邵 靖， 段 力， 胡銘楷， 丁桂甫， 毛成龍， 沈 杰， 靜 波

(1.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司 上海，200241) (2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院 上海，200240) (3.蘇州泰斯特測(cè)控科技有限公司 蘇州，215164) (4.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海，200240)

引 言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其他機(jī)械系統(tǒng)智能化迫切需要成功地制造原位集成傳感器。機(jī)械工程的智能化與智能化系統(tǒng)包含了先進(jìn)的傳感器、驅(qū)動(dòng)器及計(jì)算處理單元，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械工程的主動(dòng)控制及狀態(tài)監(jiān)測(cè)[1]。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)而言，美國(guó)在2006年之后推出通用、可承擔(dān)起的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃(versatile affordable advanced turbine engine, 簡(jiǎn)稱VAATE)，智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)是VAATE計(jì)劃的一個(gè)關(guān)鍵[2]。作為21世紀(jì)工程學(xué)的一大亮點(diǎn)，智能化利用了交叉學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，營(yíng)造性能更優(yōu)越、更經(jīng)濟(jì)的通用智能航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

為了實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化，需要在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)多個(gè)部位安裝大量的傳感器和驅(qū)動(dòng)器。傳統(tǒng)的傳感器和驅(qū)動(dòng)器由于體積大、質(zhì)量重、功能單一等因素[3-4]，很難安裝在航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要監(jiān)控的位置；而利用MEMS技術(shù)開(kāi)發(fā)的新型微型傳感器和驅(qū)動(dòng)器體積小、質(zhì)量輕，容易布置在航空發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的很多部位，并且?guī)缀醪皇馨l(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空間的限制[5]，從而獲得更準(zhǔn)確的發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化。MEMS是集微機(jī)械與微電子功能于一體的微型機(jī)電器件或系統(tǒng)，主要由微傳感器、微驅(qū)動(dòng)器、集成電路和電源等組成[6]。智能發(fā)動(dòng)機(jī)首先用傳感器提供各種發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的數(shù)據(jù)，而基于MEMS技術(shù)的傳感器具有微型化設(shè)計(jì)和集成化制造的特點(diǎn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件結(jié)構(gòu)破壞程度小，不影響流場(chǎng)性能，且測(cè)試精度高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間快，可陣列化與批量化，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱電偶實(shí)現(xiàn)小空間發(fā)動(dòng)機(jī)壁面溫度測(cè)試，如渦輪葉片榫槽邊緣及渦輪葉片，或測(cè)試響應(yīng)時(shí)間要求較高的區(qū)域。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為飛機(jī)的“心臟”，是高速高振動(dòng)的機(jī)械體系，其運(yùn)行中的振動(dòng)問(wèn)題十分突出。渦輪葉片是發(fā)動(dòng)機(jī)中的重要組件，它在工作中一般受到較高的離心負(fù)荷、氣動(dòng)負(fù)荷以及振動(dòng)的交變負(fù)荷等作用，其高振動(dòng)狀況尤為突出[7]。航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的高振動(dòng)起因非常復(fù)雜，既有轉(zhuǎn)子不平衡、軸承、齒輪碰磨引起的機(jī)械激振力，亦存在氣體流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)通道時(shí)產(chǎn)生的氣體激振力(含燃燒不均、振蕩燃燒及噪聲導(dǎo)致的隨機(jī)撤振力)[8-9]。這些航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的初期試驗(yàn)對(duì)于選定葉片傳感器的試驗(yàn)方案提供了參考。

本研究報(bào)道了一種航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片高溫溫度傳感器的微制造工藝方法，該傳感器采用MEMS薄膜技術(shù)方法制作，并進(jìn)行了一系列苛刻的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。振動(dòng)試驗(yàn)中掃頻10～2 000 Hz，40g的振動(dòng)及其在270 Hz，40g振動(dòng)環(huán)境下進(jìn)行持續(xù)20 min的連續(xù)振動(dòng)。

被振動(dòng)試驗(yàn)體系包括發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片及集成在其上的MEMS薄膜傳感器、焊點(diǎn)和連線。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面原位集成的MEMS薄膜傳感器器件的薄弱點(diǎn)主要集中在不同材質(zhì)的結(jié)合部：a.薄膜材料與葉片基底材料的兩種材料的界面部位，在高振動(dòng)強(qiáng)度(幅度和頻率)下，薄膜可能會(huì)脫落；b.傳感器的電極與焊接點(diǎn)，由于焊點(diǎn)材料和薄膜材料不盡相同，其結(jié)合處也容易斷開(kāi)；c.焊接線與焊點(diǎn)之間的連接，由于焊接線在振動(dòng)與沖擊過(guò)程中的劇烈運(yùn)動(dòng)和變形扭曲，可能會(huì)造成連接處的折斷。試驗(yàn)證明，MEMS技術(shù)制作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片原位集成傳感器經(jīng)受住了苛刻的振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片MEMS原位集成傳感器的制作與表征

1.1 MEMS傳感器的制作工藝

薄膜原位集成MEMS熱電阻傳感器采用微加工工藝制作。本試驗(yàn)采用基于聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, 簡(jiǎn)稱PDMS)軟模板轉(zhuǎn)印的方法[10]，在曲面葉片表面制備圖形化薄膜熱電阻。該工藝首先需要制備一張易于彎曲、能夠與基板接觸的PDMS軟質(zhì)圖形轉(zhuǎn)印模板，制備PDMS模板的常用方法是將PDMS預(yù)聚體和對(duì)應(yīng)固化劑的混合物澆鑄到預(yù)先通過(guò)光刻刻蝕工藝制備好的硅片硬母板上，經(jīng)過(guò)固化后，將PDMS剝離母板，母板上的圖案便復(fù)制到了PDMS上，完成了PDMS軟模板的制備，得到具有熱電阻傳感器圖形的PDMS軟質(zhì)轉(zhuǎn)印模板，如圖 1所示。

圖1 MEMS 微制造傳感器的PDMS軟質(zhì)模板Fig.1 PDMS soft mask for MEMS sensor fabrication

利用上一步制備的PDMS軟質(zhì)模板在葉片基底上實(shí)現(xiàn)圖形化掩膜。經(jīng)過(guò)多種方案的嘗試，最終采用在PDMS上涂上α-氰基丙烯酸乙酯，然后將PDMS快速壓印到葉片表面形成圖形掩膜的方案。α-氰基丙烯酸乙酯是401膠水的主要成分，是一種高強(qiáng)度快速黏著劑。本試驗(yàn)中采用α-氰基丙烯酸乙酯，是因?yàn)槠溆幸欢ǖ酿ざ龋医?rùn)度較高。α-氰基丙烯酸乙酯倒在平面上一般不會(huì)很快流動(dòng)，對(duì)比一般的液體如水、丙酮、無(wú)水乙醇甚至光刻膠等滴到PDMS上后，由于PDMS具有疏水性液體會(huì)快速流動(dòng)而嚴(yán)重影響圖形化效果。將α-氰基丙烯酸乙酯滴到PDMS上后其流動(dòng)慢，而且轉(zhuǎn)印過(guò)程中PDMS上的α-氰基丙烯酸乙酯可瞬間快速固化黏著葉片基底表面，該特性對(duì)于圖形化效果非常有利。另外，α-氰基丙烯酸乙酯溶于丙酮溶劑，這一特性使其代替光刻膠在薄膜圖形化后可以進(jìn)行Lift-off工藝。

基于PDMS軟模板軟光刻薄膜圖形化具體工藝流程如下：

1) 將清洗后的硅片表面涂上α-氰基丙烯酸乙酯；

2) 將制備PDMS軟模板圖形完整貼到硅片上；

3) 取下PDMS壓印到葉片表面;

4) 冷卻后取下PDMS，在葉片上呈現(xiàn)出利用PDMS轉(zhuǎn)印得到的圖形；

5) 將曲表面帶掩模的渦輪葉片放入磁控濺射機(jī)中濺射500nm的金屬鉑(Pt)；

6) 將濺射后的葉片放入丙酮溶液中，在超聲環(huán)境下進(jìn)行Lift-off工藝，得到完整的MEMS熱電阻傳感器圖形。

1.2 表面形態(tài)

利用基恩士(Keyence)公司的VK-X250形狀測(cè)量激光顯微系統(tǒng)分別觀測(cè)關(guān)鍵測(cè)溫部件的三維形貌及尺寸。VK-X250系列是一款兼具高觀察力和測(cè)量力的共焦點(diǎn)激光顯微系統(tǒng)，觀察倍率超越傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡，在空氣中可實(shí)現(xiàn)接近SEM的高分辨率圖像，測(cè)量力凌駕于粗糙度儀之上。圖 2所示為利用PDMS轉(zhuǎn)印在葉片上的上海交通大學(xué)?；?qǐng)D案設(shè)計(jì)的傳感器圖形(放大34倍)和梳狀電阻圖形(放大300倍)，薄膜的厚度在50 nm左右，可以看到圖形復(fù)制效果良好。

圖2 利用PDMS轉(zhuǎn)印在葉片上的圖形Fig.2 The transferred pattern onto the turbineblade surface

1.3 高溫溫度傳感性能表征

筆者測(cè)量了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面原位集成高溫傳感器高溫電學(xué)特性。薄膜溫度傳感器高溫測(cè)量試驗(yàn)是在能夠?qū)囟壬卟⑶冶３衷诟哌_(dá)1 300℃氮?dú)猸h(huán)境下的高溫箱式爐內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)開(kāi)始之前將引線燒結(jié)工藝后的渦輪葉片放置在高溫箱式爐內(nèi)部爐膛(底部中心)，然后將2根長(zhǎng)度為1 m、直徑為0.2 mm的鉑絲與熱電阻傳感器電極引線相連接，將其引出爐子外部連接多功能萬(wàn)用表。升溫至800℃后自然冷卻至室溫，測(cè)量熱電阻值及熱障涂層絕緣層電阻值隨溫度變化響應(yīng)情況。

在800℃或更高的高溫環(huán)境下，一般陶瓷材料的電絕緣性能會(huì)下降[11]，這會(huì)影響傳感器特性。因?yàn)槿绻r底絕緣層開(kāi)始電導(dǎo)通，熱敏電阻會(huì)通過(guò)襯底導(dǎo)通的并聯(lián)電阻而影響測(cè)量精度。為了在渦輪葉片上原位集成薄膜熱電阻，通常需要在熱電阻傳感器和渦輪葉片金屬基底之間噴涂一層在800℃下具有良好電絕緣特性的絕緣陶瓷層。此次研制的MEMS薄膜熱電阻所采用的絕緣基底熱障涂層是一層氧化鋯(ZrO2)陶瓷基底，由于陶瓷基底的絕緣特性會(huì)隨著溫度改變而改變，這會(huì)直接影響到熱電阻值隨溫度變化的結(jié)果，因此有必要在測(cè)量高溫?zé)犭娮鑲鞲衅鞲邷仉娮杼匦缘耐瑫r(shí)測(cè)量絕緣電阻值。采用與之前薄膜熱電阻相同的燒結(jié)引線測(cè)量技術(shù)，分別連接2個(gè)不同的熱電阻傳感器電極焊接引線，將其引出爐子外部連接多功能萬(wàn)用表，將萬(wàn)用表調(diào)至測(cè)量電阻檔，即可同時(shí)測(cè)量電阻傳感器及其陶瓷基底絕緣電阻的溫度特性。圖 3所示為葉片表面氧化鋯(ZrO2)陶瓷基底絕緣電阻值隨溫度從25～800℃的變化過(guò)程，可以看到，在室溫條件下，絕緣電阻的值為200 MΩ，超出了測(cè)量量程。在高溫條件下，陶瓷層的電阻值在下降，絕緣電阻隨溫度的變化基本呈指數(shù)關(guān)系。通過(guò)改良的陶瓷材料，高溫陶瓷材料的高溫電絕緣性能在800℃保持在1 kΩ，對(duì)于幾十歐姆的熱電阻測(cè)量精度不會(huì)有太大的影響。

圖3示出了熱敏電阻和溫度的對(duì)應(yīng)曲線，電阻溫度的線性良好，可以在高溫環(huán)境下對(duì)溫度實(shí)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)高溫溫度傳感的工程學(xué)目的。

圖3 葉片表面熱電阻傳感器及ZrO2絕緣涂層基底絕緣電阻隨溫度變化特性曲線Fig.3 Sensor performance to measure the high temperature as well as the resistivity of the ceremic insulators under high temperatures

2 振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

2.1 測(cè)試樣品和測(cè)試系統(tǒng)

首先根據(jù)葉片的形貌和尺寸加工了固定的夾具，以確保在振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)的整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，帶有傳感器的葉片穩(wěn)定地固定在測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)中。圖 4為帶有傳感器和焊接連線的葉片在振動(dòng)臺(tái)夾具上固定的實(shí)際圖片，夾具的榫槽和葉片的邊緣尺寸線對(duì)應(yīng)，夾具兩端可根據(jù)葉片的寬度進(jìn)行微調(diào)。振動(dòng)和沖擊傳感器被固定在振動(dòng)臺(tái)上，用來(lái)監(jiān)控和檢測(cè)振動(dòng)的頻率與強(qiáng)度。通過(guò)加速度或速度傳感器來(lái)測(cè)量振動(dòng)信號(hào)[12]，加速度或速度傳感器固定在振動(dòng)基座上，由發(fā)動(dòng)機(jī)集成傳感器及引線、發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、振動(dòng)傳感器與振動(dòng)基座構(gòu)成一個(gè)完整的振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)。

圖5為振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試裝置，包括振動(dòng)臺(tái)和控制系統(tǒng)。電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)(electro-dynamic vibration test system，簡(jiǎn)稱EVST)的額定沖擊力為100kN，頻率范圍為1～2 700 Hz，最大加速度可達(dá)100g，最大位移為51 mm，最大負(fù)載為800 kg。

圖4 薄膜熱電偶單元傳感器固定上在振動(dòng)臺(tái)上的圖片F(xiàn)ig.4 MEMS thermal sensor integrated onto the turbine blade as well as the wires and the fasting racks

圖5 振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試裝置示意圖Fig.5 Descriptive configuration of the vibrational test system

抗振動(dòng)指標(biāo)范圍界定在10～2 000 Hz，40g。加速度、速度、位移等振動(dòng)參量存在以下的轉(zhuǎn)換關(guān)系

其中：a為試驗(yàn)加速度；v為試驗(yàn)速度；ω為角速度；f為試驗(yàn)頻率；d為位移單峰值。

各參量單位為國(guó)際單位制，但是a的單位為重力加速度g(1g=9.8 m/s2)。鑒于最大位移限制為51 mm，在低頻段把振動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整為6g，隨著頻率的增加，振動(dòng)強(qiáng)度逐漸增加至40g。振動(dòng)強(qiáng)度的試驗(yàn)方案如圖6所示。

圖6 掃頻振動(dòng)試驗(yàn)方案Fig.6 The test plan for the virational test

沖擊試驗(yàn)測(cè)試裝置如圖 7所示。垂直沖擊試驗(yàn)臺(tái)(vertical shock tester，簡(jiǎn)稱VST)的最大負(fù)載值為100g，沖擊脈沖的持續(xù)時(shí)間范圍為1.5～40 ms，峰值加速度可達(dá)600g，此沖擊臺(tái)可執(zhí)行常規(guī)的半正弦波、后峰鋸齒波等波形的沖擊試驗(yàn)。

圖7 沖擊試驗(yàn)臺(tái)和樣品Fig.7 Shocking test platform and test sample

2.2 振動(dòng)沖擊試驗(yàn)結(jié)果

振動(dòng)與沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)過(guò)程如下：利用萬(wàn)用表測(cè)量和比較振動(dòng)沖擊前后的電阻測(cè)量值，如果連接沒(méi)有斷開(kāi)，電阻值一致，說(shuō)明結(jié)合力滿足驗(yàn)收振動(dòng)沖擊要求。結(jié)合力包含：薄膜和葉片表面的結(jié)合力；焊點(diǎn)的結(jié)合力；連線的結(jié)合力和抗震動(dòng)能力。任何一項(xiàng)出了問(wèn)題，都可能會(huì)使得測(cè)量的電阻值發(fā)生變化。

振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程分為兩部分：a.3 min掃頻，振動(dòng)頻率由10 Hz逐漸升至2 000 Hz，然后回掃至10 Hz；b.在270 Hz，40g的條件下，振動(dòng)20 min。對(duì)于沖擊試驗(yàn)，沖擊強(qiáng)度定為100g，8 ms，半正弦波，帶有傳感器的葉片分別沖擊了5次。每次的振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)前后都要用萬(wàn)用表驗(yàn)正葉片集成的傳感器(熱電阻型傳感器和熱電偶型傳感器)。圖 8 示出了實(shí)際的振動(dòng)試驗(yàn)加速度掃頻曲線和5次沖擊試驗(yàn)加速度測(cè)量曲線?？梢钥吹剑瑨哳l振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)的重復(fù)性非常好，振動(dòng)和沖擊強(qiáng)度每次也達(dá)到了預(yù)定的要求。

每次振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)之后都要測(cè)量MEMS熱電阻和熱電偶的連接特性。室溫下熱電阻的電阻信號(hào)值為85 Ω，熱電偶的電阻連接值為12 Ω。此后，一共進(jìn)行了5次振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)，在每次試驗(yàn)后都測(cè)試了熱電阻和熱電偶傳感器的電阻值，結(jié)果如表1、表2所示。結(jié)果表明，在振動(dòng)沖擊試驗(yàn)前后的連接情況沒(méi)有改變，雖然在視覺(jué)上躺著的連線已經(jīng)在振動(dòng)過(guò)程中豎立起來(lái)，但是并沒(méi)有折斷的現(xiàn)象。同時(shí)薄膜在葉片上的附著也很穩(wěn)定，沒(méi)有產(chǎn)生脫落的現(xiàn)象，表明葉片原位溫度傳感器可以經(jīng)受住航空發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)定的振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)指標(biāo)。

圖8 振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of the vibrational test and shocking test

表1 熱電阻傳感器的振動(dòng)試驗(yàn)前后電阻測(cè)量比較

表2 熱電偶傳感器的沖擊試驗(yàn)前后連接狀況測(cè)量比較

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者制作了抗振動(dòng)與抗沖擊的高溫原位集成渦輪葉片傳感器。該溫度傳感器不僅具有良好的溫度測(cè)量性能，而且有很強(qiáng)的抗沖擊和抗振動(dòng)能力。振動(dòng)過(guò)程中，連線由平躺變?yōu)橹绷?，但是連接依然良好。MEMS原位集成渦輪葉片傳感器系統(tǒng)經(jīng)受10～2 000 Hz，40g，20 min(270 Hz)的振動(dòng)試驗(yàn)，以及沖擊強(qiáng)度為100g，8 ms的半正弦波沖擊試驗(yàn)。電阻溫度特性在800℃還保有良好的線性，可以在高溫環(huán)境下對(duì)溫度實(shí)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)高溫溫度傳感在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其其他相關(guān)領(lǐng)域的工程學(xué)應(yīng)用。

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