[发明专利]一种氧离子注入构建薄膜传感器渐变过渡结构的制备方法

说明书

本发明提供了一种氧离子注入构建薄膜传感器渐变过渡结构的制备方法；该方法为对薄膜过渡层材料进行氧离子注入，最终形成由下往上依次为过渡层材料、富Al层、渐变过渡层和热氧化层的渐变过渡结构。本发明采用氧离子注入构建渐变过渡结构，实现由金属相到陶瓷相的渐变过渡，降低热处理温度，减小长时间高温处理对基底材料力学性能和机械性能的影响，同时将薄膜传感器的应用范围推广到中低温；本发明中采用氧离子注入构建的渐变过渡结构的表面为致密氧化层，与薄膜传感器的陶瓷绝缘层构成协同作用，进一步抑制金属基底与敏感层之间的导电电子的传输，提高绝缘层的高温绝缘效果，确保薄膜传感器电学信号的有效性和稳定性。

技术领域

本发明涉及薄膜传感器的设计及制备技术领域，尤其涉及一种氧离子注入构建薄膜传感器渐变过渡结构的制备方法。

背景技术

随着冶金行业、核力发电、航空发动机的发展，对其高温工作环境提出了更高的要求，而工作在高温环境中的部件，诸如航空发动机涡轮叶片和转轴，也越来越接近其临界工作温度。因此需要对工作在高温环境中的部件进行原位应变、温度等物理的参数测量，以避免其长时间高温工作因蠕变引起疲劳受损及超出工作临界温度而引起力学性能和机械性能减弱导致其工作失效。为了有效实时监测工作在高温环境中的涡轮叶片的疲劳受损情况以及工作温度，需要研发稳定、可靠且适用于高温极端工作环境的应变、温度测量的传感器，对有效预警高温部件的故障及高温环境的普及具有重要意义。

传统的传感器，例如箔式应变片，在使用时需要采用粘接剂粘贴，而粘接剂不耐高温导致传统的传感器不能满足高温的应用需求。而薄膜传感器具有准确高、响应快的优点；采用真空物理气相沉积方法直接制备在涡轮叶片表面不破坏其表面结构，也不需要粘接剂粘贴，因此适用于高温环境；其厚度只有几微米到几十微米不影响涡轮叶片表面气流场，易于实现与航空发动机涡轮叶片等高温部件的一体化集成。

薄膜传感器的工作原理一般是将物理信号通过电路转变为电学信号，如电阻薄膜应变计是将应变信号转变为电阻信号。而涡轮叶片(镍基合金)是良好的导电材料。因此，需要在涡轮叶片与薄膜传感器之间制备一层高电阻率的陶瓷材料(Al₂O₃等)作为绝缘层，以确保两者之间的电学绝缘，提高传感信号的有效性和稳定性。镍基合金的典型热膨胀系数(TCR，temperature coefficient of resistance)为15.5ppm/℃，而Al₂O₃陶瓷材料的TCR约为7.5ppm/℃，热失配率为51.6％。因此，较大的温差环境中易因热失配产生内应力导致薄膜传感器脱落失效。同时，金属结构(镍基合金)和陶瓷结构(Al₂O₃等)也存在结构失配的问题。