[发明专利]一种金属基薄膜传感器的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于传感器生产技术及薄膜科学与技术领域，通过改善基于镍基高温合金的薄膜传感器中Al₂O₃绝缘层的致密性和绝缘性能，使传感器获得更可靠的使用性能。此薄膜传感器主要应用于对涡轮发动机叶片、燃烧室等进行表面温度及应变分布状态的测量，为涡轮发动机的设计提供了相应的基础数据。

背景技术

现代航空飞行器大都采用涡轮发动机技术，在涡轮发动机运行中，燃料的燃烧会产生高温、高气压等，恶劣的燃气环境导致涡轮叶片表面、燃烧室内壁等部位温度急剧升高(最高可达1200℃)，并产生较大的热应变。涡轮叶片表面、燃烧室内壁等部位的温度及应变分布将对发动机的性能和寿命产生重要影响；同时，涡轮叶片的冷却效率及叶片局部热点等问题的存在主要是由于设计者缺乏对涡轮叶片表面、燃烧室内壁温度分布的了解。因此，为了验证发动机的燃烧效率、冷却系统的设计以及热障涂层性能的优劣，准确测量工作状态下发动机涡轮叶片表面、燃烧室内壁等部位的温度及应变分布等参数对发动机的设计至关重要。

薄膜温度及应变传感器可以通过多层复合膜的形式与涡轮叶片进行集成，具有对发动机气流扰动小、响应速度快、结构尺寸薄、对测量环境干扰小、不破坏测试结构的物理性能等优点，成为涡轮叶片表面温度及应变测试的首选技术路线。为改善薄膜传感器与合金基板的结合强度，一般在镍基合金基片上先制备NiCrAlY合金过渡层，NiCrAlY合金过渡层进行析铝氧化处理，使得表面获得热生长Al₂O₃层，然后在热生长Al₂O₃层上采用电子束蒸发沉积制备Al₂O₃绝缘层，然后在Al₂O₃绝缘层上制备传感器的贵金属功能层及保护层。

电子束蒸发沉积Al₂O₃绝缘层尽管成膜速度快、制得薄膜纯度高，但是，薄膜的附着力差，结晶不够完善；制备得到的Al₂O₃绝缘层为非晶态，颗粒呈柱状生长、结构疏松，存在大量的间隙和空洞，致密性和绝缘性能较差，导致薄膜传感器的贵金属功能层与镍基合金基板易导通，从而导致薄膜传感器失效。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种金属基薄膜传感器的制备方法，该方法可以有效改善薄膜传感器Al₂O₃绝缘层致密性的问题，提高了Al₂O₃绝缘层的致密性和绝缘性能，从而改善薄膜传感器功能层的稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种金属基薄膜传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：合金基板的表面处理：先后采用丙酮、乙醇和去离子水对待测合金基板的表面进行清洗，清洗后干燥；

步骤2：在合金基板上沉积NiCrAlY合金过渡层：采用直流溅射的方法将NiCrAlY合金沉积于经步骤1处理后的合金基板上、作为过渡层，得到带NiCrAlY合金过渡层的复合基板；

步骤3：Al₂O₃热生长层的制备：将经步骤2处理后得到的复合基板置于真空热处理炉内，在10^-3～10^-4Pa真空环境及950～1200℃温度条件下析铝处理3～10h；然后，保持950～1200℃温度并通入氧气至0.7～1atm，氧化处理3～10h、随炉冷却至室温，得到带NiCrAlY合金过渡层及析铝氧化Al₂O₃热生长层的复合基板；

步骤4：Al₂O₃绝缘层的制备：将经步骤3处理所得的复合基板置于真空气氛及300～800℃温度条件下，采用电子束蒸发的方法蒸镀Al₂O₃绝缘层，3～10h后，得到Al₂O₃绝缘层；

步骤5：高压蒸汽封闭法处理Al₂O₃绝缘层：将步骤4得到的复合基板放入装有5～10vol.％去离子水的反应釜中，反应釜加热至100～200℃，在反应釜内气压为1～10atm的条件下处理5-50min，冷却后取出复合基板，干燥；