鉑電阻薄膜溫度傳感器設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)特性研究*

呂曉霖 侯 文 王俊強(qiáng) 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(yùn)動(dòng)的劇烈程度的重要參數(shù)，對(duì)瞬時(shí)溫度變化的實(shí)時(shí)測(cè)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(dòng)機(jī)、重型燃?xì)廨啓C(jī)等動(dòng)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(duì)噴嘴、燃燒室、葉片等關(guān)鍵部位的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有利于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火時(shí)間、噴油量等重要參數(shù)進(jìn)行精確控制，有助于優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的收縮比設(shè)計(jì)，提高燃料的燃燒率和發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)效率［4～6］。因此需要一款響應(yīng)時(shí)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(diǎn)被廣泛使用。19世紀(jì)70年代，西門子將鉑應(yīng)用于測(cè)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(cè)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(huì)因?yàn)楦叩蜏刈兓鹌湮锢砘瘜W(xué)性質(zhì)變化，所以具有廣泛的溫度測(cè)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(cè)試需要，但在瞬態(tài)變化中熱響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，因此在瞬態(tài)測(cè)溫領(lǐng)域應(yīng)用較少。早在1976年Warren C 等人就指出：當(dāng)對(duì)變化的溫度進(jìn)行測(cè)量時(shí)，絕大部分溫度電阻的響應(yīng)速度會(huì)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(guò)COMSOL有限元仿真研究薄膜鉑電阻動(dòng)態(tài)特性，設(shè)計(jì)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(cè)試其動(dòng)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(cè)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(guò)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(huì)引起鉑電阻發(fā)生變化，內(nèi)部芯片通過(guò)導(dǎo)線連接外部電源供電，電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷鹤兓⑼ㄟ^(guò)電壓表V進(jìn)行測(cè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)情況。由于激光可以穿過(guò)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(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)試沒(méi)有影響，因此采用鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片進(jìn)行仿真與測(cè)試。

圖1 鉑電阻薄膜溫度傳感器結(jié)構(gòu)與測(cè)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(lán)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(hù)層，用于對(duì)鉑電阻進(jìn)行防氧化保護(hù)，鉑電阻分別連接電極并通過(guò)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(jì)與仿真

3.1 芯片尺寸設(shè)計(jì)

針對(duì)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(jì)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(lán)寶石襯底尺寸設(shè)計(jì)為3mm×3mm×0.25mm；鉑電阻上層氧化鋁防護(hù)層設(shè)計(jì)為3mm×3mm×200nm；4 個(gè)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(jì)

3.2 有限元模型建立與網(wǎng)格劃分

針對(duì)上述鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片的尺寸設(shè)計(jì)，建立相應(yīng)的COMSOL 有限元模型。綜合服務(wù)器性能與仿真時(shí)間，在保證仿真精度的前提下，對(duì)上述模型進(jìn)行可最小化的劃分，分為368419 個(gè)四面體，8609個(gè)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(lì)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(guò)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(gè)瞬時(shí)的溫升，達(dá)到熱激勵(lì)的效果。激光加熱法對(duì)于測(cè)試瞬間溫度變化的溫度傳感器具有很大的優(yōu)勢(shì)，采用調(diào)制的激光可以實(shí)現(xiàn)在指定溫度區(qū)間內(nèi)對(duì)溫度傳感器的理想熱激勵(lì)［14］。因此在COMSOL 軟件中模擬激光加熱下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)［15］。

對(duì)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(shí)間步長(zhǎng)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(diǎn)距離激光作用點(diǎn)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(guò)在鉑電阻表面中心添加探針得到其響應(yīng)時(shí)間曲線為圖6。

圖6 響應(yīng)時(shí)間曲線圖

通過(guò)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(jí)時(shí)間內(nèi)達(dá)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(jì)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(jì)

鉑電阻薄膜溫度傳感器芯片工藝設(shè)計(jì)。

1）使用丙酮加異丙醇超聲清洗的方法對(duì)藍(lán)寶石清洗，進(jìn)行備片。

2）在清洗好的藍(lán)寶石上磁控濺射DE500 機(jī)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(lán)寶石上與電極連接。

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

5）選用原子層沉積PEALD 法制備200nm 氧化鋁防護(hù)層薄膜。

6）采用ICP 氧等離子體刻蝕氧化鋁防護(hù)層薄膜，將電極裸漏出來(lái)。

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(jì)流程圖

通過(guò)工藝及版圖設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)測(cè)試

動(dòng)態(tài)測(cè)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(jì)算機(jī)組成。如圖8所示，通過(guò)激光脈沖調(diào)制模塊對(duì)RFL-A6000D光纖輸出半導(dǎo)體激光器輸出激光進(jìn)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(guò)CBOOK20 型16 通道多功能信號(hào)采集系統(tǒng)，對(duì)鉑電阻薄膜溫度傳感器電壓信號(hào)進(jìn)行放大、采集，在通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

對(duì)于熱電阻式溫度傳感器，時(shí)間常數(shù)是重要的動(dòng)態(tài)參數(shù)，反映了溫度傳感器在動(dòng)態(tài)測(cè)量中響應(yīng)的快慢。時(shí)間常數(shù)定義為溫度傳感器在溫度階躍激勵(lì)下的響應(yīng)，從起始時(shí)刻達(dá)到穩(wěn)定值的63.2%所需的時(shí)間［18］。在激光輸出為700W 脈沖脈寬在10ms時(shí)，將計(jì)算機(jī)曲線從上升到穩(wěn)定值的63.2%作為響應(yīng)所需的時(shí)間［18］，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得出曲線圖9。

圖9 動(dòng)態(tài)測(cè)試圖

圖10 溫度—時(shí)間曲線圖

實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為6.3ms，結(jié)果與仿真相似，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文制備的鉑電阻薄膜溫度傳感器響應(yīng)時(shí)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(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度測(cè)量具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。