基于镍基合金薄膜的热电偶传感器研制研究

基于镍基合金薄膜的热电偶传感器研制研究

龚明陈杰萍

浙江春晖仪表股份有限公司 浙江绍兴312300

摘要：在社会不断进步与发展过程中，为缓解航空发电机高温问题，工作人员对传感器进行了优化设计，提出了膜层新结构。此传感器运用了磁控溅射技术，能够实现AL3O3薄膜沉积。结合相关研究显示，此种薄膜热电偶传感器，可满足航空恶劣环境下的温度分析需要，有助于强化航空发电机运行的安全性。

关键词：镍基合金；薄膜热电偶；传感器

引言：航空发电机在使用过程中，经常会受到结构负载的影响，出现应力变化，在此背景下，若想增强涡轮运行稳定性，降低外在因素对涡轮运行的影响，要科学测量温度状况，结合实际情况，设计冷却结构。由此可见，围绕基于镍基合金薄膜的热电偶传感器研制加以研究尤为关键。

一、薄膜热电偶传感器技术分析

薄膜热电偶技术在形式上进行了大幅度的优化与完善，可直接与涡轮相连接，是目前市场上最为高端的技术类型之一，使用性能较强且质量更轻，热容量较低，在使用的过程中不会对涡轮叶片产生其他不利影响，且结果数据的精准度较强可为工作人员直观地展现涡轮温度状况，目前被广泛使用在瞬态温度检测工作中。对于此类传感器的研制来讲，膜层结构设计的科学性十分重要，需借助技术形式使薄膜能够完成涡轮表面沉积，从而增强附着效果，防止其在高温环境下出现传感器失灵、掉落等情况[1]。

二、薄膜热电偶设计与研制

（一）测温原理

薄膜热电偶传感器的工作原理是塞贝克效应，该原理内容是围绕金属性能所展开的一种现象分析，技术人员发现当电子能态为函数情形时，若是导体的两侧温度存在严重的差异，则电子的行动轨迹通常为高能温度较高的一侧走向低能温度较低的一端，其中所产生的电动势便是此种传感器的核心原理。因此通常在薄膜热电偶传感器设计研发之后，工作人员也会运用此种形式对设备进行性能分析，检查其是否能够形成回路，若是能够满足理论要求，则说明测试结果符合使用需要，图1为塞贝克理论结构图。

图 1 塞贝克理论结构图

（二）膜层设计原理

为满足航空发动机在特殊环境下的使用需要，在结构设计方面工作人员主要将其规划为四种形式，其中绝缘层是指AI2O3材料，需要在设备热端零件的上方使用以NiCrALY为主要原材料的过渡层，这样做的目的在于防止使用过程中，AI2O3材料与设备分离。AI2O3材料中含有大量的AL，在高温环境下会生成较多的AI2O3，此时便可运用电子束蒸发的形式，使其表面沉积生成2μm厚的薄膜，之后在其上端再添加一层AI2O3材料，这样便完成了绝缘层的制备。敏感层则是指运用磁控溅射形式使其生成电阻较小的热电偶薄膜，是设备设计的关键内容，图2为膜层设计结构形式。

图 2 膜层设计结构形式

（三）NiCrALY与AI2O3薄膜的研制

    首先工作人员需要运用技术完成NiCrALY沉积，其中成分比例按照化学式先后顺序分别为65%、25%、7%、3%，之后在高温的真空环境下注氧，使其内部的AL元素能够在氧化反应作用下生成AI2O3薄膜，最终成为过渡层。需要注意的是过渡层的制备必须要满足平整度要求，按照标准化程序执行，若是不合格则要重新制备。

（四）AI2O3绝缘、保护层研制分析

    电子束蒸发技术是热电偶传感器设计与研制中十分关键的技术形式，经常与磁控溅射技术形式相配合运用形成AI2O3薄膜。通常情况下，AI2O3的熔点较高，可达到2070℃左右，且相比于其他材料在热导率方面具备一定的优势，因此即使是在恶劣的环境下也能够保障绝缘效果能够满足预期。保护层通常是在敏感层使用之后运用，技术运用形式与前期绝缘处理相同，需保障细节处理质量。

（五）敏感膜Pt30rh10处理

    一般来讲，在传感器制备的过程中技术材料的选用会直接影响最终的传感效果，影响数据检测的精准度。为此，技术人员结合市场上的多种材料属性对比，认为应使用S型号的材料作为敏感层的主要材料形式。此类材料属于贵金属热电偶。在研制的过程中，技术人员需先将之前的绝缘层样本放在真空环境下，之后使用Pt作为材料，以磁控溅射的技术形式制备Pt30rh10敏感膜层。

三、试验分析

在根据以上要求研制薄膜热电偶传感器之后，需对样品开展检测分析试验，并研究其性能情况以及使用寿命，为后续的研究开展提供数据借鉴。表1为具体研制参数。

表 1 研制过程中的具体技术参数设定

在性能分析方面，工作人员对具体数值进行了标定测试，实验环节分为2组循环形式。在测试的过程中，技术人员发现此种设备在电势方面能够满足稳定输出的需要，且两次试验的整体技术变动趋势相一致。再热循环测试的过程中，技术人员将其放置在高温环境下，以此分析其运行过程中的状态以及寿命状况。结合分析来看，技术人员先将温度调高至1100℃，然后使其在常温环境下冷却，5小时之后再次设定相同的温度条件完成循环测试。一般来讲，一次升温、保温、冷却为1个循环，需开展4～5次循环工作，共计花费时间10～25h。之后技术人员运用线性拟合公式：

其中，k（xi）为函数，i=0,1…m，需要注意m取值为正数且小于n，属于待定系数，在此条件下，2为最小值。运用以上公式得出以下数据：

根据拟合计算结果，测试过程中塞贝克系数约为8.0656μV，线性较好，误差为1℃左右，可满足精准、稳定的需要。此外，此种薄膜热电偶传感器测量峰值可达到1100℃，使用时间长达20小时以上，可良好地运用在航空发电机工作数据测量中。因此在后续的工作中，要求技术人员应继续加大对此类技术的关注，并在保障绝缘效果的同时，通过材料优化进一步提升附着性，缩减温度误差，拓展技术的适用范围，为相关行业发展提供技术支持[2]。

结论：综上所述，相比于其他类型的传感器，薄膜热电偶传感器在测温的过程中能够进一步提升精准度，帮助工作人员了解涡轮的实际情况。结合本文所探讨的研制技术来看，该传感器测量峰值可达到1100℃，且与实际温度之间的误差可被控制在1℃左右，能够满足长时间运用的需要，为保障航空发电机运行安全奠定基础。

参考文献：

[1]沙永忠,孙宁涛,徐沙.热电偶传感器1RW10的研制及其在飞行试验中的使用[J].测控技术,2020(02):20-22.

[2]曾其勇，崔云先，邓新禄.化爆材料瞬态切削温度的NiCr/NiSi薄膜热电偶温度传感器的研制[J].机械工程学报，2020(03):206-211.