单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,华东理工大学,2009,级硕博连读生开题答辩,半导体,压阻薄膜高温应变传感器研究,华东理工大学2009级硕博连读生开题答辩半导体压阻薄膜高温,1,简 介,Synopsis,流程工业设备长期处于高温环境中，相当数量已到设计寿命，需进行实时健康监测。高温应变片应用最广。传统敏感栅为难熔合金，成分调制困难、成本高。半导体薄膜灵敏度高、稳定性好，近年来被广泛应用。本文综述不同敏感栅材料的特点、应变机理。选用磁控溅射法在无机基底上制备,ITO,薄膜高温应变片。通过改变制备参数、热处理工艺和掺杂，考查优化压阻效应及其它工作性能。模拟界面应变传递，为优化外形尺寸、减敏特性和安装方式提供建议。,简 介 Synopsis,2,框 架,Scheme,国内外研究进展综述,研究目标与内容,研究方案、技术路线与可行性分析,预期研究创新点,已有工作基础,框 架 Scheme国内外研究进展综述研究目,3,国内外研究进展综述,Review of study progress,高温应变测量方法（激光、光纤等）,高温应变片分类、,结构、,工作要求,难熔合金敏感栅材料,压阻效应简介,半导体高温应变简介,ITO,薄膜高温应变材料研究进展,无机连接层,点焊连接,薄膜制备,模拟分析,国内外研究进展综述 Review of s,4,国内外研究进展综述,Review of study progress,激光干涉传感器,光纤光栅传感器,非接触性、高速、精确，高分辨率、宽测量范围。不需要特殊的反射镜,。,光源与被测试件垂直度要求较高，,抗干扰能力低,。,精度高、高分辨力、,多点测量、易于实现自动化,油污灰尘影响可靠性,FPB,温度低，,FBG,精度差,（,Fabry-Prot,）,（,FBG,）,国内外研究进展综述 Review of s,5,国内外研究进展综述,Review of study progress,CCD,相机法,引伸计引出应变,非接触式测量，对被测对象没有力的影响，测量范围大，频谱宽,。,结构复杂，价格高昂，,目前还没有在线监测的案例,没有高温干扰,通过杠杆原理将变形放大,引入系统误差，,每种都有适用范围，通用性差,国内外研究进展综述 Review of s,6,国内外研究进展综述,Review of study progress,高温应变片法（电阻式、电容式）,灵敏度高，精度高，,对试件表面几乎无影响,使用方便，适合多点测量,工艺成熟，应用广泛,难熔金属：,成分调制困难,材料利用率低,成本高昂,半导体：,热输出大,未大规模应用,动态响应好,固有频率高,输出阻抗大，,需要屏蔽,国内外研究进展综述 Review of s,7,国内外研究进展综述,Review of study progress,应变片基本结构,敏感栅,基底,引线,黏结层,高温,应变,-,电阻转换,室温：康铜、,Kama,高温：难熔合金、半导体,固定位置,室温：聚酰亚胺,高温：金属箔片,连接测量电路,室温：,Cu,线,高温：,Ag,、,Pt,丝,连接，传递应变,室温：环氧、酚醛,高温：无机盐类,国内外研究进展综述 Review of s,8,国内外研究进展综述,Review of study progress,工作要求,(GB/T 13992):,1,）,灵敏系数,2),电阻值,3),热输出,4),横向效应系数,5),灵敏系数的温度系数,6),漂移,7),蠕变,8),机械滞后,9),疲劳寿命,10),绝缘电阻,11),应变极限,12),最大允许电流,灵敏系数,(Gauge Factor),金属应变片,1-2,半导体几十或上百,K,值大有利于测微小应变,热输出,（,Thermal Output,）,(temperature coefficient resistance),(coefficient of thermal expansion,),金属中这两项大小近似,半导体,TCR,远大于,CTE,可认为,TCR,即为热输出,国内外研究进展综述 Review of s,9,国内外研究进展综述,Review of study progress,零漂和蠕变,（,Drift&Creep,）,零点漂移：,温度恒定、试件无应变情况下，应变片指示值随时间增长而逐渐变化。,蠕变：,温度恒定、承受恒定的机械应变长时间下，应变片指示值随时间增长而逐渐变化。,动态应变要做,1000,小时，静应变要做,6,个月，,并规定技术指标，,如在,400-650,静应变，长时间（,2000-12000h,）,零点漂移率小于,0.05m/m/h,短时间（,1000h,）漂移率小于,1m/m/h,。,ASTM-E-1319:,极限工作温度,（,Extreme Operating Temperature,）、机械滞后（,Mechanical Hysteresis,）、疲劳寿命（,Fatigue Life,）、平均热输出系数（,Average Thermal Output Coefficient,）也是考量高温应变片性能的重要参数,国内外研究进展综述 Review of s,10,国内外研究进展综述,Review of study progress,敏感栅材料是应变片的核心部件，直接决定应变片的性能和使用场合。,材料名称,成份,灵敏系数,K,电阻系数,（,mm,2,/m）,电阻温度系数,（,10,-6,/,）,最高使用温度,（,）,备注,元素,%,康铜,Ni,Cu,45,55,1.92.1,0.450.54,1040,300（静态）,400（动态）,价格低廉,应用广泛,镍铬合金,Ni,Cr,80,20,2.12.3,1.01.1,110130,450（静态）,800（动态）,用于动态,镍铬铝合金,（,6J22,卡玛合金）,Ni,Cr,A1,Fe,74,20,3,3,2.42.6,1.241.42,20,450（静态）,800（动态）,中高温应变片,镍铬铝合金,（,6J23）,Ni,Cr,A1,Cu,75,20,3,2,2.42.6,1.241.42,20,450（静态）,800（动态）,中高温应变片,铁铬铝合金,Fe,Cr,A1,70,25,5,2.8,1.31.5,3040,700（静态）,1000（动态）,高温应变片,铂,Pt,100,46,0.90.11,3900,800（静态）,高温应变片,铂钨合金,Pt,W,92,8,3.5,0.68,227,1000（动态）,铂钨镍合金,Pt,W,Ni,90,8,2,0.31,131,760(动态),高温应变片,钯铬合金,Pd,Cr,13,87,1.42,135,1100（静态）,高温应变片,FeCrAl,Ni80Cr20,难熔合金，成分调制困难，,材料利用率低，成本高昂,国内外研究进展综述 Review of s,11,国内外研究进展综述,Review of study progress,半导体的,压阻效应,：,是指当,半导体,受到应力作用时，载流子分布和迁移率变化而产生电阻率的巨大改变。,（,Smith C S,，,1954,）,电子器件制造中的“应变硅”技术,半导体应变材料,大灵敏系数,高熔点,易制得,国内外研究进展综述 Review of s,12,国内外研究进展综述,Review of study progress,半导体因具有压阻效应，灵敏系数远大于金属。,对于,金属,在,1.4-2.5,之间,半导体,，可达,几十或上百,被称为压阻系数,半导体应变材料,缺点：电阻温度系数大，影响测量精度,需改性消除或后期补偿,国内外研究进展综述 Review of s,13,国内外研究进展综述,Review of study progress,常用应变半导体材料：,SiC,材料：,现在用作电炉炉丝、高温磨料和高温涂层。在,SOI,基板上的,-SiC,可达到,48,的灵敏度和,35ppm/,的,TCR,过脆,AlN,材料：,原子晶体，可用铝粉在氨或氮气氛中,800-1000,合成，大量程具有良好线性度。,N,分压造成,电阻率巨大差异，制备重复性差,TiN,材料：,块体,TiN,材料熔点,2950,，高耐磨性，高化学稳定性，而,1030,后,TiN,有超塑性，研究热门，已被用于制作高温压力传感器。,TaN,和,TaON,：,TaN,熔点,3059,，,TaON,薄膜在,900-1200,保持良好的化学稳定性、维氏硬度和断裂韧性，线性度好，缺点：,压阻性能差,材料,TCR,(ppm/),灵敏度,热输出,(/),最高使用温度,（,）,AlN,1281 to 109,3.72 to 15,344 to 29,1100,ITO,469 to 230,11.4 to 20,35 to 72,1420,Al:ITO,1200,8,150,1280,TiN,143 to 588,11-25,-,2930,TiB2,50,1.4,36,2970,TiB2,36,-,-,2970,ZrN,184 to 275,-,-,2980,TaON,290,3.5,83,3000,TaN,80,3.5,23,1300,Cu:TaN,800 to 200,2.3 to 5.1,348 to 87,3090,国内外研究进展综述 Review of s,14,国内外研究进展综述,Review of study progress,ITO(Indium Tin Oxides),N,型氧化物半导体,ITO,中其,透光率,和,阻值,分别由,In,2,O,3,与,Sn,2,O,3,之比例来控制,通常,Sn,2,O,3,:In,2,O,3,=1:9.,ITO,多被关注作为透明导电薄膜（,TCO,）材料,90,年代以来其高温力电性能才开始得到重视。,Yeung K W/Hackmann U/Rebouta L,等团队对此做过研究。,Dr.Gregory O J,国内外研究进展综述 Review of s,15,国内外研究进展综述,Review of study progress,Crystal structure of In,2,O,3,（,blue-In,red-O,）,In,2,O,3,是宽禁带宽度半导体（,3.5-4.3eV,）,半导化方法：,1,）,存在缺陷,(,即化学计量比偏移,),。,2,）,掺杂处理,(,即高价或低价离子替代,),。,N,型载流子：,Sn,4+,离子半径（,0.74,）与,In,3+,（,0.92,）相近，,生成,Sn,4+,e,。提供价电子到导带。,P,型载流子：,ITO,沉积时缺氧或，造成计量偏析：,In,3+,2-x,（,In,3+,.2e,）,x,O,2-,3-x,和,Sn,4+,1-x,（,Sn,4+,.2e,）,x,O,2,，,X,值影响电导率。,国内外研究进展综述 Review of s,16,国内外研究进展综述,Review of study progress,温度对,ITO,膜的影响：,空气中退火：,1,）,O,2,与薄膜反应，氧空位浓度减少,2,）霍尔迁移率降低,之后的热循环：,1,）改善结晶，增强声子散射，载流子迁移率增大,2,）,In,2,O,3,中部分,O,2-,偏离原来的晶格，多余的氧脱附,Dyer S E,et al.,Thin Solid Films,2019,Gregory O J,et al.,Thin Solid Films,2019,国内外研究进展综述 Review of s,17,国内外研究进展综述,Review of study progress,ITO,薄膜的,n/p,转换,温度,/,500,800,900,975,1000,1100,G,-4.4,-4.0,-1.92,+0.57,+2.53,+14.6,1000,800,Gregory O J,et al.,Thin Solid Film