Pd-Cr薄膜应变计的研制

周 勇，李 超，宋 阳，蒋书文

(电子科技大学，电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都 610054)

0 引言

薄膜应变计是采用真空沉积和溅射方法把敏感薄膜直接沉积到结构件表面制成的应变计，与传统的丝式和箔式应变计相比，薄膜应变计厚度在μm量级，响应速度快、测试准确度高、灵敏度高。选择合适的敏感材料制备的薄膜应变计，可以应用于航空发动机涡轮叶片在高温、高压、强烈震动等恶劣环境下的应变测试[1-3]，不会影响涡轮叶片的力学性能和流体特性。

Pd-Cr(13wt%Cr)合金在较高温度范围内电阻温度特性稳定、重复性好，并且在空气中能形成致密的抗氧化层[4]，是一种理想的高温应变材料。1997年美国NASA[5]采用Pd-Cr合金在涡轮叶片表面制备薄膜应变计，测试了涡轮叶片在室温至1 100 ℃燃气环境下的动态应变；在相同环境条件下，采用Pt电阻作为温度补偿，对静态应变也成功进行了测量。文中采用Pd-Cr合金作为敏感材料在镍基高温合金拉伸试件表面采用磁控溅射的方法制备出薄膜应变计。

1 实验

1．1样品制备

在镍基高温合金拉伸件表面制备薄膜应变计，需先对拉伸件表面进行绝缘处理[6]。在机械抛光处理后的镍基合金拉伸件表面采用直流磁控溅射法制备NiCrAlY薄膜，对NiCrAlY薄膜进行真空热处理后，再进行高温氧化，以生成一层致密的Al2O3薄膜[7]，作为合金基底和绝缘层的过渡层，然后采用电子束蒸发在过渡层表面制备Al2O3薄膜作为绝缘层。

采用成分为Pd-Cr(13wt%Cr)的合金靶材，采用射频磁控溅射法在上述制备有绝缘层的镍基合金拉伸试件表面沉积Pd-Cr薄膜，Pd-Cr薄膜通过金属掩膜进行图形化。Pd-Cr薄膜制备条件如下：溅射腔本底真空度为6.0×10-4Pa，溅射气压0.5 Pa，溅射功率150 W，试件温度400 ℃，溅射时间1 h，溅射完成后样品原位保温30 min进行退火处理。Pd-Cr薄膜制备完成后，在其表面采用反应溅射方法制备致密的Al2O3薄膜，作为应变计的保护层。在制备保护层的过程中应变计引线端部需要被遮挡起来，以便应变计引出线的引出。图1为在镍基高温拉伸件上制备的Pd-Cr薄膜应变计样品。

1．2引出线制备

薄膜应变计采用镍铬转接带作为过渡导线，通过高温导电胶将转接带烧结固定在薄膜应变计引线端部，高温导电胶的固化需要经过800 ℃大气烧结。在另一端采用点焊的方式连接引线。引线采用带有绝缘层的镍铬丝，使用温度约为400 ℃。

1．3样品测试

Pd-13Cr薄膜的结晶情况采用X射线衍射仪(XRD)进行分析，用扫描电镜(SEM)观察薄膜的微观形貌。Pd-13Cr薄膜应变计的电阻温度系数(TCR)通过式(1)计算：

(1)

式中：Rt为测试电阻；R20为室温20 ℃下电阻；t为测试温度。

测试过程中用GGP50-350C动态高频感应加热装置控制薄膜应变计的温度，电阻采用Agilent 34401A数据采集器记录。

Pd-13Cr薄膜应变计的灵敏系数(GF)测定在PWS-100C电液伺服万能试验机上进行。在试验机上对镍基高温合金拉伸件施加载荷，进行轴向拉伸测试，载荷范围0～5 000 N，薄膜应变计的GF通过式(2)计算：

(2)

式中：ΔR为由应变引起的电阻变化值；R为测试温度稳定后的初始电阻值；ε为应变值。

室温下的应变通过标准应变计测得，将标准应变片粘贴在薄膜应变计对应位置的另一侧，以半桥方式接入DH5922动态信号分析仪，采集拉伸件表面的应变情况。

对薄膜应变计300 ℃下的GF也进行了测试。用动态高频感应加热装置把样品加热到300 ℃，待样品温度稳定后对拉伸试件进行轴向拉伸测试。由于300 ℃超过了标准应变片的最大使用温度，因此样品的应变通过胡克定律计算得到。计算应变过程中使用的弹性模量是手册上查表得到的理论值，最终的计算结果与样品实际应变之间可能存在误差。

2 结果与讨论

2．1Pd-Cr薄膜材料的结构

为了研究大气退火对Pd-Cr薄膜结构的影响，对溅射态Pd-Cr薄膜进行800 ℃大气退火。图2为Pd-Cr薄膜分别在溅射态与800 ℃大气退火后的XRD谱。从图2看出，由于Pd-13Cr合金Cr含量较低，在溅射态和800 ℃退火的XRD谱中都没有出现Cr元素的衍射峰，说明Cr作为一种溶质很好地溶于Pd溶剂中，Pd-13Cr薄膜是一种结构为面心立方的单相材料[8]。溅射态XRD谱出现了Pd(111)和Pd(200)衍射峰，800 ℃大气退火1 h后，Pd(111)和Pd(200)衍射峰明显增强，同时还出现了Pd(220)、Pd(311)、Pd(222)衍射峰。根据谢乐公式可知，衍射峰半峰宽变窄，薄膜晶粒变大，高温退火使薄膜结晶情况变好。800 ℃大气退火后，还出现了微弱的Cr2O3衍射峰，说明薄膜表面有少量Cr2O3相形成。Pd-Cr薄膜稳定的晶相结构有利于薄膜应变计高温下使用的稳定性。

图2 Pd-Cr薄膜的XRD谱

图3为Pd-Cr薄膜溅射态和800 ℃大气退火后的SEM照片，从图中看出溅射态薄膜晶粒大小不一，从nm级到μm级不等。800 ℃大气退火后，晶粒再结晶，晶粒大小较均匀，薄膜表面还均匀分布有细长的小晶粒，结合XRD分析，这些小晶粒可能是高温氧化生成的Cr2O3。Cr2O3作为致密且稳定的氧化物，高温下能有效抑制Cr元素进一步向薄膜表面扩散并氧化，使得合金薄膜内部不受到氧化，保持了合金薄膜原本的晶粒结构，从而保持了应变计的稳定性。

(a)溅射态

(b)800 ℃大气退火

2．2Pd-Cr薄膜应变计的电学及应变性能

用四探针测试仪测试溅射态Pd-Cr薄膜方阻为1 Ω/□，电阻率为1.2×10-6Ω·m．800 ℃大气退火后，Pd-Cr薄膜方阻为0.8 Ω/□，电阻率为0.96×10-6Ω·m．高温退火使得薄膜内的缺陷减小，晶粒增大，晶界改善，导致薄膜电阻率下降[9]。

图4为Pd-Cr薄膜应变计在20～400 ℃范围内电阻和TCR随温度的变化情况。从图4看出，20～400 ℃范围内应变计电阻同温度呈线性变化，TCR约为230～260 ppm/℃。

图4 Pd-Cr薄膜应变计在不同温度下的电阻与TCR

图5为室温和300 ℃下Pd-Cr薄膜应变计电阻随拉伸试件表面轴向应变的变化情况。在对拉伸试件进行拉伸测试过程中，应变计电阻变化量同应变量呈线性变化，没有出现明显的机械滞后。图中的测试结果经过线性拟合后的直线斜率即为应变计的GF，室温和300 ℃下应变计的GF分别为1.97和2.63。由于300 ℃下样品的应变量是通过理论计算得到的，与实际值可能存在差别，因此会给GF的测试带来误差。在后续研究中，将采用高温下使用的标准应变计对拉伸试件在高温下的实际应变进行测量，以对薄膜应变计在高温下的GF进行准确测量。

图5 室温和300 ℃下Pd-Cr薄膜应变计电阻变化量与应变的关系

3 结论

试验结果表明，Pd-Cr薄膜是一种结构为面心立方的单相材料。在800 ℃大气退火后，薄膜方阻减小，表面氧化生成致密的Cr2O3抗氧化层，对薄膜内部起到保护作用，保持了材料原本的晶粒结构。在20～400 ℃范围内，Pd-Cr薄膜应变计电阻同温度呈线性变化，TCR约为230～260 ppm/℃．Pd-Cr薄膜应变计在室温和300 ℃下GF分别为1.97和2.63。由于300 ℃下样品的应变量是过理论计算得到的，计算值与实际值之间存在的误差直接影响到GF系数测试的准确性。高温下薄膜应变计GF的准确标定还有待进一步研究。

参考文献：

[1]尹福炎．电阻应变计敏感材料的发展(上)．传感器世界，1998(9)：9-13．

[2]尹福炎．电阻应变计敏感材料的发展(下)．传感器世界，1998(10)：1-9．

[3]LEI J F，MARTIN L C，WILL H A．Advances in thin film sensor technologies for engine applications．NASA 107418．USA：NASA，1997．

[4]郭锦新．Pd-Cr合金高温应变材料．贵金属，1999，20(1)：10-13．

[5]李伟，陈怀礼．合金薄膜高温压力传感器研究进展．红箭推进，2011，37(5)：78-82．

[6]WRBANEK J D，FRALICK G C，BLAHA C A，et al．A multilayered thin film insulator for harsh environments．NASA TM-211873．USA：NASA，2002．

[7]李瑶，陈寅之，唐永旭，等．真空热处理对NiCrAlY薄膜表面高温氧化的影响．电子元件与材料，2011，30(11)：9-11．

[8]VINAYAK S，VYAS H，VANKAR V．Microstructure and electrical characteristics of Ni-Cr thin films．Thin Solid Films，2007(515)：7109-7116．

[9]KAZI I H，WILD P M，NOORE T N，e tal．The electromechanical behavior of nichrome (80/20 wt．%) film．Thin Solid Films，2003(433)：337-343．

作者简介：周勇(1989-)，研究生，主要从事薄膜功能材料与薄膜传感器技术的研究。E-mail：jiaoyong8924@gmail．com

蒋书文(1969-)，教授，主要从事薄膜功能材料与薄膜传感器技术的研究。E-mail：jiangsw@uestc．edu．cn