《Sensors and Actuators A: Physical》：Strongly thermal-shock resistant Atomic-Layer Thermopile heat flux sensor for Extreme environments
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原子层热电堆传感器通过异质外延生长La1-xCa xMnO3/CeO2薄膜在蓝宝石基底上实现，优化MOCVD工艺获得单轴CeO2缓冲层（830℃），表面粗糙度1.06nm，晶格取向偏差2.29°/2.98°，使薄膜45°平面内晶格旋转，传感器灵敏度0.95μV/(kW/m2)，非线性0.03%，耐受5.8MW/m2热冲击157ms（传统基底46ms/50ms），并验证20.2MW/m2下50ms脉冲生存能力。该蓝宝石支撑结构显著提升极端热流环境可靠性。
田谢|鲍万涛|赵瑞鹏|陈曦|赵杰|李振哲|赵明远|金子文|郑一辉
电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，中国成都 611731
摘要
利用横向热电效应的原子层热电堆（ALTP）传感器是快速监测热流量的典范，但在极端环境（>10 MW/m2）下，其可靠性受到基底热脆性的限制。本研究通过在R-plane蓝宝石（Al?O?(1-102)）上异质外延生长La??xCa?MnO?（LCMO）/CeO?来开发ALTP传感器。在830°C下优化的MOCVD工艺制备出具有单c轴取向（Δω=2.29°, Δφ=2.98°）和超光滑表面（RMS=1.06 nm）的CeO?缓冲层，从而实现了LCMO在45°平面内晶格旋转下的外延生长。所得传感器在0–5.8 MW/m2的热流量范围内具有0.95 μV/(kW/m2)的灵敏度和0.03%的非线性，并展现出卓越的抗热震性能——在5.8 MW/m2的热流量下可存活157 ms（比SrTiO?、LaAlO?基底长3倍），以及在20.2 MW/m2的热流量下可存活50 ms（通过Gardon仪表验证，误差为3.71%）。这种基于蓝宝石的架构增强了ALTP传感器在极端热流量条件下的可靠热流量监测能力。
引言
在爆炸分析、高能激光诊断和再入飞行器测试等极端环境中，热流量的量化对于优化热防护系统至关重要，这些环境中的瞬时热流量超过20 MW/m2，需要具有亚微秒响应时间和优异抗热震性能的传感器[1]、[2]、[3]。传统的传感器，如快速响应的同轴热电偶和薄膜传感器，虽然具备快速响应能力，但其热流量计算基于一些假设，最显著的是将热传递近似为半无限介质。这种半无限体模型本质上限制了它们的有效测量时间[4]。基于热电堆和惠斯通电桥的传感器属于梯度型配置，能够在恶劣的热流量条件下稳定工作。然而，为了建立必要的温度梯度，这些传感器依赖于不可或缺的热阻层，这大大限制了它们的响应速度[2]、[5]。
原子层热电堆（ALTP）传感器利用横向热电（TTE）效应，实现了高速热监测的突破。由Roediger等人首次提出的ALTP传感器具有MHz级别的时间分辨率[6]，比传统热流量传感器高出三个数量级[7]，能够分辨湍流边界层过渡和涡轮叶片的热传递[8]、[9]、[10]。其工作原理依赖于倾斜晶体薄膜中的各向异性塞贝克系数。当薄膜的上下表面之间存在温度梯度时，会在薄膜的两端产生电势差U：其中l表示两个电极之间的薄膜长度，d表示薄膜厚度（仅几百纳米），θ是薄膜的c轴与基底表面法线之间的倾斜角度，ΔT表示薄膜上下表面之间的温差，Sab和Sc分别表示ab平面方向和c轴方向上的塞贝克系数。薄膜的纳米级厚度使得温度平衡可以在微秒级别完成，从而实现超快响应。利用这一特性，ALTP传感器已应用于多种场景：Kai Yang等人在高超音速低密度风洞中使用了YBa?Cu?O?-δ（YBCO）/SrTiO? ALTP传感器[8]；Mingjing Chen等人开发了基于TTE的光电探测器，使用高质量的c轴倾斜PbBi?Te?薄膜制备在SrTiO?基底上，用于瞬态高能激光检测[11]；Xi Chen等人在SrTiO?基底上制备LaCaMnO?（LCMO）薄膜，用于极高温度下的快速响应热流量检测[12]；Zhiling Li等人开发了YBa?Cu?O?-δ /LaAlO? ALTP传感器，并将其用于热压爆炸实验[13]。然而，在高焓冲击隧道等极端场景中[14]、[15]，瞬时热流量可能达到20 MW/m2，传感器必须承受极端的热应力和热流量侵蚀。传统的基底（如SrTiO?（STO）和LaAlO?（LAO）存在固有局限性：高热膨胀系数（STO=10.1×10??/K[16]，LAO=11.4×10??/K[17]）、低热导率（LAO=4.6 W/m·K[18]，STO=6.3 W/m·K[19]）和低断裂韧性（STO=0.94 MPa·m1/2[20]，LAO=3.15 MPa·m1/2[21]），这可能导致热震下的开裂，影响信号完整性和基底耐久性。相比之下，蓝宝石（α-Al?O?）具有优异的热导率（39.4 W/m·K[22]）和断裂韧性（4.24 MPa·m1/2[23]），使其更适合作为极高温度环境下传感器的可靠材料[24]、[25]、[26]、[27]。然而，与TTE材料（如YBCO、LCMO）的晶格失配较大，需要使用应力释放缓冲层进行异质外延。
在本研究中，我们开发了一种基于蓝宝石的ALTP传感器，采用CeO?/LCMO异质结构，实现了突破性的抗热震性能（>20 MW/m2），同时保持了微秒级别的响应时间，使得在以前无法到达的极端环境中能够进行可靠的热流量监测。
实验部分
CeO?和LCMO薄膜是使用自主设计的MOCVD系统在单晶基底上依次生长的。使用的Al?O?（1-102）单晶基底尺寸为5×4×0.5 mm，名义切割角为12o。从武汉CVD科技有限公司购买的金属有机固体La(DPM)?、Ca(DPM)?、Mn(DPM)?和Ce(DPM)?（DPM：2,2,6,6-四甲基-3,5-庚二酮酸）溶解在四氢呋喃（THF）中，形成混合液体前驱体。
结果与讨论
为了优化后续LCMO外延的模板层，我们系统研究了在不同沉积温度下CeO?薄膜的生长条件。如图3(a)所示，在Al?O?（1-102）（1-102）12o切割角基底上沉积的CeO?薄膜的2θ图案显示出不同的晶体学演变。在750℃和800℃时，CeO?（002）和（111）衍射峰与Al?O?（1-102）基底峰共存。值得注意的是，将温度升高到830℃后，CeO?
结论
本研究展示了一种在蓝宝石基底上制备的超高抗热震性能的ALTP热流量传感器。引入的CeO?缓冲层缓解了LCMO热电薄膜与蓝宝石之间的晶格失配，而氧化铝陶瓷封装增强了机械强度。该传感器在5.8 MW/m2的热流量下可存活157 ms——比传统基底（SrTiO?：46 ms，LaAlO?：50 ms）有显著改进。该传感器能够承受最大的热流量
CRediT作者贡献声明
郑一辉：研究工作。金子文：方法论。鲍万涛：项目管理、概念设计。田谢：撰写——初稿、方法论、研究。赵瑞鹏：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念设计。赵杰：数据管理。陈曦：方法论、研究、数据管理。赵明远：研究。李振哲：方法论。
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报告的工作。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（编号2023YFB3208500）的支持。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
田谢出生于中国河南。他目前在中国电子科技大学攻读博士学位，研究方向是薄膜热流量传感器的高温测试与应用。
