段 力，姬中林，翁昊天，李繼保，林宇震，曹學(xué)強

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電力工程學(xué)院，上海200241；2.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，上海 200240；3.北京航空航天學(xué)院能源動力與工程學(xué)院，北京100191；4.武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430070）

在航空發(fā)動機關(guān)鍵部位安放測量溫度與應(yīng)力、壓力與熱流量等關(guān)鍵參數(shù)的傳感器對于研發(fā)高效能航空發(fā)動機以及航空發(fā)動機的智能化具有重要的促進作用[1–4]。傳統(tǒng)的溫度傳感器體積偏大，對氣流環(huán)境

造成了影響，而且安裝工藝復(fù)雜 ，不容易安裝在發(fā)動機某些特定的部位，比如有一定曲率的渦輪葉片表面[5]。而利用MEMS（Micro Electric Mechanical System）微制造技術(shù)制作的薄膜型傳感器厚度只在微米的量級，可以集成在一些關(guān)鍵部位而不會給發(fā)動機運行環(huán)境造成擾動[3]，從而得到準(zhǔn)確的航空發(fā)動機運行參量，如溫度、應(yīng)力、熱通量等，為航空發(fā)動機的研發(fā)與智能化提供實時和實地的數(shù)據(jù)和設(shè)計開發(fā)依據(jù)。MEMS 技術(shù)是借助于集成電路工藝的蓬勃發(fā)力衍生出來的微納制造技術(shù)[6–8]，使用光刻的方法將微圖案轉(zhuǎn)印在渦輪葉片表面，然后利用化學(xué)或物理氣相沉積的方法在基底材料上淀積與刻蝕各種功能薄膜并形成特定的微結(jié)構(gòu)傳感器和器件。MEMS 傳感器中的關(guān)鍵詞是微，尺度往往在微米與毫米之間，對分米厘米尺度的常規(guī)渦輪發(fā)動機元件表面的物理參量監(jiān)控，不會造成對氣流流場性能的影響，而且可以實現(xiàn)定點測量，提高了測量精度，亦為實現(xiàn)點陣分布式測量提供了可行性。MEMS 微傳感器對小空間渦輪葉片榫槽邊緣及渦輪葉片尖端的溫度等參數(shù)的測量是一項不可或缺的高技術(shù)。

本文報道了一種薄膜型（<1μm）航空發(fā)動機渦輪葉片高溫溫度傳感器，該傳感器采用MEMS 微納制造技術(shù)方法直接在航空發(fā)動機渦輪一導(dǎo)葉片（直接接受燃燒室高溫氣流的關(guān)鍵元件，承受的高溫溫度最高）上，原位集成制作了薄膜熱電阻與熱電偶型傳感器及高溫引線與連接系統(tǒng)。對此進行了一系列的高溫溫度測量試驗和苛刻的振動沖擊試驗，并在溫度高達1200℃、燃?xì)鈮毫?.5MPa、熱流量1.24L·J/（kg·K）的航空發(fā)動機燃動環(huán)境下進行了測試，獲得了可靠的氣動環(huán)境溫度。燃動試驗之后，MEMS 傳感器仍然運行良好。

在航空發(fā)動機導(dǎo)葉片上原位集成高溫溫度傳感器，要克服兩項難關(guān)：高溫下陶瓷層的電絕緣問題；在渦輪葉片表面的曲面圖形化工藝。

1 高溫電絕緣問題

眾所周知，發(fā)動機的渦輪葉片是金屬材料，在上面制作電學(xué)器件如傳感器，必須在傳感器與發(fā)動機渦輪葉片之間形成一層可靠的電絕緣層。而研究表明，在1000℃左右的高溫環(huán)境下，常規(guī)的陶瓷層電絕緣性能會大幅度下降，導(dǎo)致在上面制造的傳感器短路誤差[9]。其次，在1000℃左右的高溫環(huán)境下陶瓷材料與金屬基體的熱應(yīng)力失配，會造成陶瓷層的剝落，從而造成傳感器的失效。為此，首先考慮采用成熟的航空發(fā)動機YSZ 熱障涂層工藝來形成絕緣層，這項工藝經(jīng)過多年的探索[10]已經(jīng)攻克了涂層在高溫環(huán)境下應(yīng)力帶來的難題，解決了熱障涂層高溫下剝落的問題。所以，在此基礎(chǔ)上探討解決熱障涂層的高溫電絕緣問題。試驗測定，高溫下YSZ 熱障涂層的絕緣層的電阻隨著溫度的變化呈指數(shù)下降的趨勢（圖1）。

基于以上的試驗數(shù)據(jù)建立了絕緣層電阻與溫度變化模型并進行了高溫下電絕緣計算機仿真試驗，仿真結(jié)果如圖2所示。絕緣層上2 個金屬電極的電壓為1V，在此導(dǎo)通電壓下，仿真了金屬電極/絕緣層/渦輪葉片基底層狀結(jié)構(gòu)的電勢分布與導(dǎo)通電流密度分布?？梢钥吹?，在高溫下電絕緣層內(nèi)出現(xiàn)了導(dǎo)通電流，導(dǎo)致絕緣層在高溫下電絕緣的缺失，從而造成傳感器的誤差。

為此，改良熱障涂層的配方，提高絕緣層的高溫電阻率（圖3），才能攻克這一項技術(shù)難關(guān)[11]。

圖1 YSZ熱障涂層電阻隨溫度的變化趨勢Fig.1 Temperature dependency of YSZ-TBC's resistance

圖2 高溫（800℃）與室溫下（20℃）的 絕緣層導(dǎo)通電流計算機仿真結(jié)果比較Fig.2 Simulated electric potential and current density under 800℃ and 20℃

圖3 熱障涂層改良前后高溫下電絕緣性比較Fig.3 Electrical insulation before and after modified YSZ

在圖3中也看出，在高溫的環(huán)境下熱障涂層的電阻–溫度特性不再呈現(xiàn)指數(shù)趨勢，這是因為在很高的溫度下，傳感器電極之間的導(dǎo)通電流（圖2）不僅包含了絕緣層內(nèi)橫向?qū)娏鳎娮瑷C溫度特性呈指數(shù)趨勢），而且包含了絕緣層與渦輪葉片襯底的縱向?qū)娏饕约叭~片基底的橫向電流，而金屬中的電阻溫度特性常遵循線性規(guī)律[11]。

2 渦輪葉片曲面集成技術(shù)

傳統(tǒng)的MEMS 微制造工藝是平面工藝，而航空發(fā)動機的渦輪葉片是曲表面，在這個基面上形成傳感器的圖形，必須對傳統(tǒng)工藝進行改良。采用曲面軟光刻的方法在渦輪葉片曲表面完成傳感器的圖形化，然后將圖形化之后的渦輪葉片放在薄膜濺射室中，利用磁控濺射的方法在葉片上面沉積500nm 的鉑與鉑銠薄膜（濺射功率為600W、濺射壓強為2×10–4Pa），薄膜濺射完畢之后，將整個葉片浸泡在丙酮中佐之以超聲將光刻圖形去除，從而形成了薄膜傳感器的圖形（圖4）[12]。

MEMS 薄膜熱電偶傳感器采用交通大學(xué)的?；崭脑於桑梢钥吹街虚g深顏色的區(qū)域就是Pt 與PtRh 薄膜的交疊區(qū)域，這個區(qū)域是形成熱電偶的結(jié)區(qū)。左側(cè)也是薄膜熱電偶和熱電阻的傳感器，可以看到熱電偶的節(jié)點很小，借此可以針對很小的區(qū)域進行高溫溫度測量。需要指出的是，受限于渦輪葉片表面的加工精度不能達到Si 片的水平（nm），在渦輪葉片表面不能形成很小尺寸的圖形，光刻圖形的精度>10μm。但薄膜型的MEMS 溫度傳感器厚度仍然是很薄的在1μm 以下，所以不會對表面的氣流產(chǎn)生明顯的影響。圖4（b）是在熱障涂層表面集成的Pt 薄膜熱電阻的金相照片。鑒于熱障涂層表面的光潔度不高（微米量級），利用MEMS微制造集成技術(shù)在葉片表面熱障涂層上可達到的刻印圖形線寬為50μm。

圖4 原位集成薄膜傳感器Fig.4 Embedded MEMS sensors

3 傳感器的溫度測試

溫度傳感器高溫測量與校準(zhǔn)試驗是在高溫箱式爐內(nèi)進行的。該高溫爐可以升至最高溫度1300℃，升溫時間在1h 之內(nèi)，降溫速度較慢，降至300℃需要1h 的時間。首先，使用高溫引線焊接渦輪葉片集成的MEMS薄膜微傳感器，用一對高溫絕緣電纜將0.1mm Pt 導(dǎo)線連接到外部數(shù)字萬用表（DMM），可彎曲的高溫延伸電纜將MEMS 傳感器器件連接到外部進行熱電壓和熱敏電阻測量。一個標(biāo)準(zhǔn)的R 型Pt/PtRh 熱電偶也安裝在葉片表面上，用于高精度的溫度校準(zhǔn)。樣品放置在烤箱中心，在整個溫度循環(huán)過程中隨時監(jiān)測DMM 熱電壓和熱電阻的變化。

薄膜溫度傳感器的校準(zhǔn)工作，只進行了4 次1200℃的快速升溫試驗以獲得溫度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，避免對渦輪葉片表面合金的破壞（多數(shù)的渦輪葉片高溫合金不能承受長時間大于1000℃的高溫溫度）。薄膜溫度傳感器的溫度特性如圖5所示，Pt 薄膜熱電阻傳感器的重復(fù)特性良好，在1300℃的時候，仍然維持很好的線性特性關(guān)系。

為避免對渦輪葉片本身合金的破壞，此后的一系列溫度跟蹤試驗溫度限制在950℃以內(nèi)。溫度循環(huán)試驗中溫度升降與熱循環(huán)4 次之后薄膜熱電偶測量結(jié)果如圖5（b）所示，MEMS 薄膜熱電偶的溫度特性測量良好。

對薄膜型溫度傳感器進行了穩(wěn)定性測試，圖6（a）顯示了4h 持續(xù)800℃高溫下MEMS 薄膜熱電阻與熱電偶的熱穩(wěn)定性特性。可以看到MEMS 熱電阻和熱電偶傳感器展現(xiàn)出很好的溫度穩(wěn)定性。圖6（b）是溫度響應(yīng)試驗的測試結(jié)果。進行了3 次升溫降溫的熱循環(huán)試驗，實時記錄了熱電阻薄膜溫度傳感器與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶對應(yīng)溫度的跟蹤關(guān)系（取樣速率為s），可以看到薄膜熱電阻傳感器的反應(yīng)速度和傳統(tǒng)的R 型鉑銠熱電偶基本一致。

對薄膜傳感器的溫度特性進行誤差分析與標(biāo)定，如圖7所示，在600～900℃之間進行了3 次溫度循環(huán)試驗，采集上萬組熱電阻與溫度的數(shù)據(jù)進行誤差分析（針對所有的數(shù)據(jù)進行曲線擬合并計算擬合曲線與每組數(shù)據(jù)的方差），可以看到，誤差的分布在3%以內(nèi)。而對薄膜型傳感器的標(biāo)定則采用標(biāo)準(zhǔn)R 型熱電偶，根據(jù)其對應(yīng)的高溫溫度來標(biāo)定薄膜型熱電阻與熱電偶及熱電壓值。在標(biāo)定的過程中，可采用上述方法采集足夠的數(shù)據(jù)進行曲線擬合來達到標(biāo)定目的。

圖5 薄膜傳感器溫度特性測試Fig.5 Temperature measurement of sensors

圖6 傳感器的測溫特性Fig.6 Behaviours of sensors

圖7 薄膜型傳感器的誤差分析Fig.7 Sensor error evaluation

4 振動沖擊試驗

航空發(fā)動機作為飛機的“心臟”，是高速高振動的機械體系，其運行中的振動問題十分突出。渦輪葉片是發(fā)動機中的重要組件，它在工作中受到較高的離心負(fù)荷、氣動負(fù)荷以及振動交變負(fù)荷等作用，其高振動狀況尤為突出[13]。航空發(fā)動機渦輪葉片的高振動起因非常復(fù)雜，既有轉(zhuǎn)子不平衡、軸承、齒輪碰磨引起的機械激振力原因，亦存在氣體流經(jīng)發(fā)動機通道時產(chǎn)生的氣體激振力（含燃燒不均、振蕩燃燒及噪聲導(dǎo)致的隨機撤振力[14–15]）原因。這些關(guān)于航空發(fā)動機振動的初期試驗為選定葉片傳感器的試驗方案提供了參考。

首先，根據(jù)葉片的形貌和尺寸加工了固定的夾具，以確保在振動和沖擊試驗的整個動態(tài)過程中帶有傳感器的葉片能穩(wěn)定地固定在測量系統(tǒng)中。圖8是振動與沖擊臺的夾具及固定在臺面上的帶有傳感器和焊接連線的渦輪葉片，夾具的榫槽和葉片的邊緣尺寸線對應(yīng)，夾具兩端可以根據(jù)葉片的寬度微調(diào)。振動和沖擊傳感器被固定在振動臺上，用來監(jiān)控和檢測振動的頻率與強度，通過加速度或速度傳感器來測量振動信號[16]。加速度或速度傳感器固定在振動基座上，由發(fā)動機渦輪葉片、傳感器、焊接引線、固定夾具、振動與沖力傳感器、振動基座構(gòu)成一個完整的振動沖擊測試構(gòu)件系統(tǒng)（圖9）。電動振動試驗系統(tǒng)EVST（Electro-dynamic Vibration Test System）的額定沖擊力是100kN，頻率范圍為1～2700Hz，最大加速度可達100g，最大位移為51mm，最大負(fù)載為800kg。垂直沖擊試驗臺VST（Vertical Shock Tester）的最大負(fù)載值為100g，沖擊脈沖的持續(xù)時間范圍為1.5～40ms，峰值加速度可達600g，此沖擊臺可執(zhí)行常規(guī)的半正弦波、后峰鋸齒波等波形沖擊試驗。抗振動指標(biāo)范圍界定在10～2000Hz，40g。鑒于設(shè)備的最大位移限制為51mm，在低頻段把振動強度調(diào)整為6g，隨著頻率的增加，振動強度逐漸增加至40g。振動沖擊試驗過程有3 部分：（1）3min 掃頻：振動頻率由10Hz 逐漸升至2000Hz，然后回掃至10Hz；（2）在270Hz、40g的條件下，振動20min；（3）沖擊試驗的沖擊強度定為100g，8ms，半正弦波，帶有傳感器的葉片分別沖擊5 次。

圖8 振動沖擊臺上的薄膜傳感器固定方式Fig.8 Fixture of sensors on vibration plat form

振動與沖擊驗證試驗的過程為：利用萬用表測量和比較振動沖擊前后的電阻值，如果連接沒有斷開，電阻值一致，說明結(jié)合力滿足振動沖擊要求。這項結(jié)合力包含了3 項內(nèi)容：薄膜和葉片表面的結(jié)合力、焊點的結(jié)合力、連線的結(jié)合力和抗振動能力。任何一項出了問題，都可能會使得測量的電阻值發(fā)生變化，所以每一次振動與沖擊試驗前后都要用萬用表驗證傳感器的連接特性。室溫下熱電阻的電阻信號值為85Ω，熱電偶的電阻連接值為12Ω，先后進行了5 次振動與沖擊試驗，結(jié)果表明在振動沖擊試驗前后的連接情況沒有改變，雖然在視覺上躺著的連線已經(jīng)在振動的過程中豎立起來，但是并沒有折斷的現(xiàn)象，同時薄膜在葉片上的附著也很穩(wěn)定，沒有產(chǎn)生脫落現(xiàn)象，這表明該葉片原位溫度傳感器可以經(jīng)受住非?？量痰恼駝优c沖擊試驗指標(biāo)。

5 航空發(fā)動機燃燒室內(nèi)的傳感器測試

將帶有MEMS 薄膜傳感器的一導(dǎo)葉片植入到渦輪發(fā)動機燃燒室內(nèi)進行航空發(fā)動機燃動環(huán)境下的熱流試驗，熱流量為1.24L·J/（kg·K），流速51～56m/s（相當(dāng)于16 級風(fēng)速），測試系統(tǒng)的安裝如圖10所示。結(jié)果表明，嵌入式MEMS 傳感器可以在0.5MPa 和流量為0.5kg/s的環(huán)境下檢測到1200℃的表面溫度。傳感器在兩次從低溫到1200℃的循環(huán)后在峰值溫度（1200℃）停留了10min，并顯示出可靠的溫度讀數(shù)。試驗完畢后，觀察安裝在噴嘴導(dǎo)向葉片表面的傳感器，看上去與試驗前幾乎相同，此后對導(dǎo)向葉片表面的MEMS 傳感器進行了實驗室驗證工作，結(jié)果表明，該傳感器仍然可以在高溫下繼續(xù)輸出圖5所示的正常溫度特性。

圖9 振動試驗測試裝置Fig.9 Vibration test platform

圖10 傳感器、發(fā)動機燃燒室及其連接系統(tǒng)Fig.10 MEMS sensors and wiring installation inside the combustion chamber

6 結(jié)論

采用MEMS 微集成技術(shù)在航空發(fā)動機渦輪葉片表面成功地制作了薄膜高溫溫度傳感器，在此制作過程中攻克了兩項關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)，第1 是渦輪葉片高溫絕緣層技術(shù)，第2 是葉片表面曲面光刻技術(shù)。在渦輪一導(dǎo)葉片上制作的Pt 熱電阻與Pt/PtRh 熱電偶薄膜傳感器可以穩(wěn)定地測量高達1200℃的溫度。該傳感器在航空發(fā)動機燃燒室氣動環(huán)境下亦能夠可靠地測量參數(shù)，而且在之后長達10h 的熱循環(huán)試驗中，讀數(shù)仍然可靠穩(wěn)定、重復(fù)性好。該渦輪葉片表面MEMS 原位集成的薄膜傳感器也承受住了10～2000Hz、40g的振動測試及8g的半正弦波沖力測試。

因此，可以推廣該傳感器用于航空發(fā)動機燃燒室及其渦輪部位進行高溫溫度測量。該傳感器尺寸小且可以批量地形成傳感器陣列，盡可能地避免了傳感器對氣動環(huán)境的擾動及葉片本身的破壞，而且便于安裝和連接。

致謝

本項目是在中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司及北航能源動力與工程學(xué)院的大力幫助下完成的。此外，非常感謝上海交通大學(xué)微納院高均超、北京航空航天大學(xué)王志超、蘇州泰斯特測控科技有限公司毛成龍和沈杰、上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院靜波的大力協(xié)助。