一种离子束溅射薄膜高温应变片及其制备方法
阅读说明：本技术 一种离子束溅射薄膜高温应变片及其制备方法 (Ion beam sputtering film high-temperature strain gauge and preparation method thereof ) 是由 戚云娟 潘婷 高波 薛晓婷 蔺露 李莹 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种离子束溅射薄膜高温应变片及其制备方法,该离子束溅射薄膜高温应变片包括镍基合金基底、绝缘薄膜层、镍铬丝栅薄膜层、保护薄膜层以及电极薄膜；镍基合金基底、绝缘薄膜层、以及镍铬丝栅薄膜层从下到上依次层叠设置；电极薄膜和保护薄膜层均通过离子束溅射镀膜工艺沉积于镍铬丝栅薄膜层的顶部,电极薄膜和保护薄膜层同层设置；镍铬丝栅薄膜层由通过离子束溅射镀膜工艺沉积于绝缘薄膜层的镍铬薄膜层经过刻蚀形成；电极薄膜用于连接耐高温导线。上述离子束溅射薄膜高温应变片能够在高温下进行稳定的测量工作。(The invention discloses an ion beam sputtering film high-temperature strain gauge and a preparation method thereof, wherein the ion beam sputtering film high-temperature strain gauge comprises a nickel-based alloy substrate, an insulating film layer, a nickel-chromium wire grid film layer, a protective film layer and an electrode film; the nickel-based alloy substrate, the insulating film layer and the nickel-chromium wire grid film layer are sequentially stacked from bottom to top; the electrode film and the protective film layer are deposited on the top of the nickel-chromium wire grid film layer through an ion beam sputtering coating process, and the electrode film and the protective film layer are arranged on the same layer; the nickel-chromium wire grid thin film layer is formed by etching a nickel-chromium thin film layer deposited on the insulating thin film layer by an ion beam sputtering coating process; the electrode film is used for connecting a high-temperature-resistant lead. The ion beam sputtering film high-temperature strain gauge can perform stable measurement work at high temperature.)
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种离子束溅射薄膜高温应变片及其制备方法。
背景技术
航空发动机大都采用涡轮发动机作为动力源，而叶片作为涡轮发动机上最关键的部件之一，其在工作中会受到高温、高压、高振动的影响，长时间工作会造成发动机故障，因此，使用传感器准确测量高温环境下航空发动机工作的状态，对其健康监测技术一直非常重要。另外，随着各工业部门的机械和设备的高性能化，工作温度越来越高，所以在高温下的应变测量在工程中已成为一个比较迫切的问题。虽然高温应力的测量方法有很多，但到目前为止，采用应变片测量仍然是高温应力测量最重要、最实用的测试手段。
传统应变片通常采用粘合剂粘贴到试件上，在应变测量时粘合剂形成的胶层起着非常重要的作用，它要正确无误地将试件的应变传递到线栅上；粘合剂的存在，不仅影响应变片的蠕变、滞后、零漂、灵敏系数、线性等工作特性，而且在高温下存在粘合剂变性失效等降低应变片可靠性的风险。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种离子束溅射薄膜高温应变片及其制备方法，能够在高温下进行稳定的测量工作。
本发明采用以下具体技术方案：
一种离子束溅射薄膜高温应变片，包括镍基合金基底、绝缘薄膜层、镍铬丝栅薄膜层、保护薄膜层以及电极薄膜；所述镍基合金基底、所述绝缘薄膜层、以及所述镍铬丝栅薄膜层从下到上依次层叠设置；
所述电极薄膜和所述保护薄膜层均通过离子束溅射镀膜工艺沉积于所述镍铬丝栅薄膜层的顶部，所述电极薄膜和所述保护薄膜层同层设置；
所述镍铬丝栅薄膜层由通过离子束溅射镀膜工艺沉积于所述绝缘薄膜层的镍铬薄膜层经过刻蚀形成；
所述电极薄膜用于连接耐高温导线；
所述保护薄膜层用于保护所述镍铬丝栅薄膜层。
更进一步地，所述绝缘薄膜层为SiO2/Si3N4复合绝缘膜层，厚度为1.5μm。
更进一步地，所述保护薄膜层采用Si3N4保护薄膜形成，厚度为0.3μm。
更进一步地，所述电极薄膜为Ni/Au复合薄膜，厚度为0.5μm。
更进一步地，所述镍基合金基底的厚度为10μm；
所述镍铬丝栅薄膜层的厚度为0.6μm。
一种离子束溅射薄膜高温应变片的制备方法，包括以下步骤：
采用等离子体化学气相沉积工艺在镍基合金基底上沉积绝缘薄膜层；
在绝缘薄膜层表面通过离子束溅射镀膜工艺沉积镍铬薄膜层；
对镍铬薄膜层进行离子束刻蚀，形成镍铬丝栅薄膜层；
采用正性光刻胶对电极焊盘进行保护，在电极焊盘以外的区域采用离子束溅射镀膜工艺沉积保护薄膜层；
采用正性光刻胶对电极焊盘以外的区域进行保护，通过离子束溅射镀膜工艺在电极焊盘上沉积电极薄膜。
更进一步地，在采用等离子体化学气相沉积工艺在镍基合金基底上沉积绝缘薄膜层步骤之前，还包括：
制作镍铬丝栅薄膜层、保护薄膜层以及电极薄膜所需的掩膜版；
通过研抛工艺对镍基合金基底进行表面处理，使镍基合金基底的表面粗糙度小于5nm。
更进一步地，对镍铬薄膜层进行离子束刻蚀，形成镍铬丝栅薄膜层的步骤具体包括：
在镍铬薄膜层的表面通过匀胶、紫外曝光、显影工艺将掩膜版上的应变条状丝栅图形转移到绝缘薄膜层表面；
对镍铬薄膜层进行离子束刻蚀；
对镍铬薄膜层进行超声波清洗，清洗掉应变条状丝栅图形以外多余的镍铬金属薄膜，形成镍铬丝栅薄膜层；
在显微镜下对镍铬丝栅薄膜层进行图形检验；
采用离子束刻蚀工艺对检验合格的镍铬丝栅薄膜层的阻值进行修正。
更进一步地，在沉积保护薄膜层和沉积电极薄膜之间，还包括：
采用真空退火炉在400℃下对形成有绝缘薄膜层、镍铬丝栅薄膜层以及保护薄膜层的镍基合金基底进行2.5h的真空热处理。
更进一步地，在沉积电极薄膜步骤之后，还包括：
在电极薄膜上焊接耐高温导线。
有益效果：
与现有技术相比，本发明的离子束溅射薄膜高温应变片采用镍基合金基底替代现有的聚酰亚胺基底，由于镍基合金基底具有良好的耐高温、耐高压和耐腐蚀性能，是一种理想的应变材料，用该应变材料制备薄膜应变计可实现航空发动机高温部件的应变测试，将使用温度范围从300℃提高到1000℃以上，使其使用温度范围显著得到提高，能够在恶劣环境中使用；并且由于采用镍铬丝栅薄膜层，厚度可以达到微米级，使镍铬丝栅薄膜层的电学性能接近于块体材料，从而使得高温性能稳定，使得离子束溅射薄膜高温应变片能够在高温下进行稳定的测量工作；另外，在制备离子束溅射薄膜高温应变片的工艺过程中，采用离子束溅射镀膜工艺沉积替代现有真空蒸发工艺制备镍铬薄膜层，采用离子束溅射镀膜工艺沉积替代现有印刷法涂覆保护胶制备保护薄膜层，使薄膜应变片的阻值分散度、致密性和可靠性得到提高，同时提高了保护薄膜层的结合力。
与传统应变计相比，本发明的离子束溅射薄膜高温应变片具有耐高温高压、抗氧化等优点，并且应变计的厚度在微米量级，不会破坏航空发动机叶片本身的结构，具有对发动机气流扰动小，响应速度快、灵敏度高及耐高温、高压、气流冲刷等优点。
附图说明
图1为本发明离子束溅射薄膜高温应变片的俯视结构示意图；
图2为图1中离子束溅射薄膜高温应变片的侧向结构示意图；
图3为本发明离子束溅射薄膜高温应变片的制备方法的工艺流程图。
其中，1-镍基合金基底，2-绝缘薄膜层，3-镍铬丝栅薄膜层，4-保护薄膜层，5-电极薄膜
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例一
参考图1和图2，本发明实施例提供了一种离子束溅射薄膜高温应变片，可以用于航空发动机的叶片应变参数测量；该离子束溅射薄膜高温应变片包括镍基合金基底1、绝缘薄膜层2、镍铬丝栅薄膜层3、保护薄膜层4以及电极薄膜5；镍基合金基底1、绝缘薄膜层2、以及镍铬丝栅薄膜层3从下到上依次层叠设置；电极薄膜5和保护薄膜层4同层设置，并且均设置于镍铬丝栅薄膜层3的顶部；
镍基合金基底1作为整个应变片的基础；镍基合金基底1的厚度可以为10μm；绝缘薄膜层2可以为SiO2/Si3N4复合绝缘膜层，厚度可以为1.5μm；
镍铬丝栅薄膜层3由通过离子束溅射镀膜工艺沉积于绝缘薄膜层2的镍铬薄膜层经过刻蚀形成；镍铬薄膜层作为应变层，通过离子束溅射镀膜工艺沉积于绝缘薄膜层2；镍铬丝栅薄膜层3通过对沉积于绝缘薄膜层2的镍铬薄膜层经过刻蚀形成；镍铬丝栅薄膜层3由刻蚀形成的多个栅状电阻条构成；镍铬丝栅薄膜层3的厚度可以为600nm；
如图2结构所示，电极薄膜5和保护薄膜层4均通过离子束溅射镀膜工艺沉积于镍铬丝栅薄膜层3的顶部；电极薄膜5和保护薄膜层4对镍铬丝栅薄膜层3的顶部进行全部覆盖，但是电极薄膜5和保护薄膜层4不重叠；
电极薄膜5用于连接耐高温导线；电极薄膜5可以为Ni/Au复合薄膜，厚度可以为500nm；
保护薄膜层4用于保护镍铬丝栅薄膜层3，防止栅状电阻条被氧化和污染；保护薄膜层4采用Si3N4保护薄膜形成，厚度可以为300nm。
上述离子束溅射薄膜高温应变片采用镍基合金基底1替代现有的聚酰亚胺基底，并采用由镍铬薄膜层刻蚀形成的镍铬丝栅薄膜层3作为应变层，镍铬薄膜层通过离子束溅射镀膜工艺沉积于绝缘薄膜层2，电极薄膜5和保护薄膜层4均通过离子束溅射镀膜工艺沉积于镍铬丝栅薄膜层3的顶部；由于镍基合金基底1具有良好的耐高温、耐高压和耐腐蚀性能，是一种理想的应变材料，用该应变材料制备薄膜应变计可实现航空发动机高温部件的应变测试，将使用温度范围从300℃提高到1000℃以上，使其使用温度范围显著得到提高，能够在恶劣环境中使用；镍铬丝栅薄膜层3的厚度可以达到微米级，使镍铬丝栅薄膜层3的电学性能接近于块体材料，从而使得高温性能稳定，使得离子束溅射薄膜高温应变片能够在高温下进行稳定的测量工作；采用离子束溅射镀膜工艺沉积替代现有真空蒸发工艺制备镍铬薄膜层，采用离子束溅射镀膜工艺沉积替代现有印刷法涂覆保护胶制备保护薄膜层4，使薄膜应变片的阻值分散度、致密性和可靠性得到提高，同时提高了保护薄膜层4的结合力；因此，上述离子束溅射薄膜高温应变片具有耐高温高压、抗氧化等优点，并且应变计的厚度在微米量级，不会破坏航空发动机叶片本身的结构，具有对发动机气流扰动小，响应速度快、灵敏度高及耐高温、高压、气流冲刷等优点。
实施例二
本发明实施例还提供了一种上述离子束溅射薄膜高温应变片的制备方法，参考图3，包括以下具体步骤：
步骤S11，制作镍铬丝栅薄膜层3、保护薄膜层4以及电极薄膜5所需的掩膜版；在制备之前，需要设计和制作在制备镍铬丝栅薄膜层3、保护薄膜层4以及电极薄膜5时所需的掩膜图形，并根据掩膜图形加工制备对应的掩膜版；
步骤S12，通过研抛工艺对镍基合金基底1进行表面处理，使镍基合金基底1的表面粗糙度小于5nm；为了满足沉积工艺要求，在沉积之前需要对镍基合金基底1进行表面预处理，将镍基合金基底1表面通过研抛工艺进行处理，使用于沉积绝缘薄膜层2的表面粗糙度小于5nm，使镍基合金基底1表面满足镀膜要求；
步骤S13，采用等离子体化学气相沉积工艺在镍基合金基底1上沉积绝缘薄膜层2；在经过表面预处理的镍基合金基底1上，采用等离子体化学气相沉积的方法沉积1.5μm厚的绝缘薄膜层2；
步骤S14，在绝缘薄膜层2表面通过离子束溅射镀膜工艺沉积镍铬薄膜层；该步骤为制作应变金属薄膜，在绝缘薄膜层2表面通过离子束溅射镀膜的方法沉积厚度为600nm的镍铬薄膜层；
步骤S15，对镍铬薄膜层进行离子束刻蚀，形成镍铬丝栅薄膜层3；该步骤为制作应变图形，具体可以包括：在镍铬薄膜层的表面通过匀胶、紫外曝光、显影工艺将掩膜版上的应变条状丝栅图形转移到绝缘薄膜层2表面；对镍铬薄膜层进行离子束刻蚀；对镍铬薄膜层进行超声波清洗，清洗掉应变条状丝栅图形以外多余的镍铬金属薄膜，形成镍铬丝栅薄膜层3；在显微镜下对镍铬丝栅薄膜层3进行图形检验，在进行检验过程中，图形缺陷可以包括镍铬丝栅薄膜层3不完整、短栅、搭接、丝栅边缘有明显毛刺、锯齿等；采用离子束刻蚀工艺对检验合格的镍铬丝栅薄膜层3的阻值进行修正；检验合格的应变片可以根据阻值和绝缘要求进行测试；
步骤S16，通过光刻的方法采用正性光刻胶对电极焊盘进行保护，在电极焊盘以外的区域采用离子束溅射镀膜工艺沉积保护薄膜层4；保护薄膜层4可以为厚度300nm的Si3N4保护薄膜，通过保护薄膜层4对其应变图形进行保护；
步骤S17，采用真空退火炉对形成有绝缘薄膜层2、镍铬丝栅薄膜层3以及保护薄膜层4的镍基合金基底1进行真空热处理，在热处理过程中，真空退火炉的温度可以为400℃，退火时长2.5h；通过对镀有保护薄膜层4的应变片放置于真空退火炉内进行真空热处理，能够使薄膜的应力得到充分释放，提高薄膜稳定性；
步骤S18，通过光刻的方法采用正性光刻胶对电极焊盘以外的区域进行保护，通过离子束溅射镀膜工艺在电极焊盘上沉积电极薄膜5；电极薄膜5可以为厚度500nm的Ni/Au复合电极薄膜5，用于焊接引线；
步骤S19，在电极薄膜5上焊接耐高温导线。
在制备过程中，上述制备方法还可以包括电阻绝缘测试步骤，连接导线焊机后，进行电阻和绝缘电阻值测试，电阻值在(120±5)Ω以内，绝缘电阻值大于5000MΩ。
采用上述制备方法制备离子束溅射薄膜高温应变片，采用离子束溅射镀膜工艺沉积替代现有真空蒸发工艺制备镍铬薄膜层，采用离子束溅射镀膜工艺沉积替代现有印刷法涂覆保护胶制备保护薄膜层4，使薄膜应变片的阻值分散度、致密性和可靠性得到提高，同时提高了保护薄膜层4的结合力。
经过试验对上述离子束溅射薄膜高温应变片进行检测，具体参数如下：
应变片的电阻值(含两端导线)在(120±1)Ω之间，阻值分散度小于±5％；应变片可在800℃以下的环境中实现结构应变的稳定测量；常温下，测试电压为100V时，应变片的绝缘电阻大于1000MΩ；800℃环境下绝缘电阻大于500MΩ；在常温环境下，试件应变为1000u时，应变片的机械滞后小于50u。
以下为采用上述制备方法制备离子束溅射薄膜高温应变片的一种具体工艺流程：
将厚度为10μm的镍基合金基底1，采用机械研抛的方法，使其表面粗糙度达到5nm，再用有机清洗剂超声波清洗20min，最后用清水冲洗再吹干，待镀膜；
将上述表面处理好的镍基合金基底1装入等离子化学气相沉积设备，将99.99％的笑气、硅烷及氨气分别通过真空度为5×10-3的真空腔室，加载射频电压，通过控制镀膜时间控制其膜厚为1.5μm，交替5层沉积SiO2/Si3N4复合绝缘膜层，使其在镍基合金基底1和镍铬丝栅薄膜层3之间起电绝缘隔离作用；
将沉积绝缘膜后的基片装入离子束溅射镀膜设备，通入电离惰性气体氩气轰击纯度为99.99％的镍铬金属靶材，通过控制离子能量、镀膜时间等工艺参数沉积3μm厚的镍铬薄膜层；
在沉积完镍铬薄膜层的表面通过匀胶、紫外曝光、显影和离子束刻蚀方法将设计好的掩膜版应变条状丝栅图形转移到绝缘薄膜表面；
将刻蚀后的基片进行超声波清洗，清洗掉应变图形以外多余的镍铬薄膜层，留下所设计的掩膜应变图形；
将制作完成后的应变片，在显微镜下进行图形检验，图形缺陷包括丝栅薄膜不完整、短栅、搭接、丝栅边缘有明显毛刺、锯齿等；检验合格的应变片依据阻值(120±1)Ω和绝缘要求进行测试；
对阻值超过范围的应变片，依据阻值要求采用离子束刻蚀的方法对其阻值进行修正调整；
将阻值修正后的应变片采用机械旋转的方法均匀涂覆厚度为0.3μm的正性光刻胶，通过紫外曝光、显影留下两个焊盘部位的光刻胶，对电极焊盘进行保护，将电极焊盘以外的区域采用离子束溅射镀膜的方法沉积厚度为0.3μm的Si3N4保护薄膜层4，沉积结束后通过超声波清洗掉多余的光刻胶；
保护薄膜层4制作完成后，为了提高薄膜稳定性，使薄膜的应力得到充分释放，将应变片放置于真空退火炉，在400℃下进行2.5h的真空热处理；
将真空热处理后的应变片，通过光刻的方法用正性光刻胶对电极焊盘以外的区域进行保护，再通过离子束溅射镀膜法沉积厚度为0.5μm的Ni/Au复合薄膜，作为引线焊接使用；
在Ni/Au复合薄膜上焊接耐高温导线作为引线，并从应变片两端的电极焊盘上引出；
连接导线焊机后，进行电阻和绝缘电阻值测试，测试过程中应变片的电阻值应在(120±5)Ω以内，绝缘电阻值应大于5000MΩ。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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