[发明专利]一种高温自补偿多层复合薄膜应变计及其制备方法

说明书

本发明提供一种高温自补偿多层复合薄膜应变计及其制备方法，所述应变计包括高温合金构件基底、氧化铝绝缘层、第一TaN应变层、PdCr应变层、第二TaN应变层、氧化铝或氧化硅保护层和Pt电极。以高温合金构件为基底，在基底上双离子束溅射沉积氧化铝绝缘薄膜，在绝缘薄膜上射频磁控溅射沉积TaN和PdCr自补偿应变层，在应变层上双离子束溅射氧化铝或氧化硅保护层。本发明适用于在构件工作过程中的实时测量；采用TaN和PdCr合金应变层，克服了温度变化对构件应变测量的影响，使高温测量精度大大提高；采用离子束溅射氧化铝或氧化硅保护层结构致密、结合力好，对功能结构起到了非常好的保护作用。

技术领域

本发明涉及薄膜传感器设计与生产技术领域，具体的，涉及一种在高温合金构件上原位制备的、具有温度自补偿功能的高温薄膜应变计及其制备方法。

背景技术

对于在高温下长期运行的部件，其蠕变是引起失效的主要因素。例如，现代涡轮航空发动机技术中，涡轮叶片工作在高温、高压、高腐蚀性的极端环境中。因此涡轮叶片的设计与选材成为发动机设计制造中至关重要的环节。为了确定涡轮发动机叶片的结构模型和对叶片新材料性能的评估，实时监测叶片的力学行为是很有必要。

传统的应变片有金属丝式或箔式应变片。而薄膜应变计相比于传统的应变片，厚度在微米量级，可以实现原位制作和测量，对被测构件的结构影响可以忽略，相应速度快、测试准确度高、灵敏度高。

在金属构件上原位制备应变计，器件与基底的高温绝缘一直是制约实时监测的重要因素。绝缘材料一般选用氧化铝薄膜。如专利“一种半导体薄膜高温变形传感器”(CN103900460A)中提到的通过反应溅射的方法沉积的氧化铝薄膜。该方法制备氧化铝薄膜所需要的条件苛刻，需要精确控制氧气与氩气的流量比，并且反应在高温下进行，对设备的要求比较严格，制造成本也比较高。反应溅射氧化铝还存在的一个弊端是在溅射过程中，如果条件控制不好，很容易发生靶“中毒”现象，是溅射过程无法完成，将严重影响薄膜的质量。在专利“一种薄膜应变计及其制备方法”(CN103921500A)中提到的先高温处理NiCoCrAlY合金基底产生1～2μm的氧化铝过渡层，然后利用电子束蒸发的方法沉积10～15μm的氧化铝。高温处理NiCoCrAlY过度层时，很容易生成NiO等电导率高于氧化铝十倍以上的氧化物，将严重影响绝缘膜的绝缘性。这种方法也存在制备工艺复杂等缺点。

电阻式应变计在发动机的极端环境中工作时由于温度的变化会产生较大的电阻变化，从而导致测量结果偏差大。而使用电阻温度系数(TCR)小的复合应变薄膜结构可以减缓这一效应。而PdCr合金有正的TCR，TaN有负的TCR两者合理的组合就可以得到TCR近零的自补偿复合薄膜应变计。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种在高温合金结构件上原位制备的高温自补偿多层复合薄膜应变计及其制备方法，不仅实现了对金属构件在高温下的原位测量，且减薄了器件的整体尺寸，大大简化了制作工艺。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：

根据本发明的一个方面，提供一种高温自补偿多层复合薄膜应变计，所述应变计包括高温合金构件基底、氧化铝绝缘层、第一TaN应变层、PdCr应变层、第二TaN应变层、氧化铝或氧化硅保护层和Pt电极，其中：

氧化铝绝缘层沉积于高温合金构件基底上；第一TaN应变层沉积于氧化铝绝缘层上；PdCr应变层沉积于第一TaN应变层上，第二TaN应变层沉积于PdCr应变层上；氧化铝或氧化硅保护层覆盖于第二TaN应变层之上；Pt电极沉积于氧化铝绝缘层上并以侧壁同时与第一TaN应变层、PdCr应变层、第二TaN应变层和氧化铝或氧化硅保护层相连，同时Pt电极的上表面暴露于氧化铝或氧化硅保护层之外用于引线。

优选地，所述的应变计在高温合金构件基底上原位制备，高温合金构件基底的应用温度在500～1200℃。