【摘 要】
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原子层热电堆（ALT）热流传感器由于具有灵敏度高、结构简单以及快响应等特点,被应用于航空发动机热端部件的热流测试以及高超声速风洞试验中的高频脉动热流的测量。然而在上述应用场景中,往往需要传感器越小越好,使得测点更小、对流场干扰小以及便于集成,同时在小型化尺寸下有高响应输出以提高分辨率。基于上述需求,研制出小型化、高灵敏度以及快响应的高性能ALT热流传感器具有重要意义,同时实现批量化生产,又可大大降
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原子层热电堆（ALT）热流传感器由于具有灵敏度高、结构简单以及快响应等特点,被应用于航空发动机热端部件的热流测试以及高超声速风洞试验中的高频脉动热流的测量。然而在上述应用场景中,往往需要传感器越小越好,使得测点更小、对流场干扰小以及便于集成,同时在小型化尺寸下有高响应输出以提高分辨率。基于上述需求,研制出小型化、高灵敏度以及快响应的高性能ALT热流传感器具有重要意义,同时实现批量化生产,又可大大降低成本。鉴于此,本论文主要研究了如下工作:1.利用MOCVD系统研究高性能SrxLa1-xTiO3（LSTO）薄膜制备。通过调控La掺杂配比、加热温度等工艺条件,得出在加热电流28A、La掺杂占比为60%时所制备薄膜质量良好,表面形貌比较平整并且孔洞逐渐消失,利用X射线衍射（XRD）扫描薄膜结果显示均沿c轴生长并无杂峰,且面外半高宽Δω以及面内半高宽Δφ分别为0.63和0.83。随后对倾斜12°的Sr TiO3（STO）以及La AlO3（LAO）单晶基底上的LSTO薄膜进行热流测试,在4mm×2mm的有效敏感元件尺寸下,给定38.1k W/m~2的热流,测得灵敏度系数最大分别为115.49μV/（k W/m~2）和26.25μV/（k W/m~2）,相较于同尺寸YBa2Cu3O7-δ（YBCO）的11.02μV/（k W/m~2）,灵敏度显著增加,对进一步研究小型化、高灵敏度系数ALT热流传感器具有重要意义。同时完成了LSTO薄膜高温下的测试,发现LSTO薄膜工作温度上限为550～600℃,其在高温下灵敏度系数与室温下误差在6%以内,表明其稳定性。2.研究了图形化器件结构,采用多线条的物理放大模式在器件小尺寸下进一步提升灵敏度系数,同时所设计器件结构在图形上具有批量化移植特点,使得单次可生产上千个小型化ALT器件,单器件尺寸为1mm×1mm。随后基于两英寸的倾斜LAO单晶基底上的YBCO薄膜对器件制备的微细加工工艺进行探索,得出最优的光刻、刻蚀、剥离以及切片等工艺参数,保证器件制备的良率。3.小型化ALT器件的性能进行测试与分析。对双器件线阵样品和单器件样品进行紫外激光测试,单器件样品电势输出是双器件样品的一半,吻合灵敏度与线条长度呈正相关理论,响应时间均为百纳秒级。对比单线条的4mm YBCO薄膜,实现了灵敏度系数的提升,标定测得1mm×1mm的器件灵敏度系数即达到11μV/（k W/m~2）。最后将光刻工艺移植到LSTO薄膜上进行了初步探索。
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