秦自強，王　寧，鄧佩剛武漢工程大學理學院，湖北 武漢 430205

QIN Ziqiang，WANG Ning，DENG Peigang*School of science，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205

一種兩級微橋結構快速測溫微型傳感器的研制

秦自強，王寧，鄧佩剛*
武漢工程大學理學院，湖北 武漢 430205

設計了一種新型薄膜熱電阻溫度傳感器.傳感器感溫結構由基片（Si）/絕緣層（SiO2）/感溫部（Pt）組成，Pt薄膜片以懸空的微橋連接方式搭接在SiO2片上，SiO2片也以同樣的方式搭接在Si片上，以此構成兩級微橋機構.較之傳統(tǒng)溫度傳感器，該感溫部件采用懸空布置結構可使測溫過程中的熱損失大為減少，并能保證溫度傳感器熱響應的線性度和可靠性.通過ANSYS有限元軟件仿真Pt薄膜片在不同厚度SiO2片下的溫度分布情況.當SiO2片厚度為2 μm，該傳感器熱響應時間常數達到最小的10 ms，與SiO2片厚度為5 μm和10 μm相比其時間常數減小了50%以上.研究結果表明：在溫度測量過程中，SiO2片厚度對感溫的Pt薄膜片熱損失影響很大，在設計中應盡可能減小SiO2片厚度.

溫度傳感器；微橋機構；熱響應；時間常數；熱損失

快速測溫是用來測量某一時間內溫度變化迅速、劇烈的，尤其是汽車發(fā)動機點火瞬間、壓縮機活塞室氣體溫度壓縮過程、內燃機燃燒室的壁面以及火箭尾部噴嘴壁面等場所的溫度監(jiān)測或測量技術［2］.但目前的溫度傳感器在應用中仍有一些不足，比如，薄膜熱電偶的熱結點是一種很復雜的結構，在制備過程中容易產生缺陷，諸如空位、替位和填隙雜質等問題，這些缺陷會通過擴散作用向金屬薄膜的內部偏移，進而影響薄膜熱電偶的性能［3-4］；紅外熱成像測溫技術又涉及多學科，技術復雜，被測物體的發(fā)射率難以確定，尤其是混合流體；而光纖光柵溫度傳感器需要復雜的光電系統(tǒng)，其感溫探頭加工工藝精度要求高等問題［5］.

考慮到上述溫度傳感器在使用中所面臨的問題，設計一種結構簡單，符合現代加工工藝，又能實現快速瞬態(tài)測溫的溫度傳感器就成為一個需要解決的問題.本文中的微橋結構Pt薄膜溫度傳感器，采用成熟的微電子機械（MEMS）加工技術，相較于熱電偶傳感器加工技術更穩(wěn)定成熟，沒有光纖光柵溫度傳感器復雜的測溫系統(tǒng)［6］，也無需紅外熱成像測溫技術涉及到繁冗的學科理論.而且，鉑電阻溫度傳感器是利用金屬鉑在一定的溫度范圍內，其電阻值隨溫度呈線性變化的原理進行溫度測量的，具有很好的測溫穩(wěn)定性和線性度［7］.

通過傳熱的理論分析，MEMS Pt膜溫度傳感器中大部分熱量的損失，是通過Pt薄膜片以導熱方式將熱量傳遞到與之接觸的基底襯底片上.設計時采用兩級微橋機構，可描述為：感溫的Pt薄膜以懸空的微橋連接方式搭接在一個SiO2的薄膜片上；同時SiO2薄膜片也以懸空的微橋連接方式搭接在Si基底襯底片上；這種兩級懸空結構設計與多層疊加式、單橋連接式等傳統(tǒng)結構相比，即減少了Pt薄膜片與絕緣層的接觸面，進而降低了兩者之間的熱量傳遞，又可使承載多組Pt薄膜片以彎折的形式組合.另外，多組彎折的Pt薄膜片可增大感溫部的整體熱阻，而熱電阻溫度傳感器又是通過測量回路的電阻變化產生的電流來測量的，所以當感溫部接觸到被測環(huán)境時，即便是較小的溫度差距也能引起明顯的電阻值變化，測量回路也會產生相應的電流值，進而能快速測出被測環(huán)境的溫度值.本設計采用了MEMS加工技術，能在一定程度上保證感溫元件體積小，重量輕，熱容量小，以確保傳感器感溫部的快速響應.

2　結構設計

溫度傳感器的結構設計分為三層，如圖1所示，自下往上依次為Si基片、SiO2薄膜絕緣層和Pt感溫薄膜；作為基底的Si片主要用于固定感溫結構，其尺寸設定范圍較寬，可達到幾毫米甚至更大，以便于感溫探頭的安裝、移動等；SiO2為絕緣層，防止Si片對Pt熱電阻電流回路發(fā)生短路；作為感溫核心部分的Pt薄膜片是利用其電阻率隨溫度變化的特性，將測溫環(huán)境的溫度變化轉化為Pt電阻值的變化，進而改變感溫電阻回路中電流的變化.

圖1　MEMS溫度傳感器結構圖Fig.1　Structurediagram of MEMS temperature sensor temperature sensor

為了增加Pt薄膜片的整體電阻，感溫區(qū)域布置成折彎的形狀（參見圖2）.圖2中沒有畫出Pt感溫薄膜的電源引線部分，因這部分設計時可大面積鋪滿SiO2層，且為金屬，所以對本次熱分析影響很小，為節(jié)省計算時間本次模擬熱分析不做考慮.

圖2為Pt感溫部件圖，其采用MEMS加工工藝的結構布局可描述為：作為基底的Si襯底片上以微橋形式搭載一對SiO2薄膜片，SiO2薄片懸空部分的尺寸如圖2所示；感溫的折彎Pt薄膜片也以微橋形式搭載于SiO2薄膜片上，搭載結合部分的長度為5 μm，其余的Pt薄膜片亦懸空布置，盡可能減小了在測溫過程中Pt薄膜片與SiO2薄片之間的熱量傳遞.

上述結構設計可在MEMS加工技術中的光刻、淀積、濺射、剝離（lift-off）和深反應離子刻蝕（DRIE）等工藝得以實現［8］.

圖2　感溫部結構圖Fig.2　Structurediagram of temperature sensing unit

3　結果與討論

3.1仿真分析

現利用ANSYS有限元軟件對感溫部在穩(wěn)態(tài)溫度場和交變溫度場兩種情況下的熱響應過程進行仿真模擬.鑒于Pt薄膜片組是感溫核心部分，SiO2片和Si片是起支承和固定作用，因此，在仿真過程中對整體結構進行仿真模擬實驗，但只對Pt薄膜片部測溫數據進行分析.

在有限元分析中，采用的初始條件和邊界條件如下：溫度傳感器整體初始溫度為25℃，突然置于200℃的空氣中，其對流換熱系數h= 100 W/（m2·K）.通過有限元分析，將得到以下幾個方面的結果：1）感溫Pt薄膜片的瞬態(tài)溫升過程；2）感溫Pt薄膜片上的溫度分布的均勻性；3）SiO2薄膜片的厚度對上述溫升過程的影響.

表1列出了仿真過程中所需的Si、SiO2和Pt的熱物理性質，包括密度、比熱容和導熱系數.另外，假設溫度傳感器的感溫部件與被檢測環(huán)境的傳熱是強制對流換熱效果，在此情況下對流換熱系數可取h=100 W/（m2·K）［9］.

表1　各材料的熱物理性質Tab.1　Thermal physical properties of materials

3.2穩(wěn)態(tài)溫度場分析

為方便起見，定義本溫度傳感器的輸出變化達到其初始值和最終值之差的63.2%所需的時間，為熱響應時間常數τ［10］.同時，選取感溫Pt薄膜片上的兩個不同點來做瞬態(tài)溫升分析：A點（參考圖2）為Pt薄膜片與SiO2微橋結合處的點，B點（參考圖2）為Pt薄膜片懸空部分的中間點.

圖3為SiO2片厚度為2 μm時，Pt薄膜片的ANSYS有限元仿真模擬分析結果溫度云圖.由圖可見，本設計能滿足整個感溫薄膜的溫度分布均勻性（均勻性達到99%），從而保證了溫度傳感器響應的線性度和可靠性.

圖3　感溫區(qū)域溫度分布云圖Fig.3　Temperaturedistributiondiagram of the temperature sensing unit

圖4（a）為當SiO2片厚度分別為2 μm、5 μm和10 μm時，Pt薄膜片上A點的溫度隨時間變化的曲線.從圖4中可知，當SiO2片厚度為2 μm時，達到穩(wěn)態(tài)的時間約為0.1 s；其時間常數τ為12 ms，而在SiO2片厚度為5 μm和10 μm時，其對應的時間常數τ分別為30 ms和60 ms，SiO2片厚度為2 μm時的時間常數τ較之于SiO2片厚度為5 μm和10 μm的分別減小了60%和80%.顯然，SiO2的厚度對本溫度傳感器的時間常數有很大的影響，其厚度越小則時間常數越小.這是因為Pt感溫膜的厚度很小，其熱容量也很小，所以它能迅速隨著環(huán)境溫度的變化而變化.另一方面搭載Pt膜的SiO2膜片因為要考慮其機械穩(wěn)定性，不可能太薄，所以SiO2膜的厚度和熱容量都會大于Pt膜的厚度和熱容量.這樣，當環(huán)境溫度升高后，Pt薄膜的溫度會迅速上升，而SiO2膜的溫度上升則會慢一些.其結果是熱量會從Pt薄膜通過微橋向SiO2膜傳遞，這樣就會降低Pt薄膜的熱響應過程.顯然，當SiO2膜越薄的時候，這個傳遞的熱量就會越少，則感溫Pt薄膜的熱相應時間就會越小.

圖4（b）為在SiO2片厚度為2 μm時，Pt薄膜片A點和B點熱響應時間溫變圖，由此圖可知，處在SiO2片和Pt薄膜片發(fā)生熱量傳遞接觸位置上的A點，也能保持和懸空部分上B點有相同的溫變，這說明Pt薄膜片不會因為溫度不均導致熱阻不穩(wěn)（結合圖3中A和B兩點溫度分布云圖）.

圖4　溫度傳感器瞬態(tài)溫變特性曲線（a）A點瞬態(tài)溫變曲線；（b）A點和B點瞬態(tài)溫變曲線Fig.4　Transient temperaturechangecurves of temperature sensor（a）Transient temperaturechangecurves of point A；（b）Transient temperaturechangecurves of point A and B

3.3交變溫度場分析

現保持結構尺寸和其他參數條件不變，在只改變環(huán)境溫度情況下，觀察SiO2片厚度仍為2 μm、5 μm和10 μm時對Pt薄膜片A點的溫度變化影響.假設被測環(huán)境溫度成周期性變化，且其溫度變化函數方程式為T（t）=100+50×sin（31.4×t），其中t表示時間，顯然環(huán)境溫度的交變周期為T=0.2 s.溫度傳感器的感溫元件在上述環(huán)境溫度場中經過一段時間振蕩后，其測量溫度將隨環(huán)境溫度變化周期產生相應變化，圖5是略去振蕩部分后的Pt薄膜片A點溫度變化情況.為了研究方便，可定義感溫元件測得最大（?。囟戎蹬c環(huán)境溫度最大（小）溫度值之間的差值與環(huán)境溫度最大（?。┲档谋戎禐闇囟戎嫡`差，感溫元件測得最大（?。囟戎禃r間與環(huán)境溫度最大（?。囟戎禃r間的差值與環(huán)境溫度變化周期的比值為時間延后，通過對比這兩個值來考察溫度傳感器的精度及靈敏度.

由圖5可知，在交變溫度場中，不同的SiO2片厚度情況下A點測得環(huán)境溫度與實際環(huán)境溫度有一定差距，時間上也有一定延遲，但與SiO2片厚度為5 μm和10 μm相比，SiO2片厚度為2 μm時感溫元件的測量溫度更接近環(huán)境溫度，時間延遲也更小.而在實際測量交變溫度場時，可參考表2所得參數進行溫度補償來彌補測量時的誤差.

表2　感溫元件性能參數Tab.2　Performance parameters of the temperature sensing unit

4　結語

本文設計了一種用于快速測溫的兩級微橋機構Pt薄膜熱電阻MEMS溫度傳感器，通過ANSYS有限元分析軟件模擬了Pt薄膜熱電阻傳感器在穩(wěn)態(tài)溫度場和交變溫度場中溫度變化情況，并討論三種不同SiO2片厚度對Pt薄膜片在快速測溫過程熱損失的影響，最終，根據模擬數據可知當其他參數不變時，SiO2片厚度為2 μm時的時間常數τ較之于SiO2片厚度為5 μm和10 μm時分別減小了60% 和80%，而其測量誤差也比5 μm和10 μm二者降低了65%和76.5%，時間延后也降低了38.5%和50%.由此可見，SiO2片厚度越小，其與Pt薄膜片間熱量傳遞會隨之變少，精度值也會越高，該溫度傳感器性能也相應地提高.

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本文編輯：陳小平

Investigation on Two-Stage Micro-Bridge Structure of Fast Temperature Measurement Microsensors

A thin film temperature sensor of micro electro mechanical systems wasconstructed.The sensorconsists of three parts：substrate（Si），insulating layer（SiO2）and the temperature sensing unit（Pt）.The Pt thin film sits on the SiO2layer and the latter sits on the Si substrate by a free-standing micro-bridge strucrure.Thus，a two-stage micro-bridge structure was formed.Compared with the traditional temperature sensor，the temperature sensing unitcan greatly reduce heat loss in the process of measuring temperature by using vacant layout structure，and itcan ensure the linearity and reliability of thermal response of the temperature sensor.We use the finite element software of ANSYS to simulated the temperaturedistribution of Pt thin film underdifferent thicknesses of SiO2film.The timeconstant of thermal response of the sensor reaches 10 millisecond when the thickness of SiO2film is 2μm，decreasing by more than50%compared with that of5μm and 10μm.The results prove that the thickness of SiO2film has a great influence on the thermal loss of Pt thin films in the process of temperature measurement.So the thickness of SiO2film should be reduced as much as possible in thedesign work.

temperature sensor；micro-bridge structure；thermal response；timeconstant；thermal loss；

TP212.1

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.02.017

1674-2869（2016）02-0195-05

QIN Ziqiang，WANG Ning，DENG Peigang*
School of science，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205

1引言

2016-01-14

秦自強，碩士研究生.E-mail：1036364328@qq.com

鄧佩剛，博士，教授.E-mail：1762512416@qq.com

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它與工農業(yè)生產、科研工作等息息相關.因此，測溫儀器應運而生.隨著新材料、新工藝和新技術的加入，溫度傳感器性能不斷提升，應用領域也越來越精細，其中快速測溫是今后測溫領域一個重要的應用方向［1］.