航天器用薄膜溫度傳感器的研制及性能研究

崔云先，高富來，朱熙，蘇新明，殷俊偉,*

1.大連交通大學 機械工程學院，大連 116028 2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094

飛行器以高超聲速飛行時，空氣受到強烈的壓縮和劇烈的摩擦作用，大部分動能轉(zhuǎn)化為熱能，致使飛行器頭部頂點或機翼前緣處產(chǎn)生大量的氣動熱，最大熱流密度可達420個太陽常數(shù)，瞬間溫升可達1 600 ℃[1-2]。嚴重的氣動熱所產(chǎn)生的瞬態(tài)高溫，會降低材料的強度極限和飛行器結(jié)構(gòu)的承載能力，從而影響飛行器的飛行安全[3]。為了防止氣動熱引起的表面瞬態(tài)高溫破壞飛行器，尤其是航天器的熱防護系統(tǒng)，因此，準確、實時、穩(wěn)定、可靠地測量出航天器表面溫度顯得尤為重要。

近年來，國內(nèi)外研究人員對熱電偶傳感器進行了大量研究[4-5]。薄膜熱電偶作為一種無源嵌入式薄膜傳感器，可以直接沉積在被測物體表面，且厚度僅為幾微米，具有熱慣性小、響應速度快以及對測試環(huán)境干擾小等優(yōu)點[6-7]，已被廣泛應用于物體表面瞬態(tài)溫度的測量工作。從工作原理上看，薄膜熱電偶可以由任意兩種具有不同塞貝克系數(shù)的導電材料或者半導體材料組合而成。但是，普通金屬基薄膜熱電偶容易在高溫和強空/氧氣流中發(fā)生氧化或者從基材上脫落[8]。因此，為了實現(xiàn)在高溫復雜環(huán)境中測得航天器表面溫度，需保證薄膜熱電偶的組成材料具有較高的塞貝克系數(shù)和抗氧化性。

美國太空總署格倫研究中心的研究結(jié)果表明，對于沒有保護膜的常規(guī)鉑銠合金基薄膜熱電偶，在1 500 ℃氧化環(huán)境中可實現(xiàn)短時工作[9]。鑒于此，選擇PtRh合金中塞貝克系數(shù)相對較大的PtRh30和PtRh6作為薄膜溫度傳感器的熱電極材料，并且探索性地在薄膜溫度傳感器感溫區(qū)的最外層增加了保護性薄膜，以改善薄膜溫度傳感器在高溫氧化環(huán)境中的耐用情況。

另外，由于引線是薄膜溫度傳感器電信號傳輸?shù)奈ㄒ煌ǖ繹10]，如果引線和薄膜接觸不良或者脫落，所采集的信號數(shù)據(jù)將無法準確反映當前的溫度或者薄膜熱電偶的特性。目前，薄膜熱電偶的引線主要依靠高溫導電銀膠進行連接，其面臨的主要問題是導電銀膠容易在高溫環(huán)境中發(fā)生失效，從而降低引線與傳感器的連接強度，而且暴露于高溫環(huán)境中的引線極易受到氣流沖刷而發(fā)生破壞。為此，提出了一種引線與傳感器基體一體化的新型結(jié)構(gòu)，并對所研制薄膜溫度傳感器在高溫環(huán)境下的測溫精確性、穩(wěn)定性、靈敏性、重復性等指標進行了系列研究。

1 薄膜溫度傳感器研制

1.1 引線和傳感器一體化結(jié)構(gòu)設計

圖1所示為薄膜溫度傳感器引線和傳感器一體化結(jié)構(gòu)的設計方案示意圖。傳感器直徑(D)、長度(L)以及感溫區(qū)面積可以根據(jù)航天器環(huán)境熱試驗中不同部位和深度的測量需求選擇適當尺寸。該傳感器主要由兩部分組成：感溫區(qū)和基底。其中，基底是薄膜溫度傳感器研制的關(guān)鍵，因為基底不僅是傳感器薄膜和引線的載體，而且在工作過程中起著非常重要的絕緣作用[11]，可減少熱電勢損耗引起的測量誤差。

高純度氧化鋁(99.999wt%)具有熔點高、耐熱沖擊、耐腐蝕、耐磨性好、電絕緣性好、高溫穩(wěn)定性好、與Pt/Rh合金熱電極薄膜結(jié)合力好等諸多優(yōu)點。因此，高純度氧化鋁陶瓷是制作薄膜溫度傳感器基底的首選材料。利用等靜壓成型方法[12]將高純氧化鋁陶瓷胚料制成帶有兩個通孔的陶瓷絕緣柱，其主要功能是將PtRh30和PtRh6兩種熱電極絲與其自身通過陶瓷燒結(jié)技術(shù)集成到一起，形成陶瓷絕緣基底。所用陶瓷絕緣基底的外徑尺寸為1.5 mm，長度為10 mm，內(nèi)部兩通孔直徑大小均為0.3 mm。為確保薄膜溫度傳感器有足夠的耐高溫性能，在陶瓷絕緣基底上用鎳基高溫合金套管進行鎧裝，鎧裝后的薄膜溫度傳感器直徑尺寸為2 mm。

圖1 薄膜溫度傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of thin film temperature sensor

其中，感溫區(qū)是由沉積在陶瓷絕緣基底一側(cè)端面上的功能薄膜與其通孔內(nèi)的熱電極絲所搭接成的熱接點來實現(xiàn)的。該熱接點的厚度主要取決于功能薄膜，一般僅為幾百納米，其形狀和面積取決于陶瓷絕緣基底通孔內(nèi)的熱電極絲。所涉及的熱接點均為圓形，其直徑與熱電極絲的直徑相一致，均為0.3 mm。根據(jù)塞貝克效應可知，功能薄膜只能在PtRh30和PtRh6兩種材料中選擇其一，為此，比較了上述兩種薄膜材料在高溫下的性能，具體對比結(jié)果會在后續(xù)內(nèi)容中作詳細說明。另外，為了改善薄膜溫度傳感器在高溫氧化環(huán)境中的耐用性，在功能薄膜表面覆蓋了一層保護薄膜，旨在提高薄膜溫度傳感器的使用性。

1.2 基底高溫絕緣性

由于PtRh30和PtRh6兩種熱電極絲與帶通孔的陶瓷絕緣柱之間存在直接接觸部分，而陶瓷材料在高溫下的導電性會顯著增加。因此，在高溫環(huán)境下電極絲與陶瓷絕緣柱之間會發(fā)生相互作用，這種相互作用可能會導致絕緣陶瓷帶有“電工”特性，使熱電極絲產(chǎn)生的電壓出現(xiàn)分路[13]，從而增大測量誤差。

鑒于此，首先對傳感器陶瓷絕緣基底在高溫環(huán)境下的絕緣性進行研究。將未制備功能薄膜的陶瓷絕緣基底放置于Fluke 9118A- C- 256高溫檢定爐中，并將絕緣基底兩通孔中的熱電極絲分別與ZC36高阻計的紅黑表筆相連，避免夾持部位與其他物體接觸，試驗裝置如圖2所示。

在試驗過程中，控制爐膛溫度由300 ℃開始，每升高100 ℃保溫30 min，待爐溫穩(wěn)定后，記錄陶瓷絕緣基底在各溫度點處的電阻值，直至最高爐溫1 200 ℃。利用Origin軟件對測得的實驗數(shù)據(jù)進行擬合處理，結(jié)果如圖3所示。

圖2 絕緣電阻測量試驗裝置Fig.2 Test equipment for insulation resistance measurement

圖3 絕緣電阻測量曲線Fig.3 Measurement curve of insulation resistance

從圖3的試驗測量結(jié)果可以看出，隨著爐膛溫度不斷升高，陶瓷絕緣基底的電阻值呈現(xiàn)指數(shù)下降趨勢，且下降速率逐漸變緩。在溫度由300 ℃升高至1 200 ℃的過程中，陶瓷絕緣基底的電阻值由1.23×1011Ω降至1.18×106Ω。按照國標對儀表絕緣基底電阻值應不小于1 MΩ的要求，采用高純度氧化鋁陶瓷作為薄膜溫度傳感器的基底材料是可行的。

1.3 功能薄膜選取

由薄膜溫度傳感器的結(jié)構(gòu)可知，其上的功能薄膜只能在PtRh30和PtRh6兩種材料中選擇其一。為了在PtRh30和PtRh6兩種材料中選出高溫穩(wěn)定性最佳的功能薄膜材料，采用前述的高純氧化鋁陶瓷胚料制成方形陶瓷基片，其邊長為10 mm，厚度為1 mm，以便于對薄膜進行觀察分析。然后，對陶瓷基片進行機械拋光，獲得光滑、平整的表面。在此基礎(chǔ)上，對拋光后的基片表面進行化學清洗。首先，分別在丙酮和無水乙醇溶液中超聲振動清洗10 min，之后在去離子水中浸泡10 min[14]，緊接著用空氣噴槍吹干，以確保其表面完全干燥。最后將清洗后的陶瓷基片擺放于磁控濺射設備真空室的載物臺上進行薄膜制備。在前期研究的基礎(chǔ)上，選擇雙放電腔微波等離子體增強射頻反應非平衡磁控濺射方法[15]直接將PtRh30和PtRh6兩種薄膜分別沉積在兩片相同的陶瓷基片上，為了方便薄膜表征，選取薄膜厚度為1 500 nm，其制備工藝參數(shù)如表1所示。

表1 功能薄膜工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of functional films

將制備完成的上述兩種薄膜試件同時放置于箱式馬弗爐中進行退火，退火溫度依次為400、800、1 200 ℃，保溫時間均設定為1 h。利用JEM-2100F掃描電子顯微鏡(Scanning Electronic Microscope, SEM)觀察兩種薄膜在不同退火溫度下的表面微觀形貌變化，如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，PtRh6薄膜隨著退火溫度的升高，薄膜表面晶格逐漸變大，熱應力得到充分釋放，在1 200 ℃退火處理后，薄膜充分再結(jié)晶達到平衡狀態(tài)，組織結(jié)構(gòu)致密，得到了晶粒細小且分布均勻的薄膜；PtRh30薄膜隨著退火溫度的增大，晶粒同樣逐漸變大，但在800 ℃時出現(xiàn)過生長現(xiàn)象，1 200 ℃退火后，過密的晶粒間距使組織偏離平衡狀態(tài)，導致薄膜產(chǎn)生新的內(nèi)應力，無法獲得穩(wěn)定的組織結(jié)構(gòu)[16]。在此基礎(chǔ)上，利用能譜分析儀(Energy Dispersive Spectrometer, EDS)對1 200 ℃ 退火后的兩種薄膜進行分析，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖4 PtRh6薄膜表面微觀形貌Fig.4 Surface micro morphology of PtRh6 thin film

由圖6和圖7可知，PtRh6薄膜在1 200 ℃高溫退火后，O元素含量僅新增2.3%，Pt、Rh元素質(zhì)量比為91∶7，與PtRh6化學計量比94∶6較為接近。PtRh30薄膜在退火后，新增O元素質(zhì)量分數(shù)為9.34%， Pt含量由68.7%降低至60.3%，變化較大，可能導致其作為電極時，熱電信號不穩(wěn)定。

綜上所述，在相同條件退火后，PtRh6薄膜相對于PtRh30薄膜更加致密，且成分變化更小，可充分釋放熱應力達到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，降低了功能薄膜受熱發(fā)生損壞的風險。因此，為適應高溫極端環(huán)境下的檢測工作，選用PtRh6作為薄膜溫度傳感器的功能薄膜更為合適。

圖5 PtRh30薄膜表面微觀形貌Fig.5 Surface micro morphology of PtRh30 thin film

圖6 PtRh6薄膜能譜分析圖Fig.6 Energy spectrum analysis diagram of PtRh6 thin films

圖7 PtRh30薄膜能譜分析圖Fig.7 Energy spectrum analysis diagram of PtRh30 thin films

1.4 保護薄膜選取

保護薄膜在高溫環(huán)境下，對薄膜溫度傳感器的熱電極可起到良好的保護作用，在不影響傳感器正常測溫的情況下，盡量選擇與基底熱膨脹系數(shù)相近的材料[17]，可以有效防止在高溫環(huán)境中，因內(nèi)應力而造成的薄膜相互牽扯撕裂現(xiàn)象。為此，在前述的高純度氧化鋁方形陶瓷基片上，制備了ZrO2和Al2O3兩種常用耐高溫保護薄膜，經(jīng)過反復實驗，獲得膜厚為1 500 nm的薄膜最優(yōu)制備工藝參數(shù)如表2所示。

表2 保護薄膜工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of protective films

將制備完成的上述兩種保護薄膜試件同時放置于箱式馬弗爐中進行高溫退火處理，設定爐溫為1 200 ℃，溫升速率為5 ℃/min，保溫時間設定為1 h，待試件隨爐冷卻后取出，并利用能譜分析儀對兩種保護薄膜的元素成分進行檢測，結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 ZrO2薄膜能譜分析圖Fig.8 Energy spectrum analysis diagram of ZrO2 thin films

圖9 Al2O3薄膜能譜分析圖Fig.9 Energy spectrum analysis diagram of Al2O3 thin films

由圖8和圖9可知，Al2O3薄膜在高溫退火前、后元素含量無較大變化，Al、O原子個數(shù)比近似為2∶3；而ZrO2薄膜在高溫退火后，Zr元素的質(zhì)量比由69.25%降低至49.75%，元素含量波動較大，高溫穩(wěn)定性較差。進一步地，采用掃描電子顯微鏡、Multimode 8原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)對兩種保護薄膜退火后的表面微觀形貌及其表面粗糙度進行觀測[18]，結(jié)果如圖10和圖11所示。

由圖10和圖11可知，退火后Al2O3薄膜表面除個別區(qū)域存在微小孔洞外，整體具有較好的連續(xù)性及致密性，粗糙度僅為1.3 nm；而ZrO2薄膜在退火后出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象，且晶粒缺陷明顯，導致薄膜表面不均勻，形成島狀結(jié)構(gòu)，致密性較差，且粗糙度為12.0 nm相對較大，可能導致與功能薄膜相互牽扯發(fā)生破裂。

圖10 兩種保護薄膜退火后表面微觀形貌Fig.10 SEM diagram of two protective films after annealing

圖11 兩種保護薄膜退火后AFM圖Fig.11 AFM diagram of two protective films after annealing

綜上所述，在1 200 ℃高溫退火環(huán)境下，Al2O3薄膜無論是在成份上還是在表面微觀形貌上都變化較小，具有較強的高溫穩(wěn)定性。因此，選擇Al2O3作為薄膜溫度傳感器保護薄膜材料。

1.5 傳感器制備流程

傳感器材料選取確定后，即可進行制備工作。圖12為引線和傳感器一體化結(jié)構(gòu)的薄膜溫度傳感器主要制造過程。第1步，將雙孔陶瓷柱利用丙酮、無水乙醇溶液分別超聲振動清洗，去除表面雜質(zhì)及油污，并將兩種熱電極絲分別穿入雙孔陶瓷柱，如圖12(a)所示；第2步，采用SiO2粉末填充陶瓷柱縫隙，放置于1 500 ℃馬弗爐中進行燒結(jié)，使得熱電極絲和陶瓷柱集成到一起形成陶瓷絕緣基底，如圖12(b)所示；第3步，陶瓷基底外部采用高溫鎳基合金管進行封裝，使用無機高溫膠填充兩者之間的空隙，一方面起到保護作用，另一方面可以達到二次隔熱的目的，減少外界環(huán)境溫度變化帶來的影響，如圖12(c)所示；第4步，對陶瓷基底非引線端進行研磨拋光，使其平整光滑，近似鏡面，并利用無水乙醇清洗干凈[19]，如圖12(d)所示；第5步，將拋光后的傳感器基底置于鍍膜設備真空室的樣品托上，并確保陶瓷基底非引線端正對靶材，采用磁控濺射法制備PtRh6功能薄膜，如圖12 (e)所示；第6步，重復上一步驟，更換為Al靶材，在功能薄膜表面制備Al2O3保護薄膜，如圖12(f)所示。圖13為所研制薄膜溫度傳感器實物圖。

2 靜態(tài)標定試驗

任何一種傳感器在制造、裝配完畢后都必須對其參數(shù)和性能進行標定，以確定傳感器的基本特性[20]，對于薄膜溫度傳感器，其靈敏度和重復性是兩項重要的靜態(tài)指標。因此，對所研制的薄膜溫度傳感器進行靜態(tài)標定顯得尤為重要。

2.1 試驗裝置

靜態(tài)標定實驗裝置主要由二等精度標準B型熱電偶、Fluke 9118A-C-256高溫臥式計量爐和Fluke 1586A高精度多路測溫儀等組成。將所研制薄膜溫度傳感器和標準B型熱電偶同時插入計量爐的爐膛中，相應的補償導線連接至高精度多路測溫儀，試驗裝置如圖14所示。

圖12 薄膜溫度傳感器的制備流程Fig.12 Preparation flow chart of thin film temperature sensor

圖13 薄膜溫度傳感器Fig.13 Thin film temperature sensor

圖14 靜態(tài)標定試驗裝置Fig.14 Static calibration test device

在試驗過程中，為避免薄膜溫度傳感器在標定過程中與爐壁發(fā)生接觸，進而污染熱電極絲或產(chǎn)生高溫分壓[21]，故設計制作了一種薄膜溫度傳感器靜態(tài)標定專用夾持裝置，該裝置整體結(jié)構(gòu)及使用方法如圖15所示。

圖15 靜態(tài)標定夾具實物圖Fig.15 Physical drawing of static calibration fixture

首先，采用機械螺釘對薄膜溫度傳感器和標準熱電偶及其引線進行固定；然后依次安裝內(nèi)、外套筒，兩半圓型套筒相互扣合，確保僅傳感器頂部(即感溫區(qū))暴露在外進行測溫，從而實現(xiàn)傳感器冷、熱端的隔離，減少試驗誤差。同時，利用卡環(huán)確保傳感器在多次重復標定試驗中，可放置于爐膛相同位置處，從而使感溫區(qū)處于恒定溫度環(huán)境中，增強試驗結(jié)果的可靠性。

2.2 試驗方案及結(jié)果

為探究所研制薄膜溫度傳感器的靈敏度及重復性，同時研究功能薄膜厚度對其產(chǎn)生的影響，故在表1功能薄膜制備工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，制備出400 nm和800 nm兩種功能膜厚的薄膜溫度傳感器。并同時放置于計量爐中進行測試，設定計量爐的最高試驗溫度為1 200 ℃，溫升速率為10 ℃/min， 同時使爐溫從600 ℃開始每升高50 ℃ 自動保溫10 min，記錄各溫度點處的熱電勢值，并利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進行擬合求導，得出靈敏度變化曲線，結(jié)果如圖16所示。

數(shù)據(jù)表明，兩種不同功能薄膜厚度的薄膜溫度傳感器靜態(tài)標定結(jié)果基本一致。在600～1 200 ℃溫度變化區(qū)間內(nèi)，各溫度點對應的熱電勢值近似呈二次曲線分布，其擬合方程式為

y=Ax2+Bx+C

式中：A=3.59×10-6mV/℃2;B=1.82×10-3mV/℃C=-0.659;R2=0.999 97。

此外，隨著實驗溫度不斷升高，所研制的薄膜溫度傳感器靈敏度由6.11 μV/℃增大至10.48 μV/℃，且呈線性增長趨勢，兩種功能膜厚的傳感器平均靈敏度分別為8.422 μV/℃和8.404 μV/℃，均與標準B型熱電偶平均靈敏度8.315 μV/℃相近。由此可見，薄膜溫度傳感器的靈敏度受功能薄膜厚度影響甚微。

在此基礎(chǔ)上，選用功能薄膜厚度為400 nm的薄膜溫度傳感器進行重復性探究實驗。采用上述試驗方案先后對該傳感器進行了3次重復標定，得到擬合曲線如圖17所示。

圖16 熱電勢及靈敏度曲線Fig.16 Curves of thermoelectric potential and sensitivity

圖17 傳感器循環(huán)標定曲線Fig.17 Cycle calibration curves of sensor

由圖17可知，薄膜溫度傳感器3次測量結(jié)果均與標準值接近，且重復性誤差率為

式中：ΔRmax為輸出最大不重復誤差;YFS為最大輸出值。

該實驗結(jié)果表明，所研制薄膜溫度傳感器具有較好的重復性，可實現(xiàn)在高溫環(huán)境中多次精準測溫的目的。

3 高溫綜合性能考核

3.1 測量精度

為了檢測高溫環(huán)境下所研制薄膜溫度傳感器的測試精度，采用北京計量服務中心提供的HT162黑體輻射爐作為高溫熱源，Keithley DMM 7510數(shù)字萬用表作為數(shù)據(jù)采集設備，將所研制薄膜溫度傳感器和標準B型熱電偶按照檢定規(guī)程，同時插入黑體輻射爐爐膛相同位置處，相應的補償導線分別引出至兩臺數(shù)字萬用表，試驗裝置如圖18所示。

圖18 高溫精度測試試驗裝置Fig.18 Test devices of high-temperature precision testing

檢定溫度依次設定為1 300、1 400、1 500 ℃，分別記錄3個檢定溫度點下兩臺數(shù)字萬用表所測得的熱電勢值，對照標準分度表得出各熱電勢對應溫度值，檢定結(jié)果如表3所示。

由檢定結(jié)果可以看出，所研制薄膜溫度傳感器在3個實驗溫度點的測量誤差分別為0.29%、 0.31%和0.33%，均不超過4‰×T(T為實際測量溫度)，測量精確度較高，符合實驗預期。

表3 檢定結(jié)果Table 3 Verification results

3.2 測溫上限

為了考核所研制薄膜溫度傳感器在高溫環(huán)境下的耐高溫能力，采用瞬時溫度可達2 000 ℃的乙炔火焰對傳感器進行燒灼破壞試驗。同時，為了實時記錄和顯示傳感器的溫度時變曲線，采用領(lǐng)邦瞬態(tài)溫度數(shù)據(jù)采集儀記錄傳感器測得的火焰溫度值，并經(jīng)數(shù)據(jù)線傳輸至上位機顯示，試驗裝置如圖19所示。

對有保護膜和無保護膜的薄膜溫度傳感器感溫區(qū)依次進行持續(xù)定點加熱，并實時觀察各傳感器對應的測溫曲線，直至溫度曲線出現(xiàn)斷崖式下降，證明傳感器已發(fā)生損壞，停止乙炔火焰加熱，利用上位機保存并輸出數(shù)據(jù)，得出試驗結(jié)果如圖20所示。

圖19 乙炔火焰燒灼試驗裝置Fig.19 Test devices for acetylene flame burning

圖20 乙炔火焰燒灼溫度測試曲線Fig.20 Temperature test curves of acetylene flame burning

由圖20中的試驗曲線可知，有保護膜的薄膜溫度傳感器，其測溫上限約為1 800 ℃，而無保護膜的薄膜溫度傳感器在1 550 ℃左右發(fā)生損壞。由此可見，有保護膜的薄膜溫度傳感器測溫上限更高，證明了選擇Al2O3作為保護膜可大幅提高薄膜溫度傳感器的耐高溫能力。

3.3 服役性能

高溫服役性能是衡量傳感器使用壽命的重要指標[22-23]。為了進一步考核保護膜是否會影響所研制傳感器的服役性能，采用陶瓷纖維馬弗爐1750作為穩(wěn)定熱源，將有保護膜的薄膜溫度傳感器與無保護膜的薄膜溫度傳感器同時放入馬弗爐中進行高溫退火。設定退火溫度為1 600 ℃，溫升速率為2 ℃/min，保溫1 h后隨爐冷卻，待爐膛溫度降至室溫后取出薄膜溫度傳感器，利用GAOSUO X數(shù)字電子顯微鏡觀察其端面，結(jié)果如圖21所示。

由圖21所示，1 600 ℃高溫退火后，有保護膜的薄膜溫度傳感器，其端面平整光滑，薄膜無脫落或揮發(fā)現(xiàn)象，且傳感器阻值為1.3 Ω，證明熱接點并沒有受到破壞。而無保護膜的薄膜溫度傳感器在退火后其端面出現(xiàn)明顯褶皺，并伴隨薄膜局部脫落現(xiàn)象，導致熱接點受到破壞，無法測得傳感器電阻值。該試驗結(jié)果再次證明了Al2O3保護薄膜的重要性，可有效提高所研制薄膜溫度傳感器的服役性能。

圖21 感溫端面對比圖Fig.21 Comparative figures of temperature sensing end face

為了考核有保護膜的薄膜溫度傳感器在高溫環(huán)境下持續(xù)準確測溫的服役時間，故將上述經(jīng)高溫退火且有保護膜的薄膜溫度傳感器放置于高溫臥式計量爐中，設定爐膛的溫度上限為1 200 ℃，并采用高精度測溫儀記錄測溫信號。試驗過程中，先使該薄膜溫度傳感器隨爐升溫至1 200 ℃設定溫度，然后使其在1 200 ℃下持續(xù)測溫3 h后停止加熱，待爐溫降至300 ℃時，重復上述升溫—保持—降溫操作，得到所研制傳感器的服役時間測試曲線，結(jié)果如圖22所示。

圖22 薄膜溫度傳感器服役性能測試曲線Fig.22 Service performance testing curve of thin film temperature sensor

從圖22中可以看出，所研制薄膜溫度傳感器在1 200 ℃高溫環(huán)境下連續(xù)測溫6 h后，仍無信號中斷現(xiàn)象，且經(jīng)過兩次高溫循環(huán)加熱后，測溫信號未發(fā)生明顯變化，表明薄膜溫度傳感器具有較好的高溫服役性能，可長時間工作于高溫環(huán)境中。

4 結(jié) 論

1) 在1 200 ℃高溫爐膛中，高純度氧化鋁陶瓷基底絕緣電阻不小于1 MΩ，可作為薄膜溫度傳感器絕緣基底。

2) 在300～1 200 ℃范圍內(nèi)，薄膜溫度傳感器的靈敏度隨著標定溫度升高近似呈線性增加趨勢，平均靈敏度可達8.422 μV/℃，與標準B型熱電偶靈敏度相近，受功能薄膜厚度影響甚微，且傳感器具有良好的重復性。

3) 所研制薄膜溫度傳感器的測溫上限為1 800 ℃， 在1 500 ℃環(huán)境下測量誤差不超過4‰，在1 200 ℃環(huán)境中可連續(xù)準確測溫6 h以上。