熱流（Heat Flux）反映了熱量傳遞過程，是熱過程控制與管理、航空航天熱防護以及節能減排應用中的重要物理參數。對熱流密度的精準測量有助于提升供熱效率或增強熱防護能力。作為熱流密度測量的核心器件，熱流傳感器的性能直接影響熱流密度數據的獲取。然而，受熱阻厚度和熱電堆結數的限制，熱流傳感器往往難以同時兼具高靈敏度和快速響應時間。
據麥姆斯咨詢介紹，西安交通大學研究團隊針對基于熱電堆的熱流傳感器靈敏度與響應時間難以同時兼顧的矛盾，基于六邊形密排原理設計了熱電堆陣列，以在有限區域內增加結數，同時在熱結和冷結處設置不同功能的薄膜以增大溫差，成功研制出在高溫環境下兼具高靈敏度與快速響應特性的熱流傳感器。相關研究成果已經以“A heat flux sensor with both fast response and high sensitivity”為題，發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
論文摘要附圖
熱流傳感器設計
研究人員基于六邊形密排原理在有限區域內設計了更多的結數。在熱端沉積高吸熱率、低熱阻的SiC薄膜，冷端沉積高熱阻薄膜，顯著增大了冷熱端溫差。同時，在有限區域內增加了串聯熱電偶數量，熱電堆分別采用ITO和In?O?作為熱電極材料，二者具備優異的高溫穩定性和較大的塞貝克系數，可有效提升傳感器輸出信號。在實現高輸出的前提下，進一步減小熱阻薄膜厚度，從而提升傳感器響應速度。研究人員采用MEMS工藝制備微米級厚度的薄膜，以提升傳感器的響應時間。
圖1 高靈敏度、快速響應的熱流傳感器設計
所開發的熱流傳感器在熱端沉積了高發射率SiC薄膜以提高薄膜的吸熱率，并在冷端覆蓋高隔熱性SiO?以降低冷端溫度，最終形成如圖1e所示的設計結構。如圖1f所示，在相同傳熱條件下計算了不同發射率薄膜的溫度，傳熱穩定時，發射率為0.9的薄膜溫度比發射率0.7的薄膜高1.57 K，比發射率0.1的薄膜高11.52 K，表明通過調節發射率可實現薄膜表面溫度的改變。
圖2 熱流傳感器仿真結果
熱流傳感器制備
該熱流傳感器的制備過程如圖3所示，具體步驟如下：（1）首先，將基底置于丙酮和乙醇溶液中進行超聲清洗，每種溶液清洗10分鐘，水浴溫度約為50℃；（2）通過磁控濺射和掩膜工藝生長并圖案化ITO薄膜，隨后以相同方式制備In?O?；（3）采用掩膜和濺射工藝制備SiC薄膜；（4）通過等離子體增強化學氣相沉積法制備耐熱層SiO?；（5）將制備好的熱流傳感器放入馬弗爐中進行退火處理；（6）采用耐高溫導線和銀漿對傳感器進行引線連接。
圖3 熱流傳感器制備工藝
圖4 熱流傳感器微觀表征
分析與討論
該研究為實現高溫環境下高靈敏度、快速響應的熱流傳感器，設計了六邊形排布的熱電堆以提升密度，在1?cm?×?1?cm的面積內設置了112對熱電偶。所研制的熱流傳感器冷熱端之間的溫差主要由設置在熱端的SiC吸熱層提供。與僅依靠熱阻層產生溫差的傳統設計相比，該傳感器的輸出性能更為顯著。同時，得益于輸出性能的提升，熱阻膜可制備得更薄，從而顯著提高傳感器的響應速度。校準結果表明，隨著熱流密度的增大，傳感器的輸出靈敏度得到提升，有利于高溫熱流密度的測量。在低熱流密度范圍，該傳感器的輸出性能也優于無吸熱層的傳感器。采用熱吸收率和熱導率更高的薄膜，可進一步提升低熱流密度范圍的輸出性能。
圖5 熱流傳感器性能分析
多組傳感器測試結果表明，在0-207?kW/m2范圍內，傳感器輸出與熱流密度的二次擬合決定系數R2大于0.999；在114-201?kW/m2線性工作區間內，傳感器的最大熱流密度靈敏度可達91.13 μV/(W/m2)。在不同激光功率和作用時長下，傳感器的響應時間均快于2.85 ms。
該熱流傳感器對呼吸氣流、火焰、熱空氣等熱流信號具有良好的響應特性，有望應用于高溫、快速變化的傳熱過程測量。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-026-01361-7
《MEMS熱式氣體質量流量傳感器產品對比分析-2023版》
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