一種新型鉑銠薄膜熱電偶的制備及其性能

摘要:為滿(mǎn)足快速測量火工品發(fā)火溫度的需要，研制了一種以鉑銠(PtRh)作為偶極材料的快速響應S型鉑銠薄膜熱電偶。使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，通過(guò)光刻制成網(wǎng)版，制備鉑一鉑銠(Pt-PtRh)偶結點(diǎn)及蛇形微換能元，再經(jīng)過(guò)高溫馬弗爐燒結工藝完成薄膜熱電偶的制備得到祥品，最后測試了樣品的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。實(shí)驗結果表明，研制的薄膜熱電偶的靜態(tài)性能與標準S型熱電偶的熱電動(dòng)勢曲線(xiàn)具有較高的吻合度，且薄膜熱電偶在低溫段(50~600℃)的精度約為1.24%，在高溫段(600~1500℃)約為1.05%。時(shí)間常數為530pμs。研制的新型鉑一鉑銠薄膜熱電偶具有快速響應、高精度及耐高溫等特點(diǎn)，可滿(mǎn)足快速測量火工品發(fā)火溫度的需求。.
0引言
　　隨著(zhù)現代科技日新月異，在航空航天、核電及工業(yè)領(lǐng)域中存在著(zhù)大量的高溫、瞬態(tài)的測溫場(chǎng)合，而瞬態(tài)的溫度測量對測溫的精度及穩定性提出了更高的新要求。而薄膜熱電偶由于其響應時(shí)間短、體積小、集成方便、靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)中，在溫度測量領(lǐng)域具有廣闊的應用前景而成為研究熱點(diǎn)。其中，火工品正朝著(zhù)集成了微換能元及微火工品序列的第四代MEMS火工品方向發(fā)展。
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，薄膜熱電偶的應用領(lǐng)域也逐漸向更高溫度場(chǎng)景擴展，因此研究人員將目光轉向了氧化鋼錫(ITO)合金材料，以這種合金材料制成的薄膜熱電偶具有良好的化學(xué)穩定性和電穩定性，塞貝克(Seeback)系數較大且熱穩定性良好，并且在預期溫度內抗氧化性十分出色。
薄膜熱電偶正向著(zhù)能承受更高溫度、更好穩定性以及更快動(dòng)態(tài)響應等方向發(fā)展。面向火工品發(fā)火溫度的測試，本文研制了一種快速響應的PtRh薄膜熱電偶，并對其靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了測試。
1設計原理
1.1熱電偶測溫原理
　　薄膜熱電偶與絲狀熱電偶相似。都是由兩種不同材料的薄膜為電極首尾相連組成閉合回路，當回.路中兩接點(diǎn)溫度不同時(shí)，則會(huì )在回路中產(chǎn)生熱電勢，這種現象由托馬斯塞貝克于1821年發(fā)現，命名為塞貝克效應。該電動(dòng)勢Eab可表示為：
 
　　式中:Sab(T)為薄膜熱電偶的塞貝克系數;Sb(T)為薄膜電極a的絕對熱電勢率;Sb(T)為薄膜電極b的絕對熱電勢率:T為熱電偶的熱端溫度;T。為熱電偶的冷端溫度。
1.2高溫薄膜熱電偶結構設計
　　選取陶瓷作為基板材料，尺寸為10mmx8mmX0.5mm;選取PtRh10-Pt作為偶極的材料，型號為S型，偶極尺寸為7000μmX500μmX2μm;采用了蛇形的薄膜換能元結構,并以PtRh作為換能元的材料，換能元尺寸為橋寬200μm、間距300μm、橋厚500nm、橋長(cháng)6700μm。
2薄膜熱電偶結構仿真
　　為了確定薄膜熱電偶的結構數據，基于有限元(FEM)分析，以基底尺寸為10mmx8mmx0.5mm.對偶結500μmX500μm的薄膜熱電偶在不同鉑一鉑銠(Pt-PtRh)偶結點(diǎn)厚度時(shí)的時(shí)間常數進(jìn)行了多次仿真。
2.1有限元模型的建立
2.1.1網(wǎng)格劃分
　　建立了薄膜熱電偶的仿真模型，由于偶結點(diǎn)的溫度傳遞情況是關(guān)注的要點(diǎn)，故對偶結點(diǎn)及偶極處的網(wǎng)格進(jìn)行了較密的劃分，圖1為薄膜熱電.偶仿真模型的網(wǎng)格劃分情況圖，網(wǎng)格數為707164。加熱0.01s后的薄膜表面溫度場(chǎng)分布情況如圖2所示。
 
2.1.2材料屬性
　　材料屬性設定(表1)以及熱電偶的塞貝克系數等參數均通過(guò)查詢(xún)國家標準[N]得到
 
2.1.3激光參數
　　使用高斯脈沖激光對偶結點(diǎn)進(jìn)行加熱。激光波長(cháng)設置為532mm,高斯激光束的熱流密度(F)為：
 
　　式中:R為材料表面的環(huán)境輻射率;P為激光功率;r為激光半徑;d為激光半徑內一點(diǎn)與激光作用點(diǎn)中心的間距;t為時(shí)間。
2.2偶結點(diǎn)厚度不同時(shí)薄膜熱電偶的動(dòng)態(tài)響應
　　為研究偶結點(diǎn)厚度對薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)響應的影響，確定研制薄膜熱電偶的偶結尺寸，對不同偶結點(diǎn)厚度下薄膜熱電偶的動(dòng)態(tài)響應進(jìn)行了仿真研究。在激光能量等參數恒定的情況下，僅改變薄膜熱電偶偶結點(diǎn)的厚度。激光功率為20W.加熱時(shí)間為.0.011s。
　　由于工藝水平的限制，僅能制備厚度最薄為6μm的薄膜，于是為匹配實(shí)際工藝情況，將偶結點(diǎn)厚度分別設置為6、8.9和10μm，仿真結果如圖3所示。
 
　　從圖3可以看出，薄膜熱電偶的動(dòng)態(tài)響應隨著(zhù)偶結點(diǎn)厚度的增加而逐漸增大，分別約為0.00098、0.00105、0.00110和0.00120s。由于偶結點(diǎn)厚度變厚導致了熱容增加，從而使薄膜熱電偶的溫度峰值下降。根據現有的情況及經(jīng)驗來(lái)考量，薄膜熱電偶的偶結點(diǎn)厚度也與其動(dòng)態(tài)響應能力密切相關(guān)，基于實(shí)際工藝的考量，最后確定的偶結點(diǎn)厚度為6μm。
2.3不同激光脈沖功率下薄膜熱電偶的動(dòng)態(tài)響應:
　　為防止激光脈沖功率過(guò)大損壞薄膜熱電偶偶結點(diǎn)及基板，研究脈沖功率逐漸變大時(shí)薄膜熱電偶的動(dòng)態(tài)響應曲線(xiàn)的變化，在保持其他各項參數不變的情況下，對不同的激光脈沖功率加熱下薄膜熱電偶進(jìn)行了仿真。分別對20.25和30W時(shí)的薄膜熱.電偶進(jìn)行了仿真，得到的結果如圖4所示。
 
　　由仿真數據可知，三組情況下的薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)響應時(shí)間常數無(wú)明顯變化，均約為0.00098s。薄膜熱電偶偶結點(diǎn)表面溫升趨勢也基本-致，且最高溫度也顯著(zhù)低于PtRh材料的熔點(diǎn)1853℃。該仿真為后續的薄膜熱電偶動(dòng)態(tài)響應測試提供了參考。
3薄膜熱電偶的制備
　　本文采用基于絲網(wǎng)印刷技術(shù)的薄膜制備方法制備薄膜熱電偶，該方法將傳統印刷方法及材料的微納米尺度特性結合起來(lái)，成本低且效率高。
　　絲網(wǎng)印刷的流程圖如圖5所示。首先設計印刷所需的圖形，并以此為依據采用光刻等方法制成網(wǎng)版，然后把漿料轉移到網(wǎng)版上，再由印刷機將圖形壓制到絕緣基片表面上，最后經(jīng)烘干和燒結等工藝完成整個(gè)制作過(guò)程。本文采用了脫離-接觸印刷技術(shù)印制了PtRh薄膜熱電偶。
 
　　絲網(wǎng)數目及絲網(wǎng)直徑在制作掩膜版時(shí)是影響印刷圖形分辨率的重要因素，然而盡管網(wǎng)版數目與印刷分辨率呈正比，但是其對漿料的細度要求更高，所以要兼顧使用漿料的屬性。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗，選用目數325的絲網(wǎng)進(jìn)行印刷網(wǎng)版的制作，張力(29土2)N，設計的絲網(wǎng)網(wǎng)版如圖6所示。選用細度小于15μm的PtRh漿料和細度小于10μm的Pt電極漿料印刷PtRh薄膜熱電偶兩電極。
 
　　經(jīng)過(guò)烘干的薄膜在燒結過(guò)后其電性能才能完整體現，所以燒結對于絲網(wǎng)印刷工藝來(lái)說(shuō)尤為重要。在電極印刷完成后，需將薄膜樣品在200℃的馬弗,爐內烘干20min，讓薄膜中的有機物揮發(fā)，從而增強膜層與基底的粘附性，然后進(jìn)行高溫燒結，為提高制備效率及防止膜層中有機溶劑過(guò)度揮發(fā)，采用1800℃的燒結溫度對樣品進(jìn)行燒制，再在1300℃下進(jìn)行保溫處理，保溫時(shí)間1h。經(jīng)過(guò)如上處理，最終制備的樣品表面光滑且致密，樣品如圖7所示。
 
4實(shí)驗結果與分析
4.1靜態(tài)特性測試
　　搭建了如圖8所示的實(shí)驗環(huán)境進(jìn)行薄膜熱電偶的靜態(tài)標定。將待檢定熱電偶放入檢定爐的恒定溫度場(chǎng)中，它們的冷端置于0℃的冷端補償裝置中，使用溫控儀使檢定爐溫度達到預設溫度，待溫度恒定后使用高精萬(wàn)用表測量待測薄膜熱電偶的熱電勢，并將測得的熱電勢值與標準熱電偶值進(jìn)行對比。
 
　　使用檢定爐對薄膜熱電偶進(jìn)行靜態(tài)溫度標定，每隔50℃設置-一個(gè)測試點(diǎn)，記錄數字萬(wàn)用表顯示的電壓。為驗證其重復性，進(jìn)行了三次重復實(shí)驗，并分別記錄了薄膜熱電偶的熱電勢值，取三次的熱電勢平均值繪制成如圖9所示的薄膜熱電偶與標準熱電偶熱電勢對比圖。
 
　　將其分別與標準熱電偶的分度表熱電勢進(jìn)行差值計算，繪制成不同測試溫度下的差值變化曲線(xiàn)，如圖10及圖11所示。對薄膜熱電偶的精度進(jìn)行計算，將測量數據與標準分度表進(jìn)行對比，選擇部分數據進(jìn)行分析。
 
　　精度誤差的計算方法為精度誤差=(標準熱電偶一待測熱電偶)/滿(mǎn)量程，溫度量程為0~1500℃。從圖10和圖11中可以看到，薄膜熱電偶在低溫段(50~650℃)的測量精度可達到約1.24%，在高溫段(600~1500℃)可達到約1.05%，該薄膜熱電偶在高溫段的測量精度高于低溫段，這是由于PtRh材料的熱電勢較小，在低溫度區間里精度較高溫度區間差，但是其同樣具有制備較簡(jiǎn)易、物理化學(xué)穩定性高、熔點(diǎn)較高及能勝任高溫環(huán)境下測溫的優(yōu)點(diǎn)。
　　如圖10和圖11所示，本文研制的薄膜熱電偶與標準熱電偶分度表的熱電勢曲線(xiàn)基本相同，曲線(xiàn)也十分吻合，通過(guò)查詢(xún)國家標準[0]，將各溫度下的薄膜熱電偶熱電勢平均值與國家標準中熱電勢范圍進(jìn)行比較，例如800℃下平均電動(dòng)勢為7.367mV，標準二級熱電偶的熱電勢為7.323~7.367mV，因此使用絲網(wǎng)印刷工藝制作的薄膜熱電偶可達到標準S型熱電偶的水平。
4.2動(dòng)態(tài)特性測試
　　為了測試所制備的薄膜熱電偶的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)行了如圖12所示的實(shí)驗來(lái)測試薄膜熱電偶的時(shí)間常數，其定義為溫度傳感器在溫度激勵下從起始時(shí)刻到其峰值63.2%所需的時(shí)間。選取激光功率為20W進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測試，激勵信號采用了高斯脈沖信號，經(jīng)測算激光器出光的時(shí)長(cháng)約為1ms。
 
　　實(shí)驗采集到的結果如圖13所示，對該信號進(jìn)行歸--化處理后的結果如圖14所示，計算后得知時(shí)間常數為530μs，與前文的仿真結果較為接近，屬同一量級。但由于空氣散射、環(huán)境溫度和材料表面折射率等因素影響，實(shí)驗測得的峰值溫度比仿真結果低。
 
5.結論
　　本文使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備了快速響應PtRh薄膜熱電偶，并對熱電偶進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標定測試。測試結果表明，薄膜熱電偶的靜態(tài)性能與標準S型熱電偶熱電勢曲線(xiàn)吻合良好，其在600~1500℃的工作區間內精度約1.05%，時(shí)間常數為530μs。研制的薄膜熱電偶具有高精度、耐高溫測試的特點(diǎn)，滿(mǎn)足了對火工品發(fā)火溫度快速測溫的需要。以此為基礎，后續可以進(jìn)一步研究薄膜熱電偶在高溫下長(cháng)時(shí)間工作的能力。