原子層熱電堆熱流傳感器研制及其性能測試

楊 凱,朱 濤,王 雄,陶伯萬,朱新新,王輝,楊慶濤

(1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動力研究所,四川 綿陽 621000;2.電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室,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“世紀難題”[1]。對于高超聲速飛行，當高超聲速邊界層由層流變?yōu)橥牧骱螅诿鏌崃亢湍Σ亮Χ紩眲≡黾印Ｒ虼耍叱曀龠吔鐚愚D(zhuǎn)捩的理論和試驗研究(飛行試驗和風(fēng)洞試驗)是認識轉(zhuǎn)捩機理、從而進一步實現(xiàn)轉(zhuǎn)捩控制的重要手段。當前高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩理論研究中，來流擾動的演化和發(fā)展被認為是邊界層轉(zhuǎn)捩機理的核心[2]。相應(yīng)地，在風(fēng)洞試驗研究中也越來越關(guān)注高頻脈動量的測試與分析。目前，風(fēng)洞試驗中常見的測試內(nèi)容包括：高頻壓力脈動[3-8]、高頻速度脈動[9-11]、高頻密度脈動[12-15]以及高頻熱流脈動[16-19]等。其中，高頻脈動測試多采用PCB 132高頻脈動壓力傳感器實現(xiàn)，但其有效測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測試，更細的熱線是提升其測試頻率的有效手段，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)測試儀器，能捕捉到1 MHz以上的高頻密度脈動，但是對測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，但是其敏感薄膜耐不住強氣流多次沖刷[2]，在沒有保護膜的情況下長時間使用容易失效。

天津大學(xué)韓健[20]嘗試利用薄膜熱電阻熱流傳感器進行高頻脈動熱流測試。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試到的溫度信號轉(zhuǎn)換成熱流時，其算法會放大噪聲干擾[21]。而ALTP熱流傳感器的輸出與輸入的被測熱流成線性正比關(guān)系，不存在算法變換的問題。事實上，ALTP熱流傳感器的敏感元件釔-鋇-銅-氧化物(YBa2Cu3O7-δ，簡記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熱原理是一致的[22-23]。由于YBCO薄膜在百納米量級，相應(yīng)的響應(yīng)頻率就能夠達到1 MHz以上，因此發(fā)展出這一類可用于高頻熱流脈動測試的ALTP熱流傳感器[23-24]。

本文所述ALTP熱流傳感器參照國外ALTP熱流傳感器的測熱原理，設(shè)計了敏感芯片參數(shù)、傳感器封裝結(jié)構(gòu)，依托國內(nèi)YBCO薄膜取向生長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的弧光燈熱流傳感器標定系統(tǒng)對研制的ALTP熱流傳感器進行靜態(tài)標定,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)時間是否有差異的情況下,利用激波風(fēng)洞試驗確定了所研制的ALTP熱流傳感器的響應(yīng)時間上限。

1 ALTP熱流傳感器

1.1 熱流測試原理

文獻[18,22-25]對ALTP熱流傳感器的測熱原理作了說明。為了內(nèi)容上的完整性，在此對ALTP熱流傳感器的測熱原理進行簡要闡述。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)是一個二階張量。當YBCO薄膜中存在溫度梯度時，產(chǎn)生的電場E可表示為：

E=ST

(1)

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

圖1 ALTP熱流傳感器的測熱原理[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×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)時間和靈敏度系數(shù)：

(7)

(8)

顯然，0.131 μs的特征響應(yīng)時間對應(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)實現(xiàn)的，薄膜厚度依賴于沉積時間。YBCO薄膜的取向生長主要是通過調(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 傳感器性能測試

利用可溯源至室溫電替代輻射計的弧光燈熱流傳感器標定系統(tǒng)對ALTP熱流傳感器進行靜態(tài)對比標定，獲得傳感器的靈敏度系數(shù)。文獻[24-25]利用脈沖激光標定的方式獲得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)時間是一致的。在不明確光電效應(yīng)與熱電效應(yīng)響應(yīng)時間是否一致的前提下，本文利用激波風(fēng)洞對ALTP熱流傳感器進行動態(tài)測試，并將其與薄膜熱電阻熱流傳感器對比，獲得其響應(yīng)時間上限。

2.1 靈敏度系數(shù)

文獻[26-27,29]對弧光燈熱流傳感器標定系統(tǒng)作了較為詳細的介紹，在此不再贅述。每支傳感器均在5個不同熱流條件下進行靜態(tài)標定實驗，其中ALTP-1熱流傳感器在64.45 kW/m2標定熱流下的實驗數(shù)據(jù)如圖4所示。通過靜態(tài)標定獲得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[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)中的薄膜有效長度。

圖4 ALTP-1熱流傳感器的一組典型標定數(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)標定結(jié)果Fig.5 The static calibration results of two ALTP heat-flux sensors

2.2 動態(tài)響應(yīng)時間

如前所述，利用光輻射對傳感器進行靜態(tài)標定時，傳感器表面噴涂一層涂層可獲得穩(wěn)定的光吸收率，但會大大降低傳感器的響應(yīng)時間。在不確定光電效應(yīng)和熱電效應(yīng)的響應(yīng)時間是否一致的前提下，激波風(fēng)洞試驗是確定ALTP熱流傳感器響應(yīng)時間的一個較好途徑。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)洞試驗現(xiàn)場如圖6所示。預(yù)設(shè)流場參數(shù)為：來流馬赫數(shù)數(shù)Ma∞=10，驅(qū)動段壓力p4=28 MPa，被驅(qū)動段壓力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，利用實測數(shù)據(jù)計算得到Mas=6.134，即實際流場與預(yù)設(shè)流場狀態(tài)相差不大。數(shù)據(jù)采樣頻率為5 MHz，無濾波處理，試驗原始數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖6 風(fēng)洞試驗現(xiàn)場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)時間在0.20 μs以內(nèi)，與理論估算的響應(yīng)時間0.13 μs相當。2種不同類型熱流傳感器的熱流測試結(jié)果如圖8所示，從圖中可以看出ALTP-1熱流傳感器測得的熱流與薄膜熱電阻測得的熱流是一致的。

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

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

3 結(jié) 論

基于ALTP熱流傳感器測熱原理，設(shè)計了敏感元件參數(shù)和傳感器封裝結(jié)構(gòu)，并依托國內(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定系統(tǒng)對傳感器進行靜態(tài)對比標定獲得了傳感器的靈敏度系數(shù)，同時利用激波風(fēng)洞試驗及與薄膜熱電阻進行對比初步確定了所研制的ALTP熱流傳感器的響應(yīng)時間。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熱流傳感器測熱響應(yīng)時間小于0.20 μs，可用于高頻脈動熱流測試。

致謝:本文工作得到國家重點研發(fā)計劃(2019YFA0405300)、國家自然科學(xué)基金(11802321)和中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所自主發(fā)展基金資助。同時感謝支東、馬平、李強、胡守超和吳里銀等在實驗過程中給予的大量幫助。