快速響應(yīng)貴金屬薄膜熱電偶的研制

摘要:為滿足高端武器裝備壁面快速測溫的需要,研制一種貴金屬鉑-鉑銠快速響應(yīng)薄膜熱電偶,。利用離子束濺射沉積鉭過渡層,、鉑-鉑銠敏感功能層和氧化鋁保護(hù)層,以光刻掩膜形成熱電偶圖形,再采用鉑漿燒結(jié)引線和釉料封接,制備出熱電偶樣件,最終對樣件進(jìn)行微觀分析、靜態(tài)標(biāo)定和動態(tài)標(biāo)定,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱電偶的靜態(tài)溫度性能與標(biāo)準(zhǔn)R型熱電偶測試曲線吻合度較高,薄膜熱電偶的動態(tài)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到50ms量級,薄膜熱電偶在600~1200℃范圍精度約0.9%,。所研制的快速響應(yīng)貴金屬薄膜熱電偶具有快速響應(yīng)和精度高高溫測試等特點(diǎn),可解決武器裝備壁面高溫快速測量的問題。
1引言
　　溫度參數(shù)測量很重要,測量方式也很多,但部分高端領(lǐng)域的溫度測量卻缺乏有效的手段,，如發(fā)動機(jī)內(nèi)壁,、超音速飛機(jī)外壁、導(dǎo)彈火箭外壁,、航天飛機(jī)外壁的表面溫度測量等,，要求溫度傳感器具有測量溫度高、熱動態(tài)響應(yīng)時(shí)間短,、靈敏度高體積小、集成方便等功能,而目前國內(nèi)相關(guān)測試技術(shù)尚在起步階段,。隨著薄膜技術(shù)的飛速發(fā)展,，薄膜溫度傳感器成為解決這一系列苛刻問題"的可能途徑。為此,，提出一種新型貴金屬薄膜熱電偶,，其熱電極和熱結(jié)點(diǎn)均為微米量級貴金屬薄膜，通過對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行合理設(shè)計(jì),研制出適用的產(chǎn)品,具有良好的性能,。薄膜式熱電偶可沉積在相關(guān)被測表面,，對原有溫度場影響小，增強(qiáng)產(chǎn)品抗干擾能力,，延長使用壽命,尤其適合各種壁表面瞬態(tài)溫度測量,。
下文將對其技術(shù)路線及產(chǎn)品性能試驗(yàn)結(jié)果展開介紹。
2.設(shè)計(jì)原理
　　薄膜熱電偶的測溫原理是基于熱電偶的熱電效應(yīng),即通過將吸收的熱量轉(zhuǎn)化為熱電勢輸出來測量溫度,。熱電偶產(chǎn)生的熱電勢,也稱作塞貝克電勢,是由珀?duì)栙N電勢和湯姆遜電勢共同組成的,。將兩種不同的導(dǎo)體A和B連接在一起組成一個(gè)閉合回路,，在A和B的接觸面由于兩種導(dǎo)體的自由電子密度不同,會發(fā)生自由電子的擴(kuò)散,即產(chǎn)生珀?duì)栙N電勢,其中自由電子密度以及界面間自由電子擴(kuò)散速率與所處溫度有關(guān)。在-段均勻?qū)w上施加一定的溫度梯度,令導(dǎo)體兩端的溫度不同,由于導(dǎo)體中自由電子的擴(kuò)散速率受到溫度的影響,高溫區(qū)域的電子擴(kuò)散速率將會大于低溫區(qū)域,使得電子總體呈現(xiàn)出由高溫區(qū)域向低溫區(qū)域擴(kuò)散的效果,此時(shí)在導(dǎo)體的兩端即會產(chǎn)生湯姆遜電勢,。
　　薄膜熱電偶與普通絲狀熱電偶相似,，由兩種不同材料的薄膜電極A和B首尾相連組成閉合回路，當(dāng)回路兩接點(diǎn)溫度不同時(shí),在薄膜回路中將產(chǎn)生熱電動勢EAB,且有
 
式中:
SAB(T)----薄膜熱電偶的塞貝克系數(shù);
SA(T)----薄膜電極A的絕對熱電勢率;
SB(T)----薄膜電極B的絕對熱電勢率;
θ----薄膜熱電偶熱端溫度;
Θ0----薄膜熱電偶冷端溫度,。
3技術(shù)路線
　　基片在加工及裝片等工藝過程難免受到劃傷出現(xiàn)亞微米劃痕,。在其表面直接淀積貴金屬熱電偶薄膜將導(dǎo)致不均勻,甚至不連續(xù)的缺陷,這在高溫環(huán)境下是最薄弱的失效部位。因此需淀積過渡薄膜層以保證熱電偶薄膜在高溫條件下的穩(wěn)定性,增強(qiáng)熱電偶薄膜與基片的結(jié)合力,改善薄膜和基片的應(yīng)力匹配,。隨后,在過渡層表面制備鉑和鉑銠熱電偶薄膜,。所研制的高溫?zé)犭娕脊ぷ髟诟邷丨h(huán)境下,為了保持熱電偶的性能穩(wěn)定,需在熱電偶薄膜表面制備Al2O3保護(hù)膜。薄膜熱電偶膜層結(jié)構(gòu)如圖1所示,，由氧化鋁基體,、過渡膜層(Ta)、薄膜熱電偶(Pt-PtRh13),、保護(hù)膜(Al2O3),、以及引線(Pt和PtRh13絲)等構(gòu)成-。所設(shè)計(jì)的快速響應(yīng)貴金屬薄膜熱電偶如圖2所示,。
 
　　所設(shè)計(jì)的快速響應(yīng)貴金屬薄膜熱電偶制備工藝如下:首先對氧化鋁(99瓷)基體表面進(jìn)行拋光處理,而后將Al2O3陶瓷基體置于丙酮,、酒精和去離子水中分別超聲清洗10min，后用干燥的氮?dú)獯蹈商沾苫砻娌⒅糜诤嫦渲泻娓?基片表面進(jìn)行離子束清洗,并采用離子束濺射鍍膜的方式沉積過渡層,。采用光刻工藝在基片表面制備PtRh;掩膜圖形,通過離子束濺射鍍膜方式沉積PtRh;電極材料,與Pt-Rh電極采用相同的圖形化方法和離子束濺射鍍膜方法制備Pt電極;芯片進(jìn)行熱處理工藝,隨后沉積Al2O3保護(hù)膜;熱電偶電極采用具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的鉑漿及鉑和鉑銠絲連接引出電信號,，并通過釉料燒結(jié)進(jìn)行固定，完成封裝的薄膜熱電偶進(jìn)行相應(yīng)的性能測試,。具體工藝流程見圖3,。
 
4分析與試驗(yàn)結(jié)果
4.1膜層微觀分析
　　快速響應(yīng)貴金屬薄膜熱電偶Pt-PtRh;3分別于600℃、700℃,、800℃,、900℃進(jìn)行熱處理，并在高溫下保溫60min,然后對不同溫度熱處理的薄膜熱電偶進(jìn)行常溫電阻值測量及薄膜顯微形貌觀測分析,。如圖4所示為薄膜熱電偶電阻值與熱處理溫度關(guān)系曲線,，其中1#、2#樣品分別為初始電阻640和730的薄膜Pt-PtRh;熱電偶,通過兩個(gè)樣本的阻值變化及形貌變化可反映出熱處理工藝對樣品的影響,。圖5為1#樣品經(jīng)不同溫度熱處理后薄膜熱電偶顯微形貌圖,。
 
　　從圖4可見，隨著熱處理溫度的升高,電阻值逐漸降低;隨著溫度進(jìn)-步升高電阻值反而升高,。這是因?yàn)?00℃~800℃熱處理使熱電偶膜層缺陷減少,薄膜更加連續(xù)致密,其電阻值逐漸降低;而溫度進(jìn)一步升高至800℃~1000℃時(shí),，在此高溫下Rh發(fā)生氧化以及晶粒異常長大,甚至出現(xiàn)晶粒離散不連續(xù),形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等,導(dǎo)致熱電偶薄膜電阻值持續(xù)升高。從圖5可見800℃熱處理的熱電偶薄膜在整個(gè)熱處理溫度區(qū)間最致密?？梢姳∧犭娕急∧び?00℃熱處理時(shí)其阻值達(dá)到最低,膜層致密化程度也較高,。
　　將薄膜熱電偶在800℃熱處理溫度條件下分別保溫30min、60min.90min,觀察其表面形貌并考察保溫時(shí)間對薄膜質(zhì)量的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示,。從圖可見在該熱處理溫度下60min的熱處理時(shí)間可令熱電偶薄膜膜層最致密,。
 
　　綜上分析，研制的貴金屬薄膜熱電偶在熱處理溫度800℃,、保溫時(shí)間60min的條件下熱電偶薄膜阻值較低,致密度最高,為較優(yōu)的制備工藝條件,。
4.2靜態(tài)溫度特性
　　如圖7所示進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。將待標(biāo)定薄膜熱電偶與二等標(biāo)準(zhǔn)熱電偶或A級標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電阻對應(yīng)放人水槽,、油槽和檢定爐的同一溫度場中,它們的冷端分別置于0℃的冰點(diǎn)器中,，調(diào)節(jié)精度高溫控儀使溫場達(dá)到檢定點(diǎn)溫度，待溫度恒定后,用數(shù)字萬用表測量標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及待測薄膜熱電偶的熱電勢值,。測試結(jié)果曲線及數(shù)據(jù)見圖8及表1,。
 
　　由圖8和表1可知，薄膜熱電偶與標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電勢輸出基本相同,曲線也吻合得很好,通過離子束濺射沉積的薄膜熱電偶基本.上能夠達(dá)到絲狀R型標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的水平,。
 
　　選擇與薄膜熱電偶同材質(zhì)的絲狀R型熱電偶的分度表作為標(biāo)準(zhǔn),將薄膜熱電偶測量數(shù)據(jù)與該標(biāo)準(zhǔn)分度表對比,計(jì)算其精度,見表2,。
 
　　由表2可知,薄膜熱電偶在600~1200℃間的測量精度達(dá)到0.89%FS。
4.3動態(tài)響應(yīng)
　　提出一種電加熱水冷溫階動態(tài)響應(yīng)測試方法,測試原理見圖9,。把薄膜熱電偶本身作為加熱電阻,給其一定的電壓,使其自加熱到一定溫度,然后斷掉加熱電源,接通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),接著用噴槍噴射高速水流于熱電偶結(jié)點(diǎn)處,人為給薄膜熱電偶結(jié)點(diǎn)處制造從高溫到低溫的溫階,通過作圖法,計(jì)算出τ值,。取1#樣品測試處理,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10所示。
 
 
　　由圖10可見,，傳感器動態(tài)響應(yīng)時(shí)間Tas處于50ms量級,完全可以滿足目前諸多領(lǐng)域?qū)囟葴y試的快速響應(yīng)要求,。
4.4高溫穩(wěn)定性
　　取1#薄膜熱電偶樣品,在常溫狀態(tài)下直接放人1200℃高溫爐中,高溫爐保溫,觀測1h過程中薄膜熱電偶熱電勢變化,可知其高溫穩(wěn)定性,見圖11。
 
　　由圖11可知,在1200℃高溫下,經(jīng)過1h觀測,，薄膜熱電偶熱電勢輸出變化很小,，最大誤差0.5%。前15min(包含溫度源2~39℃變化),溫度向上波動約為0.618%(7.414℃),，溫度向下波動約-0.112%(-1.343℃);后50min,溫度向.上波動約為0.235%(2.82℃),溫度向下波動約-0.0371%(-0.445℃),。
4.5小結(jié)
　　Pt-PtRhy3貴金屬薄膜熱電偶經(jīng)溫度800C、保溫時(shí)間60min熱處理,，可得到膜層微觀結(jié)構(gòu)缺陷少、質(zhì)量較好,、性能穩(wěn)定的結(jié)果;薄膜熱電偶的靜態(tài)溫度性能與標(biāo)準(zhǔn)R型熱電偶測試曲線吻合度較高,，可以沿用標(biāo)準(zhǔn)R型的分度表;薄膜熱電偶的動態(tài)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到50ms量級;研制產(chǎn)品在600~1200℃范圍內(nèi)精度約0.9%;在1200℃連續(xù)工作lh條件下輸出漂移小于1%。
5結(jié)束語
　　利用離子束濺射薄膜沉積技術(shù)制備了貴金屬鉑-鉑銠熱電偶,，并對熱電偶進(jìn)行了微觀形貌分析,、靜態(tài)和動態(tài)標(biāo)定測試。測試結(jié)果表明熱電偶的靜態(tài)溫度性能與標(biāo)準(zhǔn)R型熱電偶測試曲線吻合度較高,，薄膜熱電偶的動態(tài)響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到50ms量級,，薄膜熱電偶在600~1200℃范圍內(nèi)精度約0.9%,。研制的薄膜熱電偶具有快速響應(yīng)的特性和精度高溫測試的特點(diǎn),滿足高端武器裝備壁面快速測溫的需要。以此為基礎(chǔ).后續(xù)可在高溫穩(wěn)定性方面做進(jìn)一步深人研究,提高快速響應(yīng)薄膜熱電偶在高溫環(huán)境下長時(shí)間工作的能力,。