ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)制備及耐高溫性能研究

姚 雪，李碩林，譚秋林，張 磊，董和磊

(省部共建動(dòng)態(tài)測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中北大學(xué)，山西太原 030051)

0 引言

隨著航天發(fā)動(dòng)機(jī)的效率以及推力的不斷提高，為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，對渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片在極端條件和惡劣環(huán)境(如高溫、高速、高壓、強(qiáng)腐蝕性等)下工作時(shí)的健康監(jiān)測顯得尤為重要。渦輪葉片大多是由于在高溫高速環(huán)境下受到復(fù)雜的激振力、離心力、溫度應(yīng)力以及機(jī)械彎矩的復(fù)合作用而損壞的，因此，能夠穩(wěn)定又準(zhǔn)確地監(jiān)測葉片在工作時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變是非常重要的[1-3]。近年來，直接沉積在高溫部件表面的薄膜應(yīng)變傳感器受到廣泛關(guān)注，它具有厚度小、響應(yīng)時(shí)間短、測試準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)，而且由于其質(zhì)量可以忽略不計(jì)，因此對葉片在高溫、應(yīng)變和振動(dòng)模式下工作時(shí)的影響最小[4-5]。

目前對于薄膜應(yīng)變計(jì)的研究，大多是由合金材料作為敏感材料來制備高溫薄膜應(yīng)變計(jì)[6]。然而，這些合金材料在高于1 000 ℃的環(huán)境下工作時(shí)極易被氧化，高溫環(huán)境下應(yīng)變片的電阻會(huì)大幅度增加，從而導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)失效[7]。近年來，具有耐高溫特性的氧化銦錫(ITO)薄膜應(yīng)變計(jì)逐漸受到了關(guān)注，由于ITO薄膜具有高熔點(diǎn)、優(yōu)異的壓阻特性和高溫抗氧化性的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于在1 000 ℃以上運(yùn)行的高溫部件的應(yīng)變和溫度測量[8-10]。但是ITO薄膜本身具有較大的電阻溫度系數(shù)(TCR)，這使得ITO薄膜應(yīng)變計(jì)在高溫環(huán)境下的應(yīng)用受到了限制[11-12]。因此應(yīng)變計(jì)需要穩(wěn)定可靠的溫度補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)精確的應(yīng)變測量?？紤]到應(yīng)變計(jì)在惡劣環(huán)境中工作的要求，濺射沉積的鉑(Pt)薄膜是一種候選材料，因?yàn)樗哂泻芎玫母邷胤€(wěn)定性和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性。與ITO薄膜具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)不同，Pt薄膜具有正的電阻溫度系數(shù)[13]，因此根據(jù)這兩種薄膜材料在高溫下敏感性質(zhì)的不同，理論上可以通過合適的工藝制備ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)，從而有效降低應(yīng)變計(jì)的TCR，使其在高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作[14]。

本文在氧化鋁陶瓷基底表面制備了ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)，研究了ITO-Pt的不同厚度比對ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)高溫穩(wěn)定性的影響，并對ITO/Pt薄膜應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變敏感性能進(jìn)行了測試。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的制備

ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的具體制備步驟如下：

(1)基底的清洗和退火?；撞牧线x的是具有絕緣性能的氧化鋁陶瓷懸臂梁。首先將基底依次用丙酮、酒精和去離子水超聲清洗10 min，去除基底表面的有機(jī)污染物之后用氮?dú)獯蹈?。然后將陶瓷基底置于馬弗爐中在1 200 ℃的溫度下進(jìn)行2 h退火處理，來消除激光切割時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

(2)ITO薄膜的制備。采用脈沖激光沉積(PLD)工藝在處理過的陶瓷基底上采用金屬掩膜法來制備ITO薄膜，沉積時(shí)所用的ITO靶材是成分為In2O3(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%)和SnO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%)的合金靶材。ITO薄膜的沉積參數(shù)如表1所示，通過控制PLD沉積的時(shí)間分別得到厚度為100、220、350、550、700 nm的ITO薄膜。

表1 ITO薄膜的沉積參數(shù)

(3)Pt薄膜的制備。保持上述制備完ITO薄膜的金屬掩模板位置不變，繼續(xù)采用直流磁控濺射工藝在各個(gè)厚度不同的ITO薄膜上沉積厚度為100 nm的Pt薄膜，分別得到了ITO薄膜與Pt薄膜的厚度比為1∶1、2.2∶1、3.5∶1、5.5∶1和7∶1的ITO/Pt復(fù)合薄膜，將上述樣品按薄膜厚度比從小到大標(biāo)記為樣品1、樣品2、樣品3、樣品4和樣品5，Pt薄膜的沉積工藝如表2所示。

表2 Pt薄膜的沉積參數(shù)

(4)Al2O3保護(hù)層的制備。ITO/Pt復(fù)合薄膜制備完成后，在薄膜應(yīng)變柵的表面通過PLD沉積工藝制備一層Al2O3薄膜作為高溫保護(hù)層，最終制備出完整的ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)。需要注意的是，在制備Al2O3保護(hù)層的過程中，為了防止污染，薄膜圖形化的電極需要用膠帶嚴(yán)密遮蓋起來，以便引線引出用于后續(xù)測量。Al2O3保護(hù)層的沉積參數(shù)如表3所示。

表3 Al2O3薄膜的沉積參數(shù)

(5)引線的連接。根據(jù)應(yīng)變計(jì)的溫度測試范圍，引線選用的是直徑為0.8 mm的鉑絲。首先通過高溫鉑漿在800 ℃固化120 min，再連接到ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)圖形化的電極上。圖1為在陶瓷基底上制備的ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)圖以及示意圖。

(a)結(jié)構(gòu)圖

1.2 樣品測試

薄膜的厚度由高精度臺階儀Axio Scope.A1測得，采用型號為SUPRA-55的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察薄膜應(yīng)變計(jì)橫截面的微觀形貌，薄膜的電阻大小是由Keithley 2750 多通道數(shù)字源表測得的，應(yīng)變的大小由JHDY-0508型動(dòng)態(tài)應(yīng)變測試儀進(jìn)行標(biāo)定。

電阻溫度系數(shù)(TCR)表示單位溫度改變時(shí)的電阻值的相對變化。電阻溫度系數(shù)的大小在一定程度上表征了ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的性能，它反映了應(yīng)變計(jì)受溫度變化的影響程度，ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的電阻溫度系數(shù) (TCR)可通過式(1)來計(jì)算:

(1)

式中：TCR為薄膜的電阻溫度系數(shù)，℃-1；RT為在溫度為T時(shí)對應(yīng)的電阻值，Ω；R0為常溫時(shí)對應(yīng)電阻值，Ω；T0為常溫，T0=25 ℃；T為測試記錄的溫度值，℃。

由式(1)可知，TCR值越大，薄膜的電阻隨溫度的變化越大。因此，減小應(yīng)變薄膜的TCR對于制備穩(wěn)定的、高性能的薄膜應(yīng)變計(jì)非常重要。

圖2為ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的高溫測試平臺。在大氣環(huán)境下，利用一個(gè)可以自編程的高溫馬弗爐進(jìn)行加熱，薄膜樣品的電阻變化情況通過多通道數(shù)字源表進(jìn)行實(shí)時(shí)測試，同時(shí)通過電腦端的配套軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)。

圖2 ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的耐高溫性能測試平臺

應(yīng)變靈敏系數(shù)(GF)表示單位應(yīng)變下應(yīng)變計(jì)敏感柵電阻值的相對變化。應(yīng)變靈敏系數(shù)的大小反映了應(yīng)變計(jì)對應(yīng)變變化的敏感程度。ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變靈敏系數(shù)(GF)可通過式(2)來計(jì)算:

(2)

式中：ΔR為薄膜應(yīng)變計(jì)的敏感柵電阻值在施加應(yīng)變后的變化量，Ω；R為薄膜應(yīng)變計(jì)敏感柵在未施加應(yīng)變時(shí)的電阻值，Ω；ε為應(yīng)變計(jì)受到的應(yīng)變大小。

由式(2)可知，GF值越大，表明薄膜應(yīng)變計(jì)對應(yīng)變的變化越敏感，薄膜應(yīng)變計(jì)的性能也越好。

圖3為薄膜應(yīng)變計(jì)進(jìn)行應(yīng)變性能測試的測試平臺。在大氣環(huán)境中，陶瓷懸臂梁一端通過螺絲固定在一個(gè)打孔的金屬塊上，另一端懸空。通過一個(gè)被夾持的螺旋測微儀對沉積有薄膜應(yīng)變計(jì)的陶瓷懸臂梁的自由端施加應(yīng)變，產(chǎn)生的應(yīng)變大小通過與應(yīng)變測試儀連接的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片進(jìn)行標(biāo)定。薄膜應(yīng)變計(jì)應(yīng)變柵的電阻變化通過多通道數(shù)字源表實(shí)時(shí)測得，應(yīng)變測試儀和多通道數(shù)字源表的測試結(jié)果可以同時(shí)通過電腦上的配套軟件進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。

圖3 ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)應(yīng)變性能的測試平臺

2 結(jié)果與討論

2.1 ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的耐高溫性能

通過搭建的測試平臺在25～1 200 ℃范圍內(nèi)測試了不同厚度比的樣品電阻隨溫度的變化情況，然后根據(jù)式(1)計(jì)算得到樣品1～5的TCR值，繪制成如圖4所示的TCR對比圖。從圖中可以看出，隨著ITO薄膜與Pt薄膜厚度比的增加，ITO/Pt復(fù)合應(yīng)變薄膜的TCR值也呈減小趨勢。當(dāng)ITO薄膜與Pt薄膜的厚度比為5.5∶1時(shí)(樣品4)，復(fù)合應(yīng)變薄膜的TCR達(dá)到最小，為564.52×10-6℃-1。此外還在相同條件下分別制備了Pt與ITO的單層薄膜，然后在相同的溫度范圍內(nèi)對它們的TCR進(jìn)行了測試。需要注意的是，此處ITO薄膜的TCR應(yīng)為-1 850×10-6℃-1，為了便于對比，圖4中標(biāo)注的TCR為其取絕對值的結(jié)果。由圖4可知，相比于Pt單層薄膜與ITO單層薄膜的TCR，復(fù)合后的ITO/Pt復(fù)合應(yīng)變薄膜的TCR顯著減小，當(dāng)厚度比為5.5∶1時(shí)，ITO/Pt復(fù)合應(yīng)變薄膜的TCR是Pt單層應(yīng)變薄膜TCR的1/4，是ITO單層應(yīng)變薄膜TCR的1/3。這是由于Pt具有正的電阻溫度系數(shù)，而ITO具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，理論上將這2種對溫度敏感性質(zhì)不同的材料復(fù)合之后可以使ITO/Pt復(fù)合應(yīng)變薄膜的TCR顯著減小，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

圖4 樣品以及ITO和Pt單層薄膜的TCR對比

圖5(a)為樣品4即ITO薄膜與Pt薄膜厚度比為5.5∶1時(shí)的TCR曲線圖。從圖中可以看出，隨著加熱溫度的升高，ITO/Pt復(fù)合薄膜的電阻逐漸增大，當(dāng)加熱溫度達(dá)到800 ℃時(shí)，復(fù)合薄膜的電阻變化幅度變小，隨著加熱溫度繼續(xù)升高到1 000 ℃以上，復(fù)合薄膜的電阻變化逐漸平緩且趨向于零。這表明隨著加熱溫度的升高，ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的電阻穩(wěn)定性變得更好，有利于薄膜應(yīng)變計(jì)在1 000 ℃以上高溫環(huán)境中進(jìn)行更為準(zhǔn)確的應(yīng)變測量。

圖5(b)為樣品4的TCR隨溫度變化的曲線圖。從圖中可以看出，隨著加熱溫度的升高，樣品4的TCR逐漸變小。從室溫加熱到400 ℃的過程中，復(fù)合薄膜的TCR從824.206×10-6℃-1減小到了738.779×10-6℃-1，這可能是因?yàn)殡S著溫度的升高，ITO/Pt復(fù)合薄膜的缺陷逐漸被修復(fù)，薄膜層與層之間變得更加致密；當(dāng)溫度從400 ℃加熱到1000 ℃時(shí)，復(fù)合薄膜的TCR先增大又減小，這是因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)復(fù)合薄膜發(fā)生了p-n轉(zhuǎn)變，同時(shí)層與層之間的融合速度隨著溫度的升高越來越快，從而導(dǎo)致復(fù)合薄膜電阻的變化規(guī)律產(chǎn)生波動(dòng)[15]；當(dāng)加熱溫度達(dá)到1 000 ℃以上時(shí)，復(fù)合薄膜的TCR基本穩(wěn)定在600×10-6℃-1以下，這可能是在高溫環(huán)境下ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫度自補(bǔ)償使得復(fù)合薄膜的電阻變得穩(wěn)定[16]。

(a)樣品4的TCR曲線圖

圖6為ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)在高溫測試前和高溫測試后的橫截面SEM形貌圖。從圖中可以看出，高溫測試前復(fù)合薄膜的Al2O3保護(hù)層、ITO應(yīng)變層與Pt應(yīng)變層之間都有清晰的分界線，而且層與層之間連接得非常緊密，各個(gè)薄膜層也很致密、均勻且沒有明顯氣孔。 在進(jìn)行從室溫到1 200 ℃的高溫測試后，ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)層與層之間的分界線變得模糊，但是復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)依然非常致密，沒有明顯的開裂現(xiàn)象，這可能是因?yàn)榻?jīng)過高溫?zé)崽幚碇螅∧さ膶优c層之間發(fā)生了融合，同時(shí)也修復(fù)了薄膜沉積時(shí)的缺陷，使得薄膜變得更加致密，從而提高了薄膜的高溫穩(wěn)定性。

(a)高溫測試前

2.2 ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變測試

如圖7所示，對ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變性能進(jìn)行了測試，選取的測試樣品為ITO薄膜與Pt薄膜厚度比為5.5∶1的樣品4，測試的條件為室溫環(huán)境下。圖7(a)為采用上文所述的應(yīng)變測試平臺測試得到的ITO/Pt復(fù)合應(yīng)變計(jì)電阻值隨施加應(yīng)變的變化曲線。從圖中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變計(jì)的電阻值隨著施加力的逐漸增大而逐漸增加，并顯示出良好的線性增加關(guān)系。圖7(b)為應(yīng)變計(jì)電阻相對變化隨應(yīng)變的變化曲線，可以看出，應(yīng)變計(jì)的相對電阻變化與應(yīng)變之間也有很好的線性關(guān)系。根據(jù)式(2)可以得到，圖7(b)中電阻隨應(yīng)變變化曲線的斜率即為應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變靈敏系數(shù)，通過軟件擬合后得到了曲線的線性擬合直線以及擬合直線的斜率，其斜率為3.10，因此，ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變靈敏系數(shù)GF為3.10。

(a)應(yīng)變計(jì)的電阻值隨應(yīng)變的變化

3 結(jié)束語

本文主要采用脈沖激光沉積和磁控濺射的實(shí)驗(yàn)方法，在氧化鋁陶瓷懸臂梁基底上制備了ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)，研究了ITO薄膜與Pt薄膜不同厚度比對薄膜應(yīng)變計(jì)的耐高溫性能的影響，結(jié)果表明，隨著ITO薄膜與Pt薄膜厚度比的增加，ITO/Pt復(fù)合應(yīng)變薄膜的電阻溫度系數(shù)(TCR)值呈減小趨勢。當(dāng)ITO薄膜與Pt薄膜的厚度比為5.5∶1時(shí)，ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的TCR隨著加熱溫度的升高而逐漸變小。當(dāng)加熱溫度達(dá)到1 000 ℃以上時(shí)，復(fù)合薄膜的TCR基本穩(wěn)定在600×10-6℃-1以下，這將有利于薄膜應(yīng)變計(jì)在1 000 ℃以及更高溫度環(huán)境下的使用。此外，還測試了室溫下ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變靈敏系數(shù)(GF)，結(jié)果表明，ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的電阻值隨著應(yīng)變的增加而增大，且基本呈線性變化，室溫下ITO/Pt復(fù)合薄膜應(yīng)變計(jì)的GF為3.10。