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本论文系统地研究了镍铬硅-镍硅热偶传感薄膜的设计与制各工艺。采用离子束溅射方法镀制了以K9玻璃为基底的镍铬硅-镍硅薄膜热电偶,并对薄膜的制备工艺进行了大量的研究,获得了热电性能良好的薄膜样品。
首先,薄膜热电偶是一种测量瞬变温度的传感器,其测温原理与普通热电偶相同。由于薄膜热电偶的热接点多为岬级的薄膜,所以与普通热电偶相比,它具有热容量小、响应迅速等特点,能够准确测量瞬态温度的变化。近年来,广泛应用于内燃机活塞顶面和燃烧室壁面、枪炮膛内壁、锻模表面等瞬态温度测量中。因此,国内外的很多学者和企业都对薄膜热电偶做了深入研究。
用热电偶理论设计薄膜热电偶,用离子束溅射方法制备镍铬硅-镍硅薄膜热电偶并且对其进行静态标定和微观检测,同时找出用离子束溅射方法制备镍铬硅-镍硅薄膜热电偶的适合工艺是本论文研究的重点。
本论文的实验部分是在 FJL560CI1 型超高真空磁控与离子束联合溅射镀膜机上进行的。基片采用K9玻璃,靶材为高纯度的金属Ni靶、Cr靶和Si靶。采用离子束溅射方法并且通过控制各靶材的镀膜时间来实现 Ni、Cr和Si 的掺杂,从而制备出薄膜热电偶的正极 (镍铬硅) 和负极 (镍硅)。用丙酮和超声波清洗基片,溅射镀膜时工作气体为氩气,用质量流量计控制气体流量,调节屏极电压和离子束流等工艺参数制备一系列的薄膜样品。用X射线光电子能谱仪 (XPS) 测定其成分,用SSX-550 (SEM-EDS) 观察分析一体化型扫描电子显微镜观察薄膜表面形貌和测量薄膜中各成分的含量。对所制备的样品进行静态标定,同时重点研究了屏极电压和离子束流对薄膜热电特性和成分的影响,得到用离子束溅射方法制备薄膜热电偶的适合工艺为:屏极电压1100V,加速极电压140V,阳极电压70V,阴极电流 12A,离子束流 30mA,膜厚为 400nm,在此条件下沉积得到的薄膜热电偶的热电特性最好。
最后,本文对实验过程中应注意的问题以及待改进的地方进行了总结。