论文部分内容阅读
伴随着航空发动机智能化快速发展,能否在部件表面原位集成制造耐高温传感器已成为关键技术需求。涡轮合金叶片（简称涡轮叶片）作为航空发动机的核心主承力部件,长时间处于高应力、高温（大于1000℃）、高压气流的恶劣环境中,更是有必要原位集成制造一系列传感器能够即时和精确地记录元件表面的各类多物理场信号:如温度、应力、流速、电阻率与热传导能力等。本文采用MEMS技术成功在涡轮叶片表面制造热电阻式测温传感器,并且得到了以下几条相关结果:（1）涡轮叶片表面原位制造铂（Pt）热电阻式温度传感器的具体工艺方案。探究了两种基于MEMS技术的光刻工艺（PDMS软光刻工艺和涡轮叶片表面接近式曝光工艺）方案,其中在PDMS软光刻工艺中详细介绍了如何制备一张易于弯曲、能够与基板接触的PDMS软模板及如何将PDMS软模板上的图形完整有效地转印到涡轮叶片基底上实现薄膜金属层图形化的过程。（2）探究了高温环境下在涡轮叶片表面原位制造的热电阻式温度传感器的温度测试方法,并对该高温测试方法可能存在的误差进行分析与校正。探究了一种特殊的四线测量方法,可同时测量涡轮叶片表面陶瓷薄膜绝缘电阻值和热电阻式温度传感器电阻值,通过此测量方法探究不同陶瓷薄膜涂层的高温电绝缘特性,实验证明在高温下（大于600℃）YSZ热障涂层中氧化铝（Al2O3）比例的增加有助于陶瓷薄膜在高温下电绝缘特性的提高,从而可以更加有效地隔绝涡轮叶片与金属传感器层。此外,进一步分析了在高温下陶瓷薄膜涂层电绝缘特性失效的简单机制,并提出了合理的拟合公式来校正得到正确的温度传感器热电阻值。（3）最后本文对在涡轮叶片表面制造出的温度传感器进行了电阻值随温度变化的高温特性表征,并对比了基于不同光刻工艺制备的热电阻式温度传感器的高温信号稳定性。结论表明,传感器电阻值随温度变化呈现良好的线性关系,基于接近式曝光工艺制造的热电阻温度传感器具有更加稳定的测温性能。结合以上结果,我们成功地在涡轮叶片表面制造了高温原位集成传感器系统。该温度传感器不仅具有良好的温度测量功能,更重要地是其电阻温度特性在1000℃还保有良好的线性和稳定性,从而可以在高温环境下对温度实行监控,实现高温温度传感器在航空发动机领域及其他相关领域的工程学应用。