超高温薄膜应变传感器关键结构制备

发布时间：2020-11-04 21:56

　　 超高温薄膜应变计是应用于超高温环境,对试件进行应变测量的微型传感器,这种传感器在试件质量评估及改进方面起到至关重要的作用。NASA早在上世纪90年代就开始了超高温薄膜应变计方面的研究,而国内对这方面的研究仍然比较滞后。在超高温薄膜应变计的结构中,绝缘层和敏感层是最重要的两个功能层。本文采用微纳米制造技术,对超高温薄膜应变计的绝缘层和敏感层进行了相关的研究。(1)配制了稳定的氧化铝溶胶,并测试了溶胶的各项物理性质。为了避免溶胶制备的薄膜在热处理过程中开裂,向氧化铝溶胶中加入氧化铝纳米悬浮液,有效消除了裂纹。(2)探究了沉积高度和液体流速等电射流工艺参数对薄膜均匀性的影响,确定了最佳的电射流逐层沉积参数。以100硅片为基底,制备了均匀致密无裂纹的氧化铝绝缘薄膜。为了降低薄膜表面粗糙度,对薄膜表面进行了抛光处理,有效改善了薄膜表面质量。将制备的氧化铝薄膜在1000℃进行高温烧结,获得了高温稳定的α相氧化铝薄膜。在25-1200℃范围内测试了氧化铝薄膜的绝缘电阻。结果表明,在1000℃时氧化铝薄膜的绝缘电阻值在100KΩ左右,满足超高温薄膜应变传感器的测试要求。设计了氧化铝溶胶薄膜/氧化铝混合液薄膜和氮化硅薄膜/氧化铝混合液薄膜两种不同的复合绝缘结构。高温测试表明,在1200℃,两种复合结构的绝缘电阻值分别提高了34%和41%,证明了复合结构的有效性。(3)利用磁控反应溅射在硅基底上制备了氮化钽薄膜。在保持其他磁控溅射参数不变的情况下,通过调节氮分压,获得了不同成分的氮化钽薄膜。探究了氮分压对磁控溅射速率、薄膜表面粗糙度、物相结构及电阻率的影响。使用X射线衍射仪测试了氮化钽薄膜的物相结构,利用场发射扫描电子显微镜观测了薄膜的表面和断面形貌。结果表明:在2%氮分压下,薄膜的物相结构为TaN_(0.1),在3%氮分压下,薄膜的物相结构为Ta_2N,而当氮分压在4-6%的情况下,薄膜的物相结构为TaN。对氮化钽薄膜进行高温热处理。结果表明,薄膜电阻率的范围从80-433μΩ.cm提升到了120-647μΩ.cm。在25-600℃范围内测试了3%氮分压下制备的氮化钽薄膜的电阻温度系数。结果表明,其电阻温度系数为-59ppm/℃。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.2;TP212
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 高温薄膜应变计概述
    1.2 绝缘层研究进展
    1.3 敏感层研究进展
    1.4 氮化钽概述
    1.5 研究内容
2 氧化铝溶胶制备及绝缘薄膜性能表征
    2.1 实验材料和实验设备
        2.1.1 实验材料
        2.1.2 电射流沉积实验装置
        2.1.3 其他实验装置
    2.2 氧化铝溶胶及混合液制备
        2.2.1 氧化铝溶胶制备
        2.2.2 氧化铝悬浮液制备
    2.3 氧化铝溶胶及混合液性质测试
    2.4 绝缘层的绝缘电阻测试
    2.5 绝缘薄膜耐压-温度测试
    2.6 本章小结
3 绝缘薄膜制备与测试
    3.1 电射流沉积工艺流程
    3.2 溶胶性质对薄膜开裂的影响
    3.3 电射流参数对薄膜的影响
        3.3.1 沉积高度对薄膜的影响
        3.3.2 液体流量对薄膜的影响
    3.4 氧化铝薄膜表面形貌及抛光处理
        3.4.1 薄膜表面形貌
        3.4.2 氧化铝薄膜抛光处理
    3.5 氧化铝物相结构测试
    3.6 氧化铝薄膜电性能测试
        3.6.1 氧化铝薄膜绝缘电阻测试
        3.6.2 薄膜耐压-温度特性
    3.7 复合绝缘薄膜设计
    3.8 复合绝缘薄膜制备及绝缘电阻测试
    3.9 本章小结
4 超高温TaN敏感层的磁控溅射制备工艺
    4.1 磁控溅射制备氮化钽敏感层
    4.2 氮分压对氮化钽的影响
        4.2.1 氮分压对溅射速率的影响
        4.2.2 氮分压对薄膜表面粗糙度的影响
        4.2.3 氮分压对薄膜物相结构的影响
        4.2.4 氮分压对薄膜电性能的影响
    4.3 热处理对氮化钽薄膜电阻率的影响
    4.4 氮化钽电阻温度系数测试
    4.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

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本文编号：2870660