CN104726862A - 一种带复合绝缘层的金属基薄膜传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种带复合绝缘层的金属基薄膜传感器及其制备方法，属于薄膜传感器的设计及制备技术领域。所述带复合绝缘层的金属基薄膜传感器从下往上依次为合金基板、NiCrAlY合金过渡层、Al₂O₃热生长层、非晶YAlO过渡层、Al₂O₃绝缘层、薄膜传感器功能层、Al₂O₃保护层，其中，非晶YAlO过渡层为氧化钇和氧化铝组成的非晶YAlO薄膜，氧化钇与氧化铝的摩尔比为1：(1～20)。本发明的非晶YAlO过渡层能改善薄膜传感器绝缘层的附着力和绝缘性能，降低器件的失效几率，为薄膜传感器在高温恶劣的环境中工作提供了更高的可靠性。

Description

一种带复合绝缘层的金属基薄膜传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于薄膜传感器的设计及制备技术领域，特别是一种直接在航空航天发动机涡轮的高温合金叶片表面制备薄膜传感器的方法。此类薄膜传感器可广泛用于对发动机涡轮叶片进行表面温度、应变、热流、气流速度及其分布状态的测量，为涡轮发动机的设计和改进提供重要信息。

背景技术

航空航天发动机在工作时，涡轮叶片在燃气燃烧所产生的高温、高压等恶劣环境下高速旋转，表面温度急剧上升且会承受变化巨大的各种应力，对涡轮发动机的性能和寿命有着很大的影响。新型发动机为追求更高的推重比，涡轮叶片温度将进一步提高，因此在发动机设计和验证实验中，准确测量涡轮叶片等高温部件表面的温度、应变、热流、气流速度及其分布至关重要。

薄膜传感器具有体积小、响应快、对叶片换热和表面气流无干扰等优点，成为涡轮叶片表面温度及应变测试的首选技术。薄膜传感器由多层复合薄膜组成，首先是在镍基高温合金叶片上采用直流溅射沉积NiCrAlY合金过渡层；然后在真空及1000℃环境下进行析铝并氧化形成Al₂O₃层；再在上述Al₂O₃层上采用电子束蒸发沉积约10μm厚的Al₂O₃绝缘层；然后在Al₂O₃绝缘层上制备贵金属功能层及最后的保护层。

在制备薄膜传感器的过程中，器件的可靠性和使用寿命很大程度上取决于绝缘层的结构和性能。析铝氧化生成的Al₂O₃由于铝颗粒表面分布的不均匀会形成不规则的网格状结构，表面平整度较差，严重影响了后续绝缘层的附着力；另一方面，电子束蒸发沉积Al₂O₃虽然具有成膜速度快、制得的薄膜纯度高等优点，但电子束蒸发沉积的非晶Al₂O₃呈柱状生长，柱间由于阴影效应会产生较大的间隙，降低了Al₂O₃绝缘层的致密性，在溅射制备后续贵金属功能层时，金属原子极易穿过绝缘层与下层的合金层导通，导致薄膜传感器失效。因此改善绝缘层的附着力、致密度以及绝缘性能成为提高器件可靠性的关键。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种带复合绝缘层的金属基薄膜传感器及其制备方法，本发明在析铝氧化形成Al₂O₃层上先生长一层非晶YAlO薄膜作为过渡层，然后再进行电子束蒸发沉积Al₂O₃绝缘层，形成复合绝缘层。本发明的非晶YAlO薄膜能改善薄膜传感器绝缘层的附着力和绝缘性能，降低了器件的失效几率，为薄膜传感器在高温恶劣的环境中工作提供了更高的可靠性。

本发明的技术方案如下：

一种带复合绝缘层的金属基薄膜传感器，包括七层结构，从下往上依次为合金基板1、NiCrAlY合金过渡层2、Al₂O₃热生长层3、非晶YAlO过渡层4、Al₂O₃绝缘层5、薄膜传感器功能层6、Al₂O₃保护层7，其中，所述非晶YAlO过渡层4为氧化钇和氧化铝组成的非晶YAlO薄膜，所述氧化钇与氧化铝的摩尔比为1：(1～20)。

一种带复合绝缘层的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，清洗后置于氮气气氛下干燥；

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^-3Pa以下的真空环境及800～1200℃温度条件下析铝处理1～10h；然后，保持800～1200℃温度并通入氧气至常压，氧化处理1～10h、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：非晶YAlO过渡层的制备：以钇铝合金靶为靶材，其中钇和铝的原子比为1：(1～20)，在氧气和氩气的流量比为1：(1.2～10)、溅射气压为0.2～10Pa、溅射功率为100～300W、溅射温度为200～600℃的条件下，采用反应溅射的方法在经步骤3处理后得到的复合基板上沉积厚度为0.5～2μm的非晶YAlO薄膜、作为过渡层；

步骤5：Al₂O₃绝缘层的制备：将经步骤4处理所得的复合基板置于真空气氛及200～500℃温度条件下，采用电子束蒸发的方法蒸镀Al₂O₃绝缘层，Al₂O₃绝缘层的厚度为1～10μm；

步骤6：薄膜传感器功能层及Al₂O₃保护层的制备：将步骤5得到的复合基板置于真空腔体中，采用射频磁控溅射的方法在Al₂O₃绝缘层上制备薄膜传感器功能层；然后在真空气氛及400℃温度下、采用电子束蒸发的方法在Al₂O₃绝缘层和薄膜传感器功能层的表面蒸镀Al₂O₃、作为保护层；从而得到本发明所述金属基薄膜传感器。

进一步地，步骤1所述合金基板为镍合金基板。

进一步地，步骤5中采用电子束蒸发的方法蒸镀Al₂O₃绝缘层时，所述真空气氛的真空度为10^-3～10^-4Pa。

进一步地，步骤5和步骤6所述制备Al₂O₃绝缘层和Al₂O₃保护层时，采用的蒸镀原料为高纯度的Al₂O₃，原料Al₂O₃的纯度不低于99.99wt％。

本发明的有益效果为：

1、本发明在NiCrAlY合金过渡层析铝氧化后，先采用反应溅射的方法沉积一层非晶YAlO薄膜作为过渡层，然后再进行电子束蒸发沉积Al₂O₃绝缘层。由于溅射制备得到的非晶YAlO薄膜具有较小的颗粒尺寸，可以填充析铝氧化处理后不规则的薄膜表面，改善薄膜的表面平整度；且非晶YAlO薄膜在化学成分上与NiCrAlY合金层和Al₂O₃绝缘层均具有相似性，化学键合类型相近，同时非晶YAlO薄膜的热膨胀系数和热导率也处于NiCrAlY合金与Al₂O₃之间；因此非晶YAlO薄膜可在两者之间形成良好的过渡，有效改善薄膜界面的键合并提高薄膜的附着力。

2、相比多晶薄膜，本发明的非晶YAlO薄膜具有更好的对金属离子扩散的阻挡效果，这是由于多晶薄膜中存在大角度的晶界，晶界会成为离子扩散的快速通道；且多晶薄膜在结晶过程中会产生缺陷、晶粒长大等现象，也不利于对离子扩散的阻挡及后续薄膜的生长；而本发明的非晶YAlO薄膜具有良好的对金属离子扩散的阻挡效果，进一步地提高了绝缘层的绝缘性能及薄膜传感器的可靠性。

3、采用电子束蒸发得到的非晶Al₂O₃绝缘层由于柱状生长而易形成上下贯穿的空洞和间隙，本发明先采用反应溅射的方法沉积一层非晶YAlO薄膜作为过渡层，然后再进行电子束蒸发沉积Al₂O₃绝缘层，由于反应溅射得到的非晶YAlO薄膜的颗粒尺寸小，薄膜更加致密，可有效减小后续贵金属功能层的金属原子贯穿绝缘层的几率，降低了器件的失效几率，有助于延长薄膜传感器的使用寿命。

附图说明

图1为本发明提供的带复合绝缘层的金属基薄膜传感器的结构示意图(剖视图)。

图中：1为合金基板，2为NiCrAlY合金过渡层，3为Al₂O₃热生长层，4为非晶YAlO过渡层，5为Al₂O₃绝缘层，6为薄膜传感器功能层，7为Al₂O₃保护层。

具体实施方式

实施例

以镍基合金板作为待测合金基板，在其上制备带复合绝缘层的NiCr热电偶薄膜传感器的过程，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、去离子水浸泡镍基合金基板并超声清洗各10min，清洗后用干燥氮气吹干表面并在150℃温度下烘干；

步骤2：NiCrAlY合金过渡层的制备：将步骤1清洗干净的镍基合金基板置于真空度为6.0×10^-4Pa的真空环境中，以NiCrAlY合金为靶材，通入纯度为99.999％(体积百分比)的氩气作为溅射介质，在溅射气压为0.3Pa、溅射功率为500W、溅射温度为500℃的条件下，采用直流溅射的方法将NiCrAlY合金沉积在经步骤1处理后的镍基合金基板上、沉积厚度为5μm，得到覆盖NiCrAlY合金过渡层的复合基板；

步骤3：Al₂O₃热生长层的制备：将步骤2得到的复合基板置于真空热处理炉内，在6×10^-4Pa真空条件下、1000℃温度下析铝处理4小时；保持1000℃温度并通纯度为99.999％的氧气至常压，氧化处理5小时后，停止加热并继续通入氧气直到冷却至室温止，得到表面覆盖NiCrAlY合金过渡层及析铝氧化Al₂O₃热生长层的复合基板；

步骤4：非晶YAlO过渡层的制备：在经步骤3处理后得到的复合基板上沉积非晶YAlO薄膜，将步骤3处理后得到的复合基板置于真空度为6.0×10^-4Pa的真空环境中，以钇铝合金靶为靶材，其中钇和铝的原子比为1：4，以纯度为99.999％(体积百分比)的氧气和纯度为99.999％(体积百分比)氩气的混合气体作为溅射介质，采用反应溅射的方法，在氧气和氩气的流量比为1：5、溅射气压为0.5Pa、溅射功率为150W、溅射温度为500℃的条件下，采用反应溅射的方法在经步骤3处理后得到的复合基板上沉积厚度为1μm的非晶YAlO薄膜、作为过渡层；

步骤5：Al₂O₃绝缘层的制备：将经步骤4处理所得的复合基板在背底真空为6×10^-4Pa的条件下、采用纯度为99.999wt％的Al₂O₃为蒸镀原料，在400℃、蒸镀电子束流为60mA的条件下采用电子束蒸发法蒸镀Al₂O₃，得到厚度为6μm的Al₂O₃绝缘层；

步骤6：薄膜传感器功能层及Al₂O₃保护层的制备：在背底真空为6×10^-4Pa下，以氩气为反应介质、Ni₉₀Cr₁₀为靶材，在室温、功率为100W、工作电压为0.4Pa的条件下，采用射频磁控溅射的方法在Al₂O₃绝缘层表面沉积厚度为1μm的NiCr热电偶作为薄膜传感器的功能层；然后，在背底真空为6×10^-4Pa下，采用纯度为99.999wt％的Al₂O₃为蒸镀原料，在400℃、蒸镀电子束流为60mA的条件下，采用常规电子束蒸发法在Al₂O₃绝缘层及薄膜传感器功能层的表面蒸镀Al₂O₃以作为保护层、至Al₂O₃保护层的上表面到薄膜传感器功能层的上表面的厚度为1.5μm止；从而得到本发明所述金属基薄膜传感器。

对本实施例制备的YAlO-Al₂O₃绝缘层进行绝缘性能测试可知：室温下，YAlO-Al₂O₃绝缘层的阻值大于10G欧姆(超出仪表量程)；在800℃高温时，其电阻值仍然大于20K欧姆，完全满足金属基薄膜传感器的使用要求，大大提高了绝缘层的绝缘性能，有效提高了薄膜传感器的稳定性和可靠性。

Claims (5)

1.一种带复合绝缘层的金属基薄膜传感器，包括七层结构，从下往上依次为合金基板(1)、NiCrAlY合金过渡层(2)、Al₂O₃热生长层(3)、非晶YAlO过渡层(4)、Al₂O₃绝缘层(5)、薄膜传感器功能层(6)、Al₂O₃保护层(7)，其中，所述非晶YAlO过渡层(4)为氧化钇和氧化铝组成的非晶YAlO薄膜，所述氧化钇与氧化铝的摩尔比为1：(1～20)。

2.一种带复合绝缘层的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，清洗后置于氮气气氛下干燥；

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^-3Pa以下的真空环境及800～1200℃温度条件下析铝处理1～10h；然后，保持800～1200℃温度并通入氧气至常压，氧化处理1～10h、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：非晶YAlO过渡层的制备：以钇铝合金靶为靶材，其中钇和铝的原子比为1：(1～20)，在氧气和氩气的流量比为1：(1.2～10)、溅射气压为0.2～10Pa、溅射功率为100～300W、溅射温度为200～600℃的条件下，采用反应溅射的方法在经步骤3处理后得到的复合基板上沉积厚度为0.5～2μm的非晶YAlO薄膜、作为过渡层；

步骤5：Al₂O₃绝缘层的制备：将经步骤4处理所得的复合基板置于真空气氛及200～500℃温度条件下，采用电子束蒸发的方法蒸镀Al₂O₃绝缘层，Al₂O₃绝缘层的厚度为1～10μm；

步骤6：薄膜传感器功能层及Al₂O₃保护层的制备：将步骤5得到的复合基板置于真空腔体中，采用射频磁控溅射的方法在Al₂O₃绝缘层上制备薄膜传感器功能层；然后在真空气氛及400℃温度下、采用电子束蒸发的方法在Al₂O₃绝缘层和薄膜传感器功能层的表面蒸镀Al₂O₃、作为保护层；从而得到本发明所述金属基薄膜传感器。

3.根据权利要求2所述的带复合绝缘层的金属基薄膜传感器的制备方法，其特征在于，步骤1所述合金基板为镍合金基板。

4.根据权利要求2所述的带复合绝缘层的金属基薄膜传感器的制备方法，其特征在于，步骤5中采用电子束蒸发的方法蒸镀Al₂O₃绝缘层时，所述真空气氛的真空度为10^-3～10^-4Pa。

5.根据权利要求2所述的带复合绝缘层的金属基薄膜传感器的制备方法，其特征在于，步骤5和步骤6所述制备Al₂O₃绝缘层和Al₂O₃保护层时，采用的蒸镀原料为高纯度的Al₂O₃，原料Al₂O₃的纯度不低于99.99wt％。