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ITO薄膜高温变形传感器研究

作　者: 王迪
导　师: 涂善东; 栾伟玲
学　校: 华东理工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 高温应变测量 ITO薄膜 Ag掺杂传感器
分类号: TP212
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

流程工业中的设备长期处于高温、高压、强腐蚀性等高参数运行环境中,材料受损破坏风险增加,因此对危险部位进行实时结构健康监测,对保障人员和设备安全有重要意义。在高温应变测量中,高温应变片法具有简便快捷、对构件无损伤的优点,应用最广。然而,传统高温应变片采用难熔金属制作敏感栅,合金成分调制困难、材料利用率低、灵敏度系数低,高昂的成本也限制了它的普及应用。以ITO材料为代表的半导体薄膜在受应力时,因载流子分布和迁移率的变化会产生电阻率的巨大改变。测量应变灵敏度系数高、稳定性好,被视为有良好前景的高温应变材料。本文确定了ITO(氧化铟锡)薄膜高温变形传感器的制作工艺,考察其各项性能,并予以优化。本文的主要研究内容和结论包括以下三个方面：(1)采用磁控溅射制备ITO传感薄膜和氧化铝绝缘薄膜。考察了制备参数和后处理工艺对ITO薄膜表面形貌、晶态结构、电阻温度系数和压阻性能的影响。建立了薄膜灵敏度系数测试方法,获得ITO薄膜在室温到600℃区间的温度灵敏度系数关系。在600℃下薄膜灵敏度系数为7.2,远大于难熔金属的典型值2.0。(2)对ITO薄膜进行测试表征,考察了从室温到600℃温度区间ITO应变薄膜的化学稳定性、载荷稳定性和时间稳定性。发现退火处理对于多晶薄膜颗粒尺寸增大,粗糙度增加;而非晶薄膜则颗粒细化,表面粗糙度减小。获得了不同制备参数和后处理参数制备的ITO薄膜的漂移曲线,并得到了漂移规律,对长时测量的漂移补偿提供参考。另外,研究了不同载荷类型对薄膜寿命和失效模式的影响,提出了ITO薄膜在往复载荷下经历“凹坑”—“孔洞”—“裂纹”失效模式。(3)系统研究了Ag掺杂对ITO薄膜传感性能的影响,发现掺Ag可以降低ITO薄膜的电阻温度系数并改善灵敏度系数。掺入的Ag在膜中均匀分布,可降低方阻并减小膜的表面粗糙度。通过调整Ag含量,可以获得电阻温度系数等于零的薄膜,提高应变灵敏度系数。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-7
目录  7-9
第1章绪论  9-25
  1.1 本课题的研究背景和意义  9-10
  1.2 高温变形测量发展现状  10-11
    1.2.1 高温变形监测与蠕变  10
    1.2.2 各种监测手段优劣比较  10-11
  1.3 应变片技术研究现状  11-19
    1.3.1 高温应变片的分类  11-13
    1.3.2 电阻式应变片的结构  13-14
    1.3.3 电阻式应变片的工作要求  14-15
    1.3.4 高温敏感栅材料  15-19
  1.4 高温应变材料研究进展  19-23
    1.4.1 高温半导体敏感栅材料  19-21
    1.4.2 ITO高温应变材料研究进展  21-23
  1.5 研究内容  23-25
第2章 ITO薄膜传感器的制备  25-41
  2.1 磁控溅射法制备ITO薄膜敏感栅  25-31
    2.1.1 磁控溅射技术  25-26
    2.1.2 磁控溅射法制备ITO薄膜敏感栅  26
    2.1.3 薄膜的表征  26-27
    2.1.4 薄膜性能测试  27-30
    2.1.5 薄膜沉积参数的选择  30-31
  2.2 高温应变片的介电黏结层  31-33
  2.3 器件制备工艺  33-34
  2.4 传感器性能参数  34-40
    2.4.1 电阻温度系数随温度变化趋势  34-36
    2.4.2 灵敏度系数测量  36-38
    2.4.3 ITO薄膜敏感栅在高温下的灵敏度系数  38-40
  2.5 本章小结  40-41
第3章传感器的稳定性研究  41-53
  3.1 温度稳定性研究  41-45
    3.1.1 沉积温度对晶态的影响  41-43
    3.1.2 退火对薄膜形貌的影响  43-45
  3.2 时间稳定性研究  45-49
    3.2.1 零漂和蠕变  45
    3.2.2 初始漂移规律  45-47
    3.2.3 长时漂移规律  47-48
    3.2.4 热补偿与漂移补偿  48-49
  3.3 载荷稳定性研究  49-52
    3.3.1 加载过程中的阻值跳跃  49-50
    3.3.2 裂纹形成过程  50-52
  3.4 本章小结  52-53
第4章传感器的优化  53-60
  4.1 Ag掺杂的影响  53-58
    4.1.1 对薄膜TCR的影响  53-54
    4.1.2 对表面形貌的影响  54-57
    4.1.3 对压阻效应的影响  57-58
  4.2 基底的影响  58-59
    4.2.1 基底的“减敏”作用  58
    4.2.2 基底的“储能器”作用  58-59
  4.3 本章小结  59-60
第5章 ITO薄膜传感器实际应用的问题  60-64
  5.1 与国际同行的比较  60-61
    5.1.1 漂移补偿  60
    5.1.2 工作性能  60-61
  5.2 国家标准校验  61-62
  5.3 与市售应变片性能比较  62-63
  5.4 应变片布置形式  63
  5.5 本章小结  63-64
第6章总结和展望  64-67
  6.1 本文主要工作总结  64-65
  6.2 创新点  65
  6.3 存在的问题和展望  65-67
参考文献  67-72
致谢  72-73
攻读硕士学位期间所取得的相关科研成果  73

ITO薄膜高温变形传感器研究

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