李 娟， 張叢春， 楊申勇， 丁桂甫， 董 威， 段 力

(1.上海交通大學 微米/納米加工技術重點實驗室,上海 200240;2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 微納電子學系,上海 200240;3.上海交通大學 機械與動力工程學院,上海 200240)

0 引 言

在工農(nóng)生產(chǎn)、科學研究、航空航天、動力工程以及日常生活中,存在著大量的熱量傳遞問題有待解決[1,2]。隨著現(xiàn)代科學技術的飛速發(fā)展，熱流檢測的理論和技術越來越受到重視[3]。目前，最常見的且應用得最多的熱流計就是熱阻式熱流計[4,5]。

在航空航天等技術領域中經(jīng)常需要精確測量渦輪、燃燒室等高溫部件表面熱流密度，用來驗證冷卻效率以及熱障涂層的性能，并防止渦輪葉片等熱端部件因為超高溫而損壞[6]。微機電系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system,MEMS)薄膜熱流計以其體積小、熱容量小、干擾小以及不破壞部件表面氣流等特點，成為發(fā)動機熱端部件表面熱流測量新的測試方法[7，8]。

本文提出了基于MEMS工藝制備高溫薄膜熱流傳感器應用于發(fā)動機渦輪葉片表面熱流密度測量，該應用將為航空發(fā)動機表面的熱流密度監(jiān)測系統(tǒng)提供保障。

1 工作原理

根據(jù)塞貝克效應，薄膜熱電偶將溫度差轉換為電壓輸出，輸出電壓與和與熱流密度呈線性關系。由于單個熱電偶輸出電勢較小，故利用多對熱電偶串聯(lián)形成熱電堆，放大薄膜熱流計的輸出電勢，提高靈敏度。薄膜熱流計所測的熱流值Q為[6]

Q=K(T1-T2)/d

(1)

式中K為熱阻層的導熱系數(shù)，T1為熱結點溫度，T2為冷結點溫度，d為熱阻層的厚度。

通過分析可得，當熱流密度和熱阻層的厚度相同，熱導系數(shù)越小的熱阻層產(chǎn)生的溫差越大。本文設計采用導熱系數(shù)小的聚酰亞胺和耐高溫的氧化硅為熱阻層分別用于高溫和低溫環(huán)境，可以有效提高傳感器靈敏度和高溫性能。

2 仿真分析

2.1 模型建立

利用COMSOL仿真軟件，采用聚酰亞胺為熱阻層，分別研究了不同熱流值、基底厚度以及熱流計半徑對MEMS薄膜熱流計輸出性能的影響趨勢，氧化硅為熱阻層時仿真結果變化與聚酰亞胺熱阻層時趨勢一樣?；镜脑O計參數(shù)如表1所示。

表1 薄膜熱流計主要的設計參數(shù)

被測物選用金屬Cu，通過導熱傳遞熱能，環(huán)境初始溫度設為20 ℃。圖1(a)為當施加3 500 W/m2的階梯熱流，達到熱穩(wěn)定狀態(tài)后，被測物和熱流傳感器的溫度分布情況。MEMS薄膜熱流計表面溫度分布如圖1(b)所示。由于MEMS薄膜熱流傳感器熱電堆的輸出電勢與冷熱結點的溫差呈正比，故冷熱節(jié)點的溫差越大，則輸出電勢越大。

圖1 溫度分布

2.2 仿真計算

圖2(a)為施加不同表面階梯熱流密度，熱流傳感器冷熱結點的溫度差隨時間的變化曲線?？芍?，施加不同的熱流時，穩(wěn)定后冷熱結點溫差隨熱流的增大而增大，但熱流傳感器的響應時間幾乎不變。圖2(b)為不同的傳感器半徑對冷熱結點溫差的影響，由圖可得，隨著熱流計半徑的增大，熱流計冷熱結點的溫差隨半徑的增大而增大，但響應時間幾乎不受半徑變化而影響。熱流傳感器的基底厚度不同，其傳感器冷熱結點的溫度差隨時間的變化曲線如圖2(c)所示?？芍?，溫差將隨基底厚度的減小而減小，響應時間也隨基底厚度的減小而減小。

圖2 熱流計冷熱結點溫差曲線

上述仿真結果表明，MEMS薄膜熱流傳感器的輸出電壓與熱流密度、熱流傳感器半徑和基底厚度有關，氧化硅為熱阻層也有相同變化趨勢。熱流傳感器在不同的應用場合中可以選擇對應合適的基底厚度和半徑。為了得到大的電壓輸出，同時使得傳感器小型化，本實驗設計傳感器半徑為18 mm，采用0.75 mm的陶瓷基片為基底，由于其相比于一些金屬，其具有相對高熱導率、耐高溫、容易獲取的優(yōu)點。

3 制備工藝

MEMS薄膜熱流傳感器應用微加工工藝制備。主要的工藝步驟包括：光刻顯影技術、提離(liftoff)、濺射沉積、刻蝕工藝等。薄膜熱電堆采用鉑—鉑銠13熱電偶構成，基底選用氧化鋁陶瓷，熱阻層選用聚酰亞胺或氧化硅。主要工藝流程如圖3所示。

圖3 MEMS薄膜熱流傳感器制備工藝

(a)基片表面旋涂光刻膠、固化、光刻顯影圖形化，磁控濺射沉積Cr/Pt，然后提離。

(b)旋涂光刻膠，固化、光刻顯影圖形化，磁控濺射沉積Cr/PtRh13，再提離。

(c)采用旋涂工藝旋涂聚酰亞胺或者離子束濺射沉積氧化硅，光刻膠圖形化后，利用顯影液過顯圖形化聚酰亞胺或者氫氟酸刻蝕氧化硅形成熱阻層。圖4為所制備的MEMS薄膜熱流計實物圖。

圖4 MEMS薄膜熱流傳感器實物照片

4 熱流傳感器標定

4.1 標定系統(tǒng)

由于MEMS薄膜熱流計的材質、形狀和制造工藝都不一致。每個熱流計的靈敏度不可能完全的相同。因此，每個熱流計在使用前都應該經(jīng)過標定。本文設計搭建了輻射式熱流標定測試系統(tǒng)，如圖5所示，并對制備的MEMS薄膜熱流計進行響應測試和靈敏度標定。

圖5 輻射式熱流標定系統(tǒng)示意

采用石英燈加熱，通過加熱控制系統(tǒng)控制施加在石英燈管上的功率，得到所需的熱流值。美國OMEGA公司的HFS—4熱流傳感器作為標準熱流傳感器。標準熱流計與MEMS薄膜熱流傳感器以中間石英燈中心位置對稱安裝。忽略各石英燈管之間的差異以及兩個熱流傳感器的測量位置偏差，假設兩個熱流傳感器所測量的熱流密度相同。用國際標準的儀器NI34465A數(shù)據(jù)采集器采集MEMS薄膜熱流傳感器的輸出電壓。

4.2 響應測試

如圖6所示為當施加2 kW/m2階梯熱流時，MEMS薄膜熱流計輸出電壓響應曲線。由圖可得，輸出電壓先迅速增大到最大值，達到最大值后逐漸減小，最后趨于一個穩(wěn)定值。通過分析可知，響應曲線的變化趨勢與仿真結果一致。

圖6 2 kW/m2階梯熱流密度時MEMS薄膜熱流計的輸出電壓響應曲線

4.3 靈敏度測試

圖7為MEMS薄膜熱流傳感器的標定結果，傳感器的輸出電壓與熱流密度呈線性關系。靈敏度為1.038 3×10-4mV/(W·m-2)，對于不同的熱流值和溫度環(huán)境下，靈敏度幾乎不變。

圖7 MEMS薄膜熱流計的輸出電壓—熱流曲線

靈敏度的測量誤差是傳感器和測量系統(tǒng)誤差的結合。本實驗的誤差分析是信號噪聲、系統(tǒng)誤差和標準傳感器測量誤差的結合，再加上2只傳感器的熱流偏差的不確定性，在這種情況下將標定靈敏度總誤差估計為10 %。

5 結 論

在理論分析的基礎上，基于MEMS工藝技術，設計和制備了MEMS薄膜熱流傳感器，該傳感器采用聚酰亞胺或氧化硅為熱阻層。建立輻射標定系統(tǒng)對傳感器進行測試和標定，可發(fā)現(xiàn)傳感器的響應曲線的變化規(guī)律與仿真結果基本一致，也進一步地驗證了設計的有效性。同時，可得出MEMS薄膜熱流計的輸出電壓與熱流密度呈良好的線性關系，其靈敏度為1.038 3×10-4mV/(W·m-2)。鑒于標定系統(tǒng)溫度限制，未測試高溫，氧化硅熱阻層的熱流計有希望應用于更高溫條件下熱流的測量。