一種帶復(fù)合絕緣層的金屬基薄膜傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜傳感器的設(shè)計及制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種直接在航空航天發(fā)動機(jī)渦輪的高溫合金葉片表面制備薄膜傳感器的方法。此類薄膜傳感器可廣泛用于對發(fā)動機(jī)渦輪葉片進(jìn)行表面溫度、應(yīng)變、熱流、氣流速度及其分布狀態(tài)的測量，為渦輪發(fā)動機(jī)的設(shè)計和改進(jìn)提供重要信息。
【背景技術(shù)】
[0002]航空航天發(fā)動機(jī)在工作時，渦輪葉片在燃?xì)馊紵a(chǎn)生的高溫、高壓等惡劣環(huán)境下高速旋轉(zhuǎn)，表面溫度急劇上升且會承受變化巨大的各種應(yīng)力，對渦輪發(fā)動機(jī)的性能和壽命有著很大的影響。新型發(fā)動機(jī)為追求更高的推重比，渦輪葉片溫度將進(jìn)一步提高，因此在發(fā)動機(jī)設(shè)計和驗證實驗中，準(zhǔn)確測量渦輪葉片等高溫部件表面的溫度、應(yīng)變、熱流、氣流速度及其分布至關(guān)重要。
[0003]薄膜傳感器具有體積小、響應(yīng)快、對葉片換熱和表面氣流無干擾等優(yōu)點(diǎn)，成為渦輪葉片表面溫度及應(yīng)變測試的首選技術(shù)。薄膜傳感器由多層復(fù)合薄膜組成，首先是在鎳基高溫合金葉片上采用直流濺射沉積NiCrAH合金過渡層；然后在真空及1000°C環(huán)境下進(jìn)行析鋁并氧化形成Al2O3層；再在上述Al 203層上采用電子束蒸發(fā)沉積約10 μ m厚的Al 203絕緣層；然后在Al2O3絕緣層上制備貴金屬功能層及最后的保護(hù)層。
[0004]在制備薄膜傳感器的過程中，器件的可靠性和使用壽命很大程度上取決于絕緣層的結(jié)構(gòu)和性能。析鋁氧化生成的Al2O3由于鋁顆粒表面分布的不均勻會形成不規(guī)則的網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)，表面平整度較差，嚴(yán)重影響了后續(xù)絕緣層的附著力；另一方面，電子束蒸發(fā)沉積Al2O3雖然具有成膜速度快、制得的薄膜純度高等優(yōu)點(diǎn)，但電子束蒸發(fā)沉積的非晶Al 203呈柱狀生長，柱間由于陰影效應(yīng)會產(chǎn)生較大的間隙，降低了 Al2O3絕緣層的致密性，在濺射制備后續(xù)貴金屬功能層時，金屬原子極易穿過絕緣層與下層的合金層導(dǎo)通，導(dǎo)致薄膜傳感器失效。因此改善絕緣層的附著力、致密度以及絕緣性能成為提高器件可靠性的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對【背景技術(shù)】存在的缺陷，提出了一種帶復(fù)合絕緣層的金屬基薄膜傳感器及其制備方法，本發(fā)明在析鋁氧化形成Al2O3層上先生長一層非晶YAlO薄膜作為過渡層，然后再進(jìn)行電子束蒸發(fā)沉積Al2O3絕緣層，形成復(fù)合絕緣層。本發(fā)明的非晶YAlO薄膜能改善薄膜傳感器絕緣層的附著力和絕緣性能，降低了器件的失效幾率，為薄膜傳感器在高溫惡劣的環(huán)境中工作提供了更高的可靠性。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]一種帶復(fù)合絕緣層的金屬基薄膜傳感器，包括七層結(jié)構(gòu)，從下往上依次為合金基板1、NiCrAlY合金過渡層2、Al2O3熱生長層3、非晶YAlO過渡層4、Al 203絕緣層5、薄膜傳感器功能層6、A1203保護(hù)層7，其中，所述非晶YAlO過渡層4為氧化釔和氧化鋁組成的非晶YAlO薄膜，所述氧化釔與氧化鋁的摩爾比為1: (I?20)。
[0008]一種帶復(fù)合絕緣層的金屬基薄膜傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0009]步驟1:合金基板的表面處理:先后采用丙酮、乙醇和去離子水對待測合金基板的表面進(jìn)行清洗，清洗后置于氮?dú)鈿夥障赂稍铮?br>[0010]步驟2:在合金基板上沉積NiCrAH合金過渡層:采用直流濺射的方法將NiCrAH合金沉積于經(jīng)步驟I處理后的合金基板上、作為過渡層，得到帶NiCrAH合金過渡層的復(fù)合基板；
[0011]步驟3 =Al2O3熱生長層的制備:將經(jīng)步驟2處理后得到的復(fù)合基板置于真空熱處理爐內(nèi)，在10_3Pa以下的真空環(huán)境及800?1200°C溫度條件下析鋁處理I?1h ;然后，保持800?1200°C溫度并通入氧氣至常壓，氧化處理I?10h、隨爐冷卻至室溫，得到帶NiCrAH合金過渡層及析鋁氧化Al2O3熱生長層的復(fù)合基板；
[0012]步驟4:非晶YAlO過渡層的制備:以釔鋁合金靶為靶材，其中釔和鋁的原子比為1: (I?20)，在氧氣和氬氣的流量比為1: (1.2?10)、濺射氣壓為0.2?10Pa、濺射功率為100?300W、濺射溫度為200?600°C的條件下，采用反應(yīng)濺射的方法在經(jīng)步驟3處理后得到的復(fù)合基板上沉積厚度為0.5?2 μπι的非晶YAlO薄膜、作為過渡層；
[0013]步驟5 =Al2O3絕緣層的制備:將經(jīng)步驟4處理所得的復(fù)合基板置于真空氣氛及200?500°C溫度條件下，采用電子束蒸發(fā)的方法蒸鍍Al2O3絕緣層，Al 203絕緣層的厚度為I ?10 μ m ;
[0014]步驟6:薄膜傳感器功能層及Al2O3保護(hù)層的制備:將步驟5得到的復(fù)合基板置于真空腔體中，采用射頻磁控濺射的方法在Al2O3絕緣層上制備薄膜傳感器功能層；然后在真空氣氛及400°C溫度下、采用電子束蒸發(fā)的方法在Al2O3絕緣層和薄膜傳感器功能層的表面蒸鍍Al2O3、作為保護(hù)層；從而得到本發(fā)明所述金屬基薄膜傳感器。
[0015]進(jìn)一步地，步驟I所述合金基板為镲合金基板。
[0016]進(jìn)一步地，步驟5中采用電子束蒸發(fā)的方法蒸鍍Al2O3絕緣層時，所述真空氣氛的真空度為10_3?10 _4Pa。
[0017]進(jìn)一步地，步驟5和步驟6所述制備Al2O3絕緣層和Al 203保護(hù)層時，采用的蒸鍍原料為高純度的Al2O3，原料Al2O3的純度不低于99.99wt%。
[0018]本發(fā)明的有益效果為:
[0019]1、本發(fā)明在NiCrAH合金過渡層析鋁氧化后，先采用反應(yīng)濺射的方法沉積一層非晶YAlO薄膜作為過渡層，然后再進(jìn)行電子束蒸發(fā)沉積Al2O3絕緣層。由于濺射制備得到的非晶YAlO薄膜具有較小的顆粒尺寸，可以填充析鋁氧化處理后不規(guī)則的薄膜表面，改善薄膜的表面平整度；且非晶YAlO薄膜在化學(xué)成分上與NiCrAH合金層和Al2O3絕緣層均具有相似性，化學(xué)鍵合類型相近，同時非晶YAlO薄膜的熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率也處于NiCrAH合金與Al2O3之間；因此非晶YAlO薄膜可在兩者之間形成良好的過渡，有效改善薄膜界面的鍵合并提高薄膜的附著力。
[0020]2、相比多晶薄膜，本發(fā)明的非晶YAlO薄膜具有更好的對金屬離子擴(kuò)散的阻擋效果，這是由于多晶薄膜中存在大角度的晶界，晶界會成為離子擴(kuò)散的快速通道；且多晶薄膜在結(jié)晶過程中會產(chǎn)生缺陷、晶粒長大等現(xiàn)象，也不利于對離子擴(kuò)散的阻擋及后續(xù)薄膜的生長；而本發(fā)明的非晶YAlO薄膜具有良好的對金屬離子擴(kuò)散的阻擋效果，進(jìn)一步地提高了絕緣層的絕緣性能及薄膜傳感器的可靠性。
[0021]3、采用電子束蒸發(fā)得到的非晶Al2O3絕緣層由于柱狀生長而易形成上下貫穿的空洞和間隙，本發(fā)明先采用反應(yīng)濺射的方法沉積一層非晶YAlO薄膜作為過渡層，然后再進(jìn)行電子束蒸發(fā)沉積Al2O3絕緣層，由于反應(yīng)濺射得到的非晶YAlO薄膜的顆粒尺寸小，薄膜更加致密，可有效減小后續(xù)貴金屬功能層的金屬原子貫穿絕緣層的幾率，降低了器件的失效幾率，有助于延長薄膜傳感器的使用壽命。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明提供的帶復(fù)合絕緣層的金屬基薄膜傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖(剖視圖)。
[0023]圖中:I為合金基板，2為NiCrAH合金過渡層，3為Al2O3熱生長層，4為非晶YAlO過渡層，5為Al2O3絕緣層，6為薄膜傳感器功能層，7為Al 203保護(hù)層。
【具體實施方式】
[0024]實施例
[0025]以鎳基合金