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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