CN103900460A

CN103900460A - 一种半导体薄膜高温变形传感器

Info

Publication number: CN103900460A
Application number: CN201210585558.1A
Authority: CN
Inventors: 涂善东; 王迪; 栾伟玲
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明属于结构与材料变形监测领域，涉及一种半导体薄膜高温变形传感器，由基底层3、绝缘隔离层1、半导体薄膜敏感栅1和信号引出端4构成，所述的半导体薄膜敏感栅3通过信号引出端4连接到与外部测量设备，其特征在于，所述的基底层3上沉积有绝缘隔离层2，所述的半导体薄膜敏感栅1是沉积在绝缘隔离层2上的氧化铟锡薄膜；所述的半导体薄膜敏感栅1迂回弯折，沿被测构件变形方向排布在绝缘隔离层2的表面，其两端分别连接一个信号引出端4。本发明能够准确监测金属构件从室温到600℃范围的变形速率，精度高，测试结果可靠、可重复。装置结构简单，成本低廉，安装方便，不受被测构件外形影响，有很高的工程应用价值。

Description

一种半导体薄膜高温变形传感器

技术领域

本发明属于结构与材料变形监测领域，涉及一种半导体薄膜高温变形传感器，尤其适用于在高温下对金属构件的变形速率进行监测的传感器装置。

背景技术

科技的发展对石油、化工、核电行业中的设备提出越来越高的要求。对于在高温、高压环境中长期运行的设备，蠕变失效是指在一定温度下，金属受持续应力的作用而产生缓慢的塑性变形的现象，是影响其安全运行的主要失效模式。蠕变应变在大多情况下均可以和寿命进行关联，测量应变变形是安全与寿命监测最为可靠的方法。在管线的危险部位安装应变变形监测传感器，是一种较直观、可靠的安全监测方法。因此，高温应变测量的准确性和长时稳定性是实现高精度的损伤判别和寿命预测的必备条件。

目前对于高温变形的监测主要有两种方式：采用引伸计引出变形和用高温应变片直接测量。前者将变形引出到非高温区，再采取常规方法测量，如石英玻璃位移传感器（专利号：200410100478.8）和引伸式高温构件变形传感装置（专利号：200910045657.9），但这些装置都需要专门设计复杂的引伸结构，加工难度大。相比之下，应变片测量因其对被测构件的工作状态的应力分布几乎没有影响，灵敏度和精度高（可测1～2με，误差小于1%），依据测量要求有多种材料和构形可选择，对构件无损伤等优点，成为目前应用最广泛的方法。

进入中国的PCT发明专利“应变片”（发明专利号：200380100249.X授权公告号：CN 100357699C）公开了一种应变片，包括：一个厚度约为1-30密耳的半刚性基体；一个粘结到该半刚性基体上、对应变敏感的电阻薄片，以提供一个电阻，该电阻随着与连接有该应变片的表面相关的应变而变化；和第一端子和第二端子，其可操作地连接到对应变敏感的电阻薄片上。但是，以该发明为代表的常规应变片，无论是其基体还是其粘合材料，都不能适应高温变形的检测的高温环境。

高温应变片是采集高温变形的主要手段。使用高温应变片在构件表面直接测量，不需要引伸装置，方便快捷。传统的高温应变片敏感栅材料为PtW、PdCr等贵金属难熔合金，通过机械压延法制成花样。中国发明专利申请“高温应变纳米膜压力传感器”（发明专利申请号：0110031545.8公开号：CN 1346974A）公开了一种高温应变纳米膜压力传感器，由带螺纹和密封环的引压连接管、弹性杯底淀积有多层薄膜的承压钢杯、外罩顺次紧套焊封构成，多层薄膜自弹性杯底向外依次为：绝缘隔离膜、应变敏感纳米膜、引线导电膜、钝化保护膜，与引线导电膜连接的输出导线通过外罩引出，其特征为：绝缘隔离膜是由纳米量级Ta2O5层和SiO2、或Al2O3层五层交替淀积形成，总厚度4000～7000纳米间，应变敏感纳米膜是Ni-Cr合金淀积、光刻而成的平面电阻桥路；外罩中设有环形支架以固定陶瓷基板的外引线板；环形支架上设有螺杆紧固件以分隔、固定补偿电路板。但是，它们存在着合金成分调制困难、材料利用率低、灵敏系数低等问题；另外，高昂的成本也限制了它们的普及。半导体薄膜由于压阻效应具有高灵敏度、稳定性好的优点，近年来被视为前景良好的敏感栅元件材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、高精度的半导体薄膜高温变形传感器，解决传统的高温应变片的成本高、材料利用率低、灵敏系数低等技术问题；能够准确监测金属构件从室温到600℃的高温变形。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种半导体薄膜高温变形传感器，由基底层3、绝缘隔离层1、半导体薄膜敏感栅1和一对信号引出端4构成，所述的半导体薄膜敏感栅3通过信号引出端4连接到与外部测量设备，其特征在于，所述的基底层3上沉积有绝缘隔离层2，所述的半导体薄膜敏感栅1是沉积在绝缘隔离层2上的氧化铟锡薄膜；所述的半导体薄膜敏感栅1迂回弯折，沿被测构件变形方向排布在绝缘隔离层2的表面，其两端分别连接一个信号引出端4。

上述的技术方案中，所述的信号引出端4由固化在半导体薄膜敏感栅1两端的导电浆料和连接导线5组成。

上述的技术方案中，所述的基底层3两侧设有点焊区域，所述的基底层3通过点焊连接在被测构件表面。

上述的技术方案中，所述的基底层3为不锈钢金属材料，厚度0.1-1mm，表面粗糙度≤500nm。

上述的技术方案中，所述所述的绝缘隔离层2为原子比Al:O=2:3的非晶氧化铝薄膜材料，通过反应溅射的方法沉积到基底层3表面，沉积厚度＜2μm。

上述的技术方案中，所述的半导体薄膜敏感栅1的材料为质量比In₂O₃:SnO₂=6～15:1的氧化铟锡薄膜材料，通过射频磁控溅射法沉积到中间隔离薄膜材料表面，厚度为100-1000nm。

上述的技术方案中，所述的半导体薄膜敏感栅1的材料为质量比In₂O₃:SnO₂=9:1的氧化铟锡薄膜敏感栅。

本发明的有益效果在于

1.氧化铟锡材料具有半导体材料独有的压阻效应，因而氧化铟锡薄膜具有比难熔金属变形传感器大得多的灵敏度系数。现有的金属材料的高温变形传感器灵敏度系数≈2.0，本发明的半导体高温变形传感器采用氧化铟锡薄膜，在600℃时灵敏度系数可达7.2，十分适合于微小变形的测量，且测试精度高，测试结果可靠、可重复。

2.使用本发明的高温变形传感器采用氧化铝绝缘薄膜，有着很好的绝缘性能，在600℃时，方阻大于106Ω。氧化铝薄膜为非晶态，不易脆断，使得传感器有较大的量程，能够对高温环境下的金属构件进行在线变形监测，得到变形分布结果。

3.本发明的高温变形传感器结构简单，成本低廉，安装方便，不受被测构件外形影响，有很高的工程应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的安装示意图；

图3为测量构件平面应力分布的布置形式；

图4为本发明在不同工作温度的灵敏度系数；

图5为传感器在室温下的信号响应；

图6为传感器在600℃下测量的基础电阻漂移量。

图中：1是半导体薄膜敏感栅，2是氧化铝绝缘薄膜，3是基底层，4是信号引出端，5是连接导线。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

实施例1

半导体薄膜高温变形传感器的基底层3采用310不锈钢材料，能耐受高温；厚度0.15mm，既保证焊接强度，同时降低减敏效果。采用机械绒布抛光方法，使用0.1μm磨料的抛光液，抛光20分钟，AFM结果显示基底3表面粗糙度小于300nm。在基底3上沉积的绝缘隔离层2为原子比Al:O=2:3的氧化铝薄膜材料，采用铝靶在氧气气氛中反应溅射的方法得到，非晶态，高温绝缘性能好；厚度为1.5μm，表面粗糙度小于100nm。再在其上沉积半导体薄膜敏感栅1，半导体薄膜敏感栅1是沉积在绝缘隔离层2上的氧化铟锡薄膜，由氧化铟锡靶材在300℃下射频溅射得到，质量比In₂O₃:SnO₂=9:1，半导体敏感栅1的形状迂回弯折，沿被测构件变形方向排布在绝缘隔离层2的表面，如图1所示，其两端分别连接一个信号引出端4。连接导线5采用银导线，通过固化银浆与氧化铟锡薄膜敏感栅1形成欧姆接触，构成信号引出端4。因为氧化铝绝缘薄膜2的存在，氧化铟锡薄膜敏感栅1、信号引出端4的固化银浆和连接导线5、都不会与钢箔基底3短路。

基底层3两侧设有点焊区域，安装传感器时，首先将被测构件打磨抛光，降低表面粗糙度。将传感器沿构件变形方向放置在构件上，并且在敏感栅两侧的电焊区域点焊，将基底层3通过点焊连接在被测构件表面，如图2所示。对于被测构件的单轴变形情形，传感器按照图2所示方向，沿变形方向点焊安装。对于未知的构件应力分布情形，可按照图3所示布置安装传感器，得到不同方向的多轴变形分布。

本发明主要基于氧化铟锡材料电阻变化与几何尺寸变化的关系实现高温变形检测，即氧化铟锡薄膜敏感栅受力变形时其电导率发生变化。高温下被测构件的变形通过焊点传递到钢箔基底层3上，又通过氧化铝绝缘层2传递到氧化铟锡薄膜敏感栅1上，改变其电阻值。测量时对传感器通入10mA恒定电流，用有存储功能的电压表记录传感器的电压信号，进而得到氧化铟锡薄膜敏感栅的电阻信号。对照图4所示的不同工作温度下的灵敏度系数，获得构件的变形参数。

按照上述方法将氧化铟锡薄膜传感器安装在板条状拉伸钢试样上。再将钢试样安装到拉伸试验机上进行室温加载。对试样进行0-1000με的三角波循环变形加载，同时在后端采集传感器的电阻信号。所得结果如图5所示。

从图5可以看出，传感器对于多个循环的加载电阻变化反应迅速，迟滞时间短，对于相同的变形加载幅度，电阻所反映的变化幅度一致，表现出良好的重复性和稳定性。从图中可以计算出，与试验机所加载的1000με相差2%。该误差可能由环境温度、试验机加载误差、传感器制作重复性等因素引起，在允许范围之内。

需要注意的是，在进行高温下的长时间测量时，传感器的基础电阻会随着时间的增长而增加，称之为漂移。典型的600℃下的漂移曲线如图6所示。这时，得到的阻值变化量包含漂移量和由应变造成阻值变化两部分。需要将与时间相关的漂移量扣除，才能得到由变形引起的电阻变化量。

实施例2

在本实施例中，除了基底层3采用的310不锈钢材料，厚度为0.1-0.15mm，中间隔离绝缘氧化铝非晶薄膜2的厚度为0.5～1.5μm，沉积在氧化铝薄膜上的氧化铟锡薄膜敏感栅1的厚度为100～400nm之外，其他如同实施例1，制得本发明的半导体薄膜高温变形传感器。

实施例3

在本实施例中，除了基底层3通过机械绒布抛光方法，AFM结果显示基底层3表面粗糙度大于300nm，绝缘隔离层2的表面粗糙度大于100nm之外，其他如同实施例1，制得本发明的半导体薄膜高温变形传感器。

实施例4

在本实施例中，除了半导体薄膜敏感栅1由氧化铟锡靶材在200-500℃下射频溅射得到之外，其他如同实施例1，制得本发明的半导体薄膜高温变形传感器。

实施例5

在本实施例中，除了信号引出端4为使用金或银沉积或溅射生成的导电接触盘，连接导线5采用磷铜或不锈钢弹性接触片，通过弹性压力连接与氧化铟锡薄膜敏感栅1形成欧姆接触之外，其他如同实施例1，制得本发明的半导体薄膜高温变形传感器。

实施例6

在本实施例中，省略了基底层3两侧的点焊区域，使用高温粘结剂将基底层3连接到被测构件表面，本实施例特别适用于不易焊接的被测构件的高温变形监测。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种半导体薄膜高温变形传感器，由基底层（3）、绝缘隔离层（2）、半导体薄膜敏感栅（1）和一对信号引出端（4）构成，所述的半导体薄膜敏感栅（3）通过信号引出端（4）连接到与外部测量设备，其特征在于，所述的基底层（3）上沉积有绝缘隔离层（2），所述的半导体薄膜敏感栅（1）是沉积在绝缘隔离层（2）上的氧化铟锡薄膜；所述的半导体薄膜敏感栅（1）迂回弯折，沿被测构件变形方向排布在绝缘隔离层（2）的表面，其两端分别连接一个信号引出端（4）。

2.如权利要求1所述的半导体薄膜高温变形传感器，其特征在于所述的信号引出端（4）由固化在半导体薄膜敏感栅（1）两端的导电浆料和连接导线（5）组成。

3.如权利要求1所述的半导体薄膜高温变形传感器，其特征在于所述的基底层（3）两侧设有点焊区域，所述的基底层（3）通过点焊连接在被测构件表面。

4.如权利要求1所述的半导体薄膜高温变形传感器，其特征在于所述的基底层（3）为不锈钢金属材料，厚度0.1-1mm，表面粗糙度≤500nm。

5.如权利要求1所述的半导体薄膜高温变形传感器，其特征在于所述的绝缘隔离层（2）为原子比Al:O=2:3的非晶氧化铝薄膜材料，通过反应溅射的方法沉积到基底层（3）表面，沉积厚度＜2μm。

6.如权利要求1所述的半导体薄膜高温变形传感器，其特征在于所述的半导体薄膜敏感栅（1）材料为质量比In₂O₃:SnO₂=6～15:1的氧化铟锡薄膜材料，通过射频磁控溅射法沉积到中间隔离薄膜材料表面，厚度为100-1000nm。

7.如权利要求6所述的半导体薄膜高温变形传感器，其特征在于所述的半导体薄膜敏感栅（1）为质量比In₂O₃:SnO₂=9:1的氧化铟锡薄膜材料。