薄膜热电堆%28Cu_Cu55Ni45%29热流传感器的制备工艺及性能研究.pdf

第 52 卷 第 8 期2023 年 8 月人工晶体学报JOURNALOFSYNTHETICCRYSTALSVol.52 No.8August,2023薄膜热电堆(Cu/Cu55Ni45)热流传感器的制备工艺及性能研究冯楠茗1,代 波1,王 勇2,李 伟1(1.西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室,绵阳 621000;2.山东大学空间科学与物理学院,威海 264200)摘要:本文首先通过磁控溅射技术在单晶 Si 和 Al2O3陶瓷衬底上分别依次沉积厚度为 600 nm 的 Cu 和 Cu55Ni45 薄膜,然后使用微加工技术在 10 mm 10 mm 的衬底区域内制备了 200 对串联的热电偶组成薄膜热电堆结构,最后采用反应溅射联合硬掩膜沉积了不同厚度的氧化铝热阻层,使串联的热电偶分别产生冷端和热端。根据 Seebeck 效应,在热流的作用下薄膜热电堆冷热两端的温差使传感器输出热电信号,实现对热流密度的测量。通过对薄膜热电堆的表征与标定,结果表明:沉积在 Si 衬底与 Al2O3陶瓷衬底上的 Cu/Cu55Ni45 热电堆中,Cu 膜粗糙度分别为20 和60 nm,Cu55Ni45膜粗糙度分别为15 和20 nm,电阻分别为38.2 和2.83 k,灵敏度分别为0.069 45 和0.026 97 mV/(kWm-2)。具有不同表面粗糙度的单晶 Si 衬底与 Al2O3陶瓷衬底会影响在其表面沉积的 Cu/Cu55Ni45 热电堆表面粗糙度,进而导致薄膜热电堆产生电阻大小差异,此外,Cu/Cu55Ni45 热流传感器的输出热电势与热流密度呈现良好的线性关系。关键词:薄膜热电堆;磁控溅射;微加工;Seebeck 效应;热流传感器;灵敏度中图分类号:TP212文献标志码:A文章编号:1000-985X(2023)08-1523-09Preparation Process and Performance of Thin FilmThermopile(Cu/Cu55Ni45)Heat Flux SensorFENG Nanming1,DAI Bo1,WANG Yong2,LI Wei1(1.State Key Laboratory of Environment-friendly Energy Materials,Southwest University of Science and Technology,Mianyang 621000,China;2.School of Space Science and Physics,Shandong University,Weihai 264200,China)Abstract:In this work,Cu and Cu55Ni45 thin films with a thickness of 600 nm were firstly deposited on single crystal Si andAl2O3ceramic substrates by magnetron sputtering respectively.Then,the thin film thermopiles composed of 200 pairs of in-series thermocouples were fabricated by microfabrication technology in 10 mm 10 mm substrate area.Finally,aluminumoxide layers were deposited by reactive magnetron sputtering as thermal resistance layers,with the help of hard mask.Thedifferent thickness of the aluminum oxide layer produces the cold and hot ends in the thin film thermopile,giving rise to avoltage under the irradiation of heat flux by the Seebeck effect,realizing the measurement of heat flux.The thin filmthermopiles were analyzed and calibrated.The results show that in the Cu/Cu55Ni45 thermopiles deposited on the Si substrateand Al2O3ceramic substrate,the roughness of the Cu films are 20 and 60 nm,the roughness of Cu55Ni45 films are 15 and20 nm,the electrical resistance of thermopiles are 38.2 and 2.83 k,the sensitivity of thermopiles are 0.069 45 and0.026 97 mV/(kWm-2),respectively.The surface roughness of Cu/Cu55Ni45 thermopiles deposited on single crystal Sisubstrate and Al2O3ceramic substrate with different surface roughness will be affected,resulting in the difference in electricalresistance of thin film thermopile.In addition,the output thermoelectric voltage exhibits a good linear relationship with heatflux.Key words:thin film thermopile;magnetron sputtering;microfabrication;Seebeck effect;heat flux sensor;sensitivity 收稿日期:2023-02-27 基金项目:环境友好能源材料国家重点实验室自主课题(20fksy23,21fksy27)作者简介:冯楠茗(1995),男,贵州省人,硕士研究生。E-mail:984050669 通信作者:代 波,博士,教授。E-mail:xdaibo 1524研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷0 引 言热量传递是一种普遍的自然现象,一般以热传导、热对流和热辐射等形式进行。随着科学技术高速发展,只把温度作为热量传递的唯一信息是远远不够的1。温度是标量,热流是矢量,温度只反映能量作用的结果,不能反映能量传递的过程。为了更好地控制热过程,需要获得热流信息来预测系统能量的变化趋势。热流传感器(heat flux sensor,HFS)作为测量热量传递的关键元件,广泛应用于机械、能源、冶金、建筑、设备,以及航空航天等各个领域,主要类型包括同轴热电偶2-3、戈登计4-5和热电堆6-7等。伴随着薄膜制备技术的发展,薄膜型热流传感器也随之兴起,通过物理气相沉积(physical vapor deposition,PVD)或化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)技术制备的薄膜热流传感器因为其器件尺寸非常小,对测试环境的热量流动干扰非常小;同时因为其厚度是纳米到微米数量级,可用于快速瞬态热通量测量,频率响应最高达1 MHz8-10。基于 Seebeck 效应的热流传感器灵敏度主要来源于冷热结点的温差,薄膜热流传感器因其热阻层厚度在纳米级到微米级间,冷热结点温差非常小。为了制备高灵敏度的热流传感器,将多组热电偶串联组成热电堆结构,从而达到放大输出热电势的目的,可用于监测微小的热流变化。热电堆式热流传感器是目前最常见的一类热流传感器之一11。最早通过将热电堆缠绕在热阻层上,测量垂直通过热阻层的热通量12。但缠绕式的热电堆传感器尺寸通常较大,应用场景有限。新型薄膜型热电堆(thin film thermopile,THTP)热流传感器将薄膜制备技术与微加工技术结合,传感器尺寸可控制在毫米级别,扩大了热流传感器的应用范围。2019 年,Zhang 等13通过丝网印刷技术在Al2O3衬底上制备了厚度为20 m 的Pt-Pt/Rh 热电堆,在3 57 kW/m2热流范围内,传感器灵敏度为 0.025 0.03 mV/(kWm-2),可在 50 900 稳定工作。2020 年,Tian等14设计的微型热流传感器在 0.12 1.10 MW/m2热流范围内,灵敏度为 1.50 10-6V/(Wm-2),并在能量密度为 0.44 MW/m2的 200 个激光脉冲测试下表现出良好的重复性。Fu 等15使用磁控溅射在 AlN 衬底上制备 W-5Re/W-26Re 热电堆,设计了 Al2O3-SiO2-Al2O3三明治结构的热阻层,该热电堆在 1 000 高温环境下可工作 1 h,灵敏度为 38 V/(Wcm-2)。2021 年,Li 等16制备了 ITO/In2O3陶瓷型薄膜热电堆,研究冷热节点以垂直、水平和阶梯三种分布方式对传感器灵敏度的影响,结果表明垂直分布时传感器灵敏度最高,达到 280.8 V/(kWm-2)。崔云先等17针对高温环境制作了 PtRh30-PtRh6 薄膜热电堆,传感器灵敏度为 0.01 V/(Wm-2),可在 1 200 环境下稳定工作。2022 年,Wang 等18在 PCB 电路板上使用电镀的方式制备 Cu/Ni 热电堆,在0 20 kW/m2的热流范围内,灵敏度为0.267 V/(Wm-2),响应时间为5 s,传感器的微结构具有灵活嵌入电子产品中测量芯片热流分布的潜力。郭林琪等19研制的 Pt/Pt-13Rh 薄膜热电堆在 0 110 kW/m2热流范围内灵敏度达 8.04 10-6V/(kWm-2),并且在 1 000 环境下保温 3 h后灵敏度不受影响。热电偶的工作原理是基于 Seebeck 效应,将串联的热电偶组成热电堆的结构从而达到增强传感器热电信号输出的目的,如公式(1)所示。结合一维傅里叶传热定律,如公式(2)与图 1 所示,可以根据传感器输出的热电信号得到热流信息。图 1 傅里叶一维传热示意图Fig.1 Fourier one-dimensional heat transfer diagram热电堆输出热电势 VOUT为VOUT=NT(SA-SB)=NTSAB(1)式中:N 为热电堆串联热电偶组数,T 为热电偶冷热两端温差,SA和 SB为组成热电偶材料的塞贝克系数,SAB为两者塞贝克系数差值。热电堆对热流的测量基于傅里叶一维传热定律,公式为q=-Tx=-T1-T2dx(2)式中:q 为热流,单位 W/m2;为热阻层热导率,单位W/(mK);T/x 表示垂直于等温面方向的温度梯度。第 8 期冯楠茗等:薄膜热电堆(Cu/Cu55Ni45)热流传感器的制备工艺及性能研究1525结合热电堆输出公式(1),可以得到q=dxSABNVOUT=CVOUT(3)式中:C 为热流计系数,其物理意义是当传感器接收到的热流时输出 1 mV 的热电势。公式(4)中,将 C 的倒数定义为灵敏度 K,K 越大,表明相同热流下传感器输出热电势越大,公式为K=dxSABN=VOUTq(4)图 2 热电偶原理示意图Fig.2 Schematic diagram of thermocouple principle根据公式(1)(4)可以推断,提高热电堆输出的方式包括串联更多的热电偶,提高冷热两端的温差以及选择 Seebeck 系数相差较大的材料作为热电偶。如图 2 所示,通过增大热电偶两端覆盖的热阻层厚度差,使其产生更大的温差,以达到提高输出的目的最为便捷,然而保护层的厚度过大会使传感器响应时间过长,不利于瞬时测量。目前评价热流传感器的性能指标有:灵敏度、响应时间、工作温度范围、尺寸以及特殊环境下的力学强度等。因此,在设计热流传感器时,需要综合考虑热电堆材料、热阻层、基底材料以及厚度等因素对于传感器在不同工作环境下的性能影响。本文以 Cu55Ni45、Cu 和 Al2O3作为热电堆组成材料,旨在研究热电堆微加工工艺,解决热电堆制备过程中难导通,易短路等问题。并探究薄膜热电堆热流传感器输出信号与热流强度之间的关系,以及不同衬底上热电堆灵敏度的差异。1 实 验选择中低温区常用的 T 型(Cu/Cu55Ni45)薄膜热电偶,这种热电偶的输出热电势较大,且材料成本低,在 300 以下输出热电势与热流具有良好的线性关系。磁控溅射技术制备薄膜具有沉积速度快、致密度高以及结合力好等优点,制备的薄膜成分与靶材成分的一致性高。选择单晶 Si 片和 99Al2O3陶瓷片作为热电堆衬底,Si 表面有一层很薄的 SiO2,具备电绝缘性,Si 片尺寸为20 mm 20 mm 0.525 mm,表面粗糙度小于1 nm,99Al2O3陶瓷片尺寸为20 mm 20 mm 1 mm,表面粗糙度小于200 nm。结合微加工技术,在衬底上制备 200 对串联的 Cu/Cu55Ni45 薄膜热电偶组成热电堆结构。使用反应溅射在热电堆表面沉积 Al2O3保护层,配合硬掩模板使保护层在热电堆连接处形成 600 nm 厚度差,连接导线与热沉后完成传感器制备,如图 3所示。图 3 薄膜热电堆热流传感器制备流程图Fig.3 Flow chart for fabrication of heat flow sensor of thin film thermopile1.1 薄膜制备根据 Chopra 等20研究结果,只有当 Cu 和 Cu55Ni45 薄膜厚度超过 250 nm 时,才能获得较高的热电动势。陈皓帆等21研究 Cu 膜的临界尺寸在 600 nm 左右,CuNi 的临界尺寸在 400 nm 左右。金属薄膜具有明显的尺寸效应,即薄膜的电学性能会因膜厚的不同而改变。通常金属薄膜的电阻率远大于块体金属,随着薄膜厚度的增加,电阻率逐渐趋近于块体,但随着薄膜厚度的增加,薄膜的内应力也随之增大,使得薄膜对基底的结合力下降。因此本试验为保证膜厚大于临界尺寸,设计的 Cu 和 Cu55Ni45 薄膜厚度均为 600 nm。首先将 Si 片与 Al2O3陶瓷片分别使用丙酮、去离子水和无水乙醇超声清洗 15 min,再使用氮气吹干,得到干净清洁的衬底。采用 JPG-450 直流磁控溅射沉积系统制备薄膜,靶材为北京晶迈中科材料技术有限公司生产,Cu 靶纯度 99.999%,Cu55Ni45 靶的 Cu 与 Ni 质量比为 5545。在溅射室真空度小于 2.0 10-4Pa1526研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷的真空环境内溅射薄膜,工作气压为0.5 Pa。在 Si 片上分别沉积 Cu 和 Cu55Ni45 薄膜,使用台阶仪 DektaXT对样品厚度进行测量,根据溅射时间计算出 Cu 膜生长速率约为 42.3 nm/min,Cu55Ni45 膜生长速率约为35.2 nm/min。确定生长速率后开始热电堆的制备,热电堆组成薄膜溅射的工艺参数如表1 所示。沉积600 nm厚度的 Cu55Ni45 薄膜后,进行第一次光刻,再次沉积600 nm 厚度的 Cu 膜,对样品进行第二次光刻后得到串联的热电堆结构,最后通过反应溅射制备 Al2O3保护层,热端保护层厚度为400 nm,冷端保护层厚度为1 000 nm。研究22-23表明,覆盖了氧化铝保护层的热电偶能够有效防止金属在高温环境下蒸发导致的传感器失效,并保证传感器在高温下的热稳定性以延长使用寿命。反应溅射与射频溅射 Al2O3相比,溅射速率更快,通过调节 O2的流量改变溅射过程中 Al 的氧化程度,经过多次试验确定溅射工艺如表 1 中所示。表 1 薄膜溅射工艺Table 1 Technology process of thin film sputteringThin filmCurrent/mAAr flow/(mLmin-1)O2flow/(mLmin-1)Thickness/nmCu55Ni4520065600Cu25065600Al2O3300803.41 000(400)1.2 微加工将沉积了 600 nm 厚的 Cu55Ni45 薄膜的衬底放置在 KW-4C 型台式匀胶机上甩胶,低速 500 r/min,9 s;高速 2 000 r/min,40 s。旋涂厚度约为2 m 的 NR9-1500P 光刻胶之后,在型号为 MODELKW-4AH 平板加热台进行前烘,150,120 s。使用中国科学院光电技术研究所研制的 URE-2000/35 型深紫外深度光刻机,配合掩模板在光强为14 mW/cm2下曝光25 s,将样品放置在平面加热台上后烘,100,120 s。在 ZX-238 显影液中浸泡 25 s 取出,此时样品如图 4(a)所示。使用 50 的 FeCl3溶液对薄膜图形化处理,FeCl3与去离子水质量比为 12,对样品进行湿法刻蚀 5 s,使用丙酮去除线条表面光刻胶得到样品如图 4(b)所示。在第一次光刻结束后获得长度为 1 mm,宽度为 0.1 mm 的 Cu55Ni45 线条。为了保证热电堆连接良好,因此为Cu55Ni45线段包裹一层长度为 0.9 mm,宽度为 0.11 mm 的光刻胶。这样做的目的是在保证第二次湿法刻图 4 薄膜热电堆微加工流程图Fig.4 Microfabrication process of thin film thermopile蚀时,Cu55Ni45 线段不会出现侧腐蚀的情况,并且能够使串联的热电堆中出现一个接触良好的结点,结点面积为 0.05 mm 0.1 mm。对刻蚀好的线条进行第二次甩胶,得到如图 4(c)所示的样品。对带有光刻胶的样品再次溅射沉积600 nm 厚的 Cu 膜,如图4(d)所示,重复第一次光刻的步骤,如图 4(e)所示,获得长度为 1 mm,宽度为 0.1 mm 的 Cu 线条,并且与康铜线条首尾相连,完成热电堆的制备,如图 4(f)所示。1.3 表征与测试方法使用日本 Rigaku 公司生产的 Smart Lab 型 X 射线衍射(X-ray diffraction,XRD)仪表征薄膜物相,工作电压40 V,工作电流40 mA,X 射线衍射实验所用入射源为波长为1.540 6 的 Cu K射线,扫描步长为10()/min,在 5 80对薄膜进行扫描测试。使用德国 Carl Zeiss 公司生产的 Sigma300 型场发射扫描电子显微镜对薄膜表面进行 X 射线能谱(energydispersive spectrometer,EDS)扫描,表征薄膜组成元素以及各元素原子量百分比。使用 SPA-300HV 原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)表征薄膜的表面粗糙度,扫描区域为3 m 3 m。使用 KEITHLEY 4200-SCS 参数分析仪测试薄膜电阻值,将探针正负极与薄膜接触,设定起始输入电压、终止电压及电压步长,根据欧姆定律 R=U/I,计算得到不同电压下薄膜电阻值,将所有电压下的电阻值求和并取平均值,得到薄膜的电阻。使用实验室自主搭建的高温黑体平板炉对待测传感器灵敏度进行标定,该系统主要由电源控制系统、加 第 8 期冯楠茗等:薄膜热电堆(Cu/Cu55Ni45)热流传感器的制备工艺及性能研究1527热腔与数据采集系统组成,其最大热流可达 3 MW/m2,最大功率可达 40 kW。2 结果与讨论2.1 薄膜 XRD 结果分析如图 5 所示,Cu 膜在 2 角为 43.297、50.433、74.13时有明显的衍射峰,分别对应(111)、(200)、(220)晶面,其余衍射峰均为衬底峰。Cu 与 Ni 均为面心立方结构,但 Ni 原子半径较 Cu 原子小,根据 Bragg 定律,XRD 表征 Cu55Ni45 薄膜时,衍射峰相较 Cu 膜向右偏移,衍射峰所对应的晶面与 Cu 膜相同。XRD 测试结果表明,使用磁控溅射沉积的 Cu55Ni45 和 Cu 膜结晶性好,呈现多晶结构,未出现金属氧化物杂相。2.2 保护层 EDS 分析Al2O3保护层制备工艺如表1 所示,使用此工艺在 Si 片上沉积 Al2O3薄膜,扫描电子显微镜对薄膜表面进行EDS 分析测试,测试结果图6 所示,框线内为扫描面区域,其中 O 元素占60.26%,Al 元素占 39.17%,Si 元素占0.57%(原子数分数),由于 Al2O3薄膜沉积在硅片上,硅片表面存在一层很薄的 SiO2,因此假设检测到的 Si 元素全部来自于 SiO2,于是计算得到 O 元素和Al 元素原子比约为1.51,接近标准值1.5。使用KEITHLEY 4200-SCS参数分析仪测试薄膜导电性,结果表明薄膜绝缘,结合 EDS 结果推断,Al2O3薄膜被成功制备。图 5 Cu55Ni45 和 Cu 膜 XRD 图谱Fig.5 XRD patterns of Cu55Ni45 and Cu films图 6 Al2O3薄膜的 EDSFig.6 EDS of Al2O3thin film2.3 传感器电阻测试与分析使用 KEITHLEY 4200-SCS 参数分析仪测量热电堆电阻,在显微镜下将两个探针与热电堆电极接触,起始电压为 0 V,终止电压为 0.5 V,步长为 0.002 V,在该测试条件下,测得在硅片上沉积的热电堆电阻为38.2,Al2O3陶瓷片上沉积的热电堆电阻为 2.83 k。在相同工艺以及相同结构下,Al2O3陶瓷片上的热电堆电阻远大于硅片,使用 AFM 表征薄膜的表面粗糙度,如图 7 所示,沉积在 Si 衬底上的 Cu 和 Cu55Ni45 薄膜的粗糙度均小于沉积在 Al2O3衬底上的薄膜。表面粗糙度的大小可以反映在溅射过程中薄膜的生长情况。镀膜后薄膜表面粗糙度受到衬底粗糙度的影响,在粗糙度较高的衬底上,薄膜粗糙度会有一定程度上的降低,在粗糙度很低的衬底上,溅射薄膜对表面的粗糙度影响很小,甚至会提高成膜表面的粗糙度24。金属薄膜电阻的形成来自自由电子的碰撞,失去了来自电场提供的定向速度,薄膜表面粗糙度的提高使得电子发生碰撞概率提高。在图 7 中可观察到,Cu、Cu55Ni45 薄膜在 Si 衬底上的粗糙度分别为 20、15 nm,在 Al2O3衬底上的粗糙度分别为 60、20 nm,纵向不同高度的颗粒导致了不同的薄膜表面粗糙度,从而影响电子在薄膜中的输运,导致薄膜电阻率的变化25,最终反映在沉积在Al2O3陶瓷片上的热电堆电阻远大于沉积在 Si 片上的热电堆电阻。2.4 传感器灵敏度标定与分析通常传感器连接导线的方式有 3 种,分别是锡焊连接、导电银浆粘接,以及对电极位置打通孔穿 Pt 丝,将导线引到传感器背面。锡的熔点较低,约为230,随着温度上升锡逐渐液化,机械强度下降,不适用于较大热流下的实验。本实验采用在电极处打通孔穿 Pt 丝,导电银浆涂在电极处固定 Pt 丝。这种方式不论在机械强度还是在耐高温方面都较强。将连接好导线的传感器通过导热胶固定在圆形铜柱热沉上,避免测试1528研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷过程中传感器升温速度过快,如图 8(a)所示。对于热流传感器的标定方式主要有直接标定和对比标定两种,热源主要是辐射和对流热源26。本文采用比较标定方法,该方法可适用的热场环境和温度范围大,在对流传热和辐射传热的环境中都有不错的适用性。用比较法标定热流传感器是根据在相同校准热源和校准位置下,由已校准的热流传感器测量热源输出的热流,以此作为已知条件,分析待校准热流传感器信号输出与热流的关系,并获得待校准热流传感器的响应特性27。图 7 薄膜 AFM 照片。(a)Si 衬底上的 Cu 膜;(b)Si 衬底上的 Cu55Ni45 膜;(c)Al2O3衬底上的 Cu 膜;(d)Al2O3衬底上的 Cu55Ni45 膜Fig.7 AFM images of films.(a)Cu film on the Si substrate;(b)Cu55Ni45 film on the Si substrate;(c)Cu film on the Al2O3substrate;(d)Cu55Ni45 film on the Al2O3substrate图 8 THTP 传感器的连接与测试。(a)待测热流传感器实物图;(b)对比标定示意图Fig.8 Connection and testing of THTP sensor.(a)Physical picture of developed heat flux sensor;(b)schematic diagram ofcomparison calibration principle使用高温平板黑体炉对待测样品灵敏度进行标定,待测样品与标准戈登热流计(灵敏度:0.022 8 mV/(kWm-2)等距分布在石墨板两侧,电流将石墨板加热向两侧辐射出相同能量密度的热流,由于样品与标准戈登热流计受热面距加热的石墨板距离相等,接收到相同能量密度的热流,如图 8(b)所示。如图 9(a)所示,左侧纵坐标表示被测传感器吸收石墨板释放热流后输出该热流密度下的热电势,单位 第 8 期冯楠茗等:薄膜热电堆(Cu/Cu55Ni45)热流传感器的制备工艺及性能研究1529为 mV,右侧纵坐标表示戈登计测量石墨板在该时刻释放的热流密度,单位为 kW/m2。在相同时刻下,以 Si为衬底的热流传感器在 0 105 kW/m2的热流范围内与标准戈登计对比标定过程中的数据。可以明显看到传感器在热流逐渐上升过程中输出的热电势在时间尺度上与热流密度基本保持相同的变化趋势,当热流靠近100 kW/m2附近,传感器输出的热电势出现漂移,上升趋势减缓。对采集到的热电信号进行拟合,如图 9(b)所示,该传感器的灵敏度为0.069 45 mV/(kWm-2),优于标准戈登计的灵敏度0.022 8 mV/(kWm-2)。待测传感器输出的热电势与热流密度呈线性关系,表明在该热流范围内传感器的测量结果准确度较高,R2达到 0.985 88。图 9 Si 衬底热流传感器的标定与拟合。(a)比标定数据;(b)数值拟合Fig.9 Calibration and fitting of Si substrate HFS.(a)Comparison and calibration data;(b)data fitting图 10(a)是以 Al2O3陶瓷为衬底的热流传感器在0 160 kW/m2的范围内与标准戈登计对比标定过程中采集的数据,传感器的热电信号随着热流密度的上升而上升,且上升趋势与热流密度保持一致,当热流密度达到 160 kW/m2后,输出热电势随热流密度的下降而下降。对采集到的热电信号进行拟合,如图 10(b)所示,该传感器的灵敏度为0.026 97 mV/(kWm-2),优于标准戈登热流计的灵敏度0.022 8 mV/(kWm-2),同时R2达到 0.994。图 10 Al2O3衬底 HFS 的标定与拟合。(a)Al2O3衬底热流传感器对比标定数据;(b)Al2O3衬底热流传感器数据拟合Fig.10 Calibration and fitting of Al2O3substrate HFS.(a)Comparison and calibration data of Al2O3substrate HFS;(b)data fitting of Al2O3substrate HFS以 Si 为衬底的传感器的灵敏度远大于以 Al2O3为衬底的传感器,两者热电堆薄膜的材料、制备工艺、结构及几何尺寸均相同,仅由衬底不同引起薄膜热电堆电阻的差异。根据 2.3 小结分析可知,衬底粗糙度影响薄膜表面粗糙度,电阻的形成与薄膜自由电子输运有关,表面粗糙度大的薄膜会阻碍自由电子的定向运动,增加自由电子间的相互碰撞几率,从而使薄膜电阻率提高。根据电阻率与电阻的关系可知,相同几何尺寸的导体,其电阻随电阻率的增大而增大。Cattani 等28研究金属和合金材料电性能对其塞贝克系数的影响,如公式(5)所示。1530研究论文人 工 晶 体 学 报 第 52 卷S=2k2BT3eEFd ln(E)d lnEE=EF(5)式中:kB为玻尔兹曼常数;T 为绝对温度;e 为电子电荷;EF为金属的费米能;(E)为电子能量为 E 时金属的电导率。由公式(5)可知,材料的塞贝克系数与材料电导率有关,根据公式(1),热电信号的输出与组成热电堆材料 SAB有关。实际上,对于不同材料,电导率对塞贝克系数的影响程度不同,SAB需要通过实验确定,根据杨丽红等29研究表明 T 型热电偶的热电势率与金属电导率成正相关,电阻率是电导率的倒数,因此热电阻率越大的热电偶,其热电势率越小。本实验中,T 型热电偶作为热电堆传感器组成单元,从而热电堆电阻率越大,传感器灵敏度越小。3 结 论1)通过直流磁控溅射技术和微加工技术在单晶 Si 和 99Al2O3衬底上制备出结晶度与导电性良好的薄膜热电堆结构;使用反应磁控溅射制备 Al2O3薄膜,薄膜 O 原子与 Al 原子之比为 1.51,同时具备电绝缘性。2)在单晶 Si 和 Al2O3陶瓷衬底上制备 Cu/Cu55Ni45 薄膜热电堆热流传感器中,以表面粗糙度低的单晶Si 作为衬底的热流传感器灵敏度为 0.069 45 mV/(kWm-2),高于以表面粗糙度高的 Al2O3陶瓷作为衬底的热流传感器灵敏度 0.026 97 mV/(kWm-2)。3)热电堆电阻会对热流传感器的灵敏度产生影响,在由相同几何尺寸和材料组成的热电堆中,电阻小的传感器灵敏度更大。参考文献1 李 娟,张丛春,杨申勇,等.MEMS 薄膜热流传感器研制J.传感器与微系统,2019,38(5):71-73.LI J,ZHANG C C,YANG S Y,et al.Research and fabrication of MEMS thin-film heat flux sensor J.Transducer and 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