王 強(qiáng)，張久斌，邵 靖，程 萍，丁桂甫，段 力

(1.上海中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 201108；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電子工程學(xué)院 微納電子學(xué)系 微/納米國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240;3.中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241)

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高溫薄膜傳感器制備與性能研究

王 強(qiáng)1，張久斌2，邵 靖1，程 萍2，丁桂甫2，段 力2

(1.上海中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 201108；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電子工程學(xué)院 微納電子學(xué)系 微/納米國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240;3.中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241)

利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝在Al2O3基片上制備了Pt—PtRh薄膜熱電偶，其工作溫度最高可達(dá)到1 300 ℃,最大輸出電勢(shì)達(dá)14.8 mV。薄膜熱電偶的電勢(shì)—溫度曲線與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的曲線基本重合，同時(shí)研究了不同粘結(jié)層對(duì)薄膜微結(jié)構(gòu)、器件壽命的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以Ta為粘結(jié)層時(shí)薄膜傳感器的壽命最長(zhǎng)，在1 300 ℃下可達(dá)到14 h。

微機(jī)電系統(tǒng)； 高溫； 薄膜； 溫度傳感器； 壽命

0 引 言

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的進(jìn)步，其循環(huán)效率不斷提升，渦輪進(jìn)口溫度、壓氣機(jī)壓比等循環(huán)參數(shù)也隨之提高，另外，更多精細(xì)化的設(shè)計(jì)方法也在得到應(yīng)用。為此，對(duì)測(cè)試技術(shù)提出了更高的要求。在溫度測(cè)試方面，傳統(tǒng)的溫度傳感器由于體積較大，導(dǎo)致響應(yīng)慢、對(duì)流場(chǎng)干擾大，且在小空間中的應(yīng)用受到局限。基于MEMS技術(shù)的薄膜溫度傳感器具有微型化設(shè)計(jì)和集成化制造的特點(diǎn)，可成功覆蓋狹窄流道或小空間壁面的溫度測(cè)試。同時(shí)薄膜溫度傳感器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件結(jié)構(gòu)破壞程度小、不影響流場(chǎng)性能，且測(cè)試精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間快、可陣列化與批量化，因此特別適于測(cè)量物體表面和小空間的溫度，尤其是對(duì)測(cè)試響應(yīng)時(shí)間要求較高或溫度快速變化的區(qū)域[1～3]。

本文研制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)1 000～1 200 ℃左右的薄膜壁面溫度測(cè)試能力，在這一溫度范圍內(nèi)，通常采用鉑銠合金和鉑作為熱電偶的敏感材料，如S型和R型絲狀熱電偶[4～6]。除此之外，其他的貴金屬如金、鈀，也常被用來(lái)制備高溫?zé)犭娕迹唇稹K熱電偶、鉑—鈀熱電偶，而鉑—鈀熱電偶比金—鉑熱電偶可以承受更高的溫度[7～10]。但相比而言，鉑—鉑銠熱電偶在高溫測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用是最廣泛的。

本文采用MEMS技術(shù)在氧化鋁基底上研制了Pt—PtRh13薄膜熱電偶，測(cè)試結(jié)果表明:薄膜熱電偶的最高測(cè)量溫度可達(dá)1 300 ℃，且輸出電勢(shì)—溫度曲線與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶基本一致。同時(shí)比較研究了不同粘結(jié)層對(duì)器件性能和壽命的影響。

1 薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)

圖1是薄膜溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，薄膜Pt與PtRh13的厚度分別為1 μm和1.5 μm，兩個(gè)薄膜熱敏感層的線寬均為300 μm，引腳區(qū)域的大小為1.0 mm×1.5 mm，從而使其有足夠大的面積與延伸到爐外的引線進(jìn)行焊接相連。除此之外，在熱敏感層與基底之間需要一層粘結(jié)層來(lái)增強(qiáng)它們之間的結(jié)合力，本文分別采用Ti，Ta和Cr作為粘結(jié)層。

圖1 薄膜溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of TFTCs

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 制備過(guò)程

采用MEMS工藝制備薄膜熱電偶溫度傳感器，流片工藝流程圖如圖2所示，具體工藝步驟描述如下：

a)清洗Al2O3基片:利用碳酸鈣機(jī)械摩擦清洗，并分別使用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗，而后利用重鉻酸鉀溶液和鐵氰化鉀溶液超聲清洗，最后利用去離子水超聲清洗干凈；在烘箱將基片烘干后，在Ulvac超高真空濺射機(jī)中分別濺射10 nm 的粘結(jié)層(Ti或Ta或Cr)和1 μm的Pt層，濺射機(jī)的真空度為5.8×10-5Pa開(kāi)始濺射，其濺射條件分別為功率110 W，電壓395 V以及功率110 W，電壓425 V。

圖2 薄膜溫度傳感器的工藝流程Fig 2 Technique process of TFTCs

b)旋涂10 μm光刻膠AZ4620，再利用Pt層掩膜板光刻圖形化，隨后在離子束刻蝕機(jī)中對(duì)Pt進(jìn)行干法刻蝕，從而得到Pt層的完整圖形，而后將基片清洗干凈。

c)旋涂10 μm光刻膠AZ4620，并利用PtRh層掩膜板，將光刻膠圖形化成PtRh的形狀。

d)在基片上濺射Cr/Cu種子層，其厚度分別為20,80 nm，而后將基片放在丙酮中進(jìn)行提離(lift_off)，并在乙醇、去離子水中浸泡將基片清洗干凈，將PtRh形狀上的種子層去除。

e)將基片烘干后，旋涂10 μm的光刻膠AZ4620，再用PtRh層掩膜板光刻圖形化，隨后放入電鍍槽內(nèi)電鍍銅，電流密度為10 mA/cm2，沉積速率為10 μm/h，最終獲得厚度約為10 μm的銅。

f)去除光刻膠并清潔烘干基片后，重新旋涂10 μm的光刻膠AZ4620，并用熱結(jié)點(diǎn)掩膜板來(lái)進(jìn)行光刻圖形化，從而確保Pt,PtRh熱結(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有其他金屬。

g)在Ulvac超高真空濺射機(jī)內(nèi)濺射10 nm的粘結(jié)層(Ti,Ta或Cr)，然后再去除光刻膠，并清潔烘干基片，而后濺射1.5 μm的PtRh層，取出基片后，在去銅液(雙氧水∶氨水∶去離子水=1∶5∶12)以及去鉻液(鐵氰化鉀3g+氫氧化鉀1g+去離子水100 mL)中浸泡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)PtRh的圖形化。

h)將圖形化的基片清潔烘干，然后旋涂10 μm光刻膠AZ4620，用直線槽掩膜板圖形化，切出寬0.2 mm、深0.2 mm的直線槽，最后將基片切割成獨(dú)立的器件，其尺寸大小為7.4 mm×3.9 mm×0.8 mm，如圖3(a)所示。

將Pt絲與PtRh絲分別連在各自的引腳處，并分別用鉑漿和鉑銠漿料進(jìn)行焊接，而后將其放在馬弗爐中在800 ℃下保溫20 min，隨后自然冷卻，得到焊有引線的單個(gè)器件，如圖3(b)所示。

圖3 薄膜溫度傳感器批量樣品和焊有引線的單個(gè)器件Fig 3 A batch of TFTCs and a single thermocouple with lead wire

2.2 測(cè)試過(guò)程

將薄膜熱電偶置于高溫爐內(nèi)，將延長(zhǎng)的引線置于爐外的恒溫水浴槽內(nèi)，保持0 ℃；隨后升溫至1 300 ℃，并在1 300 ℃下保溫?cái)?shù)小時(shí)直至器件失效，記錄不同溫度下的電勢(shì)差，從而繪制出電壓與溫度的關(guān)系曲線，并與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行對(duì)比，保溫過(guò)程中記錄下器件失效壽命。用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FE—SEM，Ultra 55，Zeiss，德國(guó))和X射線衍射儀(XRD，Ultrima IV，Rigaka，日本)表征薄膜傳感器失效后的表面形貌和晶粒大小。

3 結(jié)果與討論

圖4比較了薄膜溫度傳感器和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的輸出電勢(shì)—溫度曲線，測(cè)溫范圍為50～1 300 ℃，從圖中可以看出，高溫薄膜溫度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的輸出電勢(shì)—溫度曲線基本重合，且均呈線性關(guān)系。在1 300 ℃，高溫薄膜熱電偶的輸出電勢(shì)為14.8 mV，近似等于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的輸出電勢(shì)。

圖4 薄膜溫度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的電勢(shì)—溫度曲線比較Fig 4 Voltage-temperature curves comparison of standard thermocouples and thin film temperature sensor

在研究中，為探究粘結(jié)層對(duì)于薄膜溫度傳感器性能的影響，分別采用了Ti，Ta和Cr作為粘結(jié)層。圖5為不同粘結(jié)層時(shí)高溫薄膜溫度傳感器輸出電勢(shì)—溫度(V-T)曲線，從圖中可以看出，采用不同粘結(jié)層時(shí)薄膜溫度傳感器的V-T曲線基本重合，因而不同粘結(jié)層對(duì)于薄膜熱電偶的電學(xué)特性基本沒(méi)有影響。為了比較不同粘結(jié)層對(duì)薄膜溫度傳感器壽命的影響，將不同粘結(jié)層的溫度傳感器在1 300 ℃熱處理數(shù)小時(shí)，直至其失效，并記錄下器件的壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:以Ti和Cr為粘結(jié)層的薄膜溫度傳感器的壽命在1 300 ℃下約為12 h，而以Ta為粘結(jié)層的薄膜溫度傳感器的壽命則為14 h，相對(duì)而言，Ta粘結(jié)層的薄膜溫度傳感器的壽命更長(zhǎng)。

圖5 不同粘結(jié)層薄膜溫度傳感器的電勢(shì)—溫度曲線Fig 5 Voltage-temperature curves of TFTCs with different adhesion layers

為研究采用不同粘結(jié)層時(shí)薄膜溫度傳感器的高溫穩(wěn)定性，將不同粘結(jié)層的薄膜溫度傳感器在1 300 ℃下保溫10 h，然后觀察其表面形貌。圖6為分別采用Ti粘結(jié)層、Ta粘結(jié)層和Cr粘結(jié)層時(shí)PtRh電極的表面形貌圖。從圖中可以看出，在1 300 ℃下保溫10 h后，以Ti或Cr為粘結(jié)層的器件表面有孔洞或裂紋，表面不平整或不連續(xù)，而與另外兩種器件相比，以Ta為粘結(jié)層的器件表面在高溫?zé)崽幚砗笕匀幌鄬?duì)平整和完整，這解釋了以Ta為粘結(jié)層的薄膜溫度傳感器壽命最長(zhǎng)的原因。

圖6 不同粘結(jié)層時(shí)薄膜溫度傳感器在1 300 ℃下保溫10 h后，PtRh電極表面的SEM形貌Fig 6 SEM image of PtRh electrode surface while TFTCs with different adhesion film preserving heat at 1 300 ℃ for 10 h

為研究不同粘結(jié)層的薄膜傳感器敏感層在高溫時(shí)的晶體結(jié)構(gòu)變化，比較了不同粘結(jié)層的薄膜溫度傳感器在1 300 ℃下熱處理10 h前、后的XRD圖，如圖7所示。

圖7為不同粘結(jié)層的敏感膜在1 300 ℃熱處理前、后的XRD圖譜。從圖中可以看出，所有Pt/PtRh敏感膜都具有明顯的擇優(yōu)取向，只有一個(gè)峰值為2θ≈40°的衍射峰，對(duì)應(yīng)于Pt的(111)晶面。但與熱處理前相比，熱處理后其峰值強(qiáng)度有明顯提高。根據(jù)謝樂(lè)公式，可以計(jì)算出不同粘結(jié)層敏感膜在1 300 ℃熱處理前后的晶粒尺寸變化，如圖7所示?？梢钥闯?，晶粒尺寸在熱處理前后有明顯變化，處理后的晶粒尺寸均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于處理前，而在三種粘結(jié)層的器件中，Ta粘結(jié)層的器件的晶粒尺寸的變化相對(duì)最大，這可能是其壽命較長(zhǎng)的原因，但相關(guān)機(jī)理還有待深入研究。

圖7 不同粘結(jié)層上的Pt/PtRh膜在1 300 ℃熱處理前后的XRD圖譜Fig 7 XRD spectra of Pt/PtRh film with different adhesion layers before and after heat treating at 1 300 ℃

4 結(jié) 論

利用MEMS工藝在Al2O3基片上制備了Pt—PtRh薄膜溫度傳感器，其工作溫度可高達(dá)1 300 ℃。在1 300 ℃，薄膜熱電偶的輸出電勢(shì)值為14.8 mV，與標(biāo)準(zhǔn)絲狀熱電偶的電勢(shì)值相等。薄膜溫度傳感器的V-T曲線與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的曲線基本重合。同時(shí)研究了不同粘結(jié)層對(duì)薄膜溫度傳感器微結(jié)構(gòu)、性能與壽命的影響，研究結(jié)果表明:以Ta為粘結(jié)層的薄膜傳感器壽命最長(zhǎng)，在1 300 ℃下可達(dá)到14 h。觀察失效前和失效后的樣品的表面形貌和晶體結(jié)構(gòu)，以Ta為粘結(jié)層的器件，其表面形貌相對(duì)比較完整，且晶粒尺寸生長(zhǎng)速率最大。

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張久斌，通訊作者，E—mail：pcheng2008@sjtu.edu.cn。

Fabrication and performance study of high temperature thin film sensor

WANG Qiang1,ZHANG Jiu-bin2,SHAO Jing1,CHENG Ping2,DING Gui-fu2,DUAN Li2

(1.Shanghai AVIC Commercial Aircraft Engine Manufacturing Co Ltd,Shanghai 201108,China;2.National Key Laboratory of Science and Technology on Micro/Nano Fabrication, Department of Micro/Nano Electronics,School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;3.AVIC Commercial Aircraft Engine Co Ltd,Shanghai 200241,China)

Pt-PtRh thin film thermocouples(TFTCs)are fabricated on Al2O3substrate by micro-electro-mechanical system(MEMS)technology.Its operating temperature is up to 1300℃.The maximum thermoelectric voltage of TFTCs is 14.8 mV.Its V-T curve is in accordance with that of standard thermocouple approximately.Effect of different adhesion layer materials on micro-structure of TFTCs and lifetime of device are studied.The film sensor with tantalum adhesion layer has the longest lifetime,which is up to 14 h at 1 300 ℃.

MEMS;high temperature;thin film;temperature sensor;lifetime

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0033—03

2016—01—21

V 216.8

A

1000—9787(2016)11—0033—03

王 強(qiáng)(1972-)，男，遼寧莊河人，碩士，高級(jí)工程師，從事航空發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)和測(cè)試方面工作。