耐高温柔性薄膜应变计的研制
发布时间：2021-12-10 15:24
在航空航天领域,一些重要的设备一般在高温、强烈振动、重油性、强压力等恶劣环境中工作。由于这些设备在这种环境下较长时间的工作,设备的内部应力分布不均,导致内部出现开裂等暗伤,从而使得整个航空航天器件失效。因此,对航天器件的实时健康检测变得十分重要。目前,解决这种内伤监测问题的重要手段是薄膜应变计。通过薄膜应变计电阻的变化我们可以得到待测器件某个位置的应变大小,从而及时发现并解决应力不均的问题,可以有效地增加被测器件的寿命。传统的薄膜应变计的衬底一般为刚性金属材料或者有机聚合物柔性衬底,这两种薄膜应变计无法工作在一些曲面、不平整的并且温度较高的工作环境中。为了满足高温曲面环境应力应变测试的需要,人们对柔性高温薄膜应变计的需要十分迫切。针对传统薄膜应变计存在的问题,开展柔性Hastelloy合金基板衬底上制备薄膜应变计的研制。实验首先采用射频磁控溅射的方法,在SiO2/Si基片上制备NiCr与PdCr两种应变敏感材料薄膜。研究了溅射气压与基片温度等工艺参数对两种应变敏感材料薄膜微观结构与电学特性的影响,并得到制备最小电阻温度系数应变敏感材料薄膜的工艺条件。结果表明:Ni...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SiN衬底上制备PdCr薄膜应变计[13]
电子科技大学硕士学位论文4大。为了解决这个问题，开展了复合薄膜应变敏感材料的研究[15]。随着温度的升高，合金材料呈现出了正的电阻温度系数，半导体陶瓷呈现出负的电阻温度系数。如果两种材料一起组成复合薄膜，理论上会出现电阻温度系数趋近于零的现象。由不同种类的薄膜组成的结构/功能一体化的薄膜应变计示意图如图1-2所示。图1-2电阻温度系数较低的多层薄膜应变计结构[15]通过实验，研究人员对金属材料PdCr与陶瓷材料TaN相结合，制备复合薄膜，并进行了对比研究。主要研究了两种材料薄膜厚度之间的关系对多层薄膜应变计电阻温度系数与应变敏感系数的影响。通过实验，得出电阻温度系数最小值时，PdCr与TaN的厚度比为0.85，此时，电阻温度系数的值为-4.5ppm/℃。该数值已经逐渐趋近于0，可以认为这个时候薄膜应变计电阻大小不受温度影响，经过加工得到PdCr薄膜应变计最终产品图如图1-3所示。但是由于TaN陶瓷是一个多相材料，随着温度升高，其内部会发生难以预测的相变，同时，TaN在高温条件下易被氧化形成Ta的氧化物，这种氧化物使得薄膜应变计的电阻率增大，这样会带来TaN薄膜应变计电阻的异常变大，使得应变传感器出现误差。因此，复合材料的薄膜应变计不能应用于更高温度的测试。NASA并没有放弃对复合薄膜应变计的研究，在后来的实验里，为了让这种薄膜应变计应用在更高的温度下，NASA制备了更多层数的复合薄膜，以改变其薄膜的电学性能，但是TaN薄膜的氧化问题仍然不能得到很好的解决，最高的测试温度也没有超过800℃。
第一章绪论5图1-3PdCr/TaN复合薄膜应变计实物图[14]2010年，研究人员逐渐将应变敏感材料的目光移动到半导体材料。一些半导体材料可以耐受1500℃以上的高温，并且仍能够保持较好的稳定性，同时，可以提高薄膜应变计的应变敏感系数。其中，氧化铟锡(ITO)是这种半导体材料的代表。O.J.Gregory等人[16]研究了氧化铟锡（ITO）为应变敏感材料的薄膜应变计。通过射频磁控溅射的方法，设置基片温度为350℃，溅射气压为0.8Pa，在氧化锆基片上制备的ITO薄膜应变计。最终，制备出的应变传感器的实物图如图1-4所示。主要进行了测试温度从350℃-1500℃，应变范围从0-1000με的拉伸与压缩的应变测试。实验结果表明：在1200℃时，ITO薄膜应变计的电阻温度系数为1300ppm/℃，应变敏感系数为5.8。同时，研究了O2在制备薄膜过程中分压的多少对ITO薄膜电阻温度系数与应变敏感系数的影响，结论为：ITO薄膜制备过程中，随着氧分压的增加，ITO薄膜应变计的电阻温度系数呈现出了一个先减小后增大的趋势，应变敏感系数也逐渐增大后保持一个相对平稳的趋势。当氧分压为O2:Ar=1:24的时候，其电阻温度系数最校虽然ITO具有较大的应变敏感系数，能够在较高的温度下工作，但是即使采用了半导体的自补偿技术，周围温度的变化也会给ITO薄膜应变计带来较大的误差。2020年P.Schmid[17]等人重新开始复合薄膜应变计进行研究，与之前NASA选择的材料不同，它们选择了AlN与Pt作为应变敏感材料。其中，AlN具有负的电阻温度系数，Pt具有正的电阻温度系数，并主要研究了AlN与Pt的厚度比对多层复合薄膜应变计的影响。制备了10层厚度为3nmAlN与7nmPt和5nmAlN与5nmPt的复合薄膜体系，采用的衬底为SiO2基片与蓝宝石基片。利用Van-der-Pauw测量方法，研究了不同多层膜电阻率与电阻温?
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮气流量对C、N共掺杂NiCr合金薄膜微观结构和电性能的影响[J]. 赖莉飞,王金霞,鲍明东. 表面技术. 2019(12)
[2]石油化工用Hastelloy C276焊接接头组织特征及性能[J]. 宁博. 石油化工设备技术. 2019(05)
[3]PdCr薄膜电阻应变计研制及其高温应变敏感性能研究[J]. 刘豪,蒋书文,蒋洪川,赵晓辉,张万里. 传感技术学报. 2017(03)
[4]双层电阻栅SOI应变计的设计及其在煤矿的应用[J]. 付东波,杜涛涛,沈绍群. 工矿自动化. 2016(12)
[5]NiCr高温薄膜电阻应变计制备及耐高温性能研究[J]. 崔云先,张子超,丁万昱,胡晓勇,张启翔. 仪器仪表学报. 2016(07)
[6]NiCrAlY薄膜应变计的研制[J]. 张洁,杨晓东,蒋书文,蒋洪川,赵晓辉,张万里. 传感器与微系统. 2015(04)
[7]镍基高温合金材料的研究进展[J]. 王会阳,安云岐,李承宇,晁兵,倪雅,刘国彬,李萍. 材料导报. 2011(S2)
[8]提升探针式台阶仪计量性能的研究与应用[J]. 朱小平,王蔚晨,杜华,高思田. 计量技术. 2007(03)
[9]数字化智能四探针测试仪的研制[J]. 徐远志,晏敏,黎福海. 半导体技术. 2004(08)
[10]NiCr溅射薄膜内应力的研究[J]. 于映,陈跃. 真空电子技术. 2000(05)
硕士论文
[1]第二代高温涂层导体用金属基带织构和表面光洁度的研究[D]. 王盼.北京工业大学 2016
[2]高温镍基合金衬底上制备C轴取向AlN薄膜研究[D]. 姜建英.电子科技大学 2016
[3]涡轮叶片应变测量用NiCr薄膜应变计的研制[D]. 周勇.电子科技大学 2014
本文编号：3532887
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SiN衬底上制备PdCr薄膜应变计[13]
电子科技大学硕士学位论文4大。为了解决这个问题，开展了复合薄膜应变敏感材料的研究[15]。随着温度的升高，合金材料呈现出了正的电阻温度系数，半导体陶瓷呈现出负的电阻温度系数。如果两种材料一起组成复合薄膜，理论上会出现电阻温度系数趋近于零的现象。由不同种类的薄膜组成的结构/功能一体化的薄膜应变计示意图如图1-2所示。图1-2电阻温度系数较低的多层薄膜应变计结构[15]通过实验，研究人员对金属材料PdCr与陶瓷材料TaN相结合，制备复合薄膜，并进行了对比研究。主要研究了两种材料薄膜厚度之间的关系对多层薄膜应变计电阻温度系数与应变敏感系数的影响。通过实验，得出电阻温度系数最小值时，PdCr与TaN的厚度比为0.85，此时，电阻温度系数的值为-4.5ppm/℃。该数值已经逐渐趋近于0，可以认为这个时候薄膜应变计电阻大小不受温度影响，经过加工得到PdCr薄膜应变计最终产品图如图1-3所示。但是由于TaN陶瓷是一个多相材料，随着温度升高，其内部会发生难以预测的相变，同时，TaN在高温条件下易被氧化形成Ta的氧化物，这种氧化物使得薄膜应变计的电阻率增大，这样会带来TaN薄膜应变计电阻的异常变大，使得应变传感器出现误差。因此，复合材料的薄膜应变计不能应用于更高温度的测试。NASA并没有放弃对复合薄膜应变计的研究，在后来的实验里，为了让这种薄膜应变计应用在更高的温度下，NASA制备了更多层数的复合薄膜，以改变其薄膜的电学性能，但是TaN薄膜的氧化问题仍然不能得到很好的解决，最高的测试温度也没有超过800℃。
第一章绪论5图1-3PdCr/TaN复合薄膜应变计实物图[14]2010年，研究人员逐渐将应变敏感材料的目光移动到半导体材料。一些半导体材料可以耐受1500℃以上的高温，并且仍能够保持较好的稳定性，同时，可以提高薄膜应变计的应变敏感系数。其中，氧化铟锡(ITO)是这种半导体材料的代表。O.J.Gregory等人[16]研究了氧化铟锡（ITO）为应变敏感材料的薄膜应变计。通过射频磁控溅射的方法，设置基片温度为350℃，溅射气压为0.8Pa，在氧化锆基片上制备的ITO薄膜应变计。最终，制备出的应变传感器的实物图如图1-4所示。主要进行了测试温度从350℃-1500℃，应变范围从0-1000με的拉伸与压缩的应变测试。实验结果表明：在1200℃时，ITO薄膜应变计的电阻温度系数为1300ppm/℃，应变敏感系数为5.8。同时，研究了O2在制备薄膜过程中分压的多少对ITO薄膜电阻温度系数与应变敏感系数的影响，结论为：ITO薄膜制备过程中，随着氧分压的增加，ITO薄膜应变计的电阻温度系数呈现出了一个先减小后增大的趋势，应变敏感系数也逐渐增大后保持一个相对平稳的趋势。当氧分压为O2:Ar=1:24的时候，其电阻温度系数最校虽然ITO具有较大的应变敏感系数，能够在较高的温度下工作，但是即使采用了半导体的自补偿技术，周围温度的变化也会给ITO薄膜应变计带来较大的误差。2020年P.Schmid[17]等人重新开始复合薄膜应变计进行研究，与之前NASA选择的材料不同，它们选择了AlN与Pt作为应变敏感材料。其中，AlN具有负的电阻温度系数，Pt具有正的电阻温度系数，并主要研究了AlN与Pt的厚度比对多层复合薄膜应变计的影响。制备了10层厚度为3nmAlN与7nmPt和5nmAlN与5nmPt的复合薄膜体系，采用的衬底为SiO2基片与蓝宝石基片。利用Van-der-Pauw测量方法，研究了不同多层膜电阻率与电阻温?
【参考文献】：
期刊论文
[1]氮气流量对C、N共掺杂NiCr合金薄膜微观结构和电性能的影响[J]. 赖莉飞,王金霞,鲍明东. 表面技术. 2019(12)
[2]石油化工用Hastelloy C276焊接接头组织特征及性能[J]. 宁博. 石油化工设备技术. 2019(05)
[3]PdCr薄膜电阻应变计研制及其高温应变敏感性能研究[J]. 刘豪,蒋书文,蒋洪川,赵晓辉,张万里. 传感技术学报. 2017(03)
[4]双层电阻栅SOI应变计的设计及其在煤矿的应用[J]. 付东波,杜涛涛,沈绍群. 工矿自动化. 2016(12)
[5]NiCr高温薄膜电阻应变计制备及耐高温性能研究[J]. 崔云先,张子超,丁万昱,胡晓勇,张启翔. 仪器仪表学报. 2016(07)
[6]NiCrAlY薄膜应变计的研制[J]. 张洁,杨晓东,蒋书文,蒋洪川,赵晓辉,张万里. 传感器与微系统. 2015(04)
[7]镍基高温合金材料的研究进展[J]. 王会阳,安云岐,李承宇,晁兵,倪雅,刘国彬,李萍. 材料导报. 2011(S2)
[8]提升探针式台阶仪计量性能的研究与应用[J]. 朱小平,王蔚晨,杜华,高思田. 计量技术. 2007(03)
[9]数字化智能四探针测试仪的研制[J]. 徐远志,晏敏,黎福海. 半导体技术. 2004(08)
[10]NiCr溅射薄膜内应力的研究[J]. 于映,陈跃. 真空电子技术. 2000(05)
硕士论文
[1]第二代高温涂层导体用金属基带织构和表面光洁度的研究[D]. 王盼.北京工业大学 2016
[2]高温镍基合金衬底上制备C轴取向AlN薄膜研究[D]. 姜建英.电子科技大学 2016
[3]涡轮叶片应变测量用NiCr薄膜应变计的研制[D]. 周勇.电子科技大学 2014
本文编号：3532887
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