在航空航天領(lǐng)域,一些重要的設(shè)備一般在高溫、強烈振動、重油性、強壓力等惡劣環(huán)境中工作。由于這些設(shè)備在這種環(huán)境下較長時間的工作,設(shè)備的內(nèi)部應(yīng)力分布不均,導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)開裂等暗傷,從而使得整個航空航天器件失效。因此,對航天器件的實時健康檢測變得十分重要。目前,解決這種內(nèi)傷監(jiān)測問題的重要手段是薄膜應(yīng)變計。通過薄膜應(yīng)變計電阻的變化我們可以得到待測器件某個位置的應(yīng)變大小,從而及時發(fā)現(xiàn)并解決應(yīng)力不均的問題,可以有效地增加被測器件的壽命。傳統(tǒng)的薄膜應(yīng)變計的襯底一般為剛性金屬材料或者有機聚合物柔性襯底,這兩種薄膜應(yīng)變計無法工作在一些曲面、不平整的并且溫度較高的工作環(huán)境中。為了滿足高溫曲面環(huán)境應(yīng)力應(yīng)變測試的需要,人們對柔性高溫薄膜應(yīng)變計的需要十分迫切。針對傳統(tǒng)薄膜應(yīng)變計存在的問題,開展柔性Hastelloy合金基板襯底上制備薄膜應(yīng)變計的研制。實驗首先采用射頻磁控濺射的方法,在SiO₂/Si基片上制備NiCr與PdCr兩種應(yīng)變敏感材料薄膜。研究了濺射氣壓與基片溫度等工藝參數(shù)對兩種應(yīng)變敏感材料薄膜微觀結(jié)構(gòu)與電學(xué)特性的影響,并得到制備最小電阻溫度系數(shù)應(yīng)變敏感材料薄膜的工藝條件。結(jié)果表明:Ni... 

【文章來源】：電子科技大學(xué)四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級別】：碩士

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SiN襯底上制備PdCr薄膜應(yīng)變計[13]

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文4大。為了解決這個問題，開展了復(fù)合薄膜應(yīng)變敏感材料的研究[15]。隨著溫度的升高，合金材料呈現(xiàn)出了正的電阻溫度系數(shù)，半導(dǎo)體陶瓷呈現(xiàn)出負(fù)的電阻溫度系數(shù)。如果兩種材料一起組成復(fù)合薄膜，理論上會出現(xiàn)電阻溫度系數(shù)趨近于零的現(xiàn)象。由不同種類的薄膜組成的結(jié)構(gòu)/功能一體化的薄膜應(yīng)變計示意圖如圖1-2所示。圖1-2電阻溫度系數(shù)較低的多層薄膜應(yīng)變計結(jié)構(gòu)[15]通過實驗，研究人員對金屬材料PdCr與陶瓷材料TaN相結(jié)合，制備復(fù)合薄膜，并進(jìn)行了對比研究。主要研究了兩種材料薄膜厚度之間的關(guān)系對多層薄膜應(yīng)變計電阻溫度系數(shù)與應(yīng)變敏感系數(shù)的影響。通過實驗，得出電阻溫度系數(shù)最小值時，PdCr與TaN的厚度比為0.85，此時，電阻溫度系數(shù)的值為-4.5ppm/℃。該數(shù)值已經(jīng)逐漸趨近于0，可以認(rèn)為這個時候薄膜應(yīng)變計電阻大小不受溫度影響，經(jīng)過加工得到PdCr薄膜應(yīng)變計最終產(chǎn)品圖如圖1-3所示。但是由于TaN陶瓷是一個多相材料，隨著溫度升高，其內(nèi)部會發(fā)生難以預(yù)測的相變，同時，TaN在高溫條件下易被氧化形成Ta的氧化物，這種氧化物使得薄膜應(yīng)變計的電阻率增大，這樣會帶來TaN薄膜應(yīng)變計電阻的異常變大，使得應(yīng)變傳感器出現(xiàn)誤差。因此，復(fù)合材料的薄膜應(yīng)變計不能應(yīng)用于更高溫度的測試。NASA并沒有放棄對復(fù)合薄膜應(yīng)變計的研究，在后來的實驗里，為了讓這種薄膜應(yīng)變計應(yīng)用在更高的溫度下，NASA制備了更多層數(shù)的復(fù)合薄膜，以改變其薄膜的電學(xué)性能，但是TaN薄膜的氧化問題仍然不能得到很好的解決，最高的測試溫度也沒有超過800℃。

第一章緒論5圖1-3PdCr/TaN復(fù)合薄膜應(yīng)變計實物圖[14]2010年，研究人員逐漸將應(yīng)變敏感材料的目光移動到半導(dǎo)體材料。一些半導(dǎo)體材料可以耐受1500℃以上的高溫，并且仍能夠保持較好的穩(wěn)定性，同時，可以提高薄膜應(yīng)變計的應(yīng)變敏感系數(shù)。其中，氧化銦錫(ITO)是這種半導(dǎo)體材料的代表。O.J.Gregory等人[16]研究了氧化銦錫（ITO）為應(yīng)變敏感材料的薄膜應(yīng)變計。通過射頻磁控濺射的方法，設(shè)置基片溫度為350℃，濺射氣壓為0.8Pa，在氧化鋯基片上制備的ITO薄膜應(yīng)變計。最終，制備出的應(yīng)變傳感器的實物圖如圖1-4所示。主要進(jìn)行了測試溫度從350℃-1500℃，應(yīng)變范圍從0-1000με的拉伸與壓縮的應(yīng)變測試。實驗結(jié)果表明：在1200℃時，ITO薄膜應(yīng)變計的電阻溫度系數(shù)為1300ppm/℃，應(yīng)變敏感系數(shù)為5.8。同時，研究了O2在制備薄膜過程中分壓的多少對ITO薄膜電阻溫度系數(shù)與應(yīng)變敏感系數(shù)的影響，結(jié)論為：ITO薄膜制備過程中，隨著氧分壓的增加，ITO薄膜應(yīng)變計的電阻溫度系數(shù)呈現(xiàn)出了一個先減小后增大的趨勢，應(yīng)變敏感系數(shù)也逐漸增大后保持一個相對平穩(wěn)的趨勢。當(dāng)氧分壓為O2:Ar=1:24的時候，其電阻溫度系數(shù)最校雖然ITO具有較大的應(yīng)變敏感系數(shù)，能夠在較高的溫度下工作，但是即使采用了半導(dǎo)體的自補償技術(shù)，周圍溫度的變化也會給ITO薄膜應(yīng)變計帶來較大的誤差。2020年P(guān).Schmid[17]等人重新開始復(fù)合薄膜應(yīng)變計進(jìn)行研究，與之前NASA選擇的材料不同，它們選擇了AlN與Pt作為應(yīng)變敏感材料。其中，AlN具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，Pt具有正的電阻溫度系數(shù)，并主要研究了AlN與Pt的厚度比對多層復(fù)合薄膜應(yīng)變計的影響。制備了10層厚度為3nmAlN與7nmPt和5nmAlN與5nmPt的復(fù)合薄膜體系，采用的襯底為SiO2基片與藍(lán)寶石基片。利用Van-der-Pauw測量方法，研究了不同多層膜電阻率與電阻溫?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]氮氣流量對C、N共摻雜NiCr合金薄膜微觀結(jié)構(gòu)和電性能的影響[J]. 賴?yán)蝻w,王金霞,鮑明東.  表面技術(shù). 2019(12)
[2]石油化工用Hastelloy C276焊接接頭組織特征及性能[J]. 寧博.  石油化工設(shè)備技術(shù). 2019(05)
[3]PdCr薄膜電阻應(yīng)變計研制及其高溫應(yīng)變敏感性能研究[J]. 劉豪,蔣書文,蔣洪川,趙曉輝,張萬里.  傳感技術(shù)學(xué)報. 2017(03)
[4]雙層電阻柵SOI應(yīng)變計的設(shè)計及其在煤礦的應(yīng)用[J]. 付東波,杜濤濤,沈紹群.  工礦自動化. 2016(12)
[5]NiCr高溫薄膜電阻應(yīng)變計制備及耐高溫性能研究[J]. 崔云先,張子超,丁萬昱,胡曉勇,張啟翔.  儀器儀表學(xué)報. 2016(07)
[6]NiCrAlY薄膜應(yīng)變計的研制[J]. 張潔,楊曉東,蔣書文,蔣洪川,趙曉輝,張萬里.  傳感器與微系統(tǒng). 2015(04)
[7]鎳基高溫合金材料的研究進(jìn)展[J]. 王會陽,安云岐,李承宇,晁兵,倪雅,劉國彬,李萍.  材料導(dǎo)報. 2011(S2)
[8]提升探針式臺階儀計量性能的研究與應(yīng)用[J]. 朱小平,王蔚晨,杜華,高思田.  計量技術(shù). 2007(03)
[9]數(shù)字化智能四探針測試儀的研制[J]. 徐遠(yuǎn)志,晏敏,黎福海.  半導(dǎo)體技術(shù). 2004(08)
[10]NiCr濺射薄膜內(nèi)應(yīng)力的研究[J]. 于映,陳躍.  真空電子技術(shù). 2000(05)

碩士論文
[1]第二代高溫涂層導(dǎo)體用金屬基帶織構(gòu)和表面光潔度的研究[D]. 王盼.北京工業(yè)大學(xué) 2016
[2]高溫鎳基合金襯底上制備C軸取向AlN薄膜研究[D]. 姜建英.電子科技大學(xué) 2016
[3]渦輪葉片應(yīng)變測量用NiCr薄膜應(yīng)變計的研制[D]. 周勇.電子科技大學(xué) 2014



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