In2O3-ITO集成薄膜熱電偶的制備及性能研究.pdf

1、在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的冷效實(shí)驗(yàn)和整機(jī)試驗(yàn)中，需要準(zhǔn)確測(cè)量渦輪葉片表面溫度及溫度分布，薄膜熱電偶是實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量的方法之一。相較于線材熱電偶，薄膜熱電偶具有與葉片一體化集成、不破壞葉片結(jié)構(gòu)、不干擾流場(chǎng)、熱容量小、響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，非常適合渦輪葉片的表面溫度測(cè)量。In2O3和ITO是一類寬禁帶半導(dǎo)體氧化物材料，由它們構(gòu)成的In2O3/ITO薄膜熱電偶高溫穩(wěn)定性好，熱電敏感性高，最高工作溫度可達(dá)1200℃，其高溫?zé)犭娦阅軆?yōu)于K型（NiCr/NiSi）

2、和S型（Pt/PtRh）薄膜熱電偶，在發(fā)動(dòng)機(jī)葉片表面溫度測(cè)量中，尤其是超高溫（＞1100℃）工作環(huán)境具有十分重要的應(yīng)用前景。本文在前期K型、S型以及Pt/ITO薄膜熱電偶研制工作基礎(chǔ)上，開展了In2O3/ITO薄膜熱電偶的制備與性能研究工作，重點(diǎn)開展了In2O3薄膜制備工藝，陶瓷基和金屬基In2O3/ITO薄膜熱電偶的制備與性能標(biāo)定研究。
　　首先，采用射頻磁控濺射法在Al2O3陶瓷基片上沉積In2O3薄膜，主要研究了濺射功率、氣

3、壓、氧氬流量比和氮?dú)辶髁勘鹊裙に嚄l件對(duì)其電阻率、沉積速率的影響。結(jié)果表明，In2O3薄膜電阻率先隨濺射功率增加而降低，然后又隨功率增加而略微上升；隨著濺射氣壓的升高，In2O3薄膜的電阻率呈現(xiàn)逐漸升高和沉積速率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。隨著O2/Ar流量比的增加，In2O3薄膜沉積速率下降，電阻率增加。隨著N2/Ar流量比的增加，In2O3薄膜的沉積速率下降，電阻率上升。
　　其次，在Al2O3陶瓷基片上制備了In2O3/ITO陶瓷薄膜

4、熱電偶，熱電偶尺寸為（長(zhǎng)×寬×厚）63mm×1mm×1.5μm，主要研究了氮摻雜、退火時(shí)間、退火溫度、退火氣氛、保護(hù)層對(duì)樣品熱電性能的影響，采用靜態(tài)標(biāo)定法對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)定。結(jié)果表明，氧化銦薄膜的電阻率越高，樣品的Seebeck系數(shù)和熱電動(dòng)勢(shì)輸出越大，氮摻雜的In2O3/ITO薄膜熱電偶熱電勢(shì)輸出較低，溫度敏感性降低。隨著退火溫度的升高，熱電偶的Seebeck系數(shù)和熱電勢(shì)輸出逐漸增大。在不同退火氣氛的條件下，空氣中退火的熱電偶熱電穩(wěn)定性最好

5、。退火時(shí)間對(duì)Seebeck系數(shù)無太大影響，但在過高溫度下退火，時(shí)間過長(zhǎng)不利于熱電偶的熱電輸出穩(wěn)定性。有Al2O3保護(hù)層樣品的Seebeck系數(shù)約為177.7μV/℃，熱電性能優(yōu)于無保護(hù)層樣品，在350～1050℃溫度范圍，樣品的測(cè)溫誤差小于±0.95％，使用壽命大于20 h。
　　最后，在鎳基合金平板基片上依次采用磁控濺射法沉積10μm的NiCrAlY過渡層、真空析鋁并高溫?zé)嵘L(zhǎng)Al2O3層、電子束蒸發(fā)10μm的Al2O3絕緣層、