【摘 要】
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一些热端部件具有结构复杂、空间狭小等特点而不易使用红外测温、丝式热电偶等常规测温方式进行温度测量,如高速转轴、航空发动机等,同时获取这些热端部件表面温度信息对于监测部件工作状态、热仿真验证等环节又至关重要。因此能够工作在较高温度区间,并且易于与异构部件集成的柔性薄膜传感器在上述极端环境下拥有重要的研究价值和广泛的应用前景。本文以复杂热端部件表面温度测试为研究背景,选取柔性哈氏合金基带作为基底,结合
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一些热端部件具有结构复杂、空间狭小等特点而不易使用红外测温、丝式热电偶等常规测温方式进行温度测量,如高速转轴、航空发动机等,同时获取这些热端部件表面温度信息对于监测部件工作状态、热仿真验证等环节又至关重要。因此能够工作在较高温度区间,并且易于与异构部件集成的柔性薄膜传感器在上述极端环境下拥有重要的研究价值和广泛的应用前景。本文以复杂热端部件表面温度测试为研究背景,选取柔性哈氏合金基带作为基底,结合薄膜热电阻具有尺寸小、易集成等优点开展了Pt薄膜温度传感器设计、制备及性能研究,并对比了哈氏合金基带与陶瓷基底上Pt薄膜温度传感器的区别。首先,对薄膜的制备工艺进行了研究。通过工艺优化,得到较优的Pt薄膜制备工艺,并分析退火对薄膜的影响,退火后Pt薄膜晶粒明显生长,电阻率也明显降低;优化了Ni Cr Al Y合金过渡层析铝氧化工艺,不仅有利于后续绝缘层制备,也提升了传感器与基带之间的附着力,还降低了金属基底与绝缘层之间的应力;采用Al ON/Al2O3复合绝缘层进行功能层与基底绝缘处理,非晶Al ON能阻挡高温及溅射过程的金属原子扩散和释放热冲击及弯折时产生的应力,氧化铝是一种优良的高温绝缘层,复合绝缘层在保障高温绝缘性同时具备优异的应力释放作用,在800℃下绝缘电阻仍大于1MΩ。其次,进行了传感器的制备及稳定性研究。对传感器图形化设计后,明确了传感器的尺寸大小以及传感器的厚度,并进行传感器制备。研究了退火对于器件稳定性的影响,通过标定测试确定了较优的退火温度为600℃,退火后器件的稳定性及线性度得到较大的提升,同时相较于其它退火温度传感器TCR值达到了其中最高的2790ppm/℃。又进一步研究了保护层对传感器稳定性的影响,采用反应溅射的方式在传感器表面制备了一层氧化铝保护层,并在相同标定环境下进行标定,随着标定循环次数的增加,有保护层的样品在标定次数增加仍表现出较好的稳定性,由于保护层起到了降低环境中氧扩散速率的作用,说明保护层对于增加器件的稳定性起到了较好的作用。同时在一些恶劣环境下保护层能够起到增加传感器的使用寿命的作用,对功能层起到一定的保护作用。最后,对温度传感器迟滞性能、抗弯折性能及响应时间进行了测试分析。柔性哈氏合金基带上温度传感器最大迟滞约为1%,优于传统陶瓷基上温度传感器,在同样较优的退火温度下,哈氏合金基带上的传感器从室温到550℃标定温度区间比氧化铝陶瓷基底上的传感器表现出更好的线性度,更好的稳定性以及更小的热滞性,其非线性度仅为0.07%;同时哈氏合金基带上温度传感器在弯折测试过程中最大弯折曲率为2cm-1,在最大弯折下电阻变化较小,且随着弯折曲率的增加电阻变化率减小,经过八次半小时以上弯折后传感器薄膜仍附着完好,具有较好的抗弯折性;此外薄膜温度传感器还具有较快的响应,响应时间为247μs。其相较于传统的温度传感器具有响应快,体积小,易于与大部件集成等优点,同时耐高温兼具较好的柔韧性,还能通过电焊的方式集成在一些不规则热端部件表面,不影响其表面流场,有利于解决一些高温复杂表面的测温问题。
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