王 剛，姚錦元，王 博，程 萍，丁桂甫

(1.上海交通大學(xué) 微米/納米加工技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 微納電子學(xué)系，上海 200240)

0 引 言

監(jiān)控航空發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和使用壽命非常重要，但是鑒于其高達(dá)1 000 ℃的溫度以及驟變的溫度梯度等惡性工作條件，傳統(tǒng)的測(cè)溫手法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)其溫度的準(zhǔn)確監(jiān)控。薄膜熱電偶技術(shù)成為解決這個(gè)問(wèn)題的有效途徑，它具有不需要破壞待測(cè)物體的結(jié)構(gòu)、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)尺寸微小，對(duì)待測(cè)物體使用性能無(wú)影響等優(yōu)點(diǎn)[1]。

20世紀(jì)80年代起，國(guó)內(nèi)外就開(kāi)始了薄膜熱電偶的研究，但大多數(shù)文獻(xiàn)都集中在靜態(tài)輸出性能研究，關(guān)于薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)特性的研究還較少。2005年，Heichal Y等人使用銅和鋼組成的熱電偶結(jié)構(gòu)，在脈沖激光激勵(lì)下，測(cè)得200 ℃左右溫升時(shí)的響應(yīng)時(shí)間約為10 ns[2]。2007年，Choi H等人使用鉻鎳合金和鎳鋁合金組成150 nm厚的熱電偶，研究發(fā)現(xiàn)熱電偶可以對(duì)355 nm的脈沖激光器進(jìn)行響應(yīng)[3]。2017年，Jin X H等人證明ITO薄膜熱電偶能夠?qū)δM內(nèi)燃機(jī)腔室溫度變化過(guò)程進(jìn)行跟蹤反饋，可以反饋內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部溫度變化的趨勢(shì)[4]。2016年，中國(guó)計(jì)量學(xué)院的祁漫宇分別采用油浴階躍、脈沖激光兩種方式對(duì)金鉑薄膜熱電偶的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了研究[5]。2017年大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的崔云先等人對(duì)NiCr-NiSi在陶瓷基上形成的熱電偶進(jìn)行了靜態(tài)和瞬態(tài)溫度測(cè)試，在50～400 ℃范圍內(nèi)具有良好的線性和熱穩(wěn)定性[6]。2019年，楊柯等人在Ni基高溫合金表面沉積中溫、高溫和超高溫薄膜熱電偶并獲得10 h以上的壽命[7]。

目前報(bào)道的關(guān)于薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)性能研究的文獻(xiàn)中使用的材料都只適用于較低的溫度范圍，無(wú)法耐受高達(dá)1 000℃的溫度，而且對(duì)響應(yīng)時(shí)間的研究?jī)H限于電勢(shì)上升時(shí)間段。本文使用耐高溫的Pt-PtRh薄膜熱電偶，兼顧工藝和測(cè)試條件對(duì)熱電偶結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了薄膜熱電偶的高溫測(cè)溫能力，瞬態(tài)研究同時(shí)兼顧電勢(shì)上升和電勢(shì)上升之前的熱電偶響應(yīng)時(shí)間，對(duì)從能量開(kāi)始輸入到熱電偶開(kāi)始輸出信號(hào)的時(shí)間進(jìn)同時(shí)行了測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 薄膜熱電偶的制備

首先采用CaCO3研磨、去離子水超聲清洗、堿洗、酸洗、去離子水超聲清洗獲得干凈氧化鋁底片，而后在其上以濺射的方式沉積500 nm厚的Pt和PtRh薄膜構(gòu)成薄膜熱電偶的熱感應(yīng)結(jié)構(gòu)，工藝流程的具體過(guò)程如下:在氧化鋁基底上面旋涂一層光刻膠；使用光刻和顯影工藝得到薄膜熱電偶的第一層光刻膠圖形結(jié)構(gòu)；通過(guò)濺射工藝獲得沉積有Pt薄膜的實(shí)驗(yàn)樣品；使用NaOH溶液去除光刻膠，實(shí)現(xiàn)剝離工藝，得到僅剩的Pt薄膜結(jié)構(gòu)，得到第一層薄膜熱電偶Pt電極;重新在上面的Pt薄膜結(jié)構(gòu)上面旋涂光刻膠；再次使用光刻和顯影工藝，得到薄膜熱電偶的第二層PtRh結(jié)構(gòu)；通過(guò)濺射工藝獲得沉積有PtRh材質(zhì)的實(shí)驗(yàn)樣品；再次使用NaOH溶液去除光刻膠，剝離光刻膠與基底，得到僅剩的PtRh薄膜結(jié)構(gòu)，得到最終的薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)。

1.2 靜態(tài)標(biāo)定

圖1(a)為薄膜熱電偶的靜態(tài)測(cè)試與標(biāo)定系統(tǒng)。靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)分為高溫端和低溫端。其中高溫端放置薄膜熱電偶，需要使用Pt和PtRh補(bǔ)償導(dǎo)線對(duì)電信號(hào)進(jìn)行傳輸，補(bǔ)償導(dǎo)線通過(guò)漿料高溫?zé)Y(jié)的方式與薄膜熱電偶電極進(jìn)行連接后導(dǎo)出至冷端。若將導(dǎo)線也置于高溫環(huán)境中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生電信號(hào)究竟是由薄膜熱電偶產(chǎn)生的，還是由補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)生的這一爭(zhēng)議，所以本文采用管式爐對(duì)薄膜熱電偶進(jìn)行性能測(cè)試，通過(guò)爐堵排除補(bǔ)償導(dǎo)線對(duì)熱電偶輸出電勢(shì)的貢獻(xiàn)。薄膜熱電偶與爐堵在管式爐中的相對(duì)位置如圖1(b)所示，薄膜熱電偶測(cè)溫節(jié)點(diǎn)置于絕熱爐堵內(nèi)側(cè)，外側(cè)使用導(dǎo)線引出。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶使用Omega公司的Pt/PtRh絲狀熱電偶，將其節(jié)點(diǎn)與薄膜熱電偶節(jié)點(diǎn)相鄰放置，從絕熱爐堵下方引出，二者最終連接與低溫端的兩臺(tái)數(shù)字電壓表進(jìn)行電壓信號(hào)的采集。

圖1 靜態(tài)測(cè)試與標(biāo)定系統(tǒng)

1.3 動(dòng)態(tài)性能測(cè)試

動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)由脈沖激光器、薄膜熱電偶、光敏器件、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)組成，如圖2所示。光敏器件為深圳激光生產(chǎn)的ZL-G010型光電池，脈沖激光器為Nd:YAG固態(tài)晶體激光器，激光波長(zhǎng)為1 064 nm，脈沖頻率為1～100 Hz。激光光源照射在待測(cè)薄膜熱電偶表面，同時(shí)照射在置于熱電偶下方的光敏器件上，以保證照射的同步性。光敏器件感光時(shí)會(huì)有瞬間的輸出電壓增大，響應(yīng)時(shí)間極短，可以忽略不計(jì)，因此采集光敏器件的輸出信號(hào)作為激光開(kāi)始照射到薄膜熱電偶表面的標(biāo)志，實(shí)現(xiàn)前響應(yīng)時(shí)間的測(cè)定。由于整個(gè)過(guò)程時(shí)間極短，為了盡量顯示真實(shí)的變化情況，電壓信號(hào)需要通過(guò)高頻的數(shù)據(jù)采集卡NI—6289采集，采集頻率為200 kHz，而后反饋到計(jì)算機(jī)。動(dòng)態(tài)特性測(cè)試過(guò)程中，由于不需要考慮靜態(tài)測(cè)試時(shí)補(bǔ)償導(dǎo)線的干擾，可以直接采用小型的薄膜熱電偶。

圖2 動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)

2 結(jié)果與討論

2.1 靜態(tài)溫度標(biāo)定

靜態(tài)標(biāo)定測(cè)溫基于塞貝克效應(yīng)[8]，依據(jù)均質(zhì)導(dǎo)體定律[9]、中間導(dǎo)體定律、參考電極定律[10]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)試中溫度從室溫緩慢升溫至1 300 K,薄膜熱電偶和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的輸出電勢(shì)特性曲線如圖3所示。

圖3 薄膜熱電偶靜態(tài)輸出曲線

實(shí)驗(yàn)中測(cè)定的薄膜熱電偶與同材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶在各個(gè)溫度階段具有幾乎完全相同的電動(dòng)勢(shì)輸出，波動(dòng)范圍在±0.05 mV范圍內(nèi)，具有較為良好的精度，平均塞貝克系數(shù)為13.8 μV/K。薄膜熱電偶的電壓輸出可以由下述公式

V(ΔT)=AΔT3+BΔT2+CΔT+D

式中A，B，C，D均為參數(shù)，ΔT為溫度差值，經(jīng)擬合后的曲線如圖4所示。

圖4 擬合曲線

擬合后A=-4.568×10-9mV/℃，B=1.222 9×10-5mV/℃,C=6.49×10-3mV/℃,二次項(xiàng)系數(shù)B和三次項(xiàng)系數(shù)A均遠(yuǎn)小于一次項(xiàng)系數(shù)C，說(shuō)明薄膜熱電偶仍具有較為良好的線性。

2.2 動(dòng)態(tài)性能

動(dòng)態(tài)性能指在極短時(shí)間內(nèi)接受大量能量并迅速升溫時(shí)，薄膜熱電偶的電壓輸出情況，常用的測(cè)試方法包含階躍信號(hào)法和脈沖信號(hào)響應(yīng)法[11]。其中，激勵(lì)熱源的選擇非常重要。本文采用激光脈沖作為激勵(lì)熱源，它可以在極短時(shí)間內(nèi)輸出大量的能量以提供給熱電偶升溫，使用脈沖信號(hào)法。在實(shí)驗(yàn)中，將瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間分為前響應(yīng)時(shí)間和后響應(yīng)時(shí)間兩個(gè)部分。其中，前響應(yīng)時(shí)間是指薄膜熱電偶從開(kāi)始接收能量輸入時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，直至開(kāi)始有電信號(hào)輸出的時(shí)間區(qū)段；后響應(yīng)時(shí)間是指薄膜熱電偶根據(jù)輸入能量的大小，逐漸升高溫度，從開(kāi)始有電信號(hào)直至電信號(hào)達(dá)到峰值的時(shí)間區(qū)段。

圖5(a)為薄膜熱電偶的溫度瞬態(tài)輸出整體曲線，可以看出光敏電池在感受到激光的照射后會(huì)出現(xiàn)陡然的電壓上升。從光電器件的輸出電壓階躍式變化曲線可以明顯觀察到激光的脈沖過(guò)程，而伴隨著激光的脈沖，薄膜熱電偶跟隨脈沖頻率進(jìn)行響應(yīng)，體現(xiàn)為輸出電壓的階躍式上升。以下具體考察不同階段脈沖過(guò)程以確定前響應(yīng)時(shí)間和后響應(yīng)時(shí)間，圖5(b)～(d)分別為15～40，100～125，150～175三個(gè)階段的脈沖電壓輸出情況。由于采用的數(shù)據(jù)采集頻率為200 kHz，故每個(gè)采集點(diǎn)時(shí)間為5 μs，以光電器件輸出開(kāi)始上升作為起始時(shí)間，薄膜熱電偶電壓輸出開(kāi)始上升的時(shí)間作為截止時(shí)間計(jì)算前響應(yīng)時(shí)間，前響應(yīng)時(shí)間分別為10，5，5 μs，后響應(yīng)時(shí)間則是后續(xù)的電壓逐漸上升的過(guò)程，分別為20，30，25 μs，輸出電壓分別由1 mV升高至2.5 mV,由2.4 mV升高至3.6 mV,由2.8 mV升高至4.0 mV，整體響應(yīng)時(shí)間屬于25～40 μs范圍內(nèi)，波動(dòng)范圍較小且具有很好的重復(fù)性。

圖5 薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)溫度輸出曲線

3 結(jié) 論

本文制備的薄膜熱電偶在測(cè)溫準(zhǔn)確性方面具有與標(biāo)準(zhǔn)絲狀熱電偶相似的精度，最大偏差不超過(guò)±0.05 mV，測(cè)得靜態(tài)標(biāo)定曲線的線性度較好，平均塞貝克系數(shù)為13.8 μV/K；在動(dòng)態(tài)特性響應(yīng)方面，前響應(yīng)時(shí)間僅為5～10 μs，升溫過(guò)程的后響應(yīng)時(shí)間也為20～30 μs范圍內(nèi)，具有很短的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。本文制備的熱電偶既具有測(cè)定1 300 K高溫的能力，同時(shí)保持很好的測(cè)溫精度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間極短，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。