鉑電阻薄膜溫度傳感器結(jié)構(gòu)與測試原理示意圖。將鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片置于陶瓷管殼內(nèi)，外部陶瓷管殼上方設(shè)置有多孔結(jié)構(gòu)，激光脈沖通過陶瓷上方的開孔作用在鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片上，瞬態(tài)溫度變化會引起鉑電阻發(fā)生變化，內(nèi)部芯片通過導(dǎo)線連接外部電源供電，電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓?，并通過電壓表V進行測量，根據(jù)電壓變化與溫度的函數(shù)關(guān)系，得出激光脈沖下的動態(tài)響應(yīng)情況。由于激光可以穿過外部陶瓷管殼上方的多孔結(jié)構(gòu)直接作用在鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片上，外部陶瓷封裝對動態(tài)測試沒有影響，因此采用鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片進行仿真與測試。

圖1 鉑電阻薄膜溫度傳感器結(jié)構(gòu)與測試原理圖

圖2為鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片結(jié)構(gòu)圖。內(nèi)部芯片選擇藍寶石晶片作為耐高溫襯底，并在襯底上設(shè)置有蛇形薄膜鉑電阻敏感結(jié)構(gòu)減少熱應(yīng)力與熱膨脹影響，敏感結(jié)構(gòu)上層設(shè)置有氧化鋁薄膜熱防護層，用于對鉑電阻進行防氧化保護，鉑電阻分別連接電極并通過電極處引線連接外部電源與電表。

圖2 鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片結(jié)構(gòu)圖

3 芯片設(shè)計與仿真

3.1 芯片尺寸設(shè)計

針對鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片中鉑電阻幾何結(jié)構(gòu)與工藝技術(shù)考慮，鉑電阻與鉑電極尺寸設(shè)計為圖3中寬度，鉑電阻厚度為10nm，電極厚度為Cr/Pt：50/300nm，鉑電阻在電極下方與電極歐姆接觸；鉑電阻下層藍寶石襯底尺寸設(shè)計為3mm×3mm×0.25mm；鉑電阻上層氧化鋁防護層設(shè)計為3mm×3mm×200nm；4 個電極尺寸為500μm×500μm×350nm，在電極上方刻蝕掉400nm×400nm×200nm的氧化鋁露出鉑電極。

圖3 鉑電阻薄膜溫度傳感器尺寸設(shè)計

3.2 有限元模型建立與網(wǎng)格劃分

針對上述鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片的尺寸設(shè)計，建立相應(yīng)的COMSOL 有限元模型。綜合服務(wù)器性能與仿真時間，在保證仿真精度的前提下，對上述模型進行可最小化的劃分，分為368419 個四面體，8609個邊單元，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

3.3 施加激勵仿真

激光熱源能量密度高并且可以精確控制，激光從激光器發(fā)出在經(jīng)過調(diào)制后聚焦照射在溫度傳感器感溫區(qū)域上，使溫度傳感器產(chǎn)生一個瞬時的溫升，達到熱激勵的效果。激光加熱法對于測試瞬間溫度變化的溫度傳感器具有很大的優(yōu)勢，采用調(diào)制的激光可以實現(xiàn)在指定溫度區(qū)間內(nèi)對溫度傳感器的理想熱激勵［14］。因此在COMSOL 軟件中模擬激光加熱下的動態(tài)響應(yīng)［15］。

對上述建立好的模型結(jié)構(gòu)加載廣義向內(nèi)熱通量，瞬態(tài)時間步長為0.001s，環(huán)境初始溫度設(shè)置為300K 室溫，在其感溫面處加載高速脈沖激光，其激光束的熱流密度F在柱坐標(biāo)系下表示為下式：

式中，r 為激光光束半徑0.5mm，P 為激光功率700W，R為環(huán)境輻射率為0.8，激光作用的三維橫坐標(biāo)x0為1.5mm；激光作用的三維縱坐標(biāo)y0為1.5mm；激光半徑內(nèi)任意一點距離激光作用點中心的距離［16］。得到的溫度分布如圖5所示。

圖5 溫度分布圖

通過在鉑電阻表面中心添加探針得到其響應(yīng)時間曲線為圖6。

圖6 響應(yīng)時間曲線圖

通過初步結(jié)構(gòu)仿真，從曲線圖6可以看出溫度傳感器芯片在0.009s 處毫秒級時間內(nèi)達到最高溫度1172K 并逐漸趨于穩(wěn)定，材料傳熱性能良好，證明了所設(shè)計的鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片結(jié)構(gòu)可行性。

4 芯片工藝設(shè)計

鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片工藝設(shè)計。

1）使用丙酮加異丙醇超聲清洗的方法對藍寶石清洗，進行備片。

2）在清洗好的藍寶石上磁控濺射DE500 機濺射Cr/Pt：50/300nm，金屬作底電極，并用丙酮加異丙醇超聲清洗。

3）同樣采用磁控濺射的方法將鉑薄膜濺射到藍寶石上與電極連接。

4）采用AZ4620 光刻膠與ICP 氧離子體進行刻蝕，對鉑薄膜進行圖形化處理。

5）選用原子層沉積PEALD 法制備200nm 氧化鋁防護層薄膜。

6）采用ICP 氧等離子體刻蝕氧化鋁防護層薄膜，將電極裸漏出來。

上述為鉑電阻薄膜溫度傳感器主要步驟展示，圖7為上述步驟流程圖。

圖7 工藝設(shè)計流程圖

通過工藝及版圖設(shè)計加工出鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片如圖8所示。

圖8 鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片圖

5 鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片動態(tài)測試

動態(tài)測試系統(tǒng)由光纖輸出半導(dǎo)體激光器、鉑電阻薄膜溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成。如圖8所示，通過激光脈沖調(diào)制模塊對RFL-A6000D光纖輸出半導(dǎo)體激光器輸出激光進行調(diào)制［17］，將調(diào)制激光作用在電壓調(diào)零后的鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片上，通過CBOOK20 型16 通道多功能信號采集系統(tǒng)，對鉑電阻薄膜溫度傳感器電壓信號進行放大、采集，在通過計算機對信號進行處理。

對于熱電阻式溫度傳感器，時間常數(shù)是重要的動態(tài)參數(shù)，反映了溫度傳感器在動態(tài)測量中響應(yīng)的快慢。時間常數(shù)定義為溫度傳感器在溫度階躍激勵下的響應(yīng)，從起始時刻達到穩(wěn)定值的63.2%所需的時間［18］。在激光輸出為700W 脈沖脈寬在10ms時，將計算機曲線從上升到穩(wěn)定值的63.2%作為響應(yīng)所需的時間［18］，通過數(shù)據(jù)處理得出曲線圖9。

圖9 動態(tài)測試圖

圖10 溫度—時間曲線圖

實驗動態(tài)響應(yīng)時間為6.3ms，結(jié)果與仿真相似，驗證了設(shè)計的正確性。

6 結(jié)語

本文制備的鉑電阻薄膜溫度傳感器響應(yīng)時間在6.3ms，提高了鉑電阻的響應(yīng)速度，提升了鉑電阻在高速高溫傳感器方面的應(yīng)用，對航空發(fā)動機的溫度測量具有很好的實際應(yīng)用價值。