高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響研究

李劍 劉志春 周浩 李強(qiáng) 趙鑫 梁軍生 王立鼎

摘要：以氧化銦錫（ITO）為敏感材料制備的高溫薄膜應(yīng)變計(jì)被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片等熱端部件應(yīng)變測(cè)試。為了探究高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其應(yīng)變靈敏度系數(shù)（GF）的影響，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)了不同敏感柵長(zhǎng)度、不同敏感柵數(shù)量的高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)，通過仿真分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證的方法系統(tǒng)研究了應(yīng)變計(jì)在25℃、600℃、800℃和900℃的差別。結(jié)果表明，應(yīng)變計(jì)GF隨敏感柵長(zhǎng)度的增加而變大，隨敏感柵數(shù)量的增加而先增大后減小（最優(yōu)中間值為6柵），最終獲得敏感柵長(zhǎng)度5mm、敏感柵數(shù)量6柵為最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，以最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)制備的高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)在不同溫度下的GF均保持在3.2左右。研究結(jié)果對(duì)高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)的高溫性能優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：ITO；應(yīng)變計(jì)；高溫；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；GF

中圖分類號(hào)：V241.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.05.010

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是一種集復(fù)雜和精密于一體的熱力機(jī)械，為保證發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫、高壓、強(qiáng)振動(dòng)等極端工作環(huán)境中正常運(yùn)行，需要對(duì)其熱端部件產(chǎn)生的應(yīng)變進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)[1-2]。薄膜應(yīng)變計(jì)由于其可直接沉積制備、質(zhì)量基本可以忽略、靈敏度高、響應(yīng)速度快、適用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)受到業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注[3]。金屬與合金材料是目前應(yīng)用廣泛的薄膜應(yīng)變計(jì)材料，如NiCr、PbCr等。然而它們?cè)诟邷丨h(huán)境中存在氧化等問題，從而導(dǎo)致應(yīng)變計(jì)準(zhǔn)確度降低甚至失效。銦錫氧化物（ITO）作為一種新型半導(dǎo)體材料，由于其熔點(diǎn)高、高溫抗氧化性好、耐腐蝕等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于制備薄膜高溫應(yīng)變計(jì)[4-5]和薄膜熱電偶[6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)在一定程度上會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生影響。宋瑞如等[7]通過仿真分析研究了絲式高溫應(yīng)變計(jì)的敏感柵結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)其結(jié)構(gòu)振動(dòng)及壽命的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)振動(dòng)隨敏感柵長(zhǎng)度的減小而增大，柵絲直徑對(duì)應(yīng)變計(jì)壽命影響最大。Larry[8]利用有限元方法分析了應(yīng)變計(jì)基底厚度與應(yīng)變計(jì)性能的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增大應(yīng)變計(jì)基底厚度時(shí)，其靈敏度系數(shù)（GF）降低。胡玉梅等[9]分析了應(yīng)變計(jì)敏感柵直徑、柵絲間距和柵絲長(zhǎng)度的變化對(duì)測(cè)量精度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，柵絲直徑越小，產(chǎn)生的應(yīng)變傳遞誤差越小，而柵絲間距、柵長(zhǎng)對(duì)應(yīng)變傳遞誤差均存在最優(yōu)中間值。然而，目前報(bào)道的文獻(xiàn)中并沒有發(fā)現(xiàn)關(guān)于高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同溫度下對(duì)GF影響的相關(guān)研究。本研究為了探究高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其GF的影響，采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)了不同敏感柵長(zhǎng)度、不同敏感柵數(shù)量的高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)，通過仿真分析以及試驗(yàn)驗(yàn)證的方法系統(tǒng)研究了在25℃、600℃、800℃以及900℃下，高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)的敏感柵長(zhǎng)度、敏感柵數(shù)量的變化對(duì)其GF的影響。

1材料和方法

1.1理論

由于橫向效應(yīng)的存在，應(yīng)變計(jì)總電阻變化量ΔR減小，導(dǎo)致計(jì)算得到的GF小于應(yīng)變計(jì)實(shí)際靈敏度系數(shù)GFreal，減小了應(yīng)變計(jì)的GF值。

為了提高應(yīng)變計(jì)的GF和測(cè)量精度，需要對(duì)應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如敏感柵長(zhǎng)度、數(shù)量等）進(jìn)行設(shè)計(jì)選取最優(yōu)值，盡可能降低橫向效應(yīng)的干擾。

1.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析

為排除應(yīng)變計(jì)整體尺寸的影響，首先確定了13.5mm×8.6mm的高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)整體尺寸，然后根據(jù)應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)理論和正交試驗(yàn)原理，分別設(shè)計(jì)了三種不同敏感柵長(zhǎng)度、4種不同敏感柵數(shù)量的高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)[11]。表1、表2分別顯示了不同應(yīng)變計(jì)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

利用COMSOL仿真軟件分別建立不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的應(yīng)變計(jì)及其附著的氧化鋁（Al2O3）等強(qiáng)度梁基底模型。表3是仿真中使用的Al2O3、ITO的相關(guān)材料特性[12]。

在仿真過程中，用固體力學(xué)物理場(chǎng)模擬使應(yīng)變計(jì)產(chǎn)生微應(yīng)變的載荷施加過程，用固體傳熱物理場(chǎng)模擬應(yīng)變計(jì)所處高溫環(huán)境，用電流-單層殼物理場(chǎng)模擬ITO薄膜應(yīng)變計(jì)的電學(xué)特性變化。通過定義廣義熱通量及溫度來設(shè)定應(yīng)變計(jì)的溫度環(huán)境為25℃、600℃、800℃、900℃，將等強(qiáng)度梁基底的寬端設(shè)置為固定約束，在另一端指定位移1.5mm，在應(yīng)變計(jì)兩端設(shè)置輸入0.5A電流，輸出應(yīng)變計(jì)兩端電壓狀況。通過應(yīng)變計(jì)電壓變化來計(jì)算其電阻變化，根據(jù)式（2）得到ITO薄膜應(yīng)變計(jì)的GF值。

1.3試驗(yàn)程序

2結(jié)果與討論

圖2是在不同溫度環(huán)境下對(duì)敏感柵長(zhǎng)度為3mm、4mm、5mm的高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)施加210με時(shí)，不同敏感柵長(zhǎng)度應(yīng)變計(jì)的GF仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖。

可以發(fā)現(xiàn)，在不同溫度下，改變敏感柵的長(zhǎng)度會(huì)對(duì)高溫 ITO薄膜應(yīng)變計(jì)的GF產(chǎn)生影響，隨著敏感柵長(zhǎng)度的增加，應(yīng)變計(jì)GF也在增大。在25℃、600℃、800℃和900℃時(shí)，對(duì)比測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相比3mm敏感柵長(zhǎng)度的應(yīng)變計(jì)，5mm敏感柵長(zhǎng)度的應(yīng)變計(jì)GF分別提高了40%、28%、36%、79%。這是因?yàn)殡S著敏感柵長(zhǎng)度的增加，橫柵產(chǎn)生的壓應(yīng)變不變，而敏感柵產(chǎn)生的拉應(yīng)變?cè)龃?，使測(cè)量得到的總應(yīng)變量更加接近真實(shí)值，提高了測(cè)量精度。同時(shí)應(yīng)變計(jì)總電阻變化量也隨之增大，使計(jì)算得到GF值也增大，更加接近真實(shí)GF值。圖3是施加210με時(shí)，不同溫度下高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)電阻變化率隨施加微應(yīng)變的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，在受載時(shí)，不同敏感柵長(zhǎng)度的應(yīng)變計(jì)電阻變化率與微應(yīng)變呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，由式（2）可知，圖3中斜率即為應(yīng)變計(jì)GF，說明在不同高溫環(huán)境中，敏感柵長(zhǎng)度均對(duì)應(yīng)變計(jì)GF有較大的影響，增大敏感柵長(zhǎng)度能夠使高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)在不同高溫下的GF有一定的提升。

圖4分別是不同溫度環(huán)境下，敏感柵數(shù)量為4柵、6柵、8柵、10柵的應(yīng)變計(jì)受載時(shí)GF仿真與測(cè)試結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，在不同溫度下，高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)敏感柵數(shù)量的不同均會(huì)對(duì)其GF產(chǎn)生影響。隨著敏感柵數(shù)量的增加，GF先增大后減小，存在最優(yōu)中間值，最優(yōu)值是6柵，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果相符。由測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在25℃、600℃、800℃和900℃時(shí)，對(duì)比10柵的高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)，6柵的應(yīng)變計(jì)GF分別提高了21%、35%、38%和55%。這是因?yàn)槊舾袞艛?shù)量的增加間接增加了敏感柵的長(zhǎng)度，使應(yīng)變計(jì)測(cè)得的應(yīng)變值更加接近真實(shí)值，提高了測(cè)量精度，也使得計(jì)算得到的GF值更加接近真實(shí)值，使GF增大。然而，當(dāng)敏感柵數(shù)量超過6柵時(shí)，敏感柵數(shù)量的增加使高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)與 Al2O3基底的接觸面積過大，應(yīng)變從基底向應(yīng)變計(jì)的傳遞中，應(yīng)變傳遞誤差增大，降低了測(cè)量精度，使GF下降。

圖5是加載210με時(shí)不同溫度下不同敏感柵數(shù)量的高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)電阻變化率輸出情況，可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)應(yīng)變計(jì)電阻變化率與微應(yīng)變呈現(xiàn)一定線性關(guān)系。對(duì)比圖3發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下，不同敏感柵數(shù)量的應(yīng)變計(jì)斜率差別較小，這表明相比敏感柵長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)變計(jì)GF的影響，敏感柵數(shù)量的改變對(duì)其影響較小。

綜上所述，可以得到最優(yōu)的高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)參數(shù)，即敏感柵長(zhǎng)度為5mm，敏感柵數(shù)量為6柵。在不同溫度下，對(duì)具有最優(yōu)參數(shù)的高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)進(jìn)行高溫循環(huán)測(cè)試，其均表現(xiàn)出良好的壓阻變化，響應(yīng)迅速，滯后時(shí)間較短。經(jīng)計(jì)算，該參數(shù)的高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)在25℃、600℃、800℃和900℃下的GF分別為3.207，3.174，3.238，3.214，均在3.2左右，穩(wěn)定性較好。

3結(jié)論

本文旨在研究高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)其在不同溫度下的GF影響，從而提高高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)在高溫環(huán)境的GF值。通過COMSOL仿真分析和正交試驗(yàn)法對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響進(jìn)行論證。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在同一整體尺寸下，ITO薄膜應(yīng)變計(jì)敏感柵長(zhǎng)度、敏感柵數(shù)量的變化均會(huì)對(duì)其在不同高溫環(huán)境下的GF產(chǎn)生影響。不同溫度下，隨著敏感柵長(zhǎng)度的增加，高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)的GF隨之增加；隨著敏感柵數(shù)量的增加，應(yīng)變計(jì)的GF先增大后減小，最優(yōu)中間值是6柵。選擇敏感柵長(zhǎng)度5mm，敏感柵數(shù)量6柵作為整體尺寸13.5mm×8.6mm的高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使應(yīng)變計(jì)在不同溫度下循環(huán)受載，其GF均保持在 3.2左右，穩(wěn)定性較好。該研究方法和成果對(duì)于應(yīng)用于航空領(lǐng)域的高溫ITO薄膜應(yīng)變計(jì)及其他材料應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)及性能提高有一定的指導(dǎo)意義。

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Investigation of Structure Parameters on the Properties of ITO Film Strain Gauge at High Temperatures

Li Jian1，Liu Zhichun1，Zhou Hao1，Li Qiang3，Zhao Xin3，Liang Junsheng1，2，Wang Liding1，2

1. Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

2. Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

3. Key Laboratory of Hypersonic Aerodynamic Force and Heat Technology，AVIC Aerodynamics Research Institute，Shenyang 110034，China

Abstract： The ITO thin film strain gauge （TFSG） has been widely used in the strain measurement of hot sections including high temperature turbine blades of aeroengines. In order to explore the effect of the structural parameters on the gague factor （GF） of the ITO TFSG， different grid lengths and the number of the sensitive grid in the ITO TFSGs are developed， and their pezoresistive performance are also systematically studied at 25℃，600℃，800℃and 900℃. Results show that the GF of the ITO TFSGs initially increases and then decreases with the increase of the number of the sensitive grid. The GF of the ITO TFSGs grows with the enhancement of the length. Consequently， the optimal structural parameters of 5mm sensitive grid length and 6 sensitive grids are obtained. Moreover， the pezoresistive response of the ITO TFSG prepared with the optimal structural parameters is recorded， and the GF is about 3.2 at different temperatures. The results have a certain guiding significance for the high-temperature performance optimization of ITO TFSGs.

Key Words： ITO； strain gauge； high temperature； aeroengine； GF