薄膜热电堆(Cu/Cu55Ni45)热流传感器的制备工艺及性能研究

作     者：冯楠茗 代波 王勇 李伟 FENG Nanming;DAI Bo;WANG Yong;LI Wei

作者机构：西南科技大学环境友好能源材料国家重点实验室绵阳621000 山东大学空间科学与物理学院威海264200 

出 版 物：《人工晶体学报》 (Journal of Synthetic Crystals)

年 卷 期：2023年第52卷第8期

页      面：1523-1531页

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：环境友好能源材料国家重点实验室自主课题(20fksy23 21fksy27)。 

主　　题：薄膜热电堆 磁控溅射 微加工 Seebeck效应 热流传感器 灵敏度 

摘      要：本文首先通过磁控溅射技术在单晶Si和Al_(2)O_(3)陶瓷衬底上分别依次沉积厚度为600 nm的Cu和Cu55Ni45薄膜,然后使用微加工技术在10 mm×10 mm的衬底区域内制备了200对串联的热电偶组成薄膜热电堆结构,最后采用反应溅射联合硬掩膜沉积了不同厚度的氧化铝热阻层,使串联的热电偶分别产生冷端和热端。根据Seebeck效应,在热流的作用下薄膜热电堆冷热两端的温差使传感器输出热电信号,实现对热流密度的测量。通过对薄膜热电堆的表征与标定,结果表明:沉积在Si衬底与Al_(2)O_(3)陶瓷衬底上的Cu/Cu55Ni45热电堆中,Cu膜粗糙度分别为20和60 nm,Cu55Ni45膜粗糙度分别为15和20 nm,电阻分别为38.2Ω和2.83 kΩ,灵敏度分别为0.06945和0.02697 mV/(kW·m^(-2))。具有不同表面粗糙度的单晶Si衬底与Al_(2)O_(3)陶瓷衬底会影响在其表面沉积的Cu/Cu55Ni45热电堆表面粗糙度,进而导致薄膜热电堆产生电阻大小差异,此外,Cu/Cu55Ni45热流传感器的输出热电势与热流密度呈现良好的线性关系。