高温ITO薄膜应变计结构参数影响研究

李剑 刘志春 周浩 李强 赵鑫 梁军生 王立鼎

摘要：以氧化铟锡（ITO）为敏感材料制备的高温薄膜应变计被广泛应用于航空发动机涡轮叶片等热端部件应变测试。为了探究高温ITO薄膜应变计结构参数对其应变灵敏度系数（GF）的影响，采用正交试验法设计了不同敏感栅长度、不同敏感栅数量的高温ITO薄膜应变计，通过仿真分析以及试验验证的方法系统研究了应变计在25℃、600℃、800℃和900℃的差别。结果表明，应变计GF随敏感栅长度的增加而变大，随敏感栅数量的增加而先增大后减小（最优中间值为6栅），最终获得敏感栅长度5mm、敏感栅数量6栅为最佳结构参数，以最佳结构参数制备的高温ITO薄膜应变计在不同温度下的GF均保持在3.2左右。研究结果对高温ITO薄膜应变计的高温性能优化有一定的指导意义。

关键词：ITO；应变计；高温；航空发动机；GF

中图分类号：V241.7文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.05.010

航空发动机是一种集复杂和精密于一体的热力机械，为保证发动机在高温、高压、强振动等极端工作环境中正常运行，需要对其热端部件产生的应变进行准确、稳定的监测[1-2]。薄膜应变计由于其可直接沉积制备、质量基本可以忽略、灵敏度高、响应速度快、适用于恶劣环境等优点受到业内广泛关注[3]。金属与合金材料是目前应用广泛的薄膜应变计材料，如NiCr、PbCr等。然而它们在高温环境中存在氧化等问题，从而导致应变计准确度降低甚至失效。铟锡氧化物（ITO）作为一种新型半导体材料，由于其熔点高、高温抗氧化性好、耐腐蚀等特点，被广泛应用于制备薄膜高温应变计[4-5]和薄膜热电偶[6]。

国内外学者研究发现，应变计的结构参数在一定程度上会对其性能产生影响。宋瑞如等[7]通过仿真分析研究了丝式高温应变计的敏感栅结构参数变化对其結构振动及寿命的影响。结果发现，应变计结构谐响应振动随敏感栅长度的减小而增大，栅丝直径对应变计寿命影响最大。Larry[8]利用有限元方法分析了应变计基底厚度与应变计性能的关系。结果发现，增大应变计基底厚度时，其灵敏度系数（GF）降低。胡玉梅等[9]分析了应变计敏感栅直径、栅丝间距和栅丝长度的变化对测量精度的影响。结果发现，栅丝直径越小，产生的应变传递误差越小，而栅丝间距、栅长对应变传递误差均存在最优中间值。然而，目前报道的文献中并没有发现关于高温ITO薄膜应变计的结构参数在不同温度下对GF影响的相关研究。本研究为了探究高温ITO薄膜应变计结构参数对其GF的影响，采用正交试验法设计了不同敏感栅长度、不同敏感栅数量的高温ITO薄膜应变计，通过仿真分析以及试验验证的方法系统研究了在25℃、600℃、800℃以及900℃下，高温ITO薄膜应变计的敏感栅长度、敏感栅数量的变化对其GF的影响。

1材料和方法

1.1理论

由于横向效应的存在，应变计总电阻变化量ΔR减小，导致计算得到的GF小于应变计实际灵敏度系数GFreal，减小了应变计的GF值。

为了提高应变计的GF和测量精度，需要对应变计的结构参数（如敏感栅长度、数量等）进行设计选取最优值，尽可能降低横向效应的干扰。

1.2结构设计及仿真分析

为排除应变计整体尺寸的影响，首先确定了13.5mm×8.6mm的高温ITO薄膜应变计整体尺寸，然后根据应变计结构参数设计理论和正交试验原理，分别设计了三种不同敏感栅长度、4种不同敏感栅数量的高温ITO薄膜应变计结构尺寸参数[11]。表1、表2分别显示了不同应变计的详细结构参数。

利用COMSOL仿真软件分别建立不同结构参数的应变计及其附着的氧化铝（Al2O3）等强度梁基底模型。表3是仿真中使用的Al2O3、ITO的相关材料特性[12]。

在仿真过程中，用固体力学物理场模拟使应变计产生微应变的载荷施加过程，用固体传热物理场模拟应变计所处高温环境，用电流-单层壳物理场模拟ITO薄膜应变计的电学特性变化。通过定义广义热通量及温度来设定应变计的温度环境为25℃、600℃、800℃、900℃，将等强度梁基底的宽端设置为固定约束，在另一端指定位移1.5mm，在应变计两端设置输入0.5A电流，输出应变计两端电压状况。通过应变计电压变化来计算其电阻变化，根据式（2）得到ITO薄膜应变计的GF值。

1.3试验程序

2结果与讨论

图2是在不同温度环境下对敏感栅长度为3mm、4mm、5mm的高温ITO薄膜应变计施加210με时，不同敏感栅长度应变计的GF仿真与测试结果对比图。

可以发现，在不同温度下，改变敏感栅的长度会对高温 ITO薄膜应变计的GF产生影响，随着敏感栅长度的增加，应变计GF也在增大。在25℃、600℃、800℃和900℃时，对比测试结果可以发现，相比3mm敏感栅长度的应变计，5mm敏感栅长度的应变计GF分别提高了40%、28%、36%、79%。这是因为随着敏感栅长度的增加，横栅产生的压应变不变，而敏感栅产生的拉应变增大，使测量得到的总应变量更加接近真实值，提高了测量精度。同时应变计总电阻变化量也随之增大，使计算得到GF值也增大，更加接近真实GF值。图3是施加210με时，不同温度下高温ITO薄膜应变计电阻变化率随施加微应变的结果，可以发现，在受载时，不同敏感栅长度的应变计电阻变化率与微应变呈现一定的线性关系，由式（2）可知，图3中斜率即为应变计GF，说明在不同高温环境中，敏感栅长度均对应变计GF有较大的影响，增大敏感栅长度能够使高温ITO薄膜应变计在不同高温下的GF有一定的提升。

图4分别是不同温度环境下，敏感栅数量为4栅、6栅、8栅、10栅的应变计受载时GF仿真与测试结果。可以发现，在不同温度下，高温ITO薄膜应变计敏感栅数量的不同均会对其GF产生影响。随着敏感栅数量的增加，GF先增大后减小，存在最优中间值，最优值是6栅，测试结果与仿真结果相符。由测试结果可以发现，在25℃、600℃、800℃和900℃时，对比10栅的高温ITO薄膜应变计，6栅的应变计GF分别提高了21%、35%、38%和55%。这是因为敏感栅数量的增加间接增加了敏感栅的长度，使应变计测得的应变值更加接近真实值，提高了测量精度，也使得计算得到的GF值更加接近真实值，使GF增大。然而，当敏感栅数量超过6栅时，敏感栅数量的增加使高温ITO薄膜应变计与 Al2O3基底的接触面积过大，应变从基底向应变计的传递中，应变传递误差增大，降低了测量精度，使GF下降。

图5是加载210με时不同温度下不同敏感栅数量的高温ITO薄膜应变计电阻变化率输出情况，可以发现各个应变计电阻变化率与微应变呈现一定线性关系。对比图3发现，在同一温度下，不同敏感栅数量的应变计斜率差别较小，这表明相比敏感栅长度对应变计GF的影响，敏感栅数量的改变对其影响较小。

综上所述，可以得到最优的高温ITO薄膜应变计参数，即敏感栅长度为5mm，敏感栅数量为6栅。在不同温度下，对具有最优参数的高温ITO薄膜应变计进行高温循环测试，其均表现出良好的压阻变化，响应迅速，滞后时间较短。经计算，该参数的高温ITO薄膜应变计在25℃、600℃、800℃和900℃下的GF分别为3.207，3.174，3.238，3.214，均在3.2左右，稳定性较好。

3结论

本文旨在研究高温ITO薄膜应变计的结构参数变化对其在不同温度下的GF影响，从而提高高温ITO薄膜应变计在高温环境的GF值。通过COMSOL仿真分析和正交试验法对结构参数的影响进行论证。结果发现，在同一整体尺寸下，ITO薄膜应变计敏感栅长度、敏感栅数量的变化均会对其在不同高温环境下的GF产生影响。不同温度下，随着敏感栅长度的增加，高温ITO薄膜应变计的GF随之增加；随着敏感栅数量的增加，应变计的GF先增大后减小，最优中间值是6栅。选择敏感栅长度5mm，敏感栅数量6栅作为整体尺寸13.5mm×8.6mm的高温ITO薄膜应变计最优结构参数，使应变计在不同温度下循环受载，其GF均保持在 3.2左右，稳定性较好。该研究方法和成果对于应用于航空领域的高温ITO薄膜应变计及其他材料应变计的结构参数设计及性能提高有一定的指导意义。

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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