熱流計SiO2熱阻層離子束濺射制備及耐熱性研究*

丁 玎，張 浩，何 峰

(1.中國電子科技集團公司第四十八研究所，湖南 長沙 411101；2.湖南省薄膜傳感技術國防重點實驗室，湖南 長沙 411101)

0 引言

我國研制的大推力發(fā)動機作為航天器、戰(zhàn)斗機的推進裝置，在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱，因此，大推力發(fā)動機在為目標飛行器提供飛行動力的同時也帶來了熱量傳輸監(jiān)測的問題.同時由于發(fā)動機的工作過程中存在狀態(tài)變化、氣流變化的復雜工況，這些都要求檢測熱流的傳感器迅速準確地給出熱流測量值.

為了保障大推力發(fā)動機的正常工作，需要在發(fā)動機各個關鍵熱節(jié)點部位利用熱流傳感器進行實時熱量傳輸精確監(jiān)測，因此熱流技術在國防科技領域被廣泛應用[1-2].薄膜熱阻熱流傳感器響應時間短、量程大、體積小，安裝后對模型表面幾何形狀影響小，在實時測量發(fā)動機熱流分布方面具有較大的優(yōu)勢[3].其原理是基于半無限體一維傳熱模型[4]，熱阻層上下表面的溫差與輸入熱流成正比，通過測量熱阻層的溫度差，利用傅里葉定律計算出通過熱阻層的導熱熱流.

所謂熱阻層，就是阻止熱傳遞的阻礙層.依照熱流傳感器測量原理，不同厚度的熱阻層對熱電偶堆的熱端和冷端造成溫差，溫差的大小不僅取決于熱流量的大小，還取決于熱阻層的材料(熱傳導系數(shù))和熱阻層厚度.所以熱阻層材料的選擇至關重要.理論上，在熱電偶堆熱端沉積薄的導熱系數(shù)大的熱阻膜，在冷端沉積導熱系數(shù)小的熱阻膜，將達到較大的溫差(靈敏度).SiO2薄膜由于具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性、耐熱沖刷性能、電絕緣特性，是熱流計熱阻層的理想材料.中國電子科技集團公司第四十八研究所(以下簡稱：48所)具備多年薄膜熱流傳感器研制工作的經(jīng)驗[5]，依據(jù)48所前期實驗項目探索以同種材料作為薄厚熱阻層的經(jīng)驗，SiO2熔點較高(1 730 ℃)具有較好的耐高溫性能，且有較低的熱傳導系數(shù)(1.4 W/(m·K))，可以起到很好的隔熱作用[6]，這有利于熱阻膜層上下表面形成較大的溫度差值，因此SiO2可作為傳感器的熱阻層.

熱阻層一般為微米級，其與基底的結合力也是保證響應快、精度高的必要前提.離子束濺射鍍膜工藝由離子源發(fā)射離子，經(jīng)過引出和加速兩個過程到達靶面并對其進行轟擊，從而實現(xiàn)濺射鍍膜[7-8].濺射粒子的碰撞過程較少，粒子的平均自由程大，濺射粒子的能量較高、直線性好，因此膜層與基片附著力常常較好.因此，離子束濺射沉積是熱阻層制備的優(yōu)選工藝.

48所“薄膜傳感技術湖南省國防科技重點實驗室”微加工技術，有著三十多年離子束濺射鍍膜技術的沉淀.并且可以結合光刻、剝離等MEMS工藝實現(xiàn)更薄熱阻層的制備、布置更多的熱電偶，使熱阻式熱流傳感器具備更高的動態(tài)響應頻率特性和信噪比[9].近年來，48所與中國建筑材料科學研究總院合作，實現(xiàn)了微型化、耐高溫MEMS熱流傳感器的研制.MEMS熱流傳感器在高溫、氣流高速沖刷的環(huán)境下工作，應用環(huán)境惡劣，微米級厚度的SiO2膜層與基底的結合力至關重要.本文選取MEMS熱流傳感器的熱阻層SiO2制備過程為研究切入點，研究不同離子束濺射鍍膜工藝、熱處理技術對SiO2膜層結合力的影響，從膜層的厚度、成分、表面截面形貌等角度進行分析，并考察高溫(1 200 ℃)工況后膜層的結合狀況.

1 制備與測試方法

1.1 基體處理與薄膜制備

膜層的基體為氧化鋁(99%)陶瓷片，購買于西安萊科特電子科技有限公司.基片大小為20 mm × 20 mm × 1 mm，表面光滑.將氧化鋁陶瓷基片在丙酮溶液中超聲清洗3 min之后，110 ℃爐內(nèi)存放10 min烘干，以待后續(xù)鍍膜工藝.

采用48所自制的LD-1型離子束濺射鍍膜機進行膜層制備.靶材為SiO2靶(純度>99.9%)，背景真空為1×10-4Pa，離子源的工作氣體為Ar和O2，主離子源通入9.6 sccm的Ar，在真空室通入6.8 sccm的O2.薄膜沉積時工作氣壓約為2.7×10-2Pa，沉積時基板不加溫.在保持離子源參數(shù)、真空度和氣體流量都不變的情況下，分別進行了4.5 h，6.5 h以及7.5 h的靶材濺射沉積.為了獲得合適的沉積速率，將離子源束流Is設為80 mA，并將電壓Us設為600 V.

1.2 試驗及分析過程

膜層與基底的結合力是文章研究的重點，采用納米劃痕儀(Hysitron ti950)對三種不同鍍膜時間的樣品進行劃痕測試，測得其結合力，然后選取厚度適中、劃痕結合力較好的一組采用真空退火爐(天津中環(huán)，OTF-1200X)進行熱處理，在真空環(huán)境(真空度1×10-4Pa)下550 ℃處理90 min，對熱處理之后的薄膜進行結合力的測試，接著采用單溫區(qū)快速升溫爐(南京博蘊通TL1200)在1 200 ℃下處理，其升溫速度為20 ℃/min，高溫考核時間為30 min，重復進行三次循環(huán)熱震.所制備的膜層利用X 射線衍射儀( RigakuD/MAX 2500PC) 對組成進行分析，掃描電鏡(FEI NANO 450)對膜層的表面和截面進行形貌觀察.

2 實驗結果及分析

首先對三種不同時間制備的SiO2薄膜進行了XRD成分分析.分析結果如圖1所示.陶瓷片上濺射沉積的SiO2薄膜主要成分為SiO2，均以晶態(tài)形式存在.雖然在濺射過程中沒有進行基片烘烤，濺射溫度也不高(濺射時基底溫度為150 ℃左右)，但是離子束濺射能量較大，能夠使得濺射粒子以較強的速度濺射到基片表面，一方面增大了膜層與基底的結合力，另一方面使得膜層保持了較好的結晶性能.

圖1 不同濺射時間SiO2薄膜XRD圖Fig.1 XRD profiles of SiO2 films with different sputtering time

通過對不同濺射時間的SiO2薄膜截面進行掃描電鏡分析可知(如圖2所示)，隨著鍍膜時間的增加，膜層厚度逐漸從2.369 mm，過渡到4.027 mm，直至增大到5.407 mm，通過三個時間的鍍膜厚度計算分析得知，鍍膜平均速率為10.23 nm/min.

圖2 不同濺射時間SiO2薄膜截面形貌SEM圖：(a) 4.5 h，(b) 6.5 h，(c) 7.5 hFig.2 Cross section SEM images of SiO2 films with different sputtering time：(a) 4.5 h，(b) 6.5 h，(c) 7.5 h

在離子束濺射過程中，濺射出來的Si原子結合氧氣形成SiO2沉積在陶瓷基片上，經(jīng)過晶粒的形核、長大、晶核、溝道與空洞合并四個階段，形成連續(xù)膜[10].由于沉積速度較快，沉積薄膜過程中基片無加熱，溫度不夠高，來不及形成完整的晶格，薄膜結構中存在空位、位錯等缺陷，這些缺陷可以通過熱處理予以消除，因此，選定6.5 h膜層厚度為4 mm左右的SiO2進行熱處理實驗予以消除缺陷.文獻[11]報道，當退火溫度為550 ℃時，SiO2膜的短程有序范圍最大，相鄰原子的平均自由程最小，結晶程度最大.因此選定在該溫度下真空環(huán)境中，進行30 min熱處理.

圖3所示為三種不同時間得到的膜層以及6.5 h得到的膜層進行550 ℃熱處理的表面形貌.如圖所示，在不同濺射時間的膜層表面，晶粒排布緊密，大小在400 K倍數(shù)放大下趨于一致，不同鍍膜時間的膜層表面形貌并沒有明顯差別.截面圖如圖3所示，由于濺射膜層晶粒細小，在熱處理之后膜層繼續(xù)保持細小的晶粒結構，表面晶粒排布緊湊致密，沒有明顯缺陷.

圖3 不同濺射時間SiO2薄膜截面形貌SEM圖：(a) 4.5 h，(b) 6.5 h，(c) 7.5 h，(d) 6.5 h膜層550 ℃熱處理30 min.Fig.3 Surface SEM images of SiO2 films with different sputtering time：(a) 4.5 h，(b) 6.5 h，(c) 7.5 h， (d) after sputtering 6.5 h,the SiO2 film heat at 550 ℃ for 30 min

對不同鍍膜時間的膜層進行納米劃痕分析，對劃痕曲線進行處理可知，鍍膜4.5 h、6.5 h、7.5 h的膜層結合力分別為53 524.7 mN、45 200.6 mN、42 280 mN.數(shù)值分析如圖4所示.隨著鍍膜時間的增加，膜層與基底結合力保持線性下降.選取在6.5 h鍍膜時間的樣品進行550 ℃熱處理之后對其進行劃痕實驗發(fā)現(xiàn)，其結合力為51 696.6 mN，比未經(jīng)熱處理提高14.37%.選取鍍膜時間為6.5 h，并對其熱處理前后的膜層在1 200 ℃溫度下進行了30 min時間的循環(huán)高溫考核，未經(jīng)熱處理以及熱處理之后的膜層在高溫考核之后的劃痕測試結果顯示其膜層結合力分別為40 542.7 mN、44 756.9 mN，結果表明SiO2薄膜保持了較強的高溫穩(wěn)定性，與基底的結合較好.

圖4 不同鍍膜時間SiO2薄膜的厚度與結合力對應關系Fig.4 Corresponding relation between thickness and binding force of SiO2 films with different sputtering time

3 結論

采用離子束濺射工藝對高溫MEMS熱流傳感器的熱阻層SiO2薄膜進行了不同時間的濺射沉積.得出以下結論：

1) 濺射沉積的SiO2薄膜均為結晶態(tài)，與表面結合良好，隨著鍍膜時間的增加，SiO2薄膜厚度呈現(xiàn)線性增加，同時結合力也呈現(xiàn)線性下降；

2) 對SiO2薄膜進行550 ℃熱處理有利于進一步改善膜層的結合力.實驗證明，6.5 h鍍膜4 mm的SiO2薄膜在1 200 ℃快速升溫循環(huán)考核下，仍然保持了較強的結合強度；

3) 離子束濺射鍍膜制備的SiO2薄膜作為MEMS熱流傳感器的熱阻層，能夠用于高溫高氣流沖刷的測試環(huán)境中，通過熱處理工藝進一步提高熱阻層結合強度，進一步保障薄膜熱流傳感器在發(fā)動機熱節(jié)點部位實時熱量傳輸?shù)木_監(jiān)測.