Высокотемпературная стабильность тонкопленочных термопар ITO/PtRh для авиамоторных применений

Аннотация

Тонкопленочные термопары (ТПТ) обеспечивают точный неинвазивный мониторинг температуры в авиационных двигателях. Мы сообщаем об ITO/PtRh:PtRh ТПТ, изготовленной на керамике из оксида алюминия магнетронным спуттерированием с последующим отжигом в цикле N₂-воздух. Устройство калибровано через множественные циклы до 1000 °C, демонстрируя исключительную стабильность и повторяемость ЭДС. Барьеры диффузии кислорода, образованные окислением PtRh, в сочетании с Шоттки-барьерами на границах зерен ITO, подавляют дрейф концентрации носителей. ТПТ сохраняет работоспособность >30 ч в суровых средах, позиционируя себя как надежный датчик для измерения температуры горячих компонентов авиамоторов.

Введение

Точные температурные данные необходимы для валидации термомеханических моделей авиамоторов, мониторинга рабочих условий и диагностики. По сравнению с обычными термопарами, ИК-камерами или термическими спреями, ТПТ предлагают быстрый отклик, минимальное нарушение газового потока и пренебрежимое влияние на распределение температуры измеряемой поверхности.

Высокотемпературные ТПТ создавали из Pt-PtRh и In₂O₃-ITO систем. Однако эти тонкопленочные архитектуры часто страдают от проблем стабильности и повторяемости в диапазоне 800–1000 °C, типичном для авиамоторов. Окисление родя дает дрейф в Pt-PtRh устройствах, тогда как динамика кислородных вакансий ведет к дрейфу выхода или отказу в In₂O₃-базированных ТПТ. Различные стратегии — высокотемпературный отжиг, азотное легирование или нанокомпозитные подходы — улучшали характеристики ITO, однако термоэлектрический выход обычно падал из-за диффузии кислорода. Полупроводник/металл многослойный термоэлемент еще не сообщался.

В этой работе мы вводим ITO/PtRh композитный многослой как термоэлемент. После спуттерирования и N₂-воздушного отжига исследуем микроструктуру, удельное сопротивление и высокотемпературный термоэлектрический отклик получившейся ITO/PtRh:PtRh ТПТ.

Методы

Подготовка образцов

Мишени ITO (In₂O₃:SnO₂=90:10, 99,99 масс.%, 100 мм диаметр) и Pt-13%Rh (99,99 масс.%, 100 мм) спуттерировали на алumina и Si(100) подложки в камере 7×10⁻⁴ Па при расстоянии мишень-подложка 110 мм. Подложки последовательно чистили ацетоном, этанолом и деионизированной водой. Чередующееся осаждение слоев ITO и Pt-Rh дало ~1 мкм толщину композитной пленки, со слоем ITO ≈400 нм и Pt-Rh ≈100 нм. Послеотжиг включал 5 ч при 1000 °C в N₂ затем 2 ч при 1000 °C в воздухе (N₂-Воздух).

Фабрикация ITO/PtRh:PtRh ТПТ

Элемент 63×1×1 мкм паттернили на подложке алumina 75×12×0,5 мм через шаблонные маски. После N₂-Воздух отжига устройство калибровали в печи 300–1000 °C. Каждая уставка выдерживалась ≥1 ч для теплового равновесия. Стандартные S и K типы проводных термопар измеряли горячую (T₁) и холодную (T₂) спайки; цифровой мультиметр регистрировал ЭДС от холодного контакта.

Характеризация

XRD изучал кристалличность ITO; SEM показывал поперечное сечение композитной пленки; четырехточечный зонд измерял удельное сопротивление пленки.

Процедура калибровки

Установка калибровки показана на Рис. 1b: циркулирующая водяная баня создает температурный градиент между горячей и холодной спайками. ЭДС записывают пока T₁ и T₂ мониторят референс-термопарами.

Результаты и обсуждение

Микроструктура и удельное сопротивление

XRD отожженной пленки ITO показывает поликристаллические кубические пики биксибита In₂O₃ без предпочтительной ориентации; пиков Sn или Sn-оксидов нет, подтверждая формирование твердого раствора.

SEM поперечные сечения (Рис. 3) подтверждают заданную ~1 мкм общую толщину, со слоем ITO примерно в 4 раза толще Pt-Rh.

Измерения удельного сопротивления (Таблица 2) показывают, что как осажденный ITO/PtRh композит на порядок более проводим чем чистый ITO. После отжига удельное сопротивление ITO слегка снижается (8,52×10⁻² → 7,55×10⁻² Ом·см), вероятно из-за уплотнения и уменьшения дефектов. Наоборот, удельное сопротивление композита растет (1,68×10⁻³ → 7,61×10⁻³ Ом·см), так как поверхностное окисление Rh при отжиге препятствует зарядовому транспорту.

Термоэлектрическая производительность

Статическая калибровка (Рис. 4a) показывает нелинейный рост ЭДС с температурной разностью, но значения ЭДС практически не меняются по множественным циклам до 1000 °C, указывая на превосходную стабильность.

Рис. 4b показывает коэффициенты Зеебека, быстро растущие с ΔT, отражающие температурно-зависимую концентрацию носителей в вырожденном ITO. Средний коэффициент Зеебека за три цикла 2,19 мкВ/°C, немного ниже обычных S- или R-типов термопар. Это снижение атрибутируется Шоттки-барьерам на границах зерен ITO, которые ограничивают вариации концентрации носителей и стабилизируют устройство.

Зависимость ЭДС-ΔT поддается аппроксимации третьей степени полиномом (Уравнение 3), с коэффициентами практически идентичными по циклам (Таблица 3). Аппроксимированные кривые подтверждают повторяемость устройства. ТПТ остается функциональной >30 ч при 1000 °C, подчеркивая пригодность для мониторинга температуры поверхностей авиамоторов.

Заключение

Мы успешно осадили ITO и ITO/PtRh композитные пленки на алumina комнатнотемпературным магнетронным спуттерированием и получили стабильную многослойную ITO/PtRh:PtRh ТПТ после N₂-воздушного отжига. Рост удельного сопротивления композита при отжиге атрибутируется окислению Rh, тогда как удельное сопротивление ITO слегка улучшается за счет уплотнения. Высокотемпературная стабильность устройства обусловлена барьерами диффузии кислорода, образованными окислением PtRh, и Шоттки-барьерами на границах зерен ITO, подавляющими дрейф концентрации носителей. Со средним коэффициентом Зеебека 2,19 мкВ/°C и сроком службы >30 ч в суровых условиях, эта ТПТ является перспективным датчиком для точного измерения температуры компонентов авиамоторов. Многослойная стратегия открывает новый путь повышения стабильности ITO без зависимости только от высокотемпературного отжига или азотного легирования.

Аббревиатуры

EMF

Электродвижущая сила

S

Коэффициент Зеебека

SEM

Раскатная электронная микроскопия

TFTC

Тонкопленочная термопара

XRD

Рентгеновская дифракция