《武汉工程大学学报》 2016年2期
195-199
出版日期：2016-04-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
一种两级微桥结构快速测温微型传感器的研制
1 引 言
温度是表征物体冷热程度的物理量，它与工农业生产、科研工作等息息相关. 因此，测温仪器应运而生. 随着新材料、新工艺和新技术的加入，温度传感器性能不断提升，应用领域也越来越精细，其中快速测温是今后测温领域一个重要的应用方向 ［1］.
快速测温是用来测量某一时间内温度变化迅速、剧烈的，尤其是汽车发动机点火瞬间、压缩机活塞室气体温度压缩过程、内燃机燃烧室的壁面以及火箭尾部喷嘴壁面等场所的温度监测或测量技术［2］. 但目前的温度传感器在应用中仍有一些不足，比如，薄膜热电偶的热结点是一种很复杂的结构，在制备过程中容易产生缺陷，诸如空位、替位和填隙杂质等问题，这些缺陷会通过扩散作用向金属薄膜的内部偏移，进而影响薄膜热电偶的性能［3-4］；红外热成像测温技术又涉及多学科，技术复杂，被测物体的发射率难以确定，尤其是混合流体；而光纤光栅温度传感器需要复杂的光电系统，其感温探头加工工艺精度要求高等问题［5］.
考虑到上述温度传感器在使用中所面临的问题，设计一种结构简单，符合现代加工工艺，又能实现快速瞬态测温的温度传感器就成为一个需要解决的问题. 本文中的微桥结构Pt薄膜温度传感器，采用成熟的微电子机械（MEMS）加工技术，相较于热电偶传感器加工技术更稳定成熟，没有光纤光栅温度传感器复杂的测温系统［6］，也无需红外热成像测温技术涉及到繁冗的学科理论. 而且，铂电阻温度传感器是利用金属铂在一定的温度范围内，其电阻值随温度呈线性变化的原理进行温度测量的，具有很好的测温稳定性和线性度［7］.
通过传热的理论分析，MEMS Pt膜温度传感器中大部分热量的损失，是通过Pt薄膜片以导热方式将热量传递到与之接触的基底衬底片上. 设计时采用两级微桥机构，可描述为：感温的Pt薄膜以悬空的微桥连接方式搭接在一个SiO2的薄膜片上；同时SiO2薄膜片也以悬空的微桥连接方式搭接在Si基底衬底片上；这种两级悬空结构设计与多层叠加式、单桥连接式等传统结构相比，即减少了Pt薄膜片与绝缘层的接触面，进而降低了两者之间的热量传递，又可使承载多组Pt薄膜片以弯折的形式组合. 另外，多组弯折的Pt薄膜片可增大感温部的整体热阻，而热电阻温度传感器又是通过测量回路的电阻变化产生的电流来测量的，所以当感温部接触到被测环境时，即便是较小的温度差距也能引起明显的电阻值变化，测量回路也会产生相应的电流值，进而能快速测出被测环境的温度值. 本设计采用了MEMS加工技术，能在一定程度上保证感温元件体积小，重量轻，热容量小，以确保传感器感温部的快速响应.
2 结构设计
温度传感器的结构设计分为三层，如图1所示，自下往上依次为Si基片、SiO2薄膜绝缘层和Pt感温薄膜；作为基底的Si片主要用于固定感温结构，其尺寸设定范围较宽，可达到几毫米甚至更大，以便于感温探头的安装、移动等；SiO2为绝缘层，防止Si片对Pt热电阻电流回路发生短路；作为感温核心部分的Pt薄膜片是利用其电阻率随温度变化的特性，将测温环境的温度变化转化为Pt电阻值的变化，进而改变感温电阻回路中电流的变化.
为了增加Pt薄膜片的整体电阻，感温区域布置成折弯的形状（参见图2）. 图2中没有画出Pt感温薄膜的电源引线部分，因这部分设计时可大面积铺满SiO2层，且为金属，所以对本次热分析影响很小，为节省计算时间本次模拟热分析不做考虑.
图2为Pt感温部件图，其采用MEMS加工工艺的结构布局可描述为：作为基底的Si衬底片上以微桥形式搭载一对SiO2薄膜片，SiO2薄片悬空部分的尺寸如图2所示；感温的折弯Pt薄膜片也以微桥形式搭载于SiO2薄膜片上，搭载结合部分的长度为5 μm，其余的Pt薄膜片亦悬空布置，尽可能减小了在测温过程中Pt薄膜片与SiO2薄片之间的热量传递.
上述结构设计可在MEMS加工技术中的光刻、淀积、溅射、剥离（lift-off）和深反应离子刻蚀（DRIE）等工艺得以实现［8］.
3 结果与讨论
3.1 仿真分析
现利用ANSYS有限元软件对感温部在稳态温度场和交变温度场两种情况下的热响应过程进行仿真模拟. 鉴于Pt薄膜片组是感温核心部分，SiO2片和Si片是起支承和固定作用，因此，在仿真过程中对整体结构进行仿真模拟实验，但只对Pt薄膜片部测温数据进行分析.
在有限元分析中，采用的初始条件和边界条件如下：温度传感器整体初始温度为25 ℃，突然置于200 ℃的空气中，其对流换热系数h =100 W/（m2·K）. 通过有限元分析，将得到以下几个方面的结果：1）感温Pt薄膜片的瞬态温升过程； 2）感温Pt薄膜片上的温度分布的均匀性； 3）SiO2薄膜片的厚度对上述温升过程的影响.
表1列出了仿真过程中所需的Si、SiO2和Pt的热物理性质，包括密度、比热容和导热系数. 另外，假设温度传感器的感温部件与被检测环境的传热是强制对流换热效果，在此情况下对流换热系数可取h = 100 W/（m2·K） ［9］.
3.2 稳态温度场分析
为方便起见，定义本温度传感器的输出变化达到其初始值和最终值之差的63.2% 所需的时间，为热响应时间常数τ［10］. 同时，选取感温Pt薄膜片上的两个不同点来做瞬态温升分析：A点（参考图2）为Pt薄膜片与SiO2微桥结合处的点，B点（参考图2）为Pt薄膜片悬空部分的中间点.
图3为SiO2片厚度为2 μm时，Pt薄膜片的ANSYS有限元仿真模拟分析结果温度云图. 由图可见，本设计能满足整个感温薄膜的温度分布均匀性（均匀性达到99%），从而保证了温度传感器响应的线性度和可靠性.
图4（a）为当SiO2片厚度分别为2 μm、5 μm和10 μm时，Pt薄膜片上A点的温度随时间变化的曲线. 从图4中可知，当SiO2片厚度为2 μm时，达到稳态的时间约为0.1 s；其时间常数τ为12 ms，而在SiO2片厚度为5 μm和10 μm时，其对应的时间常数τ分别为30 ms和60 ms，SiO2片厚度为2 μm时的时间常数τ较之于SiO2片厚度为5 μm和10 μm的分别减小了60%和80%. 显然，SiO2的厚度对本温度传感器的时间常数有很大的影响，其厚度越小则时间常数越小. 这是因为Pt感温膜的厚度很小，其热容量也很小，所以它能迅速随着环境温度的变化而变化. 另一方面搭载Pt膜的SiO2膜片因为要考虑其机械稳定性，不可能太薄，所以SiO2膜的厚度和热容量都会大于Pt膜的厚度和热容量. 这样，当环境温度升高后，Pt薄膜的温度会迅速上升，而SiO2膜的温度上升则会慢一些. 其结果是热量会从Pt薄膜通过微桥向SiO2膜传递，这样就会降低Pt薄膜的热响应过程. 显然，当SiO2膜越薄的时候，这个传递的热量就会越少，则感温Pt薄膜的热相应时间就会越小.
图4（b）为在SiO2片厚度为2 μm时， Pt薄膜片A点和B点热响应时间温变图，由此图可知，处在SiO2片和Pt薄膜片发生热量传递接触位置上的A点，也能保持和悬空部分上B点有相同的温变，这说明Pt薄膜片不会因为温度不均导致热阻不稳（结合图3中A和B两点温度分布云图）.
3.3 交变温度场分析
现保持结构尺寸和其他参数条件不变，在只改变环境温度情况下，观察SiO2片厚度仍为 2 μm、5 μm和10 μm时对Pt薄膜片A点的温度变化影响. 假设被测环境温度成周期性变化，且其温度变化函数方程式为T（t）=100+50×sin（31.4×t），其中 t表示时间，显然环境温度的交变周期为T = 0.2 s. 温度传感器的感温元件在上述环境温度场中经过一段时间振荡后，其测量温度将随环境温度变化周期产生相应变化，图5是略去振荡部分后的Pt薄膜片A点温度变化情况. 为了研究方便，可定义感温元件测得最大（小）温度值与环境温度最大（小）温度值之间的差值与环境温度最大（小）值的比值为温度值误差，感温元件测得最大（小）温度值时间与环境温度最大（小）温度值时间的差值与环境温度变化周期的比值为时间延后，通过对比这两个值来考察温度传感器的精度及灵敏度.
由图5可知，在交变温度场中，不同的SiO2片厚度情况下A点测得环境温度与实际环境温度有一定差距，时间上也有一定延迟，但与SiO2片厚度为5 μm和10 μm相比，SiO2片厚度为2 μm时感温元件的测量温度更接近环境温度，时间延迟也更小. 而在实际测量交变温度场时，可参考表2所得参数进行温度补偿来弥补测量时的误差.
4 结 语
本文设计了一种用于快速测温的两级微桥机构Pt薄膜热电阻MEMS温度传感器，通过ANSYS有限元分析软件模拟了Pt薄膜热电阻传感器在稳态温度场和交变温度场中温度变化情况，并讨论三种不同SiO2片厚度对Pt薄膜片在快速测温过程热损失的影响，最终，根据模拟数据可知当其他参数不变时，SiO2片厚度为2 μm时的时间常数τ较之于SiO2片厚度为5 μm和10 μm时分别减小了60%和80%，而其测量误差也比5 μm和10 μm二者降低了65%和76.5%，时间延后也降低了38.5%和50%. 由此可见，SiO2片厚度越小，其与Pt薄膜片间热量传递会随之变少，精度值也会越高，该温度传感器性能也相应地提高.1 引 言
温度是表征物体冷热程度的物理量，它与工农业生产、科研工作等息息相关. 因此，测温仪器应运而生. 随着新材料、新工艺和新技术的加入，温度传感器性能不断提升，应用领域也越来越精细，其中快速测温是今后测温领域一个重要的应用方向 ［1］.
快速测温是用来测量某一时间内温度变化迅速、剧烈的，尤其是汽车发动机点火瞬间、压缩机活塞室气体温度压缩过程、内燃机燃烧室的壁面以及火箭尾部喷嘴壁面等场所的温度监测或测量技术［2］. 但目前的温度传感器在应用中仍有一些不足，比如，薄膜热电偶的热结点是一种很复杂的结构，在制备过程中容易产生缺陷，诸如空位、替位和填隙杂质等问题，这些缺陷会通过扩散作用向金属薄膜的内部偏移，进而影响薄膜热电偶的性能［3-4］；红外热成像测温技术又涉及多学科，技术复杂，被测物体的发射率难以确定，尤其是混合流体；而光纤光栅温度传感器需要复杂的光电系统，其感温探头加工工艺精度要求高等问题［5］.
考虑到上述温度传感器在使用中所面临的问题，设计一种结构简单，符合现代加工工艺，又能实现快速瞬态测温的温度传感器就成为一个需要解决的问题. 本文中的微桥结构Pt薄膜温度传感器，采用成熟的微电子机械（MEMS）加工技术，相较于热电偶传感器加工技术更稳定成熟，没有光纤光栅温度传感器复杂的测温系统［6］，也无需红外热成像测温技术涉及到繁冗的学科理论. 而且，铂电阻温度传感器是利用金属铂在一定的温度范围内，其电阻值随温度呈线性变化的原理进行温度测量的，具有很好的测温稳定性和线性度［7］.
通过传热的理论分析，MEMS Pt膜温度传感器中大部分热量的损失，是通过Pt薄膜片以导热方式将热量传递到与之接触的基底衬底片上. 设计时采用两级微桥机构，可描述为：感温的Pt薄膜以悬空的微桥连接方式搭接在一个SiO2的薄膜片上；同时SiO2薄膜片也以悬空的微桥连接方式搭接在Si基底衬底片上；这种两级悬空结构设计与多层叠加式、单桥连接式等传统结构相比，即减少了Pt薄膜片与绝缘层的接触面，进而降低了两者之间的热量传递，又可使承载多组Pt薄膜片以弯折的形式组合. 另外，多组弯折的Pt薄膜片可增大感温部的整体热阻，而热电阻温度传感器又是通过测量回路的电阻变化产生的电流来测量的，所以当感温部接触到被测环境时，即便是较小的温度差距也能引起明显的电阻值变化，测量回路也会产生相应的电流值，进而能快速测出被测环境的温度值. 本设计采用了MEMS加工技术，能在一定程度上保证感温元件体积小，重量轻，热容量小，以确保传感器感温部的快速响应.
2 结构设计
温度传感器的结构设计分为三层，如图1所示，自下往上依次为Si基片、SiO2薄膜绝缘层和Pt感温薄膜；作为基底的Si片主要用于固定感温结构，其尺寸设定范围较宽，可达到几毫米甚至更大，以便于感温探头的安装、移动等；SiO2为绝缘层，防止Si片对Pt热电阻电流回路发生短路；作为感温核心部分的Pt薄膜片是利用其电阻率随温度变化的特性，将测温环境的温度变化转化为Pt电阻值的变化，进而改变感温电阻回路中电流的变化.
为了增加Pt薄膜片的整体电阻，感温区域布置成折弯的形状（参见图2）. 图2中没有画出Pt感温薄膜的电源引线部分，因这部分设计时可大面积铺满SiO2层，且为金属，所以对本次热分析影响很小，为节省计算时间本次模拟热分析不做考虑.
图2为Pt感温部件图，其采用MEMS加工工艺的结构布局可描述为：作为基底的Si衬底片上以微桥形式搭载一对SiO2薄膜片，SiO2薄片悬空部分的尺寸如图2所示；感温的折弯Pt薄膜片也以微桥形式搭载于SiO2薄膜片上，搭载结合部分的长度为5 μm，其余的Pt薄膜片亦悬空布置，尽可能减小了在测温过程中Pt薄膜片与SiO2薄片之间的热量传递.
上述结构设计可在MEMS加工技术中的光刻、淀积、溅射、剥离（lift?off）和深反应离子刻蚀（DRIE）等工艺得以实现［8］.
3 结果与讨论
3.1 仿真分析
现利用ANSYS有限元软件对感温部在稳态温度场和交变温度场两种情况下的热响应过程进行仿真模拟. 鉴于Pt薄膜片组是感温核心部分，SiO2片和Si片是起支承和固定作用，因此，在仿真过程中对整体结构进行仿真模拟实验，但只对Pt薄膜片部测温数据进行分析.
在有限元分析中，采用的初始条件和边界条件如下：温度传感器整体初始温度为25 ℃，突然置于200 ℃的空气中，其对流换热系数h =100 W/（m2·K）. 通过有限元分析，将得到以下几个方面的结果：1）感温Pt薄膜片的瞬态温升过程； 2）感温Pt薄膜片上的温度分布的均匀性； 3）SiO2薄膜片的厚度对上述温升过程的影响.
表1列出了仿真过程中所需的Si、SiO2和Pt的热物理性质，包括密度、比热容和导热系数. 另外，假设温度传感器的感温部件与被检测环境的传热是强制对流换热效果，在此情况下对流换热系数可取h = 100 W/（m2·K） ［9］.
3.2 稳态温度场分析
为方便起见，定义本温度传感器的输出变化达到其初始值和最终值之差的63.2% 所需的时间，为热响应时间常数τ［10］. 同时，选取感温Pt薄膜片上的两个不同点来做瞬态温升分析：A点（参考图2）为Pt薄膜片与SiO2微桥结合处的点，B点（参考图2）为Pt薄膜片悬空部分的中间点.
图3为SiO2片厚度为2 μm时，Pt薄膜片的ANSYS有限元仿真模拟分析结果温度云图. 由图可见，本设计能满足整个感温薄膜的温度分布均匀性（均匀性达到99%），从而保证了温度传感器响应的线性度和可靠性.
图4（a）为当SiO2片厚度分别为2 μm、5 μm和10 μm时，Pt薄膜片上A点的温度随时间变化的曲线. 从图4中可知，当SiO2片厚度为2 μm时，达到稳态的时间约为0.1 s；其时间常数τ为12 ms，而在SiO2片厚度为5 μm和10 μm时，其对应的时间常数τ分别为30 ms和60 ms，SiO2片厚度为2 μm时的时间常数τ较之于SiO2片厚度为5 μm和10 μm的分别减小了60%和80%. 显然，SiO2的厚度对本温度传感器的时间常数有很大的影响，其厚度越小则时间常数越小. 这是因为Pt感温膜的厚度很小，其热容量也很小，所以它能迅速随着环境温度的变化而变化. 另一方面搭载Pt膜的SiO2膜片因为要考虑其机械稳定性，不可能太薄，所以SiO2膜的厚度和热容量都会大于Pt膜的厚度和热容量. 这样，当环境温度升高后，Pt薄膜的温度会迅速上升，而SiO2膜的温度上升则会慢一些. 其结果是热量会从Pt薄膜通过微桥向SiO2膜传递，这样就会降低Pt薄膜的热响应过程. 显然，当SiO2膜越薄的时候，这个传递的热量就会越少，则感温Pt薄膜的热相应时间就会越小.
图4（b）为在SiO2片厚度为2 μm时， Pt薄膜片A点和B点热响应时间温变图，由此图可知，处在SiO2片和Pt薄膜片发生热量传递接触位置上的A点，也能保持和悬空部分上B点有相同的温变，这说明Pt薄膜片不会因为温度不均导致热阻不稳（结合图3中A和B两点温度分布云图）.
3.3 交变温度场分析
现保持结构尺寸和其他参数条件不变，在只改变环境温度情况下，观察SiO2片厚度仍为 2 μm、5 μm和10 μm时对Pt薄膜片A点的温度变化影响. 假设被测环境温度成周期性变化，且其温度变化函数方程式为T（t）=100+50×sin（31.4×t），其中 t表示时间，显然环境温度的交变周期为T = 0.2 s. 温度传感器的感温元件在上述环境温度场中经过一段时间振荡后，其测量温度将随环境温度变化周期产生相应变化，图5是略去振荡部分后的Pt薄膜片A点温度变化情况. 为了研究方便，可定义感温元件测得最大（小）温度值与环境温度最大（小）温度值之间的差值与环境温度最大（小）值的比值为温度值误差，感温元件测得最大（小）温度值时间与环境温度最大（小）温度值时间的差值与环境温度变化周期的比值为时间延后，通过对比这两个值来考察温度传感器的精度及灵敏度.
由图5可知，在交变温度场中，不同的SiO2片厚度情况下A点测得环境温度与实际环境温度有一定差距，时间上也有一定延迟，但与SiO2片厚度为5 μm和10 μm相比，SiO2片厚度为2 μm时感温元件的测量温度更接近环境温度，时间延迟也更小. 而在实际测量交变温度场时，可参考表2所得参数进行温度补偿来弥补测量时的误差.
4 结 语
本文设计了一种用于快速测温的两级微桥机构Pt薄膜热电阻MEMS温度传感器，通过ANSYS有限元分析软件模拟了Pt薄膜热电阻传感器在稳态温度场和交变温度场中温度变化情况，并讨论三种不同SiO2片厚度对Pt薄膜片在快速测温过程热损失的影响，最终，根据模拟数据可知当其他参数不变时，SiO2片厚度为2 μm时的时间常数τ较之于SiO2片厚度为5 μm和10 μm时分别减小了60%和80%，而其测量误差也比5 μm和10 μm二者降低了65%和76.5%，时间延后也降低了38.5%和50%. 由此可见，SiO2片厚度越小，其与Pt薄膜片间热量传递会随之变少，精度值也会越高，该温度传感器性能也相应地提高.