薄膜热电偶传感器综述..docxVIP

薄膜热电偶温度传感器综述 摘 要: 随着低维材料技术的发展和对测温要求的提高，薄膜热电偶温度传感器应运而生，其快速响应特性为测量瞬变温度提供了可能。着重介绍了薄膜临界厚度的确定、扩散现象的影响、制备工艺、静态标定方法、动态参数测定等关键技术，并对其未来发展做出了展望。 关键词: 薄膜热电偶; 赛贝克效应; 尺寸效应; 扩散; 动态标定 引言： 在科学技术飞速发展的今天，各种材料低维化已经成为了材料科学发展的重要趋势之一，大量不同功能的薄膜材料已经在工业生产中得到了越来越多的应用，而薄膜热电偶温度传感器正是随着薄膜材料技术发展而出现的新型传感器。与普通体块型热电偶相比，薄膜热电偶具有典型的二维特性，其热结点厚度为微纳米量级，因此，具有热容量小、响应迅速等［1］优点，能够准确测量瞬态温度变化。 目前，国内关于薄膜热电偶温度传感器的研究工作主要集中在制备工艺的研究和传感器的标定上面。随着薄膜制备技术日趋多样化，热电偶薄膜的制备工艺也越来越复杂，工艺的优劣将直接关系到薄膜热电偶温度传感器的各项性能指标，因此，研究制备工艺在其研究中占据非常重要的地位。到目前为止，由于缺乏相关理论基础和有效的实验途径，动态标定依然困扰薄膜热电偶发展，同时也是急需解决的关键问题。近来，国内外相关研究人员从材料物理性能角度出发对薄膜热电偶展开研究，并取得了一定的研究成果，这些都推动了其进一步发展。在此基础上，本文综述了薄膜热电偶温度传感器的国内外的发展现状，着重介绍了其发展的关键技术问题，以及对其未来发展的展望。 1 薄膜热电偶温度传感器的关键技术 1． 1 薄膜热电偶临界厚度的确定 根据薄膜的尺寸效应理论，在厚度方向上由于表面、界面的存在，使物质的连续性具有不确定性。当薄膜的厚度小于某一值时，薄膜连续性发生中断，从而引起电子输运现象发生变化，因此，薄膜热电偶的厚度不是越薄越好，而是存在一个临界厚度。当薄膜厚度 d 大于临界厚度时，金属薄膜电阻率 ρf与厚度之间存在一定关系，即 ρf× d 值与 d呈线性关系，可以根据这一关系来确定???属薄膜的临界厚度。 1967 年，美国肯尼科特公司的 Ledgemont［2］实验室就开始对薄膜热电偶的尺寸效应进行研究，他们通过对不同膜厚的 Cu/CuNi 薄膜热电偶的赛贝克系数进行对比，发现当薄膜热电极的厚度小于 120 μm 时，其热电动势系数急剧减小，电阻率急剧增大。反之，不仅其热电动势系数与普通体快型热电偶相当，而且热电动势响应时间也会大大减小，小于 1 μs。这表明要研究薄膜热电偶的热电动势系数和响应时间，首先需要确定薄膜的临界厚度。 1． 2 扩散现象对薄膜热电偶性能的影响 薄膜热电偶温度传感器的工作核心是由 2 个热电极薄膜相互搭接而成的热结点，不同于体块型热电偶，由于薄膜材料之间普遍存在相互扩散的现象，而这种金属薄膜之间的相互扩散势必会对薄膜的各项性能产生影响，因此，研究薄膜热电偶电极材料之间的扩散现象对于研制薄膜热电偶传感器具有重要意义。 在薄膜热电偶的热结点处，两层金属薄膜之间所形成的界面通常既不是完全混乱，也不完全有序，而是一种相当复杂的结构。在界面中会产生各种各样的缺陷，如空位、替位或填隙杂质等，而这些缺陷会通过扩散向金属薄膜的内部转移。金属薄膜相互扩散现象通常可分为可互溶的单晶薄膜扩散和多晶薄膜间的扩散两种类型，金属薄膜之间的扩散类型不同所导致的费米能级的变化也不同，进而引起不同的电学特性的改变。如［3］金属多晶 Ag—Au 双层膜之间，在室温下会发生明显的相互扩散现象。这主要是由于缺陷短路效应所引起的，即 Au 沿着 Ag 的晶粒界面扩散，进而引起薄膜界面之间的势垒。此外，为了避免金属基底与金属薄膜之间的相互扩散，大连理工大学的贾颖等人［4］在W18Cr 高速钢刀头上镀制 NiCr / NiSi 薄膜热电偶之前，先在刀头上镀了一层 SiO2薄膜，其作用除了起到绝缘的作用外，同时也是为了阻挡刀头的金属元素扩散到热电偶薄膜当中，影响薄膜热电偶性能。 1． 3 薄膜热电偶制备工艺的研究 当前制备功能薄膜的技术很多，主要是物理气相沉积( PVD) 和化学气相沉积( CVD) 两大类方法［5］。不同的薄膜制备技术各有其特点，其中，属于物理气相法的溅射镀膜技术，由于具有高速、低温、低损伤等优点，同时还可以很好地解决热电极材料在热结点处的交叉复合等问题，所以，非常适合用来制备热电偶薄膜。同时，薄膜在制备过程中不可避免会产生各种各样的缺陷，这些缺陷会影响薄膜热电偶的电学性能，而热处理则可以有效地消除缺陷，改善薄膜的内部组织，提高其性能，所以，薄膜的热处理工艺也是薄膜热电偶制备工艺重要的研究领域。 国内外在这方面都做了大量的研究工作，如 NIST 的Kreider K G 等人［6，7］，研究了反应溅射方法沉积