一种掺杂钛酸锶薄膜型热电偶的制作方法
【专利说明】-种惨杂铁酸總薄膜型热电偶 【技术领域】
[0001] 本发明设及传感器制备技术及高溫溫度测量技术领域，具体为一种渗杂铁酸锁薄 膜型热电偶。 【【背景技术】】
[0002] 在航空发动机设计及验证实验中，为了验证发动机的燃烧效率W及冷却系统的设 计，需要准确测试发动机满轮叶片表面、燃烧室内壁等部位的溫度。与传统的线形和块形热 电偶相比，高溫陶瓷型薄膜热电偶具有热容量小、体积小、响应速度快等特点，能够捕捉瞬 时溫度变化，同时薄膜热电偶可直接沉积在被测对象的表面，不破坏被测部件结构，而且对 被测部件工作环境影响小。因此更适合用于表面瞬态溫度测量。通过薄膜热电偶可准确了 解热端部件表面溫度分布状况，可W优化传热、冷却方案设计，进而保证发动机工作在最优 工作状态、提高发动机效率，为新一代战斗机和民航客机的设计提供可靠依据。
[0003]目前对NiCr/NiSi薄膜热电偶的研究，已经相对成熟，但是其测试溫度范围低，只 适应与中低溫度测试场合。在高溫测试领域，通常采用销、锭等贵金属为薄膜材料，但是由 于其存在成本高、误差大、恶劣环境易氧化等问题。迫切需要研制一种耐高溫、性能稳定的 新型陶瓷薄膜热电偶。现有的研究中，薄膜型的IT0和In2〇3材料有望成为高溫测量的核屯、首 选材料。但是进一步的研究发现，IT0系列薄膜热电偶由于在大于1000°C的高溫区域会出现 非常剧烈的热挥发，从而造成其高溫测量的不稳定W及最高溫度的限制。运一点严重制约 着IT0薄膜在高溫热流道等高溫测量领域的应用。
[0004] SrTi化作为一种典型的η型氧化物热电材料，具有环境友好和高溫性能稳定等优 点，通过渗杂高价离子可W成为良好的电子导体，现在已经成为一种非常有用的高溫热电 材料被大家所认识。如果将两种不同导电特性的渗杂铁酸锁热电材料通过合理的组合，就 有可能成为一种新的高溫型薄膜热电偶。运正是本次发明的出发点。 【
【发明内容】
】
[0005]本发明是针对现有材料体系的特点W及更高的应用需求，提供一种渗杂铁酸锁薄 膜型热电偶，用于极端环境下的高溫测量需求。
[0006] 为达到上述目的本发明采用的技术方案是：
[0007] -种渗杂铁酸锁薄膜型热电偶，包括设置在陶瓷基片上的两个热电极，两个热电 极的材料分别为两种不同元素渗杂的铁酸锁薄膜;或者两个热电极的材料均为同种元素渗 杂的铁酸锁薄膜，且两个热电极中元素渗杂含量不同。
[000引 渗杂元素为La、佩、Sc、Ca、Α1、In、Ce、Dy、Ζη或Μη。
[0009] 渗杂元素的含量为0.1-15%mol。
[0010] 同种元素渗杂的铁酸锁薄膜作为两个热电极材料时，两个热电极材料中元素渗杂 含量分别取该元素在铁酸锁中的最大渗杂量和最小渗杂量。
[0011] 所述两个热电极是沿陶瓷基片中屯、线呈镜像对称设置，两个热电极搭接形成U型 结构或V型结构。
[0012]每个热电极的长度在8-30cm，宽度为0.2-1.55cm，厚度为0.3-20皿，两个热电极搭 接重合区的长度为〇.5-3cm。
[0013] 所述的陶瓷基片为氧化侣、莫来石或SiC的结构陶瓷。
[0014]所述的两个热电极采用磁控瓣射、丝网印刷、脉冲激光沉积或者化学溶液法，在陶 瓷基片上沉积成薄膜型热电极，再经过600-1100°C热处理制得。
[0015]相对于现有技术，本发明具有W下优点：
[0016]本发明是针对现有材料体系的特点W及更高的应用需求，研究设计适用于高溫陶 瓷基底的薄膜热电偶及其制作方法。利用铁酸锁薄膜材料渗杂改性后所表现出来的优异的 高塞贝克系数特性，采用两种不同导电特性的薄膜构成薄膜型热电偶，通过磁控瓣射、丝网 印刷或者化学旋涂工艺，在高溫陶瓷基片上沉积制备出渗杂铁酸锁氧化物薄膜，再经过高 溫热处理最终获得能在高溫下稳定输出信号的薄膜型热电偶，用于极端环境下的高溫测量 需求。该薄膜热电偶采用直接贴装或者涂覆在陶瓷基片表面，可用于高溫氧化气氛中的溫 度测量，能够在1200°C-1500°C高溫下长期稳定工作。本发明采用新型陶瓷热电偶材料，相 比普通K型热电偶，具有测溫范围更广，而且能够适应氧化和酸碱环境的优点；相比其他类 型耐高溫热电偶材料如销锭等，在相同的溫度测试范围内，其热电偶成本低；相比于传统 IT0等陶瓷薄膜热电偶具有更高的使用溫度和更长的高溫服役时间，且适用于在航天航空 等领域的极端环境溫度测试。 【【具体实施方式】】
[0017]本发明的一种渗杂铁酸锁薄膜型热电偶选取两种不同渗杂的铁酸锁薄膜作为薄 膜热电偶的两组热电极材料，可W是同一元素渗杂，但是含量不同；也可W是不同组份元素 的单一渗杂和共渗杂。渗杂元素主要为1^3、抓、5(3、化、41、〔6、〇7、111、211、111等。然后，按照设 计好的渗杂组份，采用磁控瓣射、丝网印刷或者化学旋涂工艺，在高溫陶瓷基片上沉积制备 可用于高溫溫度测量的氧化物薄膜热电偶，并采用图形化技术组成具有热电偶结构特征的 器件结构。热电偶的图形化可W为V型或者U型，两个热电极之间通过部分重叠区域构成薄 膜热电偶的热端重合区，重合区的长度为〇.5-3cm之间。薄膜热电偶中热电极的厚度在0.3-20微米范围内，热电极的长度在8-30cm之间，每个热电极的宽度为0.2-1.55cm。最后，将制 备得到的薄膜热电偶在600-1100°C高溫热处理1-3小时，提高薄膜的致密度。最终获得能够 在高溫氧化气氛下稳定工作的氧化物薄膜型热电偶。
[0018]按照化学计量法，各种元素渗杂后形成的化学式为：
[0019]La部分取代SrLaxSri-xTi〇3;
[0020] A1 部分取代TiSrAlxTii-x〇3;
[0021]Ce部分取代SrCexSri-xTi〇3;
[0022] In部分取代TiSrInxTii-x〇3;
[0023]Sc部分取代SrScxSri-xTi〇3;
[0024]Ca部分取代SrCaxSri-xTi〇3;
[0025]化部分取代SrZnxSri-xTi〇3;
[0026]Mn部分取代SrMnxSri-xTi〇3;
[0027]佩部分取代Ti SrNbxTii-x〇3;
[0028] Dy含量小的时候取代Sr，含量较高时同时取代Sr和Ti，DyxSri-xDyyTii-y〇3;
[0029] 本发明的原理:塞贝克(Seebeck)效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不 同电导体或半导体的溫度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。而塞贝克系数S是 基于溫度的材质特性，知道一个材质的塞贝克系数s(T)，从公式转化即可得知两个热电极 间的电压差，从而可W间接得到冷热段的溫度差。
[0030]
[0031]其中，Efo为0K时的费米能。从上面公式可W看出，随着溫度的上升，费米分布函数 中的能量也快速攀升，所W受热端的每电子平均能量较高，相应的，受热端的电子不断向冷 段发散，直到形成一个电压差阻止其进一步发散。进一步通过数理推导可W得出赛贝克系 数的表达式为：
从公式可W看出，塞贝克系数与材料本身的费米能有关，也和 实际绝对溫度值有关。那么，对于两组热电极材料，如果冷热端溫度确定，它们之间的溫差 和电压差就是固定的。运正是作为高溫型热电偶所必须的基本要求。