MEMS高温热流传感器的制备工艺研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:zdhm
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在风洞实验中,高温环境会对器件造成严重损坏,为保证器件工作的可靠性、提高器件的使用寿命,必须在器件的设计过程中,考虑真实工作环境对其产生的影响。然而,仅根据温度指标来衡量工作环境的恶劣程度是不准确的,还要借助能够表征温度梯度变化的热流传感器来实现对工作环境的准确描述。热流传感器的体积是影响热流测量准确性的重要因素,体积大会干扰热流实际的传播路径,从而使测出的数据与真实情况不符。但是减小热流传感器的体积会增加制备工艺的难度,因此需借助MEMS工艺来实现高灵敏度热流传感器的制备。根据风洞实验的测试需要,传感器的工作温度不得低于450℃,为了更真实的表征热环境,实现温度和热流的同时测量,本文主要进行了高温热流-温度复合传感器制备工艺的研究。整个研究过程所开展的工作包括以下几个方面:(1)完成热流传感器总体结构的设计。基于热电堆型热流传感器的工作原理,为制备出使用温度不低于450℃,热流测量的灵敏度不低于0.05μV/(W/m2)的传感器,依次确定出基底、热电堆以及热阻层结构的材料与尺寸,接着对参数的设定进行合理性分析,证实设计的可行性。(2)研究了高温热流传感器的制备工艺。主要利用溅射剥离工艺实现微米级尺寸的热电堆和热电阻结构的制备,并探究了退火工艺对薄膜型铂电阻热阻特性的影响,实验发现适当提高退火的温度、延长保温的时间以及增加基底的粗糙度都有助于提高铂电阻的灵敏度和线性度。当铂电阻沉积在粗糙度为40nm的氧化铝基底时,经过600℃,保温30分钟的退火处理后,灵敏度由0.453Ω/℃升至0.521Ω/℃,提高了15%,线性度由13.5%降至7.0%,提高了48%。接着通过等离子体增强化学气相沉积的工艺完成了热阻层的制备,并采用湿法腐蚀工艺实现热阻层的局部减薄。(3)完成高温热流传感器的封装和初步测试。测试主要包括三个方面,一是测量传感器对于瞬态热流的响应时间,二是评价热流传感器在同一实验条件下,其输出电压的稳定性,三是确定热阻层的高度差对传感器工作次数的影响。测试的数据表明,本文所制备出的热流传感器,其响应时间约为4s;且在同一实验条件下输出的信号,稳定性很好,可以被810℃的高温热流冲击31次,输出电压的标准差为2.469×10-3mV。在探究热阻层的高度差对传感器工作次数的影响时,发现高度差的增大可以增加热阻层工作次数,其中热阻层高度差为5.300μm的热流传感器可以被温度为497℃的热流冲刷57次。
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