[發(fā)明專利]一種薄膜傳感器用復(fù)合絕緣層及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710136413.6
• 申請日: 2017-03-09
• 公開（公告）號: CN107012425B
• 公開（公告）日: 2020-02-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔣洪川;雷康;王洪敏;趙曉輝;蔣書文;張萬里
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: C23C14/08
• 分類號: C23C14/08;C23C14/34
• 代理公司: 51203 電子科技大學(xué)專利中心
• 代理人: 甘茂

本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，提供一種薄膜傳感器用復(fù)合絕緣層及其制備方法，用以克服現(xiàn)有技術(shù)中由于絕緣層與敏感功能層熱膨脹系數(shù)失配導(dǎo)致功能層高溫附著力差的難題；本發(fā)明復(fù)合絕緣層由自下而上依次重疊的熱生長Al₂O₃層和SiAlO成分梯度層組成，沿薄膜生長方向，所述SiAlO成分梯度層的成分中硅含量遞增、同時鋁含量遞減。本發(fā)明復(fù)合梯度絕緣層的熱膨脹系數(shù)可隨成分的漸變而發(fā)生漸變，實現(xiàn)與不同敏感功能層材料熱膨脹系數(shù)匹配的需要，減小絕緣層與敏感功能層之間因熱膨脹系數(shù)失配而產(chǎn)生熱應(yīng)力，提高薄膜傳感器的附著力；在高溫條件下，可有效保證薄膜傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，降低器件的失效幾率，延長薄膜傳感器的使用壽命。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是關(guān)于航空發(fā)動機渦輪葉片等熱端部件表面狀態(tài)參數(shù)測試用薄膜傳感器，此類薄膜傳感器可用于測量航空發(fā)動機渦輪葉片等熱端部件表面的溫度、應(yīng)力等參數(shù)的分布狀況，為發(fā)動機設(shè)計、驗證以及維護提供相關(guān)測試技術(shù)支撐；具體提供一種薄膜傳感器用復(fù)合絕緣層及其制備方法。

背景技術(shù)

航空發(fā)動機是航空飛行器的核心部件，發(fā)動機內(nèi)部的渦輪葉片等熱端部件長期工作在燃氣燃燒而產(chǎn)生的高溫、高壓、強氣流沖刷等惡劣環(huán)境中，葉片表面的溫度、應(yīng)力等參量分布情況將對發(fā)動機的性能和壽命產(chǎn)生重要影響。為了驗證發(fā)動機的燃燒效率、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計以及熱障涂層性能的優(yōu)劣，準(zhǔn)確測量工作狀態(tài)下發(fā)動機渦輪葉片表面、燃燒室內(nèi)壁等熱端部件的溫度、應(yīng)變等參數(shù)分布狀況對發(fā)動機的設(shè)計、試驗及維護等環(huán)節(jié)至關(guān)重要。

薄膜傳感器通過多層復(fù)合膜的形式與渦輪葉片等熱端金屬結(jié)構(gòu)部件進行結(jié)構(gòu)-功能一體化集成，采用薄膜技術(shù)與圖形化工藝，在Ni基合金基底至上依次為沉積的NiCrAlY過渡層、熱生長Al₂O₃層、絕緣層、敏感功能層和保護層。其具有結(jié)構(gòu)尺寸小(厚度為μm量級)、熱容小、響應(yīng)迅速、測量精度高、可多點測量、對測量環(huán)境干擾小、不破壞測試結(jié)構(gòu)件的物理性能等諸多優(yōu)點，成為目前航空發(fā)動機渦輪葉片等熱端部件表面參數(shù)測量方法的首選。目前，在航空發(fā)動機薄膜傳感器領(lǐng)域，在溫度測量技術(shù)方面，熱電偶材料體系主要有中、低溫NiCr/NiSi系K型熱電偶，高溫PtRh/Pt系S型、R型熱電偶，In₂O₃/ITO系等陶瓷熱電偶，超高溫條件下主要材料體系為WRe系熱電偶；在應(yīng)變測試技術(shù)方面，常采用NiCr、PdCr合金，TaN等氮化物以及ITO等氧化物陶瓷材料制作應(yīng)變計。

對于多層膜結(jié)構(gòu)的薄膜傳感器而言，薄膜傳感器的附著力是其在高溫、高壓、強氣流沖刷的惡劣環(huán)境條件下能否實用的前提和影響其使用壽命的關(guān)鍵要素之一。隨著航空發(fā)動機不斷向高馬赫、高推重比、高可靠性的方向發(fā)展，其熱端部件所處的工作環(huán)境越來越惡劣。因而，對于多層膜結(jié)構(gòu)的薄膜傳感器而言，薄膜傳感器不同膜層之間附著力的要求也隨之越來越高。而在上述溫度、應(yīng)變等測試技術(shù)中，不同敏感功能層材料之間的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，無法都與絕緣層Al₂O₃熱膨脹系數(shù)形成較好的適配。在高溫條件下，由于兩者熱膨脹系數(shù)之間較大差異，薄膜內(nèi)會產(chǎn)生較大熱應(yīng)力，使得敏感功能層與絕緣層之間附著力減弱，無法長時間抵御強氣流沖刷而脫落，從而影響傳感器的使用壽命；即對于不同的敏感功能材料，均單一地使用Al₂O₃薄膜作為敏感功能層薄膜沉積的界面，并不能滿足薄膜傳感器膜層之間附著力的要求。針對不同的敏感功能材料，需進一步優(yōu)化和改善熱膨脹失配情況，提高附著力，以使得其能夠長時間有效抵御高溫強氣流沖刷，延長薄膜傳感器的使用壽命。隨著航空發(fā)動機測試技術(shù)的不斷發(fā)展，對薄膜傳感器的技術(shù)要求也越來越高，絕緣層的功能已不僅僅局限在滿足絕緣性能本身，而是在滿足絕緣性能要求的基礎(chǔ)上，開發(fā)具有抗氧化、熱膨脹系數(shù)適配等功能新型絕緣層將成為航空發(fā)動機薄膜傳感器技術(shù)領(lǐng)域的研究關(guān)鍵技術(shù)之一。

發(fā)明內(nèi)容