在航空航天領域,一些重要的設備一般在高溫、強烈振動、重油性、強壓力等惡劣環(huán)境中工作。由于這些設備在這種環(huán)境下較長時間的工作,設備的內(nèi)部應力分布不均,導致內(nèi)部出現(xiàn)開裂等暗傷,從而使得整個航空航天器件失效。因此,對航天器件的實時健康檢測變得十分重要。目前,解決這種內(nèi)傷監(jiān)測問題的重要手段是薄膜應變計。通過薄膜應變計電阻的變化我們可以得到待測器件某個位置的應變大小,從而及時發(fā)現(xiàn)并解決應力不均的問題,可以有效地增加被測器件的壽命。傳統(tǒng)的薄膜應變計的襯底一般為剛性金屬材料或者有機聚合物柔性襯底,這兩種薄膜應變計無法工作在一些曲面、不平整的并且溫度較高的工作環(huán)境中。為了滿足高溫曲面環(huán)境應力應變測試的需要,人們對柔性高溫薄膜應變計的需要十分迫切。針對傳統(tǒng)薄膜應變計存在的問題,開展柔性Hastelloy合金基板襯底上制備薄膜應變計的研制。實驗首先采用射頻磁控濺射的方法,在SiO₂/Si基片上制備NiCr與PdCr兩種應變敏感材料薄膜。研究了濺射氣壓與基片溫度等工藝參數(shù)對兩種應變敏感材料薄膜微觀結(jié)構(gòu)與電學特性的影響,并得到制備最小電阻溫度系數(shù)應變敏感材料薄膜的工藝條件。結(jié)果表明:Ni... 

【文章來源】：電子科技大學四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

SiN襯底上制備PdCr薄膜應變計[13]

電子科技大學碩士學位論文4大。為了解決這個問題，開展了復合薄膜應變敏感材料的研究[15]。隨著溫度的升高，合金材料呈現(xiàn)出了正的電阻溫度系數(shù)，半導體陶瓷呈現(xiàn)出負的電阻溫度系數(shù)。如果兩種材料一起組成復合薄膜，理論上會出現(xiàn)電阻溫度系數(shù)趨近于零的現(xiàn)象。由不同種類的薄膜組成的結(jié)構(gòu)/功能一體化的薄膜應變計示意圖如圖1-2所示。圖1-2電阻溫度系數(shù)較低的多層薄膜應變計結(jié)構(gòu)[15]通過實驗，研究人員對金屬材料PdCr與陶瓷材料TaN相結(jié)合，制備復合薄膜，并進行了對比研究。主要研究了兩種材料薄膜厚度之間的關系對多層薄膜應變計電阻溫度系數(shù)與應變敏感系數(shù)的影響。通過實驗，得出電阻溫度系數(shù)最小值時，PdCr與TaN的厚度比為0.85，此時，電阻溫度系數(shù)的值為-4.5ppm/℃。該數(shù)值已經(jīng)逐漸趨近于0，可以認為這個時候薄膜應變計電阻大小不受溫度影響，經(jīng)過加工得到PdCr薄膜應變計最終產(chǎn)品圖如圖1-3所示。但是由于TaN陶瓷是一個多相材料，隨著溫度升高，其內(nèi)部會發(fā)生難以預測的相變，同時，TaN在高溫條件下易被氧化形成Ta的氧化物，這種氧化物使得薄膜應變計的電阻率增大，這樣會帶來TaN薄膜應變計電阻的異常變大，使得應變傳感器出現(xiàn)誤差。因此，復合材料的薄膜應變計不能應用于更高溫度的測試。NASA并沒有放棄對復合薄膜應變計的研究，在后來的實驗里，為了讓這種薄膜應變計應用在更高的溫度下，NASA制備了更多層數(shù)的復合薄膜，以改變其薄膜的電學性能，但是TaN薄膜的氧化問題仍然不能得到很好的解決，最高的測試溫度也沒有超過800℃。

第一章緒論5圖1-3PdCr/TaN復合薄膜應變計實物圖[14]2010年，研究人員逐漸將應變敏感材料的目光移動到半導體材料。一些半導體材料可以耐受1500℃以上的高溫，并且仍能夠保持較好的穩(wěn)定性，同時，可以提高薄膜應變計的應變敏感系數(shù)。其中，氧化銦錫(ITO)是這種半導體材料的代表。O.J.Gregory等人[16]研究了氧化銦錫（ITO）為應變敏感材料的薄膜應變計。通過射頻磁控濺射的方法，設置基片溫度為350℃，濺射氣壓為0.8Pa，在氧化鋯基片上制備的ITO薄膜應變計。最終，制備出的應變傳感器的實物圖如圖1-4所示。主要進行了測試溫度從350℃-1500℃，應變范圍從0-1000με的拉伸與壓縮的應變測試。實驗結(jié)果表明：在1200℃時，ITO薄膜應變計的電阻溫度系數(shù)為1300ppm/℃，應變敏感系數(shù)為5.8。同時，研究了O2在制備薄膜過程中分壓的多少對ITO薄膜電阻溫度系數(shù)與應變敏感系數(shù)的影響，結(jié)論為：ITO薄膜制備過程中，隨著氧分壓的增加，ITO薄膜應變計的電阻溫度系數(shù)呈現(xiàn)出了一個先減小后增大的趨勢，應變敏感系數(shù)也逐漸增大后保持一個相對平穩(wěn)的趨勢。當氧分壓為O2:Ar=1:24的時候，其電阻溫度系數(shù)最校雖然ITO具有較大的應變敏感系數(shù)，能夠在較高的溫度下工作，但是即使采用了半導體的自補償技術，周圍溫度的變化也會給ITO薄膜應變計帶來較大的誤差。2020年P.Schmid[17]等人重新開始復合薄膜應變計進行研究，與之前NASA選擇的材料不同，它們選擇了AlN與Pt作為應變敏感材料。其中，AlN具有負的電阻溫度系數(shù)，Pt具有正的電阻溫度系數(shù)，并主要研究了AlN與Pt的厚度比對多層復合薄膜應變計的影響。制備了10層厚度為3nmAlN與7nmPt和5nmAlN與5nmPt的復合薄膜體系，采用的襯底為SiO2基片與藍寶石基片。利用Van-der-Pauw測量方法，研究了不同多層膜電阻率與電阻溫?

【參考文獻】：
期刊論文
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碩士論文
[1]第二代高溫涂層導體用金屬基帶織構(gòu)和表面光潔度的研究[D]. 王盼.北京工業(yè)大學 2016
[2]高溫鎳基合金襯底上制備C軸取向AlN薄膜研究[D]. 姜建英.電子科技大學 2016
[3]渦輪葉片應變測量用NiCr薄膜應變計的研制[D]. 周勇.電子科技大學 2014



本文編號：3532887