丁 玎，張 浩，何 峰

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南 長(zhǎng)沙 411101；2.湖南省薄膜傳感技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 411101)

0 引言

我國(guó)研制的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)作為航天器、戰(zhàn)斗機(jī)的推進(jìn)裝置，在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，因此，大推力發(fā)動(dòng)機(jī)在為目標(biāo)飛行器提供飛行動(dòng)力的同時(shí)也帶來(lái)了熱量傳輸監(jiān)測(cè)的問(wèn)題.同時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)的工作過(guò)程中存在狀態(tài)變化、氣流變化的復(fù)雜工況，這些都要求檢測(cè)熱流的傳感器迅速準(zhǔn)確地給出熱流測(cè)量值.

為了保障大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)關(guān)鍵熱節(jié)點(diǎn)部位利用熱流傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)熱量傳輸精確監(jiān)測(cè)，因此熱流技術(shù)在國(guó)防科技領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1-2].薄膜熱阻熱流傳感器響應(yīng)時(shí)間短、量程大、體積小，安裝后對(duì)模型表面幾何形狀影響小，在實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)熱流分布方面具有較大的優(yōu)勢(shì)[3].其原理是基于半無(wú)限體一維傳熱模型[4]，熱阻層上下表面的溫差與輸入熱流成正比，通過(guò)測(cè)量熱阻層的溫度差，利用傅里葉定律計(jì)算出通過(guò)熱阻層的導(dǎo)熱熱流.

所謂熱阻層，就是阻止熱傳遞的阻礙層.依照熱流傳感器測(cè)量原理，不同厚度的熱阻層對(duì)熱電偶堆的熱端和冷端造成溫差，溫差的大小不僅取決于熱流量的大小，還取決于熱阻層的材料(熱傳導(dǎo)系數(shù))和熱阻層厚度.所以熱阻層材料的選擇至關(guān)重要.理論上，在熱電偶堆熱端沉積薄的導(dǎo)熱系數(shù)大的熱阻膜，在冷端沉積導(dǎo)熱系數(shù)小的熱阻膜，將達(dá)到較大的溫差(靈敏度).SiO2薄膜由于具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱沖刷性能、電絕緣特性，是熱流計(jì)熱阻層的理想材料.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所(以下簡(jiǎn)稱：48所)具備多年薄膜熱流傳感器研制工作的經(jīng)驗(yàn)[5]，依據(jù)48所前期實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目探索以同種材料作為薄厚熱阻層的經(jīng)驗(yàn)，SiO2熔點(diǎn)較高(1 730 ℃)具有較好的耐高溫性能，且有較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)(1.4 W/(m·K))，可以起到很好的隔熱作用[6]，這有利于熱阻膜層上下表面形成較大的溫度差值，因此SiO2可作為傳感器的熱阻層.

熱阻層一般為微米級(jí)，其與基底的結(jié)合力也是保證響應(yīng)快、精度高的必要前提.離子束濺射鍍膜工藝由離子源發(fā)射離子，經(jīng)過(guò)引出和加速兩個(gè)過(guò)程到達(dá)靶面并對(duì)其進(jìn)行轟擊，從而實(shí)現(xiàn)濺射鍍膜[7-8].濺射粒子的碰撞過(guò)程較少，粒子的平均自由程大，濺射粒子的能量較高、直線性好，因此膜層與基片附著力常常較好.因此，離子束濺射沉積是熱阻層制備的優(yōu)選工藝.

48所“薄膜傳感技術(shù)湖南省國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”微加工技術(shù)，有著三十多年離子束濺射鍍膜技術(shù)的沉淀.并且可以結(jié)合光刻、剝離等MEMS工藝實(shí)現(xiàn)更薄熱阻層的制備、布置更多的熱電偶，使熱阻式熱流傳感器具備更高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率特性和信噪比[9].近年來(lái)，48所與中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院合作，實(shí)現(xiàn)了微型化、耐高溫MEMS熱流傳感器的研制.MEMS熱流傳感器在高溫、氣流高速?zèng)_刷的環(huán)境下工作，應(yīng)用環(huán)境惡劣，微米級(jí)厚度的SiO2膜層與基底的結(jié)合力至關(guān)重要.本文選取MEMS熱流傳感器的熱阻層SiO2制備過(guò)程為研究切入點(diǎn)，研究不同離子束濺射鍍膜工藝、熱處理技術(shù)對(duì)SiO2膜層結(jié)合力的影響，從膜層的厚度、成分、表面截面形貌等角度進(jìn)行分析，并考察高溫(1 200 ℃)工況后膜層的結(jié)合狀況.

1 制備與測(cè)試方法

1.1 基體處理與薄膜制備

膜層的基體為氧化鋁(99%)陶瓷片，購(gòu)買(mǎi)于西安萊科特電子科技有限公司.基片大小為20 mm × 20 mm × 1 mm，表面光滑.將氧化鋁陶瓷基片在丙酮溶液中超聲清洗3 min之后，110 ℃爐內(nèi)存放10 min烘干，以待后續(xù)鍍膜工藝.

采用48所自制的LD-1型離子束濺射鍍膜機(jī)進(jìn)行膜層制備.靶材為SiO2靶(純度>99.9%)，背景真空為1×10-4Pa，離子源的工作氣體為Ar和O2，主離子源通入9.6 sccm的Ar，在真空室通入6.8 sccm的O2.薄膜沉積時(shí)工作氣壓約為2.7×10-2Pa，沉積時(shí)基板不加溫.在保持離子源參數(shù)、真空度和氣體流量都不變的情況下，分別進(jìn)行了4.5 h，6.5 h以及7.5 h的靶材濺射沉積.為了獲得合適的沉積速率，將離子源束流Is設(shè)為80 mA，并將電壓Us設(shè)為600 V.

1.2 試驗(yàn)及分析過(guò)程

膜層與基底的結(jié)合力是文章研究的重點(diǎn)，采用納米劃痕儀(Hysitron ti950)對(duì)三種不同鍍膜時(shí)間的樣品進(jìn)行劃痕測(cè)試，測(cè)得其結(jié)合力，然后選取厚度適中、劃痕結(jié)合力較好的一組采用真空退火爐(天津中環(huán)，OTF-1200X)進(jìn)行熱處理，在真空環(huán)境(真空度1×10-4Pa)下550 ℃處理90 min，對(duì)熱處理之后的薄膜進(jìn)行結(jié)合力的測(cè)試，接著采用單溫區(qū)快速升溫爐(南京博蘊(yùn)通TL1200)在1 200 ℃下處理，其升溫速度為20 ℃/min，高溫考核時(shí)間為30 min，重復(fù)進(jìn)行三次循環(huán)熱震.所制備的膜層利用X 射線衍射儀( RigakuD/MAX 2500PC) 對(duì)組成進(jìn)行分析，掃描電鏡(FEI NANO 450)對(duì)膜層的表面和截面進(jìn)行形貌觀察.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

首先對(duì)三種不同時(shí)間制備的SiO2薄膜進(jìn)行了XRD成分分析.分析結(jié)果如圖1所示.陶瓷片上濺射沉積的SiO2薄膜主要成分為SiO2，均以晶態(tài)形式存在.雖然在濺射過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行基片烘烤，濺射溫度也不高(濺射時(shí)基底溫度為150 ℃左右)，但是離子束濺射能量較大，能夠使得濺射粒子以較強(qiáng)的速度濺射到基片表面，一方面增大了膜層與基底的結(jié)合力，另一方面使得膜層保持了較好的結(jié)晶性能.

圖1 不同濺射時(shí)間SiO2薄膜XRD圖Fig.1 XRD profiles of SiO2 films with different sputtering time

通過(guò)對(duì)不同濺射時(shí)間的SiO2薄膜截面進(jìn)行掃描電鏡分析可知(如圖2所示)，隨著鍍膜時(shí)間的增加，膜層厚度逐漸從2.369 mm，過(guò)渡到4.027 mm，直至增大到5.407 mm，通過(guò)三個(gè)時(shí)間的鍍膜厚度計(jì)算分析得知，鍍膜平均速率為10.23 nm/min.

圖2 不同濺射時(shí)間SiO2薄膜截面形貌SEM圖：(a) 4.5 h，(b) 6.5 h，(c) 7.5 hFig.2 Cross section SEM images of SiO2 films with different sputtering time：(a) 4.5 h，(b) 6.5 h，(c) 7.5 h

在離子束濺射過(guò)程中，濺射出來(lái)的Si原子結(jié)合氧氣形成SiO2沉積在陶瓷基片上，經(jīng)過(guò)晶粒的形核、長(zhǎng)大、晶核、溝道與空洞合并四個(gè)階段，形成連續(xù)膜[10].由于沉積速度較快，沉積薄膜過(guò)程中基片無(wú)加熱，溫度不夠高，來(lái)不及形成完整的晶格，薄膜結(jié)構(gòu)中存在空位、位錯(cuò)等缺陷，這些缺陷可以通過(guò)熱處理予以消除，因此，選定6.5 h膜層厚度為4 mm左右的SiO2進(jìn)行熱處理實(shí)驗(yàn)予以消除缺陷.文獻(xiàn)[11]報(bào)道，當(dāng)退火溫度為550 ℃時(shí)，SiO2膜的短程有序范圍最大，相鄰原子的平均自由程最小，結(jié)晶程度最大.因此選定在該溫度下真空環(huán)境中，進(jìn)行30 min熱處理.

圖3所示為三種不同時(shí)間得到的膜層以及6.5 h得到的膜層進(jìn)行550 ℃熱處理的表面形貌.如圖所示，在不同濺射時(shí)間的膜層表面，晶粒排布緊密，大小在400 K倍數(shù)放大下趨于一致，不同鍍膜時(shí)間的膜層表面形貌并沒(méi)有明顯差別.截面圖如圖3所示，由于濺射膜層晶粒細(xì)小，在熱處理之后膜層繼續(xù)保持細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)，表面晶粒排布緊湊致密，沒(méi)有明顯缺陷.

圖3 不同濺射時(shí)間SiO2薄膜截面形貌SEM圖：(a) 4.5 h，(b) 6.5 h，(c) 7.5 h，(d) 6.5 h膜層550 ℃熱處理30 min.Fig.3 Surface SEM images of SiO2 films with different sputtering time：(a) 4.5 h，(b) 6.5 h，(c) 7.5 h， (d) after sputtering 6.5 h,the SiO2 film heat at 550 ℃ for 30 min

對(duì)不同鍍膜時(shí)間的膜層進(jìn)行納米劃痕分析，對(duì)劃痕曲線進(jìn)行處理可知，鍍膜4.5 h、6.5 h、7.5 h的膜層結(jié)合力分別為53 524.7 mN、45 200.6 mN、42 280 mN.數(shù)值分析如圖4所示.隨著鍍膜時(shí)間的增加，膜層與基底結(jié)合力保持線性下降.選取在6.5 h鍍膜時(shí)間的樣品進(jìn)行550 ℃熱處理之后對(duì)其進(jìn)行劃痕實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其結(jié)合力為51 696.6 mN，比未經(jīng)熱處理提高14.37%.選取鍍膜時(shí)間為6.5 h，并對(duì)其熱處理前后的膜層在1 200 ℃溫度下進(jìn)行了30 min時(shí)間的循環(huán)高溫考核，未經(jīng)熱處理以及熱處理之后的膜層在高溫考核之后的劃痕測(cè)試結(jié)果顯示其膜層結(jié)合力分別為40 542.7 mN、44 756.9 mN，結(jié)果表明SiO2薄膜保持了較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性，與基底的結(jié)合較好.

圖4 不同鍍膜時(shí)間SiO2薄膜的厚度與結(jié)合力對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4 Corresponding relation between thickness and binding force of SiO2 films with different sputtering time

3 結(jié)論

采用離子束濺射工藝對(duì)高溫MEMS熱流傳感器的熱阻層SiO2薄膜進(jìn)行了不同時(shí)間的濺射沉積.得出以下結(jié)論：

1) 濺射沉積的SiO2薄膜均為結(jié)晶態(tài)，與表面結(jié)合良好，隨著鍍膜時(shí)間的增加，SiO2薄膜厚度呈現(xiàn)線性增加，同時(shí)結(jié)合力也呈現(xiàn)線性下降；

2) 對(duì)SiO2薄膜進(jìn)行550 ℃熱處理有利于進(jìn)一步改善膜層的結(jié)合力.實(shí)驗(yàn)證明，6.5 h鍍膜4 mm的SiO2薄膜在1 200 ℃快速升溫循環(huán)考核下，仍然保持了較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度；

3) 離子束濺射鍍膜制備的SiO2薄膜作為MEMS熱流傳感器的熱阻層，能夠用于高溫高氣流沖刷的測(cè)試環(huán)境中，通過(guò)熱處理工藝進(jìn)一步提高熱阻層結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)一步保障薄膜熱流傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)熱節(jié)點(diǎn)部位實(shí)時(shí)熱量傳輸?shù)木_監(jiān)測(cè).