采用MEMS技术制造的小桥式NTC热敏电阻阵列，用于高灵敏度的热流测量

《Sensors and Actuators A: Physical》：MEMS-Fabricated Wheatstone-Bridged NTC Thermistor Array for High-Sensitivity Heat Flux Sensing

微型热流传感器采用Mn-Co-Fe-Zn-O NTC薄膜与SiO?热障层构建Wheatstone桥电路，通过有限元仿真优化结构，MEMS工艺实现2×2mm2紧凑布局，实验验证校准公式1/Q=0.00605×1/Vout-0.00235，有效提升热辐射测量灵敏度。

　　

杨波|王硕|王新苗|龙阳|窦英英|宋旭贤|孔文文

中国科学研究院新疆物理化学技术研究所，功能材料与器件国家重点实验室（特殊环境条件），新疆乌鲁木齐，830011

摘要

高灵敏度的微型热流传感器（HFS）对于精确的热辐射测量至关重要，但传统设计在灵敏度、尺寸和制造复杂性之间难以取得平衡。本研究提出了一种新型的微型热流传感器，用于热辐射测量，该传感器采用负温度系数（NTC）Mn-Co-Fe-Zn-O薄膜热敏电阻阵列（B_25/50=3838 K），并构建成惠斯通电桥配置。通过有限元仿真对传感器设计进行了优化，并利用MEMS技术进行了制造，实现了2×2 mm²的紧凑尺寸。集成四个NTC热敏电阻，其中两个涂有SiO₂隔热层，另外两个暴露在外，在热辐射作用下电阻差约为4%。性能测试表明，传感器对热流有直接的电压输出响应，其反比关系1/Q = 0.00605 × 1/V_out - 0.00235 m² /W经过严格校准，并与实验数据相符。这项工作为高灵敏度HFS的开发建立了一个可扩展的框架，结合了仿真引导的设计和基于MEMS的制造技术。

引言

热流传感器（HFS）在机械、能源、冶金、建筑、设备和航空航天等行业中具有广泛的应用，对于测量热传递至关重要[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。其中，基于薄膜热电堆的HFS因其紧凑的尺寸、高灵敏度和成本效益而受到关注，从而引发了大量的研究兴趣[6]、[7]、[8]。然而，存在一个根本的权衡：虽然微型化要求减小传感器尺寸[9]、[10]、[11]，但热电堆需要大量的热电偶对才能获得足够的输出信号。这种冲突使得制造过程复杂化，并影响了可靠性，最终限制了进一步的微型化[12]、[13]。此外，某些导电聚合物和复合材料被用于可穿戴设备中的热传感和监测，具有出色的柔韧性和兼容性[14]、[15]、[16]。然而，由于制造方法的原因，进一步微型化仍然具有挑战性，且它们的响应速度相对较慢。这些限制限制了它们在热流传感中的更广泛应用。

相比之下，电阻式薄膜温度传感器，特别是使用铂RTD或负温度系数（NTC）热敏电阻的传感器，通过结合高灵敏度、结构简单和制造可扩展性，提供了一个有前景的替代方案[17]、[18]。如我们之前的研究[19]、[20]所展示的，Mn-Co-Fe-Zn-O NTC热敏电阻具有出色的灵敏度和与MEMS工艺的良好兼容性，特别适合微尺度热传感应用。基于我们对这些材料特性和热电特性的基础研究，我们在此报告了一种创新的基于NTC热敏电阻的热流传感器设计[21]。尽管这一进展在通过微型化克服传统热电堆传感器的局限性、提高灵敏度和简化制造方面取得了显著进步，但在测量精度方面仍有进一步改进的空间。

本研究提出了一种基于MEMS的热流传感器，使用Mn-Co-Fe-Zn-O NTC薄膜，展示了从理论设计到实际实现的完整开发过程。通过理论建模和有限元分析，我们优化了传感器的结构并验证了其热响应。MEMS制造技术使得Mn-Co-Fe-Zn-O热敏电阻与SiO₂隔热层在惠斯通电桥配置中的集成成为可能。此外，我们开发了一种精确的校准方法，将设备性能与实际热监测需求联系起来，推动了微型HFS技术和高灵敏度热传感器设计的发展。

工作原理和结构设计

这种新型HFS结合了傅里叶热传递理论和惠斯通电桥原理，采用四个NTC薄膜热敏电阻的对称配置。如图1(a)所示，两个热敏电阻作为暴露的传感单元，另外两个覆盖有隔热层[22]，从而产生差分热响应。这种排列通过金属电极连接形成完整的惠斯通电桥电路。图1(b)详细展示了多层结构

热流传感器的制造

热流传感器采用功能集成的薄膜架构，由三个关键组件组成：Mn-Co-Fe-Zn-O NTC热敏电阻传感层、嵌入式金电极导电层和SiO₂隔热调节层。制造过程首先对SiO₂/Si (100)基板进行彻底清洁，使用丙酮和乙醇进行顺序超声处理。然后通过直流磁控溅射依次沉积Mn-Co-Fe-Zn-O热敏电阻薄膜和金电极

温度测量性能

热流传感器使用定制的测试系统进行评估（图4），该系统包括三个关键组件：半导体制冷台、可控功率红外灯阵列和数据采集系统（FLUKE8845A）。半导体制冷台在测试过程中为传感器提供散热，以避免传感器发热。可控功率红外灯阵列和数据采集系统提供稳定的热流输出并收集测试数据

结论

本研究提出了一种基于Mn-Co-Fe-Zn-O NTC热敏电阻薄膜的热流传感器（HFS），该传感器集成在惠斯通电桥配置中。通过理论建模和多物理场仿真优化了传感器设计，验证了其热电响应，并确定了关键尺寸参数。利用MEMS制造技术，我们成功实现了传感器结构，其中包含了Mn-Co-Fe-Zn-O温度传感层和SiO₂

未引用的参考文献

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CRediT作者贡献声明

杨波：概念构思、数据整理、研究、方法论、验证、可视化、撰写——初稿。孔文文：资金获取、项目管理、资源协调、监督、撰写——审阅与编辑。宋旭贤：研究、软件开发、验证、可视化。窦英英：资金获取、资源协调、验证、撰写——审阅与编辑。龙阳：数据整理、研究、验证。王新苗：研究、方法论、验证。王硕：

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（2024YFB3213500）、中国科学院重点计划（KGFZD-145-25-42）、新疆天山人才计划（2023TSYCCX0035）、新疆重点实验室基金、新疆维吾尔自治区自然科学基金（2024D01A138）、新疆维吾尔自治区天池人才引进计划和中国科学院****的支持。

杨波是中国科学院新疆物理化学技术研究所的研究生，主要从事热敏薄膜的设计、制备和性能优化研究。