[發明專利]金屬氮化物薄膜超聲波溫度傳感器及測溫方法

在審

• 申請號: 202310142659.X
• 申請日: 2023-02-21
• 公開（公告）號: CN116026489A
• 公開（公告）日: 2023-04-28
• 發明（設計）人: 瓦西里·帕里諾維奇;許暢;楊兵;曾曉梅;張翔宇;姜楊慧;王晨陽;張俊;黃家輝
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01K11/22
• 分類號: G01K11/22
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 楊震

本申請公開了金屬氮化物薄膜超聲波溫度傳感器及測溫方法。該溫度傳感器的材料為金屬氮化物的壓電涂層，通過涂層表面所激發的超聲波的變化(包括壓電信號強度、聲時延遲、聲波頻率大小)表征溫度的變化，以實時反饋出待測溫度。本技術方案提供了寬溫域范圍內穩定運行的金屬氮化物薄膜超聲波溫度傳感器，實時監測溫度，實現溫度變化在線預警，防止因為高溫蠕變、結構斷裂而造成的嚴重后果。

技術領域

本申請涉及溫度測量的技術領域，尤其涉及氮化物薄膜超聲波溫度傳感器及測溫方法。

背景技術

航空航天發動機等長期在高溫、高壓、高負荷、高轉速狀態下工作，會導致熱端部件的可靠工作壽命減少，材料強度降低導致熱端材料蠕變甚至發生斷裂，造成嚴重的后果。因而準確測量部件所處溫度，實現性能監控、壽命預測，減少因為高溫造成的事故，具有重要意義。

針對航空發動機內部的復雜環境，已開發出了多種測溫技術。最成熟的有晶體測溫技術、示溫漆測溫法、熒光測溫法、輻射測溫技術等。

然而，晶體測溫技術所用的晶體需要埋沒于被測物，因而要在被測物表面開孔，會在很大程度上破壞被測物，降低壽命，對被測物的強度具有相當大的要求。示溫漆測溫法通過示溫涂料顏色的變化衡量環境溫度，只能測量熱端部件最高溫度，無法進行實時監測，溫度分辨率低；其次不可逆示溫漆不能連續使用，每次測溫均需要拆卸葉片才能進行涂漆和判讀，同時示溫漆的顏色變化會受到加熱速度、時間、環境污染的影響，導致其測溫精度低于一般的測溫方法。而且示溫漆顏色判讀過程受人為經驗因素干擾，精度較低。熒光測溫法存在熒光材料和耦合的問題，暫時無法應用于航空發動機渦輪葉片測溫。輻射測溫技術是通過收集被測物體表面發出的熱輻射量，得到溫度值的方法。但其易由于空氣中的氣體吸收而散失輻射，同時也容易受其他物體的反射輻射影響，測溫精度需要進一步提升。

因此，需要發展更為有效的實時溫度測量技術以獲取航空航天發動機葉片溫度場分布情況，實現實時溫度監測。

發明內容

有鑒于此，本申請提供金屬氮化物薄膜超聲波溫度傳感器及測溫方法，能夠通過金屬氮化物的壓電涂層表面所激發的超聲波參數的變化反映待測溫度的影響，進而精確地實時反饋溫度變化。

第一方面，本申請提供一種金屬氮化物薄膜超聲波溫度傳感器，該溫度傳感器包括金屬氮化物的壓電涂層，所述壓電涂層被配置成能夠通過涂層所激光的超聲波參數的變化表征溫度的變化，以實時反饋出待測溫度。

第二方面，本申請提供一種測溫方法，采用如上述氮化物薄膜溫度傳感器來實施。

合適但非限制性地，所述實施的過程包括以下步驟：

(1)提供覆于待測物體上的所述壓電涂層，所述壓電涂層的表面覆有電極層，以形成金屬氮化物薄膜超聲波溫度傳感器；

(2)使所述待測物與所述金屬氮化物薄膜超聲波溫度傳感器進行退火；

(3)測量超聲波參數的變化；

(4)根據超聲波參數的變化，反映溫度變化，以實現溫度實時測量。

合適但非限制性地，所述金屬氮化物壓電涂層、電極層的制備方式為射頻磁控濺射。

合適但非限制性地，所述金屬氮化物為AlN和/或AlScN，厚為12-20微米。

合適但非限制性地，所述AlN壓電涂層沉積參數如下：采用Al靶，射頻磁控濺射的功率為600-1000W，沉積氣壓為0.5-4Pa，Ar/O₂為1/3-4/1，腔內溫度為80-250℃，沉積時間為2h-10h，靶材與基底間距為2cm-7cm。