CN110726490B - 一种微尺度火工品发火温度测量装置 - Google Patents

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Abstract

一种微尺度火工品发火温度测量装置，包括单晶硅基底，单晶硅基底上生长一层二氧化硅绝缘层，二氧化硅绝缘层上通过MEMS工艺溅射铂微结构换能元及与铂微结构换能元连接的第一电极，第一电极作为铂微结构换能元的电压输入端；同时在铂微结构换能元中间利用MEMS工艺溅射铂温度敏感元件，铂温度敏感元件和第二电极连接，铂温度敏感元件的输入端和输出端分别连接两个第二电极形成四线制测量法；本发明将成熟的MEMS加工工艺与铂材料电阻温度特性进行相结合，具有敏感元件尺寸小、线性度好、测量精度高等特点。

Description

一种微尺度火工品发火温度测量装置
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)传感器技术领域，具体涉及一种微尺度火工品发火温度测量装置。
背景技术
20世纪90年代以来，为适应信息化武器和各类微型武器发展的需要，国内外学者开始对MEMS火工品进行研究，因此对于火工品输出能力的表征就必不可少，火工品微尺度发火温度测试是微小型火工品输出能力测试的一种，是指在火工品发火的快速动态作用过程中，对微小型火工品或微结构换能元进行温度实时测量并得到温度数值，微尺度下发火温度的测量已成为一项亟待解决的问题。
现有用于火工品温度测量的方法一般为：比色法、双谱线法、多光谱测温法、光纤测温法等，这些方法虽然具有响应速度快，对被测对象无影响等的优点，但是不能直接与火工品直接接触，并且只能用于较大尺度的火工品测量，无法满足微小型火工品测量的需求。目前已公开的文献中，对于微尺度火工品发火温度测量的研究较少，中国专利CN107202651A(名称为一种微尺度火工品燃烧温度场测量装置及其测温方法)，其基于三基色原理对微尺度火工品燃烧温度场进行测量，根据三基色值与物理温度之间关系确定物体的温度，但是该方法集成化程度低，无法对药剂燃烧之前的起爆温度进行测量。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种微尺度火工品发火温度测量装置，将成熟的MEMS加工工艺与铂材料电阻温度特性进行相结合，具有敏感元件尺寸小、线性度好、测量精度高等特点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种微尺度火工品发火温度测量装置，包括单晶硅基底1，单晶硅基底1上生长一层二氧化硅绝缘层2，二氧化硅绝缘层2上通过MEMS工艺溅射铂微结构换能元3-1及与铂微结构换能元3-1连接的第一电极3-2，第一电极3-2作为铂微结构换能元3-1的电压输入端；同时在铂微结构换能元3-1中间利用MEMS工艺溅射铂温度敏感元件4-1，铂温度敏感元件4-1和第二电极4-2连接，铂温度敏感元件4-1的输入端和输出端分别连接两个第二电极4-2形成四线制测量法。
所述的铂微结构换能元3-1为圆环形结构，相邻圆环间距为100μm，最大圆环直径为1.5mm，最小圆环直径为400μm，线宽为100μm，厚度为215nm。
所述的铂温度敏感元件4-1为圆弧形，外圈直径为200μm，内圈直径为180μm，厚度为215nm，第二电极4-2和第一电极3-2具有相同的形状和尺寸。
所述的二氧化硅绝缘层2通过化学气相沉积生长而成，厚度为285nm。
所述的温度敏感元件4-1的电阻值采用四线制法测量，其中两端作为电源输入端，另外两端作为信号输出端，电源使用恒流源供电，两个信号输出端接示波器进行信号采集。
所述的铂微结构换能元3-1的两端作为电源的输入端，提供直流电压，为药剂的起爆提供能量。
本发明的有益效果为：
本发明通过MEMS技术实现了铂温度敏感元件4-1和铂微结构换能元3-1的微型化和集成化，可以解决微尺度装药温度测量困难这一问题。铂微结构换能元3-1呈圆形，可以使热量在加热区域均匀分布。铂温度敏感元件4-1相对位置固定，具有一致性，从而提高测量的准确性。铂温度敏感元件4-1的电阻值采用四线制法测量，一方面可以消除引线电阻的影响，另一方面可以消除连接导线的接触电阻及其阻值变化的影响。此外，本装置制备简单，可批量生产，敏感元件尺寸小，适合用于微尺度装药温度的测量。
附图说明
图1为本发明微尺度火工品发火温度测量装置的爆炸图。
图2为本发明微尺度火工品发火温度测量装置的俯视图。
图3为本发明铂温度敏感元件4-1的示意图。
图4为本发明微尺度火工品发火温度测量装置的制造方法流程图，其中图(a)是在单晶硅基底1生长二氧化硅绝缘层2的示意图；图(b)是在二氧化硅绝缘层2上旋涂HDMS、EPG535光刻胶的示意图；图(c)是沉积铂并形成铂微结构换能元3-1及第一电极3-2、铂温度敏感元件4-1和第二电极4-2的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明将进一步描述。
参见图1、图2和图3，一种微尺度火工品发火温度传感器，包括单晶硅基底1，单晶硅基底1上生长一层二氧化硅绝缘层2，二氧化硅绝缘层2上通过MEMS工艺溅射铂微结构换能元3-1及与铂微结构换能元3-1连接的第一电极3-2，第一电极3-2作为铂微结构换能元3-1的电压输入端；同时在铂微结构换能元3-1中间利用MEMS工艺溅射铂温度敏感元件4-1，铂温度敏感元件4-1和第二电极4-2连接；铂温度敏感元件4-1的输入端和输出端分别连接两个第二电极4-2形成四线制测量法，四线制测量法保证铂温度敏感元件4-1电阻值测量的准确性，从而保证发火温度测量的准确性；此外，通过MEMS技术实现铂温度敏感元件4-1和铂微结构换能元3-1的集成化和微型化，满足微尺度装药发火温度测试需求。
所述的铂微结构换能元3-1为圆环形结构，相邻圆环间距为100μm，最大圆环直径为1.5mm，最小圆环直径为400μm，线宽为100μm，厚度为215nm，可以很好使能量在加热区均匀分布。
所述的铂温度敏感元件4-1为圆弧形，外圈直径为200μm，内圈直径为180μm，厚度为215nm，第二电极4-2和第一电极3-2具有相同的形状和尺寸。
所述的二氧化硅绝缘层2通过化学气相沉积生长而成，厚度为285nm。
所述的温度敏感元件4-1的电阻值采用四线制法测量，其中两端作为电源输入端，另外两端作为信号输出端，电源使用恒流源供电，来消除焊点及导线间的电阻，提高测量的准确性，两个信号输出端接示波器进行信号采集。
所述的铂微结构换能元3-1的两端作为电源的输入端，提供直流电压，为药剂的起爆提供能量。
所述的一种微尺度火工品发火温度测量装置的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：参考图4(a)，在单晶硅基底1上用化学气相沉积法生长一层二氧化硅绝缘层2；
步骤2：参考图4(b)，在二氧化硅绝缘层2上旋涂一层HDMS，提高光刻胶与二氧化硅绝缘层2的粘附性，旋涂转速为3000rpm，旋涂后在热板上120℃烘5min；接着在HDMS上旋涂一层EPG535光刻胶，然后光刻显影图形化；
参照图4(c)，图形化之后，利用磁控溅射的方法沉积215nm铂，通过剥离工艺形成铂微结构换能元3-1及与铂微结构换能元3-1连接的第一电极3-2、铂温度敏感元件4-1和与铂温度敏感元件4-1连接的第二电极4-2，得到微尺度火工品发火温度测量装置。
本发明的工作原理为：
在第一电极3-2两端施加电压，短时间内会在铂微结构换能元3-1中产生焦耳热，从而达到药剂起爆温度。同时，位于铂微结构换能元3-1中央的铂温度敏感元件4-1由于温度的变化导致电阻率发生变化，铂温度敏感元件4-1的电阻率与温度关系可以用布洛赫-格林爱森公式表示为：
Figure BDA0002265233720000061
式中A为铂特性常数；M为铂的原子量；θD为铂的德拜温度；T为被测器件的温度；x为材料的温度积分变量；ρ(T)为金属铂在温度T时的电阻率。
在德拜温度附近金属的电阻率与温度近似成正比，可以用下式表示：
Figure BDA0002265233720000062
由上式可知电阻率随温度的变化近似呈线性关系，而电阻率又与电阻成正比，薄膜电阻与电阻率的关系可用下式表示:
Figure BDA0002265233720000063
式中l为薄膜电阻长度，w为薄膜电阻宽，t为薄膜电阻厚度。
对于块状材料电阻率，根据马梯生定则，则由以下几部分组成：
ρ＝ρL+ρi+ρd
式中ρL是品格振动(声子)对电阻率的贡献；ρi为材料中杂质散射对电阻率的贡献；ρd是材料中的缺陷对电阻率的贡献，ρi、ρd与温度无关，ρL受温度影响。
联立上式可以得到温度与电阻的关系为：
Figure BDA0002265233720000064
上式中R0为温度为0℃时的电阻值。
由上式可知铂温度敏感元件4-h的电阻值与温度近似成线性关系，因此，可以通过测量铂温度敏感元件4-h的电阻值获得微尺度发火温度。
为了能够精确测量电阻值，采用四线制测量方法，铂温度敏感元件4-h的输入端通入h～h0mA电流，在其输出端测量电压值，根据欧姆定律，则可以得到相应的电阻值，进而得到对应的温度值。电流的选择需要考虑到铂温度敏感元件4-h的自热效应，尽可能减小自热效应对铂温度敏感元件4-h测量准确度的影响。

Claims (5)

1.一种微尺度火工品发火温度测量装置，包括单晶硅基底(1)，其特征在于：单晶硅基底(1)上生长一层二氧化硅绝缘层(2)，二氧化硅绝缘层(2)上通过MEMS工艺溅射铂微结构换能元(3-1)及与铂微结构换能元(3-1)连接的第一电极(3-2)，第一电极(3-2)作为铂微结构换能元(3-1)的电压输入端；同时在铂微结构换能元(3-1)中间利用MEMS工艺溅射铂温度敏感元件(4-1)，铂温度敏感元件(4-1)和第二电极(4-2)连接，铂温度敏感元件(4-1)的输入端和输出端分别连接两个第二电极(4-2)形成四线制测量法；
所述的铂微结构换能元(3-1)为圆环形结构，相邻圆环间距为100μm，最大圆环直径为1.5mm，最小圆环直径为400μm，线宽为100μm，厚度为215nm；
所述的铂温度敏感元件(4-1)为圆弧形，外圈直径为200μm，内圈直径为180μm，厚度为215nm，第二电极(4-2)和第一电极(3-2)具有相同的形状和尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种微尺度火工品发火温度测量装置，其特征在于：所述的二氧化硅绝缘层(2)通过化学气相沉积生长而成，厚度为285nm。
3.根据权利要求1所述的一种微尺度火工品发火温度测量装置，其特征在于：所述的温度敏感元件(4-1)的电阻值采用四线制法测量，其中两端作为电源输入端，另外两端作为信号输出端，电源使用恒流源供电，两个信号输出端接示波器进行信号采集。
4.根据权利要求1所述的一种微尺度火工品发火温度测量装置，其特征在于：所述的铂微结构换能元(3-1)的两端作为电源的输入端，提供直流电压，为药剂的起爆提供能量。
5.根据权利要求1所述的一种微尺度火工品发火温度测量装置的制造方法，包括以下步骤：
步骤1：在单晶硅基底(1)上用化学气相沉积法生长一层二氧化硅绝缘层(2)；
步骤2：在二氧化硅绝缘层(2)上旋涂一层HDMS，提高光刻胶与二氧化硅绝缘层(2)的粘附性，旋涂转速为3000rpm，旋涂后在热板上120℃烘5min；接着在HDMS上旋涂一层EPG535光刻胶，然后光刻显影图形化；
图形化之后，利用磁控溅射的方法沉积215nm铂，通过剥离工艺形成铂微结构换能元(3-1)及与铂微结构换能元(3-1)连接的第一电极(3-2)、铂温度敏感元件(4-1)和与铂温度敏感元件(4-1)连接的第二电极(4-2)，得到微尺度火工品发火温度测量装置。
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