邵 靖， 段 力， 胡銘楷， 丁桂甫， 毛成龍， 沈 杰， 靜 波

(1.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機有限責(zé)任公司 上海，200241) (2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院 上海，200240) (3.蘇州泰斯特測控科技有限公司 蘇州，215164) (4.上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 上海，200240)

引 言

航空發(fā)動機及其他機械系統(tǒng)智能化迫切需要成功地制造原位集成傳感器。機械工程的智能化與智能化系統(tǒng)包含了先進(jìn)的傳感器、驅(qū)動器及計算處理單元，從而實現(xiàn)機械工程的主動控制及狀態(tài)監(jiān)測[1]。對于航空發(fā)動機而言，美國在2006年之后推出通用、可承擔(dān)起的先進(jìn)渦輪發(fā)動機計劃(versatile affordable advanced turbine engine, 簡稱VAATE)，智能航空發(fā)動機是VAATE計劃的一個關(guān)鍵[2]。作為21世紀(jì)工程學(xué)的一大亮點，智能化利用了交叉學(xué)科的優(yōu)勢，營造性能更優(yōu)越、更經(jīng)濟的通用智能航空發(fā)動機。

為了實現(xiàn)航空發(fā)動機的智能化，需要在發(fā)動機內(nèi)多個部位安裝大量的傳感器和驅(qū)動器。傳統(tǒng)的傳感器和驅(qū)動器由于體積大、質(zhì)量重、功能單一等因素[3-4]，很難安裝在航空發(fā)動機需要監(jiān)控的位置；而利用MEMS技術(shù)開發(fā)的新型微型傳感器和驅(qū)動器體積小、質(zhì)量輕，容易布置在航空發(fā)動機內(nèi)的很多部位，并且?guī)缀醪皇馨l(fā)動機內(nèi)部空間的限制[5]，從而獲得更準(zhǔn)確的發(fā)動機工作狀態(tài)參數(shù)，實現(xiàn)航空發(fā)動機的智能化。MEMS是集微機械與微電子功能于一體的微型機電器件或系統(tǒng)，主要由微傳感器、微驅(qū)動器、集成電路和電源等組成[6]。智能發(fā)動機首先用傳感器提供各種發(fā)動機參數(shù)的數(shù)據(jù)，而基于MEMS技術(shù)的傳感器具有微型化設(shè)計和集成化制造的特點，對發(fā)動機部件結(jié)構(gòu)破壞程度小，不影響流場性能，且測試精度高，動態(tài)響應(yīng)時間快，可陣列化與批量化，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)熱電偶實現(xiàn)小空間發(fā)動機壁面溫度測試，如渦輪葉片榫槽邊緣及渦輪葉片，或測試響應(yīng)時間要求較高的區(qū)域。

航空發(fā)動機作為飛機的“心臟”，是高速高振動的機械體系，其運行中的振動問題十分突出。渦輪葉片是發(fā)動機中的重要組件，它在工作中一般受到較高的離心負(fù)荷、氣動負(fù)荷以及振動的交變負(fù)荷等作用，其高振動狀況尤為突出[7]。航空發(fā)動機渦輪葉片的高振動起因非常復(fù)雜，既有轉(zhuǎn)子不平衡、軸承、齒輪碰磨引起的機械激振力，亦存在氣體流經(jīng)發(fā)動機通道時產(chǎn)生的氣體激振力(含燃燒不均、振蕩燃燒及噪聲導(dǎo)致的隨機撤振力)[8-9]。這些航空發(fā)動機振動的初期試驗對于選定葉片傳感器的試驗方案提供了參考。

本研究報道了一種航空發(fā)動機渦輪葉片高溫溫度傳感器的微制造工藝方法，該傳感器采用MEMS薄膜技術(shù)方法制作，并進(jìn)行了一系列苛刻的振動沖擊試驗。振動試驗中掃頻10～2 000 Hz，40g的振動及其在270 Hz，40g振動環(huán)境下進(jìn)行持續(xù)20 min的連續(xù)振動。

被振動試驗體系包括發(fā)動機渦輪葉片及集成在其上的MEMS薄膜傳感器、焊點和連線。發(fā)動機渦輪葉片表面原位集成的MEMS薄膜傳感器器件的薄弱點主要集中在不同材質(zhì)的結(jié)合部：a.薄膜材料與葉片基底材料的兩種材料的界面部位，在高振動強度(幅度和頻率)下，薄膜可能會脫落；b.傳感器的電極與焊接點，由于焊點材料和薄膜材料不盡相同，其結(jié)合處也容易斷開；c.焊接線與焊點之間的連接，由于焊接線在振動與沖擊過程中的劇烈運動和變形扭曲，可能會造成連接處的折斷。試驗證明，MEMS技術(shù)制作的航空發(fā)動機渦輪葉片原位集成傳感器經(jīng)受住了苛刻的振動與沖擊試驗。

1 發(fā)動機渦輪葉片MEMS原位集成傳感器的制作與表征

1.1 MEMS傳感器的制作工藝

薄膜原位集成MEMS熱電阻傳感器采用微加工工藝制作。本試驗采用基于聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, 簡稱PDMS)軟模板轉(zhuǎn)印的方法[10]，在曲面葉片表面制備圖形化薄膜熱電阻。該工藝首先需要制備一張易于彎曲、能夠與基板接觸的PDMS軟質(zhì)圖形轉(zhuǎn)印模板，制備PDMS模板的常用方法是將PDMS預(yù)聚體和對應(yīng)固化劑的混合物澆鑄到預(yù)先通過光刻刻蝕工藝制備好的硅片硬母板上，經(jīng)過固化后，將PDMS剝離母板，母板上的圖案便復(fù)制到了PDMS上，完成了PDMS軟模板的制備，得到具有熱電阻傳感器圖形的PDMS軟質(zhì)轉(zhuǎn)印模板，如圖 1所示。

圖1 MEMS 微制造傳感器的PDMS軟質(zhì)模板Fig.1 PDMS soft mask for MEMS sensor fabrication

利用上一步制備的PDMS軟質(zhì)模板在葉片基底上實現(xiàn)圖形化掩膜。經(jīng)過多種方案的嘗試，最終采用在PDMS上涂上α-氰基丙烯酸乙酯，然后將PDMS快速壓印到葉片表面形成圖形掩膜的方案。α-氰基丙烯酸乙酯是401膠水的主要成分，是一種高強度快速黏著劑。本試驗中采用α-氰基丙烯酸乙酯，是因為其有一定的黏度，且浸潤度較高。α-氰基丙烯酸乙酯倒在平面上一般不會很快流動，對比一般的液體如水、丙酮、無水乙醇甚至光刻膠等滴到PDMS上后，由于PDMS具有疏水性液體會快速流動而嚴(yán)重影響圖形化效果。將α-氰基丙烯酸乙酯滴到PDMS上后其流動慢，而且轉(zhuǎn)印過程中PDMS上的α-氰基丙烯酸乙酯可瞬間快速固化黏著葉片基底表面，該特性對于圖形化效果非常有利。另外，α-氰基丙烯酸乙酯溶于丙酮溶劑，這一特性使其代替光刻膠在薄膜圖形化后可以進(jìn)行Lift-off工藝。

基于PDMS軟模板軟光刻薄膜圖形化具體工藝流程如下：

1) 將清洗后的硅片表面涂上α-氰基丙烯酸乙酯；

2) 將制備PDMS軟模板圖形完整貼到硅片上；

3) 取下PDMS壓印到葉片表面;

4) 冷卻后取下PDMS，在葉片上呈現(xiàn)出利用PDMS轉(zhuǎn)印得到的圖形；

5) 將曲表面帶掩模的渦輪葉片放入磁控濺射機中濺射500nm的金屬鉑(Pt)；

6) 將濺射后的葉片放入丙酮溶液中，在超聲環(huán)境下進(jìn)行Lift-off工藝，得到完整的MEMS熱電阻傳感器圖形。

1.2 表面形態(tài)

利用基恩士(Keyence)公司的VK-X250形狀測量激光顯微系統(tǒng)分別觀測關(guān)鍵測溫部件的三維形貌及尺寸。VK-X250系列是一款兼具高觀察力和測量力的共焦點激光顯微系統(tǒng)，觀察倍率超越傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡，在空氣中可實現(xiàn)接近SEM的高分辨率圖像，測量力凌駕于粗糙度儀之上。圖 2所示為利用PDMS轉(zhuǎn)印在葉片上的上海交通大學(xué)校徽圖案設(shè)計的傳感器圖形(放大34倍)和梳狀電阻圖形(放大300倍)，薄膜的厚度在50 nm左右，可以看到圖形復(fù)制效果良好。

圖2 利用PDMS轉(zhuǎn)印在葉片上的圖形Fig.2 The transferred pattern onto the turbineblade surface

1.3 高溫溫度傳感性能表征

筆者測量了航空發(fā)動機渦輪葉片表面原位集成高溫傳感器高溫電學(xué)特性。薄膜溫度傳感器高溫測量試驗是在能夠?qū)囟壬卟⑶冶３衷诟哌_(dá)1 300℃氮氣環(huán)境下的高溫箱式爐內(nèi)進(jìn)行。試驗開始之前將引線燒結(jié)工藝后的渦輪葉片放置在高溫箱式爐內(nèi)部爐膛(底部中心)，然后將2根長度為1 m、直徑為0.2 mm的鉑絲與熱電阻傳感器電極引線相連接，將其引出爐子外部連接多功能萬用表。升溫至800℃后自然冷卻至室溫，測量熱電阻值及熱障涂層絕緣層電阻值隨溫度變化響應(yīng)情況。

在800℃或更高的高溫環(huán)境下，一般陶瓷材料的電絕緣性能會下降[11]，這會影響傳感器特性。因為如果襯底絕緣層開始電導(dǎo)通，熱敏電阻會通過襯底導(dǎo)通的并聯(lián)電阻而影響測量精度。為了在渦輪葉片上原位集成薄膜熱電阻，通常需要在熱電阻傳感器和渦輪葉片金屬基底之間噴涂一層在800℃下具有良好電絕緣特性的絕緣陶瓷層。此次研制的MEMS薄膜熱電阻所采用的絕緣基底熱障涂層是一層氧化鋯(ZrO2)陶瓷基底，由于陶瓷基底的絕緣特性會隨著溫度改變而改變，這會直接影響到熱電阻值隨溫度變化的結(jié)果，因此有必要在測量高溫?zé)犭娮鑲鞲衅鞲邷仉娮杼匦缘耐瑫r測量絕緣電阻值。采用與之前薄膜熱電阻相同的燒結(jié)引線測量技術(shù)，分別連接2個不同的熱電阻傳感器電極焊接引線，將其引出爐子外部連接多功能萬用表，將萬用表調(diào)至測量電阻檔，即可同時測量電阻傳感器及其陶瓷基底絕緣電阻的溫度特性。圖 3所示為葉片表面氧化鋯(ZrO2)陶瓷基底絕緣電阻值隨溫度從25～800℃的變化過程，可以看到，在室溫條件下，絕緣電阻的值為200 MΩ，超出了測量量程。在高溫條件下，陶瓷層的電阻值在下降，絕緣電阻隨溫度的變化基本呈指數(shù)關(guān)系。通過改良的陶瓷材料，高溫陶瓷材料的高溫電絕緣性能在800℃保持在1 kΩ，對于幾十歐姆的熱電阻測量精度不會有太大的影響。

圖3示出了熱敏電阻和溫度的對應(yīng)曲線，電阻溫度的線性良好，可以在高溫環(huán)境下對溫度實行監(jiān)控，實現(xiàn)高溫溫度傳感的工程學(xué)目的。

圖3 葉片表面熱電阻傳感器及ZrO2絕緣涂層基底絕緣電阻隨溫度變化特性曲線Fig.3 Sensor performance to measure the high temperature as well as the resistivity of the ceremic insulators under high temperatures

2 振動沖擊試驗

2.1 測試樣品和測試系統(tǒng)

首先根據(jù)葉片的形貌和尺寸加工了固定的夾具，以確保在振動和沖擊試驗的整個動態(tài)過程中，帶有傳感器的葉片穩(wěn)定地固定在測量系統(tǒng)當(dāng)中。圖 4為帶有傳感器和焊接連線的葉片在振動臺夾具上固定的實際圖片，夾具的榫槽和葉片的邊緣尺寸線對應(yīng)，夾具兩端可根據(jù)葉片的寬度進(jìn)行微調(diào)。振動和沖擊傳感器被固定在振動臺上，用來監(jiān)控和檢測振動的頻率與強度。通過加速度或速度傳感器來測量振動信號[12]，加速度或速度傳感器固定在振動基座上，由發(fā)動機集成傳感器及引線、發(fā)動機渦輪葉片、振動傳感器與振動基座構(gòu)成一個完整的振動測試構(gòu)件系統(tǒng)。

圖5為振動試驗測試裝置，包括振動臺和控制系統(tǒng)。電動振動試驗系統(tǒng)(electro-dynamic vibration test system，簡稱EVST)的額定沖擊力為100kN，頻率范圍為1～2 700 Hz，最大加速度可達(dá)100g，最大位移為51 mm，最大負(fù)載為800 kg。

圖4 薄膜熱電偶單元傳感器固定上在振動臺上的圖片F(xiàn)ig.4 MEMS thermal sensor integrated onto the turbine blade as well as the wires and the fasting racks

圖5 振動試驗測試裝置示意圖Fig.5 Descriptive configuration of the vibrational test system

抗振動指標(biāo)范圍界定在10～2 000 Hz，40g。加速度、速度、位移等振動參量存在以下的轉(zhuǎn)換關(guān)系

其中：a為試驗加速度；v為試驗速度；ω為角速度；f為試驗頻率；d為位移單峰值。

各參量單位為國際單位制，但是a的單位為重力加速度g(1g=9.8 m/s2)。鑒于最大位移限制為51 mm，在低頻段把振動強度調(diào)整為6g，隨著頻率的增加，振動強度逐漸增加至40g。振動強度的試驗方案如圖6所示。

圖6 掃頻振動試驗方案Fig.6 The test plan for the virational test

沖擊試驗測試裝置如圖 7所示。垂直沖擊試驗臺(vertical shock tester，簡稱VST)的最大負(fù)載值為100g，沖擊脈沖的持續(xù)時間范圍為1.5～40 ms，峰值加速度可達(dá)600g，此沖擊臺可執(zhí)行常規(guī)的半正弦波、后峰鋸齒波等波形的沖擊試驗。

圖7 沖擊試驗臺和樣品Fig.7 Shocking test platform and test sample

2.2 振動沖擊試驗結(jié)果

振動與沖擊驗證試驗過程如下：利用萬用表測量和比較振動沖擊前后的電阻測量值，如果連接沒有斷開，電阻值一致，說明結(jié)合力滿足驗收振動沖擊要求。結(jié)合力包含：薄膜和葉片表面的結(jié)合力；焊點的結(jié)合力；連線的結(jié)合力和抗震動能力。任何一項出了問題，都可能會使得測量的電阻值發(fā)生變化。

振動試驗過程分為兩部分：a.3 min掃頻，振動頻率由10 Hz逐漸升至2 000 Hz，然后回掃至10 Hz；b.在270 Hz，40g的條件下，振動20 min。對于沖擊試驗，沖擊強度定為100g，8 ms，半正弦波，帶有傳感器的葉片分別沖擊了5次。每次的振動與沖擊試驗前后都要用萬用表驗正葉片集成的傳感器(熱電阻型傳感器和熱電偶型傳感器)。圖 8 示出了實際的振動試驗加速度掃頻曲線和5次沖擊試驗加速度測量曲線?？梢钥吹剑瑨哳l振動和沖擊試驗的重復(fù)性非常好，振動和沖擊強度每次也達(dá)到了預(yù)定的要求。

每次振動和沖擊試驗之后都要測量MEMS熱電阻和熱電偶的連接特性。室溫下熱電阻的電阻信號值為85 Ω，熱電偶的電阻連接值為12 Ω。此后，一共進(jìn)行了5次振動與沖擊試驗，在每次試驗后都測試了熱電阻和熱電偶傳感器的電阻值，結(jié)果如表1、表2所示。結(jié)果表明，在振動沖擊試驗前后的連接情況沒有改變，雖然在視覺上躺著的連線已經(jīng)在振動過程中豎立起來，但是并沒有折斷的現(xiàn)象。同時薄膜在葉片上的附著也很穩(wěn)定，沒有產(chǎn)生脫落的現(xiàn)象，表明葉片原位溫度傳感器可以經(jīng)受住航空發(fā)動機規(guī)定的振動與沖擊試驗指標(biāo)。

圖8 振動和沖擊試驗結(jié)果Fig.8 Experimental results of the vibrational test and shocking test

表1 熱電阻傳感器的振動試驗前后電阻測量比較

表2 熱電偶傳感器的沖擊試驗前后連接狀況測量比較

3 結(jié)束語

筆者制作了抗振動與抗沖擊的高溫原位集成渦輪葉片傳感器。該溫度傳感器不僅具有良好的溫度測量性能，而且有很強的抗沖擊和抗振動能力。振動過程中，連線由平躺變?yōu)橹绷?，但是連接依然良好。MEMS原位集成渦輪葉片傳感器系統(tǒng)經(jīng)受10～2 000 Hz，40g，20 min(270 Hz)的振動試驗，以及沖擊強度為100g，8 ms的半正弦波沖擊試驗。電阻溫度特性在800℃還保有良好的線性，可以在高溫環(huán)境下對溫度實行監(jiān)控，實現(xiàn)高溫溫度傳感在航空發(fā)動機及其其他相關(guān)領(lǐng)域的工程學(xué)應(yīng)用。

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