Self-innovated ALTP heat-flux sensor and its performance tests
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摘要: 针对高超声速风洞试验中对高频热流脉动的测试需求，研制了一种基于横向热电效应的原子层热电堆（Atomic Layer Thermopile，ALTP）热流传感器。利用弧光灯热流传感器标定系统对其进行静态标定，获得ALTP热流传感器的灵敏度系数约为8.24 μV/（kW·m-2），优于国外同尺寸敏感元件的ALTP热流传感器6.90 μV/（kW·m-2）的灵敏度系数；利用激波风洞试验，并通过与薄膜热电阻热流传感器对比，初步获得ALTP热流传感器的响应时间上限，响应时间小于0.20 μs。Abstract: The transverse Seebeck effect is used to develop the ALTP heat-flux sensor for the high-frequency-pulse heat flux density measurement in hypervelocity wind tunnel tests. The self-innovated ALTP heat-flux sensor is statically calibrated with the xeon short arc lamp calibration system. And the sensitive coefficient is about 8.24 μV/(kW·m-2), which is larger than the sensitive coefficient 6.90 μV/(kW·m-2) of the ALTP heat-flux sensor developed abroad. Then an experiment was conducted in a shock wind tunnel to get the sensor's response time in comparison with thin-film-resistance heat-flux sensors, and the response time of the ALTP heat-flux sensor is less than 0.20 μs.
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0 引言
边界层转捩是经典力学遗留的少数基础科学问题之一，与湍流问题一起被称为“世纪难题”[1]。对于高超声速飞行，当高超声速边界层由层流变为湍流后，壁面热量和摩擦力都会急剧增加。因此，高超声速边界层转捩的理论和试验研究(飞行试验和风洞试验)是认识转捩机理、从而进一步实现转捩控制的重要手段。当前高超声速边界层转捩理论研究中，来流扰动的演化和发展被认为是边界层转捩机理的核心[2]。相应地，在风洞试验研究中也越来越关注高频脉动量的测试与分析。目前，风洞试验中常见的测试内容包括：高频压力脉动[3-8]、高频速度脉动[9-11]、高频密度脉动[12-15]以及高频热流脉动[16-19]等。其中，高频脉动测试多采用PCB 132高频脉动压力传感器实现，但其有效测试频率往往低于传感器敏感元件大于1 MHz的固有频率的要求；热线风速仪主要用于速度脉动测试，更细的热线是提升其测试频率的有效手段，而带来的问题就是在使用过程中热线更容易损坏；聚焦激光差分干涉仪是一种非接触式的光学测试仪器，能捕捉到1 MHz以上的高频密度脉动，但是对测试光路有较高的要求；ALTP热流传感器能捕捉到1 MHz以上的高频热流脉动，但是其敏感薄膜耐不住强气流多次冲刷[2]，在没有保护膜的情况下长时间使用容易失效。
天津大学韩健[20]尝试利用薄膜热电阻热流传感器进行高频脉动热流测试。但是，在将基于半无限大体假设的薄膜热电阻热流传感器测试到的温度信号转换成热流时，其算法会放大噪声干扰[21]。而ALTP热流传感器的输出与输入的被测热流成线性正比关系，不存在算法变换的问题。事实上，ALTP热流传感器的敏感元件钇-钡-铜-氧化物(YBa2Cu3O7-δ，简记YBCO)最早是作为高温超导体材料被发现的。在其光感生电压机理的物理解释中，可以明显看出其与基于温差的热阻式热流传感器的测热原理是一致的[22-23]。由于YBCO薄膜在百纳米量级，相应的响应频率就能够达到1 MHz以上，因此发展出这一类可用于高频热流脉动测试的ALTP热流传感器[23-24]。
本文所述ALTP热流传感器参照国外ALTP热流传感器的测热原理，设计了敏感芯片参数、传感器封装结构，依托国内YBCO薄膜取向生长和薄膜基底加工技术开展了ALTP热流传感器研制，并利用可溯源至室温电替代辐射计的弧光灯热流传感器标定系统对研制的ALTP热流传感器进行静态标定, 获得了其灵敏度系数。在不明确光电效应与热电效应之间响应时间是否有差异的情况下, 利用激波风洞试验确定了所研制的ALTP热流传感器的响应时间上限。
1 ALTP热流传感器
1.1 热流测试原理
文献[18, 22-25]对ALTP热流传感器的测热原理作了说明。为了内容上的完整性，在此对ALTP热流传感器的测热原理进行简要阐述。YBCO晶体是一类各向异性材料，即描述YBCO薄膜热电效应的Seebeck系数是一个二阶张量。当YBCO薄膜中存在温度梯度时，产生的电场E可表示为：
(1) 其中，S是Seebeck张量，
(2) 其中，sc和sab分别是YBCO薄膜在c轴和垂直于c轴的ab平面内的Seebeck系数分量。YBCO薄膜沿z轴(厚度方向)的温度梯度为
(3) z轴方向温度差ΔT在x轴方向产生的电压为：
(4) 式(4)即横向Seebeck效应，即电压方向与温度梯度方向垂直。
不同于另一种热阻式薄膜热电堆热流传感器[26-27]，YBCO薄膜既是热阻层，又是温差信号输出元件，因此不需要引入其他温度测试元件, 使得热阻层厚度能够保持在百纳米级别，保证了传感器的响应频率能够大于1 MHz。基于一维传热假设，ALTP热流传感器的响应时间tres和灵敏度系数
(5) 
(6) 其中，λ为YBCO薄膜的热扩散系数，
1.2 传感器设计及封装
为了获得较好的传感器性能，在综合考虑传感器尺寸、敏感薄膜成膜工艺、基片加工难度等问题的基础上，选择YBCO薄膜厚度约为200 nm，αc=12°，长×宽为3 mm×0.4 mm。查询可知，sab-sc≈10 μV/℃，kz=1.5 J/(m·s·℃)，λ=6.1×107 m2/s。由此，代入式(5)和(6)可得ALTP热流传感器的特征响应时间和灵敏度系数：
(7) 
(8) 显然，0.131 μs的特征响应时间对应的响应频率大于1 MHz。值得说明的是，YBCO薄膜的沉积多是利用脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition, PLD)技术实现的，薄膜厚度依赖于沉积时间。YBCO薄膜的取向生长主要是通过调控薄膜沉积基底(通常是SrTiO3晶体)的晶格取向来实现。
为了利于将YBCO薄膜在梯度温度场下产生的电压引出，需要在偏脆性的SrTiO3基片上开引线孔，且引线孔周围需确保基片接近无损伤状态。在此基础上，传感器封装是保证传感器使用便捷、可靠的重要技术手段。图 2显示了传感器封装效果，具体实施过程见专利[28]。传感器的实际封装状态如图 3所示，其中2支传感器前表面喷涂了Pyromark®1200涂层，在利用辐射光进行热流传感器静态标定时可获得一个稳定的光辐射吸收率。
2 传感器性能测试
利用可溯源至室温电替代辐射计的弧光灯热流传感器标定系统对ALTP热流传感器进行静态对比标定，获得传感器的灵敏度系数。文献[24-25]利用脉冲激光标定的方式获得ALTP热流传感器的响应频率，其隐含的假设有：光电效应与热电效应是等效的；光电效应和热电效应的响应时间是一致的。在不明确光电效应与热电效应响应时间是否一致的前提下，本文利用激波风洞对ALTP热流传感器进行动态测试，并将其与薄膜热电阻热流传感器对比，获得其响应时间上限。
2.1 灵敏度系数
文献[26-27, 29]对弧光灯热流传感器标定系统作了较为详细的介绍，在此不再赘述。每支传感器均在5个不同热流条件下进行静态标定实验，其中ALTP-1热流传感器在64.45 kW/m2标定热流下的实验数据如图 4所示。通过静态标定获得ALTP-1和ALTP-2热流传感器的灵敏度系数如图 5所示。从静态标定结果可知，本文ALTP传感器输出线性度较好，ALTP-1热流传感器的灵敏度系数为8.24 μV/(kW·m-2)，ALTP-2热流传感器的灵敏度系数为8.33 μV/(kW·m-2)，均优于文献所述ALTP热流传感器(同尺寸敏感元件)6.90 μV/(kW·m-2)的灵敏度系数。值得注意的是，同尺寸指的是传感器最终的封装尺寸以及式(4)中的薄膜有效长度。
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图 5 2支ALTP热流传感器的静态标定结果Fig. 5 The static calibration results of two ALTP heat-flux sensors2.2 动态响应时间
如前所述，利用光辐射对传感器进行静态标定时，传感器表面喷涂一层涂层可获得稳定的光吸收率，但会大大降低传感器的响应时间。在不确定光电效应和热电效应的响应时间是否一致的前提下，激波风洞试验是确定ALTP热流传感器响应时间的一个较好途径。利用Φ0.6 m激波风洞在一压缩拐角模型上，齐平模型表面安装3支ALTP热流传感器，在齐平ALTP热流传感器的安装位置处布置薄膜热电阻热流传感器，风洞试验现场如图 6所示。预设流场参数为：来流马赫数数Ma∞=10，驱动段压力p4=28 MPa，被驱动段压力p1=0.03 MPa，激波马赫数Mas=6.200，单位雷诺数Re∞/L=6.9×105/m，气流速度U=3200 m/s，气流总温T0=4270 K，气流总压p0=10 MPa，利用实测数据计算得到Mas=6.134，即实际流场与预设流场状态相差不大。数据采样频率为5 MHz，无滤波处理，试验原始数据如图 7所示。从图 7中可知，ALTP-1热流传感器较好地捕捉到了温度跃变，响应时间在0.20 μs以内，与理论估算的响应时间0.13 μs相当。2种不同类型热流传感器的热流测试结果如图 8所示，从图中可以看出ALTP-1热流传感器测得的热流与薄膜热电阻测得的热流是一致的。
3 结论
基于ALTP热流传感器测热原理，设计了敏感元件参数和传感器封装结构，并依托国内薄膜沉积和基片加工技术研制了ALTP热流传感器，并利用弧光灯热流传感器标定系统对传感器进行静态对比标定获得了传感器的灵敏度系数，同时利用激波风洞试验及与薄膜热电阻进行对比初步确定了所研制的ALTP热流传感器的响应时间。结论如下：
(1) 所研制的ALTP热流传感器输出线性度优于±3.05%，线性度良好；
(2) ALTP热流传感器灵敏度系数约为8.24 μV/(kW·m-2)，优于国外同尺寸同类型传感器6.90 μV/(kW·m-2)的灵敏度系数；
(3) ALTP热流传感器测热响应时间小于0.20 μs，可用于高频脉动热流测试。
致谢: 本文工作得到国家重点研发计划(2019YFA0405300)、国家自然科学基金(11802321)和中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所自主发展基金资助。同时感谢支东、马平、李强、胡守超和吴里银等在实验过程中给予的大量帮助。 -
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图 5 2支ALTP热流传感器的静态标定结果
Fig. 5 The static calibration results of two ALTP heat-flux sensors
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