高温柔性薄膜应变_温度传感器制备及性能研究.pdf
摘要
摘要
在高超音速飞行器内，存在大量需要进行应变、温度监测的部位，如飞行器
头部、发动机叶片、燃气室等。常用的丝式应变计与丝式热电偶会影响被测部件
表面的结构与气流，且长期工作在这种极端恶劣环境下容易导致器件失效，无法
实时精确测量应变和温度，因此需要研究一种耐高温、高韧性、测量精度高的薄
膜传感器。根据以上需求，本文在柔性合金基带设计并制备了耐高温的薄膜传感
器，用来实现各种复杂表面的应变、温度监测，提升了传感器的应变测量上限与
测温上限。主要研究内容如下：
首先，在柔性合金基带上制备16μm的NiCrAlY过渡层，通过析铝氧化工艺
使合金过渡层中的元素扩散、氧化形成热生长氧化（TGO）层，实现从合金衬底
到陶瓷氧化物绝缘层之间的过渡。通过SEM进行微结构表征，发现热氧化过程中
降低氧气压强至10Pa-100Pa能够有效改善TGO层表面粗糙度，生成结构平整致
密的α-AlO，提高绝缘层的高温绝缘性能和附着力。
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随后采用磁控溅射和原子层沉积（ALD）技术分别制备了YSZ/AlO、ALD
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AlO+YSZ/AlO、AlO+YSZ/AlO、YSZ/AlO+AlO四种复合绝缘层，对其
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进行高温绝缘性能测试。结果表明，下层ALD生长的非晶AlO可以有效减少复
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合绝缘层在高温下的微裂纹与快速导电通道，改善绝缘层的高温绝缘性能，在
800℃时ALDAlO+YSZ/AlO复合绝缘层的绝缘电阻可达4MΩ。而下层的
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YSZ/AlO复合薄膜可以通过YSZ来抑制高温下薄膜相变产生的裂纹与孔洞，从
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而有效提高薄膜柔韧性，保证绝缘性能。
其次，在合金基板上制备PtW薄膜应变计，通过悬臂梁应变测试研究了退火
前后PtW薄膜应变计的应变敏感性能。退火前后PtW薄膜应变计的应变灵敏系数
（GF因子）均随温度升高而降低，退火后下降更显著。室温拉伸应变测试表明在
0~1036.7με范围内，最大误差为1.53%。采用相同制备工艺在柔性合金基带上
制备得到柔性PtW薄膜应变计，通过点焊固定在合金基板上，经过悬臂梁与拉伸
应变测试对比发现，悬臂梁测试的平均应变传递效率为95%，而拉伸测试的平均
应变传递效率仅为67%。在室温~600℃范围内进行高温悬臂梁应变测试，GF因
子同样随温度升高逐渐降低。该柔性PtW薄膜应变计的GF因子在室温下为3.17，
600℃时为1.67。应变测量误差随温度升高逐渐增大，400℃下最大误差为3.38%，
600℃下最大误差为8.28%。证明通过点焊集成柔性PtW薄膜应变计来测量应变
的方法具有可行性。
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最后，研究了丝网印刷PtRh-Pt热电偶的热电性能与烧结温度对薄膜微结构的
影响。在陶瓷衬底上测试丝网印刷PtRh-Pt热电偶的测温上限，在1500℃范围内，
具有良好的线性度与重复性。制备AlO薄膜对热电偶进行保护后，经过五次升
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降温循环，传感器仍未出现失效情况，使用寿命超过80h。在柔性合金基带上丝
网印刷PtRh-Pt热电偶，烧结温度为900℃时薄膜附着力完好，其在900℃范围内
的热电性能