馬曉康，叢 慧，穆 仁，范會(huì)濤，楊 卉，祈明鋒，張小水，，張 彤，*

(1.吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，長春 130012;2.河南漢威電子股份有限公司，鄭州 450001)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的傳感器向微型化、集成化、智能化和低功耗的方向發(fā)展。微結(jié)構(gòu)傳感器因其在功耗、集成度上的優(yōu)勢(shì)而受到人們關(guān)注。同時(shí)，由于微結(jié)構(gòu)傳感器逐漸向微米級(jí)甚至納米級(jí)尺寸方向發(fā)展，其表面工作溫度的測(cè)量的難度也逐漸增大［1－3］。傳統(tǒng)的測(cè)量手段已經(jīng)不能滿足微結(jié)構(gòu)芯片的表面工作溫度測(cè)量的要求，例如:熱電偶測(cè)溫方法，由于鉑銠探頭的尺寸與微芯片尺寸相近，冷的探頭與熱的芯片表面接觸會(huì)導(dǎo)走芯片上的熱量，引起較大的測(cè)量誤差;紅外測(cè)溫法，盡管紅外光斑與樣品表面是非接觸的，但是由于紅外光斑的尺寸遠(yuǎn)大于芯片尺寸，取樣面積的誤差仍然會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)溫誤差［1－7］。

基于“相同溫度下同一物體所產(chǎn)生的輻射功率相同”的原理，我們利用光輻射與溫度的關(guān)系，自行搭建了一套非接觸式測(cè)溫平臺(tái)［2－3］，并利用這種方法研究了一種平面陶瓷基微結(jié)構(gòu)傳感器襯底的表面工作溫度的分布規(guī)律，以In2O3納米纖維為敏感材料制作酒精傳感器，利用襯底的加熱電流與溫度的關(guān)系，研究了該傳感器的敏感特性［8－10］。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 非接觸式測(cè)溫平臺(tái)的基本原理

氣體傳感器只有在合適的工作溫度下其敏感材料才能被激活，從而表現(xiàn)出對(duì)某種氣體的敏感特性，因此對(duì)傳感器襯底的熱性能測(cè)定顯得尤為重要［1－2］。

實(shí)際物體的熱輻射的單色輻射強(qiáng)度E是波長λ和溫度T的函數(shù)，即普朗克公式

式中c1為普朗克第一輻射常數(shù)，c2為普朗克第二輻射常數(shù)，λ為真空中波長，T為黑體溫度。黑度系數(shù)ε表示實(shí)際物體相對(duì)于絕對(duì)黑體的輻射能力，對(duì)于某一確定物體，ε是介于0～1之間的常數(shù)，與該物體材料形貌、尺寸、密度等有關(guān)。

因而，當(dāng)波長λ與溫度T一定時(shí)，物體的單色輻射強(qiáng)度E是確定的。本文所采用的非接觸式測(cè)溫平臺(tái)是基于這一原理建立的。為了減小外界光線對(duì)測(cè)試的干擾，整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)被封閉在一個(gè)密閉的保溫黑箱中。測(cè)試分為兩個(gè)步驟:首先，利用精密熱電偶標(biāo)定傳感器陣列上襯底(尚未劃片)的表面溫度T對(duì)輻射功率P的變化關(guān)系，得到T－P曲線;其次，標(biāo)定切割后單一芯片襯底的加熱電流I對(duì)輻射功率P的關(guān)系，得到I－P曲線。然后，通過對(duì)比獲得微傳感器襯底的工作電流對(duì)表面溫度T的變化關(guān)系曲線(I－T)。本平臺(tái)能夠比較精確的測(cè)量襯底的溫度分布。圖1(a)、圖1(b)分別為用于標(biāo)定T－P和I－P的測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖。圖2(a)、圖2(b)分別為平面陶瓷基微結(jié)構(gòu)傳感器陣列實(shí)物圖和單芯片結(jié)構(gòu)圖。

圖1 標(biāo)定T－P和I－P的非接觸式測(cè)溫系統(tǒng)的組成示意圖

圖2 平面陶瓷基微結(jié)構(gòu)傳感器

1.2 測(cè)試結(jié)果與誤差分析

利用非接觸式測(cè)溫平臺(tái)分別標(biāo)定微芯片陣列溫度對(duì)輻射功率(T－P)關(guān)系曲線和單芯片微傳感器襯底的工作電流對(duì)輻射功率(I－P)關(guān)系曲線。測(cè)試結(jié)果如圖3所示，其中圖3(a)為微芯片陣列的T－P曲線，圖3(b)為單芯片襯底的I－P曲線。

圖3

對(duì)比圖3(a)、3(b)曲線，得到微傳感器的I－T曲線，如圖4所示，襯底的工作電流與表面溫度呈良好的線性關(guān)系。圖5為利用該測(cè)溫平臺(tái)所測(cè)得的微傳感器襯底的溫度分布圖，此時(shí)微傳感器的工作電流為64.6 mA，工作電壓為5 V。

圖4 微傳感器的I－T曲線

圖5 微傳感器襯底的溫度分布圖

本套非接觸式測(cè)溫平臺(tái)測(cè)量所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性受測(cè)試儀器精度、人員操作等諸多因素影響。通過高精度光功率計(jì)、精密熱電偶等的使用，以及采取多次重復(fù)測(cè)量取平均值的方式，可以明顯提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，減小誤差。由于儀器精度限制，本測(cè)試平臺(tái)適用于測(cè)試180℃～420℃區(qū)間內(nèi)的溫度標(biāo)定。低于180℃時(shí)，由于光功率計(jì)精度較低導(dǎo)致測(cè)量準(zhǔn)確性下降;高于420℃時(shí)，單色熱輻射功率值波動(dòng)劇烈，難以確定，同樣致使測(cè)量準(zhǔn)確性降低。在180℃ ～420℃區(qū)間內(nèi)，尤其是250℃ ～400℃范圍內(nèi)，本套測(cè)試平臺(tái)準(zhǔn)確性可達(dá)95%以上。而許多氣體敏感材料的最佳工作溫度在此溫度范圍內(nèi)，因此該測(cè)溫平臺(tái)適用于對(duì)這些材料最佳工作溫度的標(biāo)定工作。

2 工作電流～表面溫度曲線的應(yīng)用

利用以上方法，可以對(duì)任一結(jié)構(gòu)的微結(jié)構(gòu)芯片，標(biāo)定得到I－T曲線，通過查閱標(biāo)定曲線，可以獲知在某一加熱電流下的器件表面溫度。實(shí)驗(yàn)中，我們以In2O3納米纖維為敏感材料，制作了In2O3酒精傳感器，借助微傳感器的I－T曲線研究了In2O3酒精傳感器的敏感特性。

2.1 In2O3酒精傳感器的制備

取單片微傳感器襯底，將其用Pt引線焊接到管座上備用。取適量In2O3納米纖維放入去離子水中超聲分散3 h。將分散好的漿料均勻涂在傳感器芯片上，自然風(fēng)干。將傳感器放入馬弗爐中600℃燒結(jié)3 h后取出。在70 mA電流下老化12 h，即可制備好 In2O3酒精傳感器［10－16］。

2.2 I－T曲線的應(yīng)用及In2O3酒精傳感器的敏感特性

測(cè)試采用RQ－2氣敏元件測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量In2O3酒精傳感器的氣敏特性。記錄不同工作電流下傳感器的靈敏度，借助于此型號(hào)微傳感器襯底的I－T曲線，得到工作溫度與靈敏度之間的關(guān)系。如圖6中所示，在500×10－6的乙醇?xì)怏w中，測(cè)試50℃ ～180℃溫度段In2O3酒精傳感器的響應(yīng)。傳感器的靈敏度在此溫度區(qū)間的變化呈鐘形，在120℃時(shí)達(dá)到峰值16.95。因此，120℃被定義為In2O3酒精傳感器的最佳工作溫度，并應(yīng)用于以下的氣敏性能測(cè)試中［10］。

圖6 In2O3酒精傳感器工作溫度～靈敏度曲線

圖7(a)是In2O3酒精傳感器在120℃下對(duì)乙醇?xì)怏w濃度的響應(yīng)曲線。隨乙醇濃度的增加，傳感器的靈敏度逐步增大。乙醇濃度在0～500×10－6范圍內(nèi)，傳感器的濃度－靈敏度曲線呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系;超過4 000×10－6后，傳感器的靈敏度逐漸達(dá)到飽和。圖7(b)是In2O3酒精傳感器在120℃下對(duì)不同濃度的乙醇?xì)怏w的響應(yīng)恢復(fù)曲線。盡管乙醇?xì)怏w濃度變化很大，由100×10－6增大到 2 000×10－6，In2O3酒精傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間卻很短，分別為15 s和5 s。

圖7 In2O3酒精傳感器的曲線

3 結(jié)論

自行搭建了一套非接觸式測(cè)溫平臺(tái)，利用該測(cè)溫平臺(tái)對(duì)一種平面陶瓷基微傳感器的熱性能進(jìn)行了研究，獲得了該傳感器的工作電流對(duì)表面溫度的關(guān)系曲線和表面溫度分布圖。借助I－T曲線，確定In2O3納米纖維的最佳工作溫度為120℃。在此最佳工作溫度下，研究了In2O3酒精傳感器的氣敏特性，得到了其濃度對(duì)靈敏度曲線和響應(yīng)恢復(fù)曲線。

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