【摘 要】
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高温电阻应变计是在航空发动机、核电站等高温、高压极端环境中监测构件形变情况的主要器件。高温薄膜应变计因其可实现结构/功能一体化、响应迅速、灵敏系数大等优点被广泛应用。为了实现性能优良的薄膜应变计自主设计制备,选择使用耐高温、应变灵敏系数大的氧化铟锡（ITO）陶瓷半导体作为薄膜应变计的敏感材料。本文针对ITO薄膜应变计存在的栅极结构参数不确定性和高温热输出影响性能的问题,探究了敏感栅栅极结构变化对I
【基金项目】
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航空科学基金资助项目（No.2019ZD063001）； 大连市科技创新基金（No.2019J12GX042）； 大连理工大学宁波研究院创新团队项目；
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高温电阻应变计是在航空发动机、核电站等高温、高压极端环境中监测构件形变情况的主要器件。高温薄膜应变计因其可实现结构/功能一体化、响应迅速、灵敏系数大等优点被广泛应用。为了实现性能优良的薄膜应变计自主设计制备,选择使用耐高温、应变灵敏系数大的氧化铟锡（ITO）陶瓷半导体作为薄膜应变计的敏感材料。本文针对ITO薄膜应变计存在的栅极结构参数不确定性和高温热输出影响性能的问题,探究了敏感栅栅极结构变化对ITO薄膜应变计的性能影响,并通过掺杂Pt的温度补偿方法探究了不同ITO/Pt组分掺杂比例的薄膜高温性能。主要研究内容如下:（1）针对ITO薄膜应变计的等应变梁基底和敏感栅结构参数进行设计计算。使用有限元仿真软件COMSOL理论研究了高温ITO薄膜应变计敏感栅栅极结构变化对其应变灵敏系数（GF）的影响。结果发现:在不同温度下,随着测量栅长度和横栅宽度的增加,应变计的GF值增大,而随测量栅数量的增加,GF值先增大后减小,存在中间最优值6栅丝。（2）试验探究了ITO薄膜应变计栅极结构参数变化对其高温静态性能和动态性能的影响。研究了ITO薄膜应变计的制备工艺,使用高温性能标定装置测试了不同结构参数的ITO薄膜应变计在25℃、600℃、800℃及900℃时的压阻效应、GF值和电阻漂移率。结果发现:在不同温度下,栅极结构对于GF值的影响与仿真结果相似,而随着测量栅长度和横栅宽度的增加,压阻效应线性度增强,电阻漂移率下降,而测量栅数量存在中间最优值6栅丝;使用动态标定装置测试改变结构参数对ITO薄膜应变计振动响应跟随性能影响,结果发现:室温时,随着测量栅长度和横栅宽度的增加,应变计的响应频率趋近于输入振动频率,响应跟随能力增强,但测量栅数量的改变对其几乎没影响。该研究成果有助于选取合适的高温ITO薄膜应变计结构参数,以提高其动静态性能。（3）研究了ITO-Pt的组分掺杂对ITO薄膜性能的影响。使用双靶溅射的方式制备了不同Pt掺杂比例的ITO/Pt薄膜样片,通过XRD和SEM等仪器表征了各个样片的物相特征,使用高温装置测试了各样片的电阻温度系数（TCR）和热循环重复性。结果发现,随着ITO薄膜中Pt掺杂比例的增加,薄膜结晶度上升、晶粒尺寸略有减小,粗糙度下降,TCR值也在逐渐趋近于0,但高温热循环重复性下降,其中Pt掺杂比例为15.2%的ITO/Pt薄膜TCR最低,为-120ppm/℃,对该比例的ITO/Pt薄膜应变计进行高温GF值和电阻漂移率测试,发现Pt的掺杂不会破坏ITO薄膜应变计的原有GF、电阻漂移率性能。该研究成果有助于实现ITO薄膜应变计的温度补偿,提高其在高温下的测量精度。
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