专利名称：在高温下使用的自动补偿陶瓷应变计量器的利记博彩app
发明的背景1.发明的领域本发明涉及一种薄膜应变计量器。
2.相关领域的描述常需要在高温下精确测定静态和动态应变，以测定各种结构系统(尤其是先进的宇航推进系统)的不稳定性和寿命。常规的应变计量器通常施加在静态的和旋转的组件中进行这种测量，由于其插入性、严格温度限制以及难以粘附，因此其使用范围通常受到限制。
薄膜应变传感器尤其适用于燃气轮机环境，因为它不会对流过组件表面的燃气产生不利影响，并且无需粘合剂或胶结剂进行粘结。通常，用射频溅射或其它已知的薄膜沉积技术将薄膜应变计量器直接沉积在部件表面上，结果与变形的表面直接接触。一般来说，应变计量器的压电电阻响应即仪器灵敏度(g)是受应变时感应元件有限的电阻变化，它可由(a)有源应变元件的尺寸变化和/或(b)有源应变元件的电阻率(ρ)的变化引起。另外，用于高温静态应变计量器的有源应变元件必须呈现较低的电阻温度系数(TCR)和漂移率(DR)，从而与实际的机械施加的应变相比可忽略热引起的表观应变。
一种选择用于高温薄膜应变计量器的材料是宽带半导体如氧化铟锡(ITO)，因为在高温下它具有优良的电和化学稳定性以及其较大的仪器灵敏度。当单独使用时，它通常受到许多半导体固有的较高的电阻温度系数(TCR)的限制。但是，如本文所述，使用一种金属(如铂)作为薄膜电阻器与有源氧化铟锡(ITO)应变元件串联在一起，可降低自动补偿的氧化铟锡(ITO)应变传感器的电阻温度系数(TCR)。
但是，将材料、形状(pattern)和尺寸适当地组合在一起以制备具有预定电阻温度系数的应变计量器基本上采用经验方法，即试探法。
用本发明，如果已知传感器运行的温度范围以及材料在工作温度和基准温度的电阻率，则可自动测定高温应变计量器的电阻温度系数。
概括地说，本发明包括一种自动补偿的应变计量传感器，它具有自动测定的电阻温度系数，包括基本为零的电阻温度系数。所述传感器包括沉积在基片上的宽带半导体。一种金属沉积在该基片上并与所述半导体电连接，起串联电阻器的作用，所述半导体和金属的长度、宽度和厚度是根据其在选择的工作温度和基准温度下的电阻率进行选择的，并且可自动测定该传感器的电阻温度系数。
所述半导体可选自碳化硅、氮化铝、氧化锌、氮化镓、氮化铟、氮化钪、氮化钛、氮化铬、氮化锆、碳化硼、金刚石、碳化钛、碳化钽、碳化锆、磷化镓、氮化铝镓、掺杂氧化铝的氧化锌、碲化镉、硒化镉、硫化镉、碲化汞镉、硒化锌、碲化锌、碲化镁、氧化锡、氧化铟、含氧化铁的锰酸盐-氧化锰、氧化铁-氧化锌铬、氧化铁-氧化镁铬、氧化钌、掺杂锂的氧化镍、氮化钽、氧化铟锡-氧化镓-氧化锡及其混合物。
所述金属电阻器可选自铂、铑、钯、金、铬、铼、铱、钨、钼、镍、钴、铝、铜、钽、铂-铑合金及其混合物。
特别好的半导体是氧化铟锡，特别好的金属是铂。
附图简述
图1是一种传感器设计的图；图2是图1设计的模拟线路；图3是另一种传感器设计的图；图4是图1传感器的电阻(信号)随温度的变化图。
较好实例的描述讨论为了对自动补偿的应变计量器建立合适的设计规则，先建立自动补偿的应变传感器的电阻温度系数(TCR)模型。使用下列方法建立带铂自动补偿电路的ITO传感器的TCR模型TCR补偿＝(R补偿，f-R补偿，0)/(R补偿，0×ΔT)(1)其中，R补偿，f是在特定温度补偿的传感器电阻，R补偿，0是在基准温度补偿的传感器电阻，ΔT是温度差，
R补偿，f＝RPt，f+RITO，f(2)R补偿，0＝RPt，0+RITO，0(3)将等式(2)和(3)代入等式(1)，结果TCR补偿为TCR补偿＝((RPt，f+RITO，f)-(RPt，0+RITO，0))/((RPt，0+RITO，0)×ΔT) (4)电阻R与电阻率(ρ)有关，在特定的温度下ρ为常数，R＝ρ×L/(w×t) (5)其中，L、w和t是传感器膜的长、宽和厚。将R代入等式(4)TCR补偿，得到最终TCR补偿模型的格式方程。
TCR补偿＝(ΔρPt×APt+ΔρITO×AITO)/((ρPt，0×APt+ρITO，0×AITO)×ΔT)(6)其中，ΔρPt＝ρPt，f-ρPt，0(7)ΔρITO＝ρITO，f-ρITO，0(8)APt＝LPt/(wPt×tPt) (9)AITO＝LITO/(wITO×tITO) (10)ρPt，f、ρPt，0、ρITO，f、ρITO，0是铂和ITO在工作温度和基准温度的电阻率。在等式(6)中，所有的电阻率和ΔT均是常数，ΔρPt＞0，ΔρITO＜0。可设计不同的ITO和Pt的长度(L)、宽度(w)和厚度(t)使得自动补偿的ITO-Pt传感器膜的电阻温度系数为0。
由等式(4)还可见，自动补偿传感器的电阻温度系数还与Pt和ITO的电阻温度系数有关。
TCR补偿＝((RPt，f+RITO，f)-(RPt，0+RITO，0))/((RPt，0+RITO，0)×ΔT) (4)TCR补偿＝{[(RPt，f-RPt，0)/(RPt，0×RITO，0×ΔT)]+[(RITO，f-RITO，0)/(RPt，0×RITO，0×ΔT)]}×B其中，B＝(RPt，0×RITO，0)/(RPt，0+RITO，0)对该方程进行简化，自动补偿的传感器的电阻温度系数与Pt和ITO的恒定电阻温度系数有关。
TCR补偿＝(TCRPt×RPt，0+TCRITO×RITO，0)/(RPt，0+RITO，0) (11)使用市售软件(如装在个人计算机中的Mat Lab或Math Cad软件)可解上述数学表达式。
传感器的制备通过溅射Pt和ITO膜并随后形成图案制得自动补偿的ITO传感器。作为本发明实例的传感器如图1所示。所示的传感器10一般包括沉积在基片S上的宽带半导体12(如ITO)和金属(如Pt)补偿电路14。为了获得实验数据，采用四块铂连接板16a、16b、16c和16d。
如图2所示将自动补偿传感器10模拟成由电阻器组成的电路。Ch1可测定整个传感器的电阻，Ch2可用于测定Pt的电阻、Ch4用于测定ITO部分的电阻，Ch3和Ch5用于测定Pt和ITO之间的接触电阻。
使用822型MRC溅射装置在低温下通过射频反应溅射形成氧化铟锡(ITO)膜。在所有沉积中均使用名义组成为90重量％In2O3和10重量％SnO2的高密度靶(直径12.7cm)。氧分压为30％，并且在每次溅射过程中均保持射频功率密度为2.4W/cm2，总压力为9毫乇。使用激光切割技术从矩形板(CoorsCeramics-99.9％纯度)上切割氧化铝恒应变条(beam)。在该恒应变条上溅涂4μm高纯氧化铝，随后沉积ITO应变计量器。先旋转铸造4μm ITO，随后在ITO薄膜涂层上旋转涂覆一层2μm厚的正光刻胶。曝光并显影后，用浓盐酸蚀刻ITO膜，形成最终器件结构。使用溅射的铂膜(1.1μm厚)与有源ITO应变元件形成电阻性接触。
上述传感器的尺寸是用于实验的以证明基本原理和数学模型。本领域的普通技术人员可认识到，根据本发明的描述，使用本领域采用的微电子制造技术可制得工业上可行的至少小一个数量级尺寸的传感器。
参见图3，传感器20包括在基片S上的宽带半导体22和金属补偿电路24。在这种设计中，半导体的G(-)最大，金属的G(+)最小。图中还显示金属连接板26a和26b。当要该传感器显示读数时，将一监控器(图中未表示)连接在连接板26上。
高温应变装置使用由可机械加工的磷酸锆陶瓷制成的悬臂弯曲夹具进行应变测定。用实心氧化铝棒连接于氧化铝恒应变条和线性可变差分传感器(LVDT)之间，以测定该应变条的偏移。使用 惠普数字式万用表和Keithley恒流电源采用四线法监测相应的电阻变化。将高精度LVDT、万用表和恒流电源连接在一块I/O板上并与带IEEE488接口的IBM PC相连。使用Lab Windows软件进行数据采集。
高温应变试验结果为了评价在宽温度范围使用的有源ITO应变计量器的压电电阻性能，表征电响应随温度的变化是重要的。观察如上所述在30％氧等离子体中形成的ITO膜的电响应以及最高至1200℃的温度在空气中的热循环。
在特定的温度范围内宽带半导体呈现单一的TCR或两个或多个TCR。应理解当在该特定的温度范围内的两个不同温度范围中出现两个线性TCR时，可根据各个不同的温度范围制造该传感器以便在该特定的温度范围内测定应变。
已知对于ITO膜，根据温度可有两个不同的TCRT＞800℃时可观察到-210ppm/℃的线性响应，T＞800℃时可观察到-2170ppm/℃的TCR。近来，测得带有-300至-1500ppm/℃的单一TCR的ITO。
实施例在本实施例中，采用与连接板16相连的四线法。本方法是本领域普通技术人员众所周知的。如上面所述制备并试验传感器。测定四组加热和冷却循环，结果如图4和下面所示。在第一次加热后，在四次循环中电阻随温度的变化几乎相同，因此它具有良好的再现性。
表1
TCR补偿＝(R补偿，f-R补偿，0)/(R补偿，0×ΔT)＝(437-442)/(437×1170)＝-9.8(ppm/℃)TCRPt＝(RPt，f-RPt，0)/(RPt，0×ΔT)＝(379-160)/(160×1170)＝+1169(ppm/℃)TCRITO＝(RITO，f-RITO，0)/(RITO，0×ΔT)＝(40-225)/(225×1170)＝-702(ppm/℃)Pt的电阻率在30℃ρPt，0＝RPt，0×(w×t)/L＝160×(0.6mm×0.8×10-3)/500＝1.535×10-4(Ω·m)在1200℃ρPt，f＝RPt，f×(w×t)/L＝379×(0.6mm×0.8×10-3)/500＝3.639×10-4(Ω·m)ITO的电阻率在30℃ρITO，0＝RITO，0×(w×t)/L＝225×(5×4.4×10-3)/60＝8.25×10-2(Ω·m)在1200℃ρITO，f＝RITO，f×(w×t)/L＝40×(5×4.4×10-3)/60＝1.498×10-2(Ω·m)由等式(6)TCR补偿＝(ΔρPt×APt+ΔρITO×AITO)/((ρPt，0×APt+ρITO，0×AITO)×ΔT)(6)其中，ΔρPt＝ρPt，f-ρPt，0＝(3.639-1.535)×10-4(Ω·m)ΔρITO＝ρITO，f-ρITO，0＝(1.498-8.25)×10-2(Ω·m)APt＝LPt/(wPt×tPt)＝500/(0.6×0.8×10-3)(mm-1)AITO＝LITO/(wITO×tITO)＝75/(5mm×4.4×10-3)(mm-1)TCR补偿＝(ΔρPt×APt+ΔρITO×AITO)/((ρPt，0×APt+ρITO，0×AITO)×ΔT)＝-21.32(ppm/℃)由等式(11)TCR补偿＝(TCRPt×RPt，0+TCRITO×RITO，0)/(RPt，0+RITO，0)TCR补偿＝-23.5(ppm/℃)自动补偿传感器的结果如下。将该传感器热循环至1200℃。实验数据表明在室温至1200℃的温度范围内自动补偿计量器的TCR几乎为0(0ppm/℃±20ppm/℃)。
铂电阻器14的尺寸为0.6mm×500mm×0.8μm厚，与铂电阻器串联连接的ITO传感器12的尺寸为5mm×60mm×4.4μm厚。这些尺寸对应于各个电阻器的宽×长×厚，表中的结果就是由这些具体的尺寸得到的。
室温电阻可由图4得到，对ITO电阻器约为240Ω，对铂电阻器约160Ω。
自动补偿电阻器可用于需要控制与温度有关的TCR的任何电子器件(即热敏电阻器、温度传感器、RTD等)中。
上面描述限于本发明的具体实例。但是显然可对本发明进行各种变化和改进以获得本发明的部分或全部优点。因此，所附权利要求书的目的是覆盖在本发明精神和范围内的所有这些变化和改进。
权利要求
1.一种高温薄膜应变计量传感器，其特征在于所述传感器的电阻温度系数基本为零，该传感器包括宽带半导体和补偿金属，各个半导体和金属的周长和厚度的大小使得在20-1200℃的温度范围内该传感器的电阻温度系数基本为零。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述宽度半导体选自碳化硅、氮化铝、氧化锌、氮化镓、氮化铟、氮化钪、氮化钛、氮化铬、氮化锆、碳化硼、金刚石、碳化钛、碳化钽、碳化锆、磷化镓、氮化铝镓、掺杂氧化铝的氧化锌、碲化镉、硒化镉、硫化镉、碲化汞镉、硒化锌、碲化锌、碲化镁、氧化锡、氧化铟、含氧化铁的锰酸盐-氧化锰、氧化铁-氧化锌铬、氧化铁-氧化镁铬、氧化钌、掺杂锂的氧化镍、氮化钽、氧化铟锡-氧化镓-氧化锡。
3.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述金属选自铂、铑、钯、金、铬、铼、铱、钨、钼、镍、钴、铝、铜和钽。
4.如权利要求1所述的传感器，其特征在于所述半导体是氧化铟锡，所述金属是铂。
5.一种高温薄膜计量传感器的制备方法，它包括测定传感器运行的温度范围；测定在所述温度范围内的至少两个温度点下宽度半导体的电阻率，以及在所述温度范围内的至少两个温度点下金属的电阻率；测定要获得设计的电阻温度系数，该宽带半导体和金属必需的周长和厚度；和形成高温薄膜计量传感器。
6.如权利要求5所述的传感器，其特征在于所述宽度半导体选自碳化硅、氮化铝、氧化锌、氮化镓、氮化铟、氮化钪、氮化钛、氮化铬、氮化锆、碳化硼、金刚石、碳化钛、碳化钽、碳化锆、磷化镓、氮化铝镓、掺杂氧化铝的氧化锌、碲化镉、硒化镉、硫化镉、碲化汞镉、硒化锌、碲化锌、碲化镁、氧化锡、氧化铟、含氧化铁的锰酸盐-氧化锰、氧化铁-氧化锌铬、氧化铁-氧化镁铬、氧化钌、掺杂锂的氧化镍、氮化钽、氧化铟锡-氧化镓-氧化锡。
7.如权利要求5所述的传感器，其特征在于所述金属选自铂、铑、钯、金、铬、铼、铱、钨、钼、镍、钴、铝、铜和钽。
8.如权利要求5所述的传感器，其特征在于所述半导体是氧化铟锡，所述金属是铂。
全文摘要
公开了一种电阻温度系数(TCR)基本为零的自动补偿应变计量传感器,它包括宽带半导体和起串联电阻器作用的补偿金属,根据所述半导体和金属的电阻率以及该传感器运行的温度范围,决定半导体和金属的尺寸以便TCR为零。
文档编号G01B7/16GK1384914SQ00808433
公开日2002年12月11日 申请日期2000年4月27日 优先权日1999年4月29日
发明者O·J·格雷戈里 申请人:罗得岛及普罗维登斯属地高等教育管理委员会