[发明专利]一种抗高温氧化薄膜传感器及其生产方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜传感器设计及生产技术领域，特别是一种以待测的涡轮发动机叶片、燃烧室内壁等合金材料作为基板，直接在待测的涡轮发动机叶片、燃烧室内壁等表面设置抗高温氧化薄膜传感器的方法，此类传感器可广泛用于涡轮发动机叶片、燃烧室内壁等结构件表面的温度、应变等状态参数的测量，为涡轮发动机的研究和设计提供更为准确的基础数据。

背景技术

现代航空发动机工作时，由于涡轮叶片及燃烧室处于燃气燃烧而产生的高温、高压等恶劣环境中，涡轮叶片及燃烧室表面温度急剧升高、同时产生较大的热应变，而涡轮叶片及燃烧室表面的温度分布及其热应变对涡轮发动机的性能与寿命的影响极大，并且涡轮叶片表面往往存在局部热点并对涡轮叶片等产生严重危害。因此，在现代航空发动机设计和试验研究中，准确测量工作状态下涡轮叶片和燃烧室表面的温度分布及热应变等性能参数对发动机的设计至关重要。

目前采用的金属基薄膜传感器制备技术，是在合金基板上、在600℃左右的温度及氩气环境下，采用磁控溅射方法沉积NiCrAlY（镍铬铝钇）合金过渡层；制备的NiCrAlY过渡层在真空及1000℃温度进行热处理，以在表面析出金属铝，析出的铝在常压下经过加热氧化生成Al₂O₃（氧化铝）层；再在该Al₂O₃层上，采用电子束蒸发法在600～900℃温度范围及10^-3～10^-2Pa真空下蒸镀厚约20μm左右厚的Al₂O₃陶瓷绝缘层；然后在Al₂O₃陶瓷绝缘层上制备薄膜传感器功能层；最后在600℃左右的温度下，采用电子束蒸发法在所得薄膜传感器功能层及绝缘层上蒸镀Al₂O₃保护层。但此类薄膜传感器在工作中存在如下缺陷：在高温环境中，Al₂O₃陶瓷绝缘层及Al₂O₃保护层中Al₂O₃会分解产生氧原子，使薄膜传感器功能层处于氧化环境中；而在常见的薄膜传感器功能层材料对氧化都十分敏感，如常见薄膜热电偶功能层材料中，以ITO（铟锡氧化物）热电偶薄膜为例，ITO薄膜是一种n型半导体，载流子主要来源于施主Sn⁴⁺置换氧化铟中In³⁺释放出的一个电子和处于还原态的氧化铟的氧空位释放出的二个电子，而当ITO薄膜被氧化时，存在于ITO薄膜中的氧空位也会被氧原子填补，使ITO薄膜的电阻率急剧升高，载流子浓度下降，导电性能变差，严重影响薄膜热电偶的塞贝克系数等重要参数；常见薄膜应变计功能层材料中，以金属薄膜中的NiCr材料为例，其导电机理是由于价电子不被原子束缚并在金属中自由移动，当部分金属原子与氧结合成氧化物时，导电率会变差，并会在一定程度上影响薄膜应变计的TCR（电阻温度系数）和GF因子（应变因子）。