專利名稱：一種金屬基薄膜熱電偶及其生產方法
技術領域：
本發明屬于傳感器生產技術及針對渦輪葉片等測量技術領域，特別是一種以待測 渦輪發動機葉片等作為基板(材)制成的薄膜熱電偶及其生產方法，此類熱電偶可廣泛用 于對渦輪發動機葉片、燃燒室等進行表面溫度分布狀態的測量，為渦輪發動機的設計提供 相應的基礎數據依據。
背景技術：
在現代航空發動機技術中，由燃氣燃燒而產生的高溫、高壓等惡劣燃氣環境將引 起渦輪葉片及燃燒室表面溫度急劇升高，同時產生較大的熱應變，而渦輪葉片及燃燒室表 面的溫度分布及其熱應變對渦輪發動機的性能與壽命的影響極大；發動機工作溫度一直是 現代渦輪發動機性能優劣的重要參數，而渦輪葉片表面往往存在局部熱點并對渦輪葉片等 產生嚴重危害。在現代航空發動機設計和試驗研究中，為了驗證渦輪葉片、燃燒室等高溫部 件冷效設計效果和熱障涂層的性能，準確測量工作狀態下渦輪葉片及燃燒室表面的溫度分 布及其熱應力狀態等參數，對發動機的設計至關重要。傳統針對渦輪葉片及燃燒室表面溫度進行測量的方法主要分為兩種一是將鎧裝 線型熱電偶直接安裝在渦輪葉片和燃燒室表面。但是，采用這種方法進行測量將會改變發 動機渦輪葉片和燃燒室內附壁流的流譜及熱流軌跡等氣流狀態，因而其測量數據與實際存 在較大的誤差。另一種方法是在葉片和燃燒室表面加工溝槽，將鎧裝線型熱電偶埋入溝槽 之內，再將其填平、表面拋光。這種測量方法既破壞了葉片和燃燒室的原始機械結構、在溝 槽處會產生局部應力，又由于填充介質的存在及其隔離作用，亦影響了溫度測量的準確性； 此外，渦輪葉片的結構厚薄不一，有些部位截面較薄而不能加工溝槽埋設傳感器、因而不 能對這部分葉片進行測量；因此，傳統的測量方法已遠不能滿足現代渦輪發動機新產品開 發、設計的要求。而目前采用的金屬基薄膜熱電偶，是在合金基板上、在600°C左右的溫度 下，以氬氣作為反應介質、采用磁控濺射方法沉積MCrAlY(鎳鉻鋁釔)合金過渡層；生成 的NiCrAlY過渡層在真空及1000°C溫度進行析出處理、以在表面析出金屬鋁，析出的鋁在 常壓下經過熱氧化生成氧化鋁層；再在該氧化鋁層上，采用氧化鋁原料經電子束蒸發法在 600 900°C溫度范圍及10_3 10_2Pa真空下蒸鍍厚約20 μ m左右氧化鋁陶瓷絕緣層；然 后在氧化鋁陶瓷絕緣層上，在室溫及氬氣氣氛條件下采用磁控濺射法沉積熱電偶薄膜電極 組；最后在600°C左右的溫度下、采用電子束蒸發法在所得熱電偶薄膜電極組及絕緣層上 蒸鍍氧化鋁保護層。此種薄膜熱電偶采用氧化鋁陶瓷作為絕緣層，存在如下問題氧化鋁 陶瓷層絕緣性能相對較差、加之質地疏松，為了保證足夠的絕緣性，通常需采用較厚(20 μ m 左右)的氧化鋁陶瓷作為絕緣層；更為不利的是氧化鋁陶瓷材料導熱系數{導熱系數是指 在穩定傳熱條件下，Im厚的材料兩側表面的溫差為1度(K，°C)時，在1秒鐘內、通過1平 方米面積傳遞的熱量，單位為w (瓦)/m · K或。C (米 度)}低、僅10W/m · K左右，從而導 致絕熱層表面溫度與基板之間的實際溫度存在較大的差異，造成測量誤差大，影響了測量 及所提供作為設計依據的參數的準確性；另一方面由于絕熱層厚度的增加也會使其附著力下降，這又將進一步影響測量準確性。因而，上述背景技術由于氧化鋁陶瓷的導熱系數及絕 緣性差、所需絕緣層的厚度大，因而在實際測量中存在因金屬基板的實際溫度與絕緣層表 面溫度差異大、測量的準確性差，導致熱電偶所測溫度與待測金屬基板實際溫度的一致性 及可靠性差，以此作為設計參數其準確性差等缺陷。
發明內容
本發明的目的是針對背景技術存在的缺陷，研究設計一種金屬基薄膜熱電偶及其 生產方法，在實現傳感器和待測部件一體化的基礎上，采用導熱系數遠高于氧化鋁陶瓷的 高導熱系數的材料作為絕熱層，以有效降低金屬基板表面與絕緣層外表面的溫差，以達到 降低傳感器中絕緣層的熱容量及其厚度，有效提高傳感器的熱響應速度、測試數據的準確 度和可靠性，為渦輪發動機新產品的開發、設計提供準確、可靠的設計依據等目的。本發明的解決方案是采用理論導熱系數高達210W/m-K且絕緣性能優的A1N陶瓷 作為絕緣層，以大幅度降低絕緣層與金屬底板之間的溫度差及絕緣層的厚度。為達此目的 在MCrAlY過渡層析出A1元素后、在真空氣氛中通入高純氮氣將析出的金屬鋁層上部高溫 氮化為A1N ；然后采用磁控濺射方法將A1N沉積于經氮化處理的A1N層上、作為A1N陶瓷絕 緣層，既有效提高絕緣層的導熱系數、又可提高其絕緣性、降低使用中絕緣層的厚度；再在 該絕緣層上設置熱電偶薄膜電極組；最后在該熱電偶薄膜電極組及絕緣層上蒸鍍氧化鋁保 護層，即制得本發明所述金屬基薄膜熱電偶。因此，本發明金屬基薄膜熱電偶包括待測金屬 基板及附著于其頂面的NiCrAlY(鎳鉻鋁釔)合金過渡層，過渡層以上依次為鋁氧化層、絕 緣層、熱電偶薄膜電極組(層)以及設于絕緣層和熱電偶薄膜電極組上的氧化鋁保護層，關 鍵在于在NiCrAlY (鎳鉻鋁釔)合金過渡層與鋁氧化層之間還有一金屬鋁層，而鋁氧化層為 A1N層，絕緣層則為A1N陶瓷絕緣層；其中MCrAlY合金過渡層通過磁控濺射方法沉積于金 屬基板頂面，金屬鋁層由NiCrAlY合金過渡層中的鋁(A1)元素析出而成，而A1N層則由金 屬鋁經直接氮(N)化處理而成，A1N陶瓷絕緣層則是通過反應磁控濺射方法通過氮(N)氣 與鋁反應后沉積于A1N層上，熱電偶薄膜電極組則沉積于絕緣層上，而氧化鋁保護層則蒸 鍍于絕緣層及薄膜電極的上表面。上述金屬基板為Ni基合金板。而所述A1N陶瓷絕緣層的導熱系數為190 200W/ m K、垂直方向絕緣電阻大于100MQ。所述熱電偶薄膜電極為NiCr-NiSi (鎳鉻-鎳硅)、 PtRh-Pt (鉬銠-鉬)或Cu-CuNi (銅-銅鎳)電極，每對電極的正、負極均分別包括電極頭、 引線端子及正負極連接點。而所述熱電偶薄膜電極，每對電極的正、負極之間的間距不超過 5cm、各引線端子的長度不低于對應的正、負電極頭之間距離的30倍。上述金屬基薄膜熱電偶的生產方法為A.金屬基板的處理將待測金屬基板先后采用丙酮和乙醇超聲清洗，再將其置于 氮氣氛下干燥；B.制備帶NiCrAlY(鎳鉻鋁釔)合金過渡層的復合基板采用常規磁控濺射方法 將NiCrAlY(鎳鉻鋁釔)合金沉積于經步驟A處理后的金屬基板上、作為過渡層，得覆蓋 NiCrAlY合金過渡層的復合基板；C.金屬鋁的析出將步驟B所得復合基板置于真空熱處理爐內，在10_3_10_4Pa真 空條件下加熱至900-1300°C、恒溫至金屬鋁析出表面的厚度達1-2 iim止，然后隨爐冷卻至常溫；D.氮化處理在真空氣氛下、向爐內注入高純度的氮氣至爐壓IO3-IO5Pa后，勻速 升溫至1000-1200°C、并恒溫10-16h(小時)后，再陸續通入氮氣冷卻至室溫，以獲得析出的 金屬鋁層厚度50-30 %的AlN層；E.濺射沉積AlN絕緣層將經步驟D氮化處理后的復合基板置于真空氣氛下，采 用高純度金屬Al為濺射靶材，然后按1 4-10的比例通入氮氣和氬氣，在500-800°C及
0.1-2. OPa濺射(工作)壓力下、采用磁控濺射法沉積3-10 μ m厚的AlN陶瓷層、作為絕緣 層；F.設置薄膜熱電偶組將經步驟E所得復合基板置于真空氣氛下，以氬氣作為反 應介質，在常溫及0. l-1.2Pa濺射(工作)壓力下、采用反應磁控濺射法在AlN陶瓷絕緣層 上依次沉積各薄膜熱電偶的正、負極及其引線端子、電極連接點，以組成薄膜熱電偶組；G.覆蓋氧化鋁保護層在真空氣氛及500-800°C溫度下，采用電子束蒸發法 在AlN陶瓷絕緣層及各薄膜熱電偶電極的表面蒸鍍氧化鋁保護層、至熱電偶電極上表面
1.0-2. 0 μ m厚止；從而制得本發明所述薄膜熱電偶。以上所述高純度的氮氣，為純度不低于99. 99wt%的氮氣，而所述采用高純度金屬 Al為濺射靶材，金屬Al的純度不低于99.99wt%。在步驟D至步驟E中所述的真空氣氛， 其真空度為io-3-io_5pa。而所述磁控濺射法為，直流磁控濺射法、射頻磁控濺射法或中頻磁 控濺射法。本發明由于采用高導熱系數且絕緣性能優的AlN陶瓷材料作為金屬基板與熱電 偶層之間的絕緣層，從而大幅度降低了金屬基板與絕緣層表面之間的溫度差及絕緣層的厚 度、提高了絕緣性能；在合金過渡層與AlN之間有一析出的金屬鋁層，增強了絕緣層與過渡 層的結合力。因而本發明具有可有效降低測量誤差，提高熱電偶所測溫度與待測金屬基板 實際溫度的一致性及可靠性，進而為渦輪發動機新產品的開發、設計提供準確、可靠的設計 依據等特點。
圖1為本發明薄膜熱電偶結構示意圖(A-A剖視圖)；圖2為圖1的俯視圖(B-B剖視圖)。圖中1.待測金屬基板，2.合金過渡層，3-1.金鋁層、3-2. AlN層，4. AlN陶瓷絕緣 層，5.氧化鋁保護層，6-1、6-2 正、負電極頭，6-1. 1,6-2. 1 引線端子，6-1. 2,6-2. 2 電極 連接點。
具體實施例方式以鎳(Ni)基合金基板上制備K型NiCr-NiSi熱電偶薄膜傳感器為例 1)采用(長X寬X厚)30 X 95 X 5mm的鎳(Ni)基合金為待測基板1，依次采用 丙酮和乙醇超聲清洗后、再將其置于氮氣氛下干燥； 2)將清洗干凈的Ni基合金基板1置于真空度為6. OX 10_4Pa的真空(即背底真 空)環境中，以NiCrAlY合金為靶材，輸入純度為99. 999%的氬氣作為濺射介質，在600°C 溫度、功率200W、濺射氣壓(工作壓力)為0. 5Pa的條件下，采用直流磁控濺射方法將NiCrAlY合金沉積于Ni基合金基板，沉積厚度10 u m,得覆蓋NiCrAlY合金過渡層2的復合 基板；3)將步驟2)制得的復合基板放入真空熱處理爐內，在5X10_3Pa真空條件下、以 10°c /min的升溫速度升至1100°C、恒溫處理10h，高真空條件下，隨爐冷卻至常溫；此過程 將過渡層中的A1元素析出至表面，在過渡層表面形成一層約1. 2 ym厚的金鋁層3-1 ；4)然后向步驟3)所述真空熱處理爐中通入純度為99. 999%氮氣、至爐壓104Pa 后、以15°C /min的升溫速度升至1200°C、恒溫處理16h，將析出的金屬鋁層的上部氮化為 500nm厚的A1N層3_2后、停止加溫并繼續通氮氣直到冷卻至室溫止；5)將經步驟4)處理后的復合基板在背底真空為6. OX 10_4Pa的條件下、采用純度 為99.999wt%的金屬A1為濺射靶材，將氮氣與氬氣比為1 5的混合氣體輸入濺射腔體 內，在650°C、功率為200W、工作氣壓為0. 6Pa的條件下，采用直流反應磁控濺射將A1N沉積 于復合基板上，得厚度為8 y m的A1N陶瓷絕緣層4 ；本實施方式所得A1N陶瓷絕緣層4的 導熱系數為190 200W/m K，垂直方向絕緣電阻大于100MQ ；6)在背底真空為6. OX 10_4Pa下、以氬氣作為反應介質，以Ni90Crl0和Ni97Si3為 靶材，在室溫、功率為100W、工作氣壓為0. 4Pa的條件下，采用磁控濺射方法在A1N陶瓷絕緣 層4的表面依次沉積厚為2 y m的NiCr-NiSi作為各薄膜熱電偶的正、負極頭6_1、6_2及其 引線端子6-1. 1,6-2. 1，電極連接點6-1. 2,6-2. 2 ；7)最后，在背底真空為5 X 10_3Pa、及600°C溫度下，采用電子束蒸發法在經步驟6) 處理后的A1N陶瓷絕緣層4及各薄膜熱電偶電極6-1、6-l. 1,6-1. 2,6-2,6-2. 1,6-2. 2的表 面蒸鍍氧化鋁保護層、至熱電偶電極上表面1. 5pm厚止；從而制得本發明所述金屬基薄膜 熱電偶。標準K型熱電偶的塞貝克系數約為41 P V/K(開)，本實施方式制得的薄膜熱電偶 測溫范圍在100°C到600°C之間；其塞貝克系數達到39 iiV/K，相對靈敏度達到95%左右，在 測溫范圍內，溫度差小于;TC，相對誤差小于1.5%，熱電偶組的一致性良好，熱電偶之間的 熱電特性分散度小于2%。
權利要求
一種金屬基薄膜熱電偶，包括待測金屬基板及附著于其頂面的NiCrAlY合金過渡層，過渡層以上依次為鋁氧化層、絕緣層、熱電偶薄膜電極組以及設于絕緣層和熱電偶薄膜電極組上的氧化鋁保護層，其特征在于在NiCrAlY合金過渡層與鋁氧化層之間還有一金屬鋁層，而鋁氧化層為AlN層，絕緣層則為AlN陶瓷絕緣層；其中NiCrAlY合金過渡層通過磁控濺射方法沉積于金屬基板頂面，金屬鋁層由NiCrAlY合金過渡層中的鋁元素析出而成，而AlN層則由金屬鋁經直接氮化處理而成，AlN陶瓷絕緣層則是通過反應磁控濺射方法通過氮氣與鋁反應后沉積于AlN層上，熱電偶薄膜電極組則沉積于絕緣層上，而氧化鋁保護層則蒸鍍于絕緣層及薄膜電極的上表面。
2.按權利要求1所述金屬基薄膜熱電偶，其特征在于所述金屬基板為Ni基合金板。
3.按權利要求1所述金屬基薄膜熱電偶，其特征在于所述AlN陶瓷絕緣層的導熱系數 為190 200W/m · K、垂直方向絕緣電阻大于100ΜΩ。
4.按權利要求1所述金屬基薄膜熱電偶，其特征在于所述熱電偶薄膜電極為 NiCr-NiSi, PtRh-Pt或Cu-CuNi電極，每對電極的正、負極均分別包括電極頭、引線端子及 正負極連接點。
5.按權利要求1或4所述金屬基薄膜熱電偶，其特征在于所述熱電偶薄膜電極中，每對 電極的正、負極之間的間距不超過5cm、各引線端子的長度不低于對應的正、負電極頭之間 距離的30倍。
6.按權利要求1所述金屬基薄膜熱電偶的生產方法，包括A.金屬基板的處理將待測金屬基板先后采用丙酮和乙醇超聲清洗，再將其置于氮氣 氛下干燥；B.制備帶MCrAlY合金過渡層的復合基板采用常規磁控濺射方法將MCrAlY合金沉 積于經步驟A處理后的金屬基板上、作為過渡層，得覆蓋NiCrAlY合金過渡層的復合基板；C.金屬鋁的析出將步驟B所得復合基板置于真空熱處理爐內，在10_3-10_4Pa真空條 件下加熱至900-1300°C、恒溫至金屬鋁析出表面的厚度達1-2 μ m止，然后隨爐冷卻至常D.氮化處理在真空氣氛下、向爐內注入高純度的氮氣至爐壓IO3-IO5Pa后，勻速升溫 至1000-1200°C、并恒溫10-16h后，再陸續通入氮氣冷卻至室溫，以獲得析出的金屬鋁層厚 度 50-30% 的 AlN 層；E.濺射沉積AlN絕緣層將經步驟D氮化處理后的復合基板置于真空氣氛下，采用 高純度金屬Al為濺射靶材，然后按1 4-10的比例通入氮氣和氬氣，在500-800°C及 0. 1-2. OPa濺射壓力下、采用磁控濺射法沉積3-10 μ m厚的AlN陶瓷層、作為絕緣層；F.設置薄膜熱電偶組將經步驟E所得復合基板置于真空氣氛下，以氬氣作為反應介 質，在常溫及0. 1-1. 2Pa濺射壓力下、采用反應磁控濺射法在AlN陶瓷絕緣層上依次沉積各 薄膜熱電偶的正、負極及其引線端子、電極連接點，以組成薄膜熱電偶組；G.覆蓋氧化鋁保護層在真空氣氛及500-80(TC溫度下，采用電子束蒸發法在AlN陶 瓷絕緣層及各薄膜熱電偶電極的表面蒸鍍氧化鋁保護層、至熱電偶電極上表面1. 0-2. 0 μ m 厚止；從而制得本發明所述薄膜熱電偶。
7.按權利要求6所述金屬基薄膜熱電偶的生產方法，其特征在于所述高純度的氮氣， 為純度不低于99. 99%的氮氣，而作為濺射靶材的金屬Al純度不低于99. 99wt%。
8.按權利要求6所述金屬基薄膜熱電偶的生產方法，其特征在于在步驟D-步驟E中所 述的真空氣氛，其真空度為io-3-io_5pa。
9.按權利要求6所述金屬基薄膜熱電偶的生產方法，其特征在于所述磁控濺射法為直 流磁控濺射法、射頻磁控濺射法或中頻磁控濺射法。
全文摘要
該發明屬于金屬基薄膜熱電偶及其生產方法。其熱電偶包括待測金屬基板及設于其頂面的NiCrAlY合金過渡層，過渡層以上依次為金屬鋁層、AlN層、AlN陶瓷絕緣層、熱電偶薄膜電極組以及氧化鋁保護層；其生產方法為待測金屬基板的處理，制備帶NiCrAlY合金過渡層的復合基板，金屬鋁的析出，鋁的氮化處理，濺射沉積AlN絕緣層，設置薄膜熱電偶組及覆蓋氧化鋁保護層。該發明由于采用高導熱系數且絕緣性能優的AlN陶瓷材料作為絕緣層，從而大幅度降低了金屬基板與絕緣層表面之間的溫度差及絕緣層的厚度；因而具有可有效降低測量誤差，提高熱電偶所測溫度與待測金屬基板實際溫度的一致性及可靠性，可為渦輪發動機的設計提供準確、可靠的依據等特點。
文檔編號H01L35/28GK101894904SQ20101022721
公開日2010年11月24日 申請日期2010年7月15日 優先權日2010年7月15日
發明者劉興釗, 張萬里, 李言榮, 王從瑞, 蔣洪川, 陳寅之 申請人:電子科技大學