[发明专利]用于煤制气环境中的溅射薄膜敏感元件

说明书

本发明公开了一种用于煤制气环境中的溅射薄膜敏感元件，包括基底、设于基底上表面上的过渡缓冲层、设于过渡缓冲层上表面上的绝缘层、设于绝缘层上表面上的功能层、设于功能层上表面上的防护层；基底采用316L不锈钢材料制成，过渡缓冲层为Ni膜，绝缘层为SiO₂膜，功能层为FeNiAl合金膜，防护层为AlO_x膜。本发明在煤制气环境中，溅射薄膜敏感元件可以牢固地固定于试样上，相互之间连接呈无机质化，因而消除了零点漂移和蠕变，实现了温度自补偿，从而提高了溅射薄膜敏感元件的灵敏度和测量结果的准确性的特点。

技术领域

本发明涉及煤制气环境中的传感器技术领域，具体涉及一种由Ni膜、SiO₂膜、FeNiAl膜和AlO_x膜构成的用于煤制气环境中的溅射薄膜敏感元件。

背景技术

目前世界上对于煤炭的需求日渐减少，清洁能源占比增加，但煤炭在能源消费结构中仍占有重要地位。煤制气是以煤为原料经过加压气化后，脱硫提纯制得的含有可燃组分的气体，煤制气热值虽比天然气热值低，但其制取方便，可自备设备自行生产，不受运输管线限制，在我国天然气供应不足的当前是洁净能源利用不可替代的一种热源气体。由于煤制气在生产过程中会产生大量的氢气。材料的氢脆会导致零部件耐久性下降，降低使用寿命，最终会引发事故。这在造成巨大经济损失的同时，还会威胁生命安全，阻碍产业化进程。

针对这个问题，为确保设备的强度和安全可靠，我们需要研究结构在煤制气和机械负载综合作用下的强度和刚度问题。因此，材料在临氢环境下的应力应变电测及传感技术就至关重要。其中，以电阻作为测量信号是应变片最常用的测量方法。但是普通的箔式应变敏感元件的电阻会随氢气的侵入发生变化，这会导致敏感元件的零点漂移和蠕变现象随时间和压力的增加而加剧，严重影响测量的准确性和稳定性。

在普通箔式应变敏感元件的实际应用过程中，安装敏感元件时通常使用有机胶粘剂进行粘贴，如硝化纤维素型、氰基丙烯酸酯型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等，这些材料在煤制气环境中存在一些问题，大大限制了敏感元件的使用寿命。特别是，由于氢气分子极小，当胶粘剂与氢气接触时，会发生氢的吸附、侵入、溶解和扩散，使其发生吸氢膨胀现象。这种现象会导致胶粘剂形成气泡，气泡逐渐聚集会出现裂纹，最终导致胶粘剂失效，使箔式应变敏感元件掉落。另外，由于胶粘剂不是传感元件，且对环境条件敏感，会受时间、温度和压力的影响而发生变化，所以它常常是引起应变敏感元件滞后、零点漂移和蠕变等误差的主要因素。因此，需要研发一种煤制气环境中稳定准确的应变敏感元件。

目前试验中常用的胶粘剂存在使用时间短、对压力变化敏感等缺点，不能满足试验需求。在这方面，我国也已研制出较耐氢气腐蚀的胶粘剂，如氢化丁腈橡胶硫化胶等。但在试验中，这类胶使用范围小，获取途径难，而且成本较高，不适于广泛应用。另外，在工业实践中，部分工厂采用特定的配方及工艺制取胶粘剂，以应对氢气致胶起泡开裂的情况，但这种方法不够稳定，很难保证试验中的准确性，所以同样不适于试验应用。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的有机胶粘剂在煤制气环境中造成的应变敏感元件脱落、零点漂移和蠕变的不足，提供了一种由Ni膜、SiO₂膜、FeNiAl膜和AlO_x膜构成的用于煤制气环境中的溅射薄膜敏感元件。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于煤制气环境中的溅射薄膜敏感元件，包括基底、设于基底上表面上的过渡缓冲层、设于过渡缓冲层上表面上的绝缘层、设于绝缘层上表面上的功能层、设于功能层上表面上的防护层；基底采用316L不锈钢材料制成，过渡缓冲层为Ni膜，绝缘层为SiO₂膜。

作为优选，所述功能层为FeNiAl合金膜，防护层为AlO_x膜。

功能层采用掩模板的方法溅射到绝缘层上。掩模板采用光刻技术，经尺寸设计后由激光加工制成。