航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片原位集成高溫MEMS傳感器的研制

段 力 ，高均超 ，丁桂甫 ，邵 靖 ，毛成龍 ，沈 杰 ，靜 波

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院1，機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院4，上海200240；2.蘇州泰斯特測(cè)控科技有限公司，江蘇蘇州郵編；3.上海中航商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海201108）

0 引言

在關(guān)鍵部位安放測(cè)量溫度與應(yīng)力、壓力與熱流量等關(guān)鍵參數(shù)的傳感器對(duì)于研發(fā)高效能航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及航空發(fā)動(dòng)機(jī)的智能化具有重要的促進(jìn)作用[1]。傳統(tǒng)的溫度傳感器體積偏大，安裝工藝復(fù)雜，影響氣流環(huán)境，并且不容易安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)某些特定的部位，比如有一定曲率的渦輪葉片表面[2]。而利用微制造技術(shù)制作的薄膜型傳感器厚度只有微米量級(jí)，可以集成在一些關(guān)鍵部位而不會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境造成擾動(dòng)[3]，從而得到準(zhǔn)確的航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參量數(shù)值，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)“智能化”提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

隨著集成電路工藝的發(fā)展，微制造技術(shù)[4-5]和超精密機(jī)械加工技術(shù)衍生出更多新型微納制造技術(shù)。用光刻的方法將微圖案轉(zhuǎn)印在渦輪葉片表面，然后利用化學(xué)或物理的方法在基底材料上刻蝕與淀積各種功能薄膜并形成特定的結(jié)構(gòu)和器件，可以將傳感器、電子元器件和執(zhí)行器整合為1個(gè)微控制系統(tǒng)，不會(huì)影響氣流流場(chǎng)性能，具有動(dòng)態(tài)特性好、測(cè)量精度高，并且可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣分布式測(cè)量，對(duì)小空間渦輪葉片榫槽邊緣及渦輪葉片尖端的溫度等參數(shù)測(cè)量是非常有意義的。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是1個(gè)高速、高溫、高振動(dòng)的復(fù)雜機(jī)動(dòng)系統(tǒng)，尤其在渦輪運(yùn)轉(zhuǎn)的部位，離心力大、振動(dòng)交變負(fù)荷高，高溫高應(yīng)力高振動(dòng)的問(wèn)題尤為突出[6]。轉(zhuǎn)子不平衡、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部氣流哮喘造成渦輪葉片劇烈振動(dòng)[7]，在發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)初期速度增加很快。例如在溫度較低時(shí)，在起動(dòng)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)值為7 mm/s，而在高溫過(guò)程后停車46 min再次起動(dòng)，最大振動(dòng)值可達(dá)100 mm/s左右[8]。

本文研究了1種采用MEMS薄膜技術(shù)制作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片高溫溫度傳感器，并對(duì)傳感器與連線系統(tǒng)進(jìn)行了一系列苛刻的振動(dòng)沖擊試驗(yàn)。

1 渦輪葉片MEMS原位集成傳感器的制作與表征

薄膜原位集成MEMS熱電阻傳感器采用微加工工藝制作，即采用軟模板轉(zhuǎn)印的方法[9]，在渦輪葉片表面原位微集成了Pt薄膜熱電阻。此曲面微制造工藝?yán)?張軟質(zhì)易于彎曲的模板將傳感器圖形轉(zhuǎn)印至渦輪葉片表面。選用1個(gè)?；?qǐng)D案，使用200 mm硅片壓印制作1張具有熱電阻傳感器圖形的PDMS軟質(zhì)轉(zhuǎn)印模板，如圖1所示。

圖1 MEMS微制造傳感器的PDMS軟質(zhì)模板

利用此PDMS軟模板在葉片基底上實(shí)現(xiàn)圖形化掩膜。在PDMS上涂上α-氰基丙烯酸乙酯，將PDMS壓印到葉片表面形成傳感器圖形。α-氰基丙烯酸乙酯是1種快速黏著劑，具有一定黏度，在轉(zhuǎn)印過(guò)程中PDMS上的α-氰基丙烯酸乙酯可瞬間快速固化在渦輪葉片基底表面，利用α-氰基丙烯酸乙酯在表面的圖形用Lift-off工藝最終實(shí)現(xiàn)薄膜Pt熱電阻的微結(jié)構(gòu)。Lift-off的工藝過(guò)程是：首先將渦輪葉片放在薄膜濺射室中利用磁控濺射的方法在葉片上沉積500 nm的Pt薄膜，濺射功率為600 W、濺射壓強(qiáng)為2×10-4Pa。薄膜濺射完畢，將整個(gè)葉片浸泡在丙酮中佐之以超聲將α-氰基丙烯酸乙酯去除，而沉積在其上的Pt膜層被剝離，形成膜傳感器的圖形。由此形成的葉片表面白金的3維形貌及尺寸如圖2所示。從圖中可見(jiàn)圖形復(fù)制效果良好。

圖2 利用PDMS轉(zhuǎn)印在葉片上的圖形

測(cè)量了航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面原位集成高溫傳感器的高溫電學(xué)特性。薄膜溫度傳感器高溫測(cè)量試驗(yàn)是在能夠?qū)囟壬卟⑶冶３衷诟哌_(dá)1300℃氮?dú)猸h(huán)境下的高溫箱式爐內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)開(kāi)始之前將進(jìn)行引線燒結(jié)工藝后的渦輪葉片放置在高溫箱式爐內(nèi)部爐膛（底部中心，然后將2根長(zhǎng)度為1 m、直徑為0.2 mm的鉑絲與熱電阻傳感器電極引線相連接，將其引出爐子外部連接多功能萬(wàn)用表。升溫至800℃后自然冷卻至室溫，測(cè)量熱電阻值及熱障涂層絕緣層電阻值隨溫度變化的響應(yīng)情況。

在800℃或更高的高溫環(huán)境下，一般陶瓷材料的電絕緣性能會(huì)降低[10-13]，會(huì)影響傳感器特性。因?yàn)槿绻r底絕緣層開(kāi)始電導(dǎo)通，熱敏電阻會(huì)通過(guò)襯底導(dǎo)通的并聯(lián)電阻而影響測(cè)量精度。為了在渦輪葉片上原位集成薄膜熱電阻，通常首先需要在熱電阻傳感器和渦輪葉片金屬基底之間噴涂1層在800℃下具有良好電絕緣特性的陶瓷層，此次研制的MEMS薄膜熱電阻所采用的絕緣基底熱障涂層是1層氧化鋯（ZrO2）陶瓷基底，由于陶瓷基底的絕緣特性會(huì)隨著溫度改變而改變，直接影響到熱電阻值隨溫度的變化結(jié)果，因此有必要在測(cè)量高溫?zé)犭娮鑲鞲衅鞲邷仉娮杼匦缘耐瑫r(shí)測(cè)量絕緣電阻值。利用與之前薄膜熱電阻相同的燒結(jié)引線測(cè)量技術(shù)分別連接2個(gè)不同的熱電阻傳感器電極焊接引線，將其引出爐子外部連接多功能萬(wàn)用表，將萬(wàn)用表調(diào)至測(cè)量電阻檔，即可同時(shí)測(cè)量電阻傳感器及其陶瓷基底絕緣電阻的溫度特性。葉片表面氧化鋯（ZrO2）陶瓷基底絕緣電阻值在溫度為25～800℃的變化過(guò)程如圖3所示。從圖中可見(jiàn)，在室溫條件下，絕緣電阻值為200 MΩ，超出測(cè)量量程，而在高溫條件下，陶瓷層的電阻值減小，絕緣電阻隨溫度的變化基本呈指數(shù)關(guān)系，通過(guò)改良陶瓷材料，高溫陶瓷材料的高溫電絕緣性能在800℃下保持在2 kΩ左右，對(duì)于50 Ω的熱電阻帶來(lái)的誤差是2%，但后續(xù)可以通過(guò)校準(zhǔn)，得到溫度和電阻的對(duì)應(yīng)曲線對(duì)測(cè)量溫度進(jìn)行修正。

圖3 葉片表面熱電阻傳感器及ZrO2絕緣涂層基底絕緣電阻隨溫度變化特性曲線

從圖中可見(jiàn)，電阻溫度的線性良好，可以實(shí)現(xiàn)在高溫環(huán)境下對(duì)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)高溫溫度傳感器的工程學(xué)目的。

2 振動(dòng)沖擊試驗(yàn)

根據(jù)葉片的形貌和尺寸加工了固定的夾具，以確保在振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)的整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程中，帶有傳感器的葉片穩(wěn)固在測(cè)量系統(tǒng)中。帶有傳感器和焊接連線的葉片在振動(dòng)臺(tái)上固定的實(shí)際圖片如圖4所示。夾具的榫槽和葉片的邊緣尺寸線對(duì)應(yīng)，夾具兩端可以根據(jù)葉片的寬度微調(diào)。振動(dòng)和沖擊傳感器被安裝在振動(dòng)臺(tái)上監(jiān)控和檢測(cè)振動(dòng)的頻率與強(qiáng)度，這些傳感器通過(guò)加速度或速度傳感器來(lái)測(cè)量振動(dòng)與沖力強(qiáng)度[14，15]。發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和振動(dòng)傳感器與振動(dòng)基座構(gòu)成1個(gè)完整的振動(dòng)測(cè)試構(gòu)件系統(tǒng)。

振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試裝置包括振動(dòng)臺(tái)和控制系統(tǒng)，如圖5所示。電動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)（Electro-dynamic Vibration Test System）的額定沖擊力是100 kN，頻率為1～2700 Hz，最大加速度可達(dá)100g，最大位移為51 mm，最大負(fù)載為800 kg。

圖4 固定上在振動(dòng)臺(tái)上的薄膜熱電偶單元傳感器

圖5 振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試裝置

抗振動(dòng)指標(biāo)界定為10～2000 Hz，40g。鑒于最大位移限制為51 mm，在低頻段把振動(dòng)強(qiáng)度調(diào)整為6g，隨著頻率的提高，振動(dòng)強(qiáng)度逐漸增大至40g，振動(dòng)強(qiáng)度的試驗(yàn)方案如圖6所示。

圖6 振動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)方案

沖擊試驗(yàn)測(cè)試裝置如圖7所示。垂直沖擊試驗(yàn)臺(tái)（Vertical Shock Tester）的最大負(fù)載值為100g，沖擊脈沖的持續(xù)時(shí)間為1.5～40 ms，峰值加速度可達(dá)600g，此沖擊臺(tái)可進(jìn)行常規(guī)的半正弦波、后峰鋸齒波等波形的沖擊試驗(yàn)。

圖7 沖擊試驗(yàn)測(cè)試裝置

發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片表面原位集成的MEMS薄膜傳感器器件的薄弱點(diǎn)主要有3處，集中在不同材質(zhì)的結(jié)合部：（1）薄膜材料與葉片基底材料的界面部位，在高振動(dòng)強(qiáng)度（幅度和頻率）下，薄膜可能會(huì)脫落；（2）傳感器的電極與焊接點(diǎn)，由于焊點(diǎn)材料和薄膜材料不盡相同，其結(jié)合處也成為容易斷開(kāi)的軟肋點(diǎn)；（3）焊接線與焊點(diǎn)之間的連接，由于焊接線在振動(dòng)與沖擊過(guò)程中的劇烈運(yùn)動(dòng)和變形扭曲，可能會(huì)造成連接處折斷。為此，每次振動(dòng)沖擊試驗(yàn)后，都要用電學(xué)測(cè)量方法來(lái)驗(yàn)證傳感器的連接狀況，傳感器等任何1個(gè)薄弱環(huán)節(jié)出了問(wèn)題，都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。

在振動(dòng)與沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)的過(guò)程中利用萬(wàn)用表測(cè)量和比較振動(dòng)沖擊前后的電阻值，如果連接沒(méi)有斷開(kāi)，電阻值一致，說(shuō)明結(jié)合力滿足驗(yàn)收振動(dòng)沖擊要求。該結(jié)合力包含了3項(xiàng)內(nèi)容：薄膜和葉片表面的結(jié)合力、焊點(diǎn)的結(jié)合力、連線的結(jié)合力和抗振動(dòng)能力。任何1項(xiàng)出了問(wèn)題，都可能使得測(cè)量的電阻值發(fā)生變化。

振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程分為2部分：（1）3 min掃頻：振動(dòng)頻率由10 Hz逐漸升至2000 Hz，然后回掃至10 Hz；（2）在270 Hz、40g的條件下，振動(dòng)20 min。對(duì)于沖擊試驗(yàn)，沖擊強(qiáng)度定為100g、8 ms，半正弦波，帶有傳感器的葉片分別沖擊5次。每次的振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)前后都要用萬(wàn)用表驗(yàn)證葉片集成的傳感器（熱電阻型傳感器和熱電偶型傳感器）。實(shí)際的振動(dòng)試驗(yàn)的加速度掃頻曲線和5次沖擊試驗(yàn)加速度測(cè)量曲線如圖8所示。從圖中可見(jiàn)，掃頻振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)的重復(fù)性非常好，振動(dòng)和沖擊強(qiáng)度每次都達(dá)到預(yù)定的要求。在每次振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)后都測(cè)量了MEMS熱電阻和熱電偶的連接特性，結(jié)果表明，連接特性沒(méi)有變化，葉片原位溫度傳感器在規(guī)定的苛刻的振動(dòng)與沖擊試驗(yàn)指標(biāo)下可安全、可靠地工作。

圖8 振動(dòng)試驗(yàn)的加速度掃頻曲線和沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

（1）制作了高溫原位集成渦輪葉片傳感器，不僅具有良好的溫度測(cè)量功能，而且有很強(qiáng)的抗沖擊和抗振動(dòng)能力。

（2）電阻溫度特性在800℃下還保有良好的線性，可以實(shí)現(xiàn)在高溫環(huán)境下的溫度監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)高溫溫度傳感器在航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其相關(guān)領(lǐng)域的工程學(xué)應(yīng)用。

（3）MEMS原位集成渦輪葉片傳感器系統(tǒng)在10～2000 Hz、40g、20 min、270 Hz的振動(dòng)試驗(yàn)，以及沖擊強(qiáng)度100g、8 ms的半正弦波沖擊試驗(yàn)下可安全、可靠地工作。