ITO-In2O3薄膜熱電偶的制備及熱電性能研究.pdf

1、精確測量航空發(fā)動機(jī)的渦輪葉片等熱端部件表面溫度及分布對發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)及性能驗(yàn)證至關(guān)重要。薄膜熱電偶是采用薄膜沉積技術(shù)將熱電偶材料直接沉積并圖形化于葉片表面，其具有體積小、對流場無干擾、測試精度高和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。ITO和In2O3均為寬禁帶導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體材料，由它們構(gòu)成的ITO/In2O3薄膜熱電偶不但具有耐高溫和抗氧化的特性，而且具有較大的賽貝克系數(shù)，在超高溫測試領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。本文針對發(fā)動機(jī)渦輪葉片表面測溫的需求，開展了ITO/In

2、2O3薄膜熱電偶制備工藝及熱電性能方面的研究，重點(diǎn)研究了氮摻雜對ITO/In2O3薄膜熱電偶性能的影響。
　　首先，采用射頻磁控濺射法在氧化鋁襯底上制備了氮摻雜的ITO薄膜。沉積ITO薄膜時(shí)，濺射氣氛中的氮進(jìn)入ITO薄膜中，部分氮元素會填充氧空位，降低薄膜中的載流子濃度，導(dǎo)致薄膜電阻率增大，部分氮會被束縛在晶界等位置，抑制ITO薄膜的結(jié)晶。大氣退火過程中，空氣中的氧原子會進(jìn)入ITO薄膜并填充氧空位，使薄膜電阻率上升。氮?dú)馔嘶疬^程中

3、，氣體中的氮原子擴(kuò)散進(jìn)入ITO薄膜，同時(shí)摻氮ITO薄膜內(nèi)的氮原子會脫離薄膜，最終這兩個(gè)過程會達(dá)到平衡態(tài)，使薄膜中的載流子濃度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，薄膜電阻率趨于穩(wěn)定。
　　其次，采用射頻磁控濺射法在氧化鋁平板上制備了氮摻雜的ITO/In2O3薄膜熱電偶并對其進(jìn)行退火處理，在300～1000℃范圍內(nèi)對其進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定。結(jié)果表明：氮摻雜進(jìn)ITO/In2O3薄膜后，薄膜中會生成氮氧化物，該物質(zhì)有助于抑制薄膜中的氧擴(kuò)散，使薄膜的賽貝克系數(shù)更加穩(wěn)定，

4、進(jìn)而改善熱電偶的高溫?zé)犭姺€(wěn)定性。ITO/In2O3薄膜熱電偶的熱電輸出隨著ITO電極濺射氣氛中氮分壓的增大而增大，而隨著In2O3電極濺射氣氛中氮分壓的增大而減小，當(dāng)ITO電極和In2O3電極濺射氣氛中氮分壓分別為10％和20%時(shí)制備的ITO/In2O3薄膜熱電偶熱電重復(fù)性和穩(wěn)定性最優(yōu)。
　　采用氮?dú)?大氣退火工藝對ITO/In2O3薄膜熱電偶進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，并以真?大氣退火工藝作為對比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：退火后熱電偶樣品的熱電輸出

5、有所增大。經(jīng)氮?dú)?大氣退火處理的熱電偶薄膜中生成了大量的氮氧化物，使得其高溫?zé)犭姺€(wěn)定性和重復(fù)性得到了較大改善，且其熱電輸出隨溫差的增大呈近似線性的增加，平均賽貝克系數(shù)為64.7μV/℃。
　　最后，在鎳基高溫合金基底上制備了一體化集成的ITO/In2O3薄膜熱電偶，從基底至上依次為厚度約12μm的NiCrAlY合金過渡層，約1μm厚的熱生長Al2O3層，約2.5μm厚的Al-O-N/Al2O3復(fù)合絕緣層和ITO/In2O3熱電偶功