一种膜传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及于材料及传感技术领域，具体涉及一种膜传感器及其制备方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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°C环境下进行析铝并氧化形成A1203层；再在上述A1 203层上采用电子束蒸发沉积约10 μ m厚的A1 203绝缘层；然后在A1203绝缘层上制备贵金属功能层及最后的保护层。
[0004]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A1203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A1203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A1 203呈柱状生长，柱间由于阴影效应会产生较大的间隙，降低了 A1203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】
[0005]本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种膜传感器及其制备方法，本发明在析铝氧化形成A1203层上先生长一层非晶YA10薄膜作为过渡层，然后再进行电子束蒸发沉积A1203绝缘层，形成复合绝缘层。本发明的非晶YA10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。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的技术方案为:
一种膜传感器，所述膜传感器自基板表面向外依次包括缓冲层、绝缘层、敏感层、防护层；所述基板为Ni基高温合金基板，缓冲层依次包括NiCrAlY合金过渡层、A1203热生长层、非晶YA10过渡层，所述绝缘层材质为A1203，所述敏感层材质为TaN，所述防护层材质为A1203o
[0007]一种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:A1203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°C温度条件下析铝处理1?10h ;然后，保持800?1200°C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A1203热生长层的复合基板；
步骤4:非晶YA10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°C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?2 μπι的非晶ΥΑ10薄膜、作为过渡层；
步骤5:Α1203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°C温度条件下，采用电子束蒸发的方法蒸镀Α1203绝缘层，Α1 203绝缘层的厚度为1?10 μ m ；
步骤6:敏感层及A1203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A1203绝缘层上制备敏感层；然后在真空气氛及400°C温度下、采用电子束蒸发的方法在A1203绝缘层和敏感层的表面蒸镀A1 203、作为保护层；从而得到本发明所述膜传感器。
[0008]本发明的有益效果为: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YA10薄膜作为过渡层，然后再进行电子束蒸发沉积A1203绝缘层。由于溅射制备得到的非晶YA10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YA10薄膜在化学成分上与NiCrAlY合金层和A1203绝缘层均具有相似性，化学键合类型相近，同时非晶YA10薄膜的热膨胀系数和热导率也处于NiCrAlY合金与A1203之间；因此非晶YA10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。
【附图说明】
[0009]
图1为本发明的结构示意图。
[0010]图中1、基板；2、NiCrAlY合金过渡层；3、A1203热生长层；4、非晶YA10过渡层；5、绝缘层；6、敏感层；7、防护层。
【具体实施方式】
[0011]为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下:
一种膜传感器，所述膜传感器自基板1表面向外依次包括缓冲层、绝缘层5、敏感层6、防护层7 ;所述基板1为Ni基高温合金基板1，缓冲层依次包括NiCrAlY合金过渡层2、A1203热生长层3、非晶YA10过渡层4，所述绝缘层5材质为A1203，所述敏感层6材质为TaN，所述防护层7材质为A1203。
[0012]一种膜传感器的制备方法，包括以下步骤:
步骤1:合金基板1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1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1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1上、作为过渡层，得到带NiCrAlY合金过渡层的复合基板1 ;
步骤3:A1203热生长层3的制备:将经步骤2处理后得到的复合基板1置于真空热处理炉内，在10-3Pa以下的真空环境及800?1200°C温度条件下析铝处理1?10h ;然后，保持800?1200°C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A1203热生长层3的复合基板1 ;
步骤4:非晶YA10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°C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1上沉积厚度为0.5?2 μπι的非晶ΥΑ10薄膜、作为过渡层；
步骤5:Α1203绝缘层5的制备:将经步骤4处理所得的复合基板1置于真空气氛及200?500°C温度条件下，采用电子束蒸发的方法蒸镀A1203绝缘层5，A1 203绝缘层5的厚度为1?10 μπι ;
步骤6:敏感层6及Α1203保护层的制备:将步骤5得到的复合基板1置于真空腔体中，采用射频磁控溅射的方法在Α1203绝缘层5上制备敏感层6 ;然后在真空气氛及400°C温度下、采用电子束蒸发的方法在A1203绝缘层5和敏感层6的表面蒸镀A1 203、作为保护层；从而得到本发明所述膜传感器。
[0013]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
【主权项】
1.一种膜传感器，所述膜传感器自基板(1)表面向外依次包括缓冲层、绝缘层(5)、敏感层(6)、防护层(7);其特征在于:所述基板(1)为Ni基高温合金基板(1)，缓冲层依次包括NiCrAlY合金过渡层(2)、A1203热生长层(3)、非晶YA10过渡层(4)，所述绝缘层(5)材质为A1203，所述敏感层(6)材质为TaN，所述防护层(7)材质为A1203。2.根据权利要求1所述的膜传感器的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤1:合金基板(1)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(1)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(1)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(1)上、作为过渡层，得到带NiCrAlY合金过渡层的复合基板(1); 步骤3:A1203热生长层(3)的制备:将经步骤2处理后得到的复合基板(1)置于真空热处理炉内，在10-3Pa以下的真空环境及800?1200°C温度条件下析铝处理1?10h ;然后，保持800?1200°C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A1203热生长层(3)的复合基板(1)； 步骤4:非晶YA10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°C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(1)上沉积厚度为0.5?2 μπι的非晶ΥΑ10薄膜、作为过渡层； 步骤5:Α1203绝缘层(5)的制备:将经步骤4处理所得的复合基板(1)置于真空气氛及.200?500°C温度条件下，采用电子束蒸发的方法蒸镀Α1203绝缘层(5)，Α1 203绝缘层(5)的厚度为1?10 μπι ; 步骤6:敏感层(6)及Α1203保护层的制备:将步骤5得到的复合基板(1)置于真空腔体中，采用射频磁控溅射的方法在Α1203绝缘层(5)上制备敏感层(6);然后在真空气氛及.400 V温度下、采用电子束蒸发的方法在Α1203绝缘层(5 )和敏感层(6 )的表面蒸镀Α1 203、作为保护层；从而得到本发明所述金属基薄膜传感器。
【专利摘要】本发明公开了一种膜传感器及其制备方法，所述膜传感器自基板表面向外依次包括缓冲层、绝缘层、敏感层、防护层；所述基板为Ni基高温合金基板，缓冲层依次包括NiCrAlY合金过渡层、Al2O3热生长层、非晶YAlO过渡层，所述绝缘层材质为Al2O3，所述敏感层材质为TaN，所述防护层材质为Al2O3。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。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。
【IPC分类】C23C14/34, C23C14/16, G01D21/02, C23C14/08, C23C14/58, C23C14/30, C23C14/35
【公开号】CN105274475
【申请号】CN201510840831
【发明人】马玉玲, 陈小霞, 朱卫东
【申请人】中山市厚源电子科技有限公司
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2015年11月27日