孫道恒,崔在甫,周穎鋒,周排弟,易偉勁,林曉龍,王凌云
(廈門(mén)大學(xué)機(jī)電工程系, 福建 廈門(mén) 361005)
航空航天用航空發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)、石油化工設(shè)備、內(nèi)燃機(jī)等的高溫區(qū)域部件工作環(huán)境惡劣,在高溫、高壓環(huán)境下承受著熱應(yīng)力、接觸應(yīng)力、氧化腐蝕等,特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)域的渦輪葉片,由于蠕變和發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壁的碰撞甚至斷裂,有可能引發(fā)嚴(yán)重的航空事故[1]。目前主流的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前溫度超過(guò)1 700 ℃,轉(zhuǎn)速大于20 000 r/min[2-3]。發(fā)電用的燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獬鯗匾策_(dá)到了1 600 ℃[4-5]。石油化工設(shè)備也承受著較高的溫度和壓力以及滲碳等腐蝕[6]。
為了評(píng)估航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件材料或者研制新型高溫部件以及驗(yàn)證計(jì)算模型[7],需要測(cè)量其內(nèi)部部件的一些參數(shù),如應(yīng)變、表面溫度、表面熱流量等。此外,面向發(fā)動(dòng)機(jī)的健康管理及智能化要求,在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程中,需要對(duì)其內(nèi)部部件或結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè),某些部件或者結(jié)構(gòu)一旦達(dá)到維修或者報(bào)廢的條件,就需及時(shí)維修或者更換以降低航空事故的發(fā)生概率。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)和石油化工設(shè)備的高溫區(qū)域,也需要研制新的部件,同時(shí)需要監(jiān)測(cè)高溫區(qū)域部件或者結(jié)構(gòu)的一些參數(shù)如應(yīng)變、壁面溫度、熱流量等。
薄膜傳感器厚度僅為幾百納米至幾十微米,制作簡(jiǎn)單,有利于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)/感知一體化制造,對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)或環(huán)境無(wú)干擾[8],它可以直接噴涂在部件表面而不影響設(shè)備內(nèi)部環(huán)境,用于測(cè)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)、石油化工設(shè)備內(nèi)部高溫區(qū)域部件的表面溫度、應(yīng)變、熱流量等。近年來(lái),薄膜傳感器受到發(fā)達(dá)國(guó)家的高度關(guān)注,如美國(guó)NASA面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試應(yīng)用開(kāi)展了一系列基礎(chǔ)研究和應(yīng)用驗(yàn)證,但離工程實(shí)際應(yīng)用還有一段距離,仍有許多技術(shù)問(wèn)題尚待解決。
高溫薄膜傳感器種類繁多,本文僅介紹典型的高溫薄膜傳感器:高溫薄膜應(yīng)變計(jì)、高溫薄膜溫度計(jì)、高溫薄膜熱流量計(jì)和多功能集成高溫薄膜傳感器。
高溫薄膜應(yīng)變計(jì)在初期采用合金薄膜作為敏感材料,由于材料特性以及制造工藝不同,由不同合金制成的薄膜應(yīng)變計(jì)可承受的溫度相差很大。如NiCr合金薄膜應(yīng)變計(jì)可承受600 ℃的測(cè)試溫度[9];PdCr合金薄膜應(yīng)變計(jì)最高使用溫度可以達(dá)到800 ℃[10-11],經(jīng)過(guò)工藝參數(shù)優(yōu)化后,能夠在1 100 ℃的溫度下使用[12];NiCrAlY薄膜應(yīng)變計(jì)能夠承受800 ℃的溫度[13]。
陶瓷材料能承受的溫度比合金更高,目前陶瓷薄膜應(yīng)變計(jì)有錫銦氧化物(ITO,Indium Tin Oxide)和TaN 2種。ITO薄膜應(yīng)變計(jì)可在室溫至1 400 ℃的溫度下工作[14],但應(yīng)變水平和溫度對(duì)應(yīng)變系數(shù)影響很大,主要是由ITO薄膜中的氧擴(kuò)散造成的[15]。TaN薄膜應(yīng)變計(jì)能夠承受400 ℃的溫度[16],工藝參數(shù)對(duì)TaN薄膜的微觀結(jié)構(gòu)以及薄膜應(yīng)變計(jì)的電阻溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)的影響很大[17]。
陶瓷和合金的電阻溫度系數(shù)(TCR,Temperature Coefficient of Resistance)正負(fù)相反而可以相互抵消,目前已制作出由陶瓷和合金構(gòu)成的多層薄膜應(yīng)變計(jì)。TaN在500 ℃以上的空氣中不穩(wěn)定,因此TaN/PdCr多層應(yīng)變計(jì)的使用溫度不超過(guò)500 ℃[18]。
以鈦酸鍶鋇作為電容式薄膜應(yīng)變計(jì)的敏感介質(zhì)、PdCr作為電極的高溫薄膜應(yīng)變計(jì)采用平板叉指結(jié)構(gòu),可以承受500 ℃的高溫[19]。
高溫薄膜溫度計(jì)包含薄膜熱電偶和薄膜電阻溫度檢測(cè)器(RTD,Resistance Temperature Detectors)。Pt/Pt-10Rh薄膜熱電偶可在1 000 ℃的溫度下使用[20-23],但由于薄膜中銠的氧化,熱電偶會(huì)發(fā)生漂移[20],濺射一層氧化鋁保護(hù)涂層可減輕銠的氧化[24];Pt-13Rh/Pt薄膜熱電偶由于加工工藝不同,最高工作溫度范圍為900 ℃~1 200 ℃[25-27];NiCr-NiMn薄膜熱電偶用于測(cè)量燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的低壓渦輪導(dǎo)向器葉片上的溫度,最高使用溫度為400 ℃[28];Ni-Cr/Ni-Si薄膜熱電偶一般用于測(cè)量瞬態(tài)溫度,最高工作溫度可達(dá)800 ℃[29-33];鎢/錸薄膜熱電偶在高溫下需要保護(hù)層才可正常使用[34-36],在保護(hù)層保護(hù)下能在1 370 K的溫度下工作[35];Ni/Ni-Cr薄膜熱電偶可以用來(lái)監(jiān)測(cè)切削溫度,能夠在890 K以下工作[37];Ni/Cr和鎳鋁合金薄膜熱電偶可監(jiān)測(cè)制造過(guò)程的溫度,在室溫至600 ℃溫度范圍內(nèi)使用[38];Pt/Pd薄膜熱電偶用于監(jiān)測(cè)硅圓片的熱處理溫度,可在850 ℃下存活10~20 h[39]。
ITO陶瓷材料作為一種氧化物陶瓷,具有耐高溫、耐氧化等特點(diǎn),由不同電極材料構(gòu)成的ITO陶瓷薄膜熱電偶的可承受溫度以及熱輸出相差很大。由2個(gè)ITO陶瓷熱電極(帶電載流子濃度不同)構(gòu)成的薄膜熱電偶,能夠工作在1 200 ℃以下[40];在鎳基合金基板上制作的In2O3/ITO薄膜熱電偶可在1 000 ℃的溫度下工作[41-42];由In2O3∶SnO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為95%∶5%)和 In2O3構(gòu)成的熱電偶具有較大的熱電輸出,在室溫至1 300 ℃溫度范圍內(nèi)有很好的穩(wěn)定性、可重復(fù)性和耐久性,存活時(shí)間超過(guò)50 h[43];ITO/Pt薄膜熱電偶在室溫至1 200 ℃溫度范圍內(nèi)的熱電輸出比較穩(wěn)定[44];在ITO中摻氮后,高溫穩(wěn)定性會(huì)有所提高[45],摻氮的ITO和鉑構(gòu)成的熱電偶可以承受1 000 ℃的溫度[46],比S型熱電偶有更大的熱電輸出,且在室溫至1 000 ℃溫度范圍具有更好的穩(wěn)定性[47];由NiCoCrAlY/氧化鋁納米復(fù)合材料和摻氮的ITO構(gòu)成的熱電偶具有較大的熱輸出,且可在1 200 ℃以下工作[48]。
由其他陶瓷材料構(gòu)成的薄膜熱電偶可以承受的最高工作溫度有限。CrSi2/Pt薄膜熱電偶從室溫到650 ℃的熱電輸出數(shù)據(jù)呈線性,而TaC/Pt薄膜熱電偶從室溫到450 ℃的熱輸出數(shù)據(jù)呈線性[49]。由SiC(CMC)和鉑構(gòu)成的薄膜熱電偶的塞貝克系數(shù)大,比K型線式熱電偶高2個(gè)數(shù)量級(jí),但溫度高于1 000 ℃時(shí),在Pt和SiC界面會(huì)形成硅化物,因此只能在1 000 ℃以下使用[50];TiC/TaC薄膜熱電偶能在真空中1 350 K溫度下使用[51]。
薄膜電阻溫度檢測(cè)器主要由一種金屬或者陶瓷材料構(gòu)成,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。鉑薄膜RTD一般在20 ℃~700 ℃溫度范圍內(nèi)工作[52-53],金薄膜RTD可以測(cè)量20 ℃~450 ℃的溫度[54],由ITO制作成的RTD則可以在900 ℃以下使用[55],由前驅(qū)體陶瓷(PDC,Polymer Derived Ceramics)材料SiAlCN制成的薄膜RTD可以在1 400 ℃以下長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作[56]。
高溫薄膜熱流量計(jì)一般由熱阻層及其上下面的薄膜溫度計(jì)層組成。熱阻層通常采用熱導(dǎo)率較小的材料,以使兩側(cè)的溫度計(jì)獲得較大的溫度差,從而獲得較強(qiáng)的信號(hào)及較高的靈敏度。薄膜溫度計(jì)層一般為薄膜熱電偶或者電阻溫度檢測(cè)器。聚酰亞胺的熱阻較高,機(jī)械性能較好[57],作為熱阻層的薄膜熱流量計(jì)可以在400 ℃以下使用[58-60]。二氧化硅熱導(dǎo)率很低[61],且機(jī)械性能良好,因而作為大部分高溫薄膜熱流量計(jì)的熱阻層材料,這種熱流量計(jì)能夠在900 ℃的溫度下使用[62-63]。
高溫薄膜流量計(jì)可采用前驅(qū)體陶瓷材料作為RTD和熱阻層。文獻(xiàn)[56]用前驅(qū)體陶瓷制作了用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境的高溫?zé)崃髁坑?jì),圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖,上下兩層RTD為10 μm的SiAlCN,中間熱阻層為250 μm的SiCN。該熱流量計(jì)可以在1 400 ℃左右的溫度下使用。
圖1 由前驅(qū)體陶瓷制成的熱流量計(jì)橫截面示意圖[56]
將高溫薄膜應(yīng)變計(jì)、溫度計(jì)和熱流量計(jì)三者集成起來(lái)具有一定的挑戰(zhàn)性,因?yàn)槿叩膫鞲性聿煌Y(jié)構(gòu)不同,尺寸大小也不同。文獻(xiàn)[64]設(shè)計(jì)了多功能集成高溫薄膜傳感器,可同時(shí)測(cè)量應(yīng)變、溫度和熱流量,其中Pt應(yīng)變計(jì)測(cè)量應(yīng)變,Pt-13Rh/Pt熱電偶測(cè)量溫度,由2層厚度不同的氧化鋁熱阻層和40對(duì)Pt-13Rh/Pt熱電偶構(gòu)成的熱電堆型熱流量計(jì)測(cè)量熱流量。
為了突破合金材料的工作溫度極限,NASA進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了TaN陶瓷材料的多功能集成高溫薄膜傳感器[65]。該傳感器采用剝離工藝進(jìn)行圖案化,其應(yīng)變系數(shù)為3.9,TCR為 -93 × 10-6℃-1,電阻率為259 μΩcm,表觀應(yīng)變靈敏度為-24 × 10-6℃-1。
陶瓷材料和合金的TCR正負(fù)相反,NASA開(kāi)發(fā)了陶瓷和合金的多功能高溫薄膜傳感器[66],圖2為其剖面結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器包含了高溫薄膜應(yīng)變計(jì)、高溫薄膜熱電偶和高溫薄膜熱流量計(jì)。由于TaN的TCR為負(fù)[67],Pd-13Cr的TCR為正[12],兩者共同構(gòu)成功能層使得TCR正負(fù)抵消一部分,降低了整體的TCR,從而提高了靈敏度[66]。該多功能薄膜傳感器存在層裂和擴(kuò)散問(wèn)題、剝離工藝的兼容性問(wèn)題以及高溫膨脹問(wèn)題[65]。
圖2 多功能高溫薄膜傳感器的剖面示意圖[66]
高溫薄膜傳感器的構(gòu)成材料、結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)和使用環(huán)境影響其性能。評(píng)價(jià)其性能的主要要素有靈敏系數(shù)、是否耐高溫、是否易于成形、長(zhǎng)期穩(wěn)定性等,它們與敏感材料、材料體系、制造工藝和信號(hào)傳輸有著密切的聯(lián)系。本文從敏感材料、材料體系、制造工藝和信號(hào)傳輸?shù)确矫娼榻B了典型高溫薄膜傳感器存在的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。
敏感材料是高溫薄膜傳感器的核心組成部分,其化學(xué)、電學(xué)穩(wěn)定性對(duì)薄膜傳感器能否應(yīng)用于惡劣環(huán)境影響很大。敏感材料的種類、敏感材料自身的晶體結(jié)構(gòu)等微觀結(jié)構(gòu)以及所帶自由載流子的屬性決定了制成的薄膜傳感器的靈敏系數(shù)[68]。一般情況下,合金薄膜應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變系數(shù)最低,其次是由陶瓷材料制成的薄膜應(yīng)變計(jì),最高的是半導(dǎo)體薄膜應(yīng)變計(jì)。
2.1.1 靈敏系數(shù)
高溫薄膜應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變系數(shù)、高溫薄膜熱電偶的塞貝克系數(shù)和薄膜RTD的電阻溫度系數(shù)越高,靈敏度就越高,測(cè)量信號(hào)也越容易,然而由不同敏感材料制成的高溫薄膜傳感器的靈敏系數(shù)差異很大。由高溫合金制成的高溫薄膜應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變系數(shù)一般為1~3[9,11,13,69],而普通陶瓷應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變系數(shù)稍微高一些,可以達(dá)到3~9[14,16,40,70],但相對(duì)于摻雜半導(dǎo)體的應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變系數(shù)(100~200),仍舊不夠高。由合金制成的薄膜熱電偶的塞貝克系數(shù)較低,而由陶瓷構(gòu)成的薄膜熱電偶的塞貝克系數(shù)稍高。
2.1.2 耐高溫性能
敏感材料承擔(dān)著產(chǎn)生信號(hào)的任務(wù),可承受的溫度有限。當(dāng)超過(guò)一定溫度時(shí),敏感材料會(huì)產(chǎn)生相變甚至開(kāi)裂,從而影響電學(xué)性能,最終導(dǎo)致薄膜傳感器失效。目前合金的可承受溫度為1 100 ℃,陶瓷的可承受溫度為1 500 ℃。在溫度較高的應(yīng)用場(chǎng)合(如航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫區(qū)域),溫度已經(jīng)超過(guò)了1 700 ℃,現(xiàn)在的高溫薄膜傳感器已經(jīng)無(wú)法承受,需要選擇更耐高溫的材料和工藝制作可承受更高溫度的薄膜傳感器。
2.1.3 創(chuàng)新敏感材料制作工藝
前驅(qū)體陶瓷作為敏感材料,具有耐高溫、抗氧化的特點(diǎn),其初始狀態(tài)為液體,經(jīng)過(guò)光固化或者在90 ℃ ~150 ℃左右的溫度下熱固化成形后,再在300 ℃~600 ℃左右的溫度下進(jìn)行交聯(lián),最后在1 000 ℃左右的溫度下熱解即可得到前驅(qū)體陶瓷[71]。前驅(qū)體陶瓷穩(wěn)定工作在1 400 ℃以上的溫度下,但是在交聯(lián)和熱解過(guò)程中會(huì)收縮,一般收縮30%左右,添加填充劑可以減小收縮量[71]。采用前驅(qū)體陶瓷制作體部件有成熟的工藝[72-74],但是關(guān)于其薄膜圖案化工藝的報(bào)道較少,沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道鎳基合金上PDC薄膜圖案化工藝,因此采用前驅(qū)體陶瓷制作高溫薄膜傳感器,需要解決收縮問(wèn)題和圖案化工藝問(wèn)題。
選擇合適的材料可以提高高溫薄膜傳感器的靈敏系數(shù),通過(guò)摻雜、采用多層敏感材料等改變敏感材料的構(gòu)成也可以提高高溫薄膜傳感器的靈敏系數(shù)[11,48]。
典型的用于合金表面的高溫薄膜應(yīng)變計(jì)和溫度計(jì)一般由多層材料構(gòu)成,合金基底上面依次是過(guò)渡層、絕緣層、功能層和保護(hù)層,如圖3所示。過(guò)渡層可以增強(qiáng)絕緣層和合金基底的結(jié)合力;絕緣層是為了使功能層和合金基底之間形成良好的絕緣;功能層一般為合金或者陶瓷,屬于敏感材料層,用于感知應(yīng)變或者溫度的變化;保護(hù)層是為了提高功能層的抗高溫氧化能力,提高傳感器的壽命和穩(wěn)定性[11,13]。
圖3 薄膜應(yīng)變計(jì)或溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖
如圖4所示,高溫薄膜熱流量計(jì)一般由熱阻層和溫度計(jì)層組成[63]。2種厚度不同的熱阻層材料的導(dǎo)熱率均為k,一層的厚度為x1,另一層的厚度為x2,當(dāng)有熱流量時(shí),在熱阻層下面產(chǎn)生的溫度分別為T(mén)1和T2。
圖4 高溫薄膜熱流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖
高溫薄膜傳感器的各層材料之間的熱膨脹系數(shù)不同,在升溫或者降溫過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,從而使不同材料層開(kāi)裂,開(kāi)裂后敏感材料有可能發(fā)生氧化、斷裂,進(jìn)而使薄膜傳感器失效[16]。高溫薄膜應(yīng)變計(jì)需要經(jīng)常拉伸,因各層材料的抗拉能力不同,因此,工作時(shí)層與層之間可能會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中、裂紋等現(xiàn)象,最終使應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生測(cè)量誤差甚至失效[11,13]。
在設(shè)計(jì)薄膜傳感器時(shí),要考慮各層材料之間的熱膨脹系數(shù),甚至彈性模量等,使相鄰兩層的參數(shù)盡量接近,從而減小熱不匹配度和拉伸應(yīng)力。
制造工藝往往影響高溫薄膜應(yīng)變計(jì)的性能。退火、摻雜、氛圍、濺射氣壓、溫度等工藝參數(shù)對(duì)高溫薄膜傳感器的靈敏系數(shù)、可承受溫度和穩(wěn)定性的影響較大。這些工藝參數(shù)往往影響材料的致密度、晶體結(jié)構(gòu)等,使材料特性發(fā)生一定程度的變化,最終影響高溫薄膜傳感器的性能參數(shù)。選擇合適的工藝參數(shù),對(duì)制造性能較好的薄膜傳感器至關(guān)重要。例如,在高溫大氣下退火對(duì)PdCr薄膜應(yīng)變計(jì)的薄膜結(jié)構(gòu)、方塊電阻均有影響,可使薄膜表面生成鉻氧化物,從而更好地保護(hù)應(yīng)變計(jì),同時(shí)還能降低薄膜的電阻率[75]。
2.3.1 曲面上的圖案化
傳統(tǒng)制造工藝一般采用磁控濺射的方法生成高溫薄膜傳感器的各個(gè)材料層,當(dāng)所需測(cè)溫部件或結(jié)構(gòu)為曲面時(shí),掩模版制作比較困難。此外,高溫薄膜傳感器線寬較小,而且為多層薄膜,因而對(duì)準(zhǔn)較為困難,特別是制作多功能集成高溫薄膜傳感器時(shí),由于各個(gè)功能模塊的厚度、圖案不一樣,在曲面上制作就更加困難[64-66,76]。
2.3.2 高溫工藝
采用不同工藝制作的薄膜的致密度、微觀結(jié)構(gòu)不同,獲得的特性也可能不同[11]。工作在更高溫度場(chǎng)合的薄膜傳感器對(duì)制作工藝的要求提高后,許多工藝參數(shù)需要重新優(yōu)化。例如,當(dāng)制作合金薄膜應(yīng)變計(jì)而沉積氧化鋁絕緣層時(shí),為了彌補(bǔ)應(yīng)變計(jì)在高溫使用時(shí)氧化鋁層的應(yīng)力,需要在沉積氧化鋁時(shí)加熱襯底。當(dāng)加熱溫度達(dá)到800 ℃ ~ 900 ℃時(shí),制得的氧化鋁薄膜才可以在1 100 ℃的溫度下使用[77],在超過(guò)1 100 ℃的環(huán)境下應(yīng)用時(shí),襯底溫度需要重新優(yōu)化。
信號(hào)傳輸是指將高溫薄膜傳感器制作在部件或者結(jié)構(gòu)上后,采用何種方式供電、取電從而將應(yīng)變、溫度等信號(hào)測(cè)量出來(lái)。高溫區(qū)域往往伴隨著高壓、氧化、腐蝕等惡劣環(huán)境,例如,航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片所處環(huán)境在1 700 ℃以上,而且要承受較大的壓強(qiáng)和由高轉(zhuǎn)速引起的離心力,因而引出信號(hào)十分困難。
NASA研制的薄膜熱電偶用一種耐高溫陶瓷粘結(jié)劑將鉑絲連接到渦輪葉片焊盤(pán)上,從而測(cè)量渦輪葉片表面的溫度[7],信號(hào)由焊接在渦輪葉片葉根部位的鉑絲導(dǎo)線引出,如圖5所示。該方法雖然不影響表面氣流和熱分布,但在高溫高速旋轉(zhuǎn)下,接點(diǎn)不穩(wěn)定,測(cè)試結(jié)果表明,大部分失效來(lái)自薄膜和導(dǎo)線的連接處[7]。
圖5 薄膜熱電偶測(cè)量渦輪葉片溫度[78]
隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代以及人工智能時(shí)代的到來(lái),越來(lái)越多的地方需要收集數(shù)據(jù),特別是石油化工、航空航天、發(fā)電等高溫場(chǎng)合對(duì)傳感器的要求很高,對(duì)高溫薄膜傳感器的需求將越來(lái)越多。我國(guó)研制的高溫薄膜傳感器在靈敏度、耐高溫、穩(wěn)定性等方面與國(guó)外還有一定的差距。高溫薄膜傳感器涉及到材料、工藝、微電子等許多方面,但隨著對(duì)材料、工藝研究的不斷重視,我國(guó)將在高溫薄膜傳感器方面不斷取得突破。
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