[发明专利]用于高压硫化氢环境中的薄膜式电阻应变计

说明书

本发明公开了一种用于高压硫化氢环境中的薄膜式电阻应变计，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Cr膜，绝缘层为AlN膜，功能层为FeNi合金膜，防护层为CrO_x膜。本发明在高压硫化氢环境中，薄膜式电阻应变计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，从而提高了薄膜式电阻应变计的灵敏度和测量结果的准确性的特点。

技术领域

本发明涉及高压硫化氢环境中的传感器技术领域，具体涉及一种由Cr膜、AlN膜、FeNi膜和CrO_x膜构成的用于高压硫化氢环境中的薄膜式电阻应变计。

背景技术

氢能被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，是一种理想的能源载体。目前制氢方式主要有四种：化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质及其他制氢方式。其中，从成本角度考虑，天然气制氢的经济性最为显著。我国的天然气资源以高含硫化氢天然气资源为主，气田主要分布在渤海湾和四川盆地。但是，由于使用高含硫化氢的天然气作为原料，在高压环境下工作的材料零件性能会劣化，疲劳失效，使用寿命下降。

金属材料在硫化氢环境下的开裂，主要是金属在其表面与介质发生反应生成氢原子向金属内部渗透所致。在高含硫化氢天然气的开采、储存及运输的过程中，许多机械部件和零件在高达数十兆帕的高压硫化氢环境下负载运作，不仅材料本身的耐氢脆问题亟待解决，而且结构在高压硫化氢和机械负载综合作用下的强度和刚度问题也需研究。对于复杂的部件，准确计算应力分布非常困难，因此在高压硫化氢环境下，应力应变的测量不可或缺。在应力应变电测及传感技术中，以电阻作为测量信号是应变计最常用的测量方法。但是普通的箔式电阻应变计的电阻会随着氢原子的渗入发生变化，这会导致应变计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。

目前我国已研制出的高压硫化氢环境下的载荷传感器，安装电阻应变计时通常使用有机胶粘剂进行粘贴，但这些胶粘剂材料在高压硫化氢环境中存在一系列问题，极大地限制了应变计的使用寿命。特别地，当胶粘剂与硫化氢接触时，氢原子会通过吸附、侵入、溶解和扩散进入胶粘剂，使其发生吸氢膨胀的现象，导致胶粘剂失效。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，所以它往往是引起应变计滞后和蠕变、零点漂移等误差的主要因素。目前试验中常用的胶粘剂均不适于试验应用，因此需要研发一种高压硫化氢环境中稳定准确的电阻应变计。

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高压硫化氢环境中造成的应变计脱落、零点漂移和蠕变的不足，提供了一种由Cr膜、AlN膜、FeNi膜和CrO_x膜构成的用于高压硫化氢环境中的薄膜式电阻应变计。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于高压硫化氢环境中的薄膜式电阻应变计，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Cr膜，绝缘层为AlN膜。

作为优选，所述功能层为FeNi合金膜，防护层为CrO_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。

一种薄膜式电阻应变计的制备方法，包括如下步骤：

（3-1）将经过预处理后的基底置于磁控溅射仪的溅射室内，进行固定和整理；

（3-2）将Cr靶材、Al靶材放入溅射室内，在基底上表面溅射Cr膜，形成厚度为100nm-300nm的Cr膜，将Cr膜作为过渡缓冲层；

（3-3）向溅射室内通入氮气，在Cr膜的上表面溅射厚度为200nm -400nm的AlN膜，将AlN膜作为绝缘层；