航空發動機渦輪葉片原位集成高溫MEMS傳感器的研制

段 力 ，高均超 ，丁桂甫 ，邵 靖 ，毛成龍 ，沈 杰 ，靜 波

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院1，機械與動力工程學院4，上海200240；2.蘇州泰斯特測控科技有限公司，江蘇蘇州郵編；3.上海中航商用航空發動機制造有限責任公司，上海201108）

0 引言

在關鍵部位安放測量溫度與應力、壓力與熱流量等關鍵參數的傳感器對于研發高效能航空發動機以及航空發動機的智能化具有重要的促進作用[1]。傳統的溫度傳感器體積偏大，安裝工藝復雜，影響氣流環境，并且不容易安裝在發動機某些特定的部位，比如有一定曲率的渦輪葉片表面[2]。而利用微制造技術制作的薄膜型傳感器厚度只有微米量級，可以集成在一些關鍵部位而不會給發動機運行環境造成擾動[3]，從而得到準確的航空發動機運行參量數值，為航空發動機“智能化”提供實時數據。

隨著集成電路工藝的發展，微制造技術[4-5]和超精密機械加工技術衍生出更多新型微納制造技術。用光刻的方法將微圖案轉印在渦輪葉片表面，然后利用化學或物理的方法在基底材料上刻蝕與淀積各種功能薄膜并形成特定的結構和器件，可以將傳感器、電子元器件和執行器整合為1個微控制系統，不會影響氣流流場性能，具有動態特性好、測量精度高，并且可實現點陣分布式測量，對小空間渦輪葉片榫槽邊緣及渦輪葉片尖端的溫度等參數測量是非常有意義的。航空發動機是1個高速、高溫、高振動的復雜機動系統，尤其在渦輪運轉的部位，離心力大、振動交變負荷高，高溫高應力高振動的問題尤為突出[6]。轉子不平衡、發動機內部氣流哮喘造成渦輪葉片劇烈振動[7]，在發動機的起動初期速度增加很快。例如在溫度較低時，在起動過程中發動機振動值為7 mm/s，而在高溫過程后停車46 min再次起動，最大振動值可達100 mm/s左右[8]。

本文研究了1種采用MEMS薄膜技術制作的航空發動機渦輪葉片高溫溫度傳感器，并對傳感器與連線系統進行了一系列苛刻的振動沖擊試驗。

1 渦輪葉片MEMS原位集成傳感器的制作與表征

薄膜原位集成MEMS熱電阻傳感器采用微加工工藝制作，即采用軟模板轉印的方法[9]，在渦輪葉片表面原位微集成了Pt薄膜熱電阻。此曲面微制造工藝利用1張軟質易于彎曲的模板將傳感器圖形轉印至渦輪葉片表面。選用1個校徽圖案，使用200 mm硅片壓印制作1張具有熱電阻傳感器圖形的PDMS軟質轉印模板，如圖1所示。

圖1 MEMS微制造傳感器的PDMS軟質模板

利用此PDMS軟模板在葉片基底上實現圖形化掩膜。在PDMS上涂上α-氰基丙烯酸乙酯，將PDMS壓印到葉片表面形成傳感器圖形。α-氰基丙烯酸乙酯是1種快速黏著劑，具有一定黏度，在轉印過程中PDMS上的α-氰基丙烯酸乙酯可瞬間快速固化在渦輪葉片基底表面，利用α-氰基丙烯酸乙酯在表面的圖形用Lift-off工藝最終實現薄膜Pt熱電阻的微結構。Lift-off的工藝過程是：首先將渦輪葉片放在薄膜濺射室中利用磁控濺射的方法在葉片上沉積500 nm的Pt薄膜，濺射功率為600 W、濺射壓強為2×10-4Pa。薄膜濺射完畢，將整個葉片浸泡在丙酮中佐之以超聲將α-氰基丙烯酸乙酯去除，而沉積在其上的Pt膜層被剝離，形成膜傳感器的圖形。由此形成的葉片表面白金的3維形貌及尺寸如圖2所示。從圖中可見圖形復制效果良好。

圖2 利用PDMS轉印在葉片上的圖形

測量了航空發動機渦輪葉片表面原位集成高溫傳感器的高溫電學特性。薄膜溫度傳感器高溫測量試驗是在能夠將溫度升高并且保持在高達1300℃氮氣環境下的高溫箱式爐內進行。試驗開始之前將進行引線燒結工藝后的渦輪葉片放置在高溫箱式爐內部爐膛（底部中心，然后將2根長度為1 m、直徑為0.2 mm的鉑絲與熱電阻傳感器電極引線相連接，將其引出爐子外部連接多功能萬用表。升溫至800℃后自然冷卻至室溫，測量熱電阻值及熱障涂層絕緣層電阻值隨溫度變化的響應情況。

在800℃或更高的高溫環境下，一般陶瓷材料的電絕緣性能會降低[10-13]，會影響傳感器特性。因為如果襯底絕緣層開始電導通，熱敏電阻會通過襯底導通的并聯電阻而影響測量精度。為了在渦輪葉片上原位集成薄膜熱電阻，通常首先需要在熱電阻傳感器和渦輪葉片金屬基底之間噴涂1層在800℃下具有良好電絕緣特性的陶瓷層，此次研制的MEMS薄膜熱電阻所采用的絕緣基底熱障涂層是1層氧化鋯（ZrO2）陶瓷基底，由于陶瓷基底的絕緣特性會隨著溫度改變而改變，直接影響到熱電阻值隨溫度的變化結果，因此有必要在測量高溫熱電阻傳感器高溫電阻特性的同時測量絕緣電阻值。利用與之前薄膜熱電阻相同的燒結引線測量技術分別連接2個不同的熱電阻傳感器電極焊接引線，將其引出爐子外部連接多功能萬用表，將萬用表調至測量電阻檔，即可同時測量電阻傳感器及其陶瓷基底絕緣電阻的溫度特性。葉片表面氧化鋯（ZrO2）陶瓷基底絕緣電阻值在溫度為25～800℃的變化過程如圖3所示。從圖中可見，在室溫條件下，絕緣電阻值為200 MΩ，超出測量量程，而在高溫條件下，陶瓷層的電阻值減小，絕緣電阻隨溫度的變化基本呈指數關系，通過改良陶瓷材料，高溫陶瓷材料的高溫電絕緣性能在800℃下保持在2 kΩ左右，對于50 Ω的熱電阻帶來的誤差是2%，但后續可以通過校準，得到溫度和電阻的對應曲線對測量溫度進行修正。

圖3 葉片表面熱電阻傳感器及ZrO2絕緣涂層基底絕緣電阻隨溫度變化特性曲線

從圖中可見，電阻溫度的線性良好，可以實現在高溫環境下對溫度實時監控，實現高溫溫度傳感器的工程學目的。

2 振動沖擊試驗

根據葉片的形貌和尺寸加工了固定的夾具，以確保在振動和沖擊試驗的整個動態過程中，帶有傳感器的葉片穩固在測量系統中。帶有傳感器和焊接連線的葉片在振動臺上固定的實際圖片如圖4所示。夾具的榫槽和葉片的邊緣尺寸線對應，夾具兩端可以根據葉片的寬度微調。振動和沖擊傳感器被安裝在振動臺上監控和檢測振動的頻率與強度，這些傳感器通過加速度或速度傳感器來測量振動與沖力強度[14，15]。發動機渦輪葉片和振動傳感器與振動基座構成1個完整的振動測試構件系統。

振動試驗測試裝置包括振動臺和控制系統，如圖5所示。電動振動試驗系統（Electro-dynamic Vibration Test System）的額定沖擊力是100 kN，頻率為1～2700 Hz，最大加速度可達100g，最大位移為51 mm，最大負載為800 kg。

圖4 固定上在振動臺上的薄膜熱電偶單元傳感器

圖5 振動試驗測試裝置

抗振動指標界定為10～2000 Hz，40g。鑒于最大位移限制為51 mm，在低頻段把振動強度調整為6g，隨著頻率的提高，振動強度逐漸增大至40g，振動強度的試驗方案如圖6所示。

圖6 振動強度試驗方案

沖擊試驗測試裝置如圖7所示。垂直沖擊試驗臺（Vertical Shock Tester）的最大負載值為100g，沖擊脈沖的持續時間為1.5～40 ms，峰值加速度可達600g，此沖擊臺可進行常規的半正弦波、后峰鋸齒波等波形的沖擊試驗。

圖7 沖擊試驗測試裝置

發動機渦輪葉片表面原位集成的MEMS薄膜傳感器器件的薄弱點主要有3處，集中在不同材質的結合部：（1）薄膜材料與葉片基底材料的界面部位，在高振動強度（幅度和頻率）下，薄膜可能會脫落；（2）傳感器的電極與焊接點，由于焊點材料和薄膜材料不盡相同，其結合處也成為容易斷開的軟肋點；（3）焊接線與焊點之間的連接，由于焊接線在振動與沖擊過程中的劇烈運動和變形扭曲，可能會造成連接處折斷。為此，每次振動沖擊試驗后，都要用電學測量方法來驗證傳感器的連接狀況，傳感器等任何1個薄弱環節出了問題，都會對測量結果造成影響。

在振動與沖擊驗證試驗的過程中利用萬用表測量和比較振動沖擊前后的電阻值，如果連接沒有斷開，電阻值一致，說明結合力滿足驗收振動沖擊要求。該結合力包含了3項內容：薄膜和葉片表面的結合力、焊點的結合力、連線的結合力和抗振動能力。任何1項出了問題，都可能使得測量的電阻值發生變化。

振動試驗過程分為2部分：（1）3 min掃頻：振動頻率由10 Hz逐漸升至2000 Hz，然后回掃至10 Hz；（2）在270 Hz、40g的條件下，振動20 min。對于沖擊試驗，沖擊強度定為100g、8 ms，半正弦波，帶有傳感器的葉片分別沖擊5次。每次的振動與沖擊試驗前后都要用萬用表驗證葉片集成的傳感器（熱電阻型傳感器和熱電偶型傳感器）。實際的振動試驗的加速度掃頻曲線和5次沖擊試驗加速度測量曲線如圖8所示。從圖中可見，掃頻振動和沖擊試驗的重復性非常好，振動和沖擊強度每次都達到預定的要求。在每次振動和沖擊試驗后都測量了MEMS熱電阻和熱電偶的連接特性，結果表明，連接特性沒有變化，葉片原位溫度傳感器在規定的苛刻的振動與沖擊試驗指標下可安全、可靠地工作。

圖8 振動試驗的加速度掃頻曲線和沖擊試驗結果

3 結論

（1）制作了高溫原位集成渦輪葉片傳感器，不僅具有良好的溫度測量功能，而且有很強的抗沖擊和抗振動能力。

（2）電阻溫度特性在800℃下還保有良好的線性，可以實現在高溫環境下的溫度監控，實現高溫溫度傳感器在航空發動機及其相關領域的工程學應用。

（3）MEMS原位集成渦輪葉片傳感器系統在10～2000 Hz、40g、20 min、270 Hz的振動試驗，以及沖擊強度100g、8 ms的半正弦波沖擊試驗下可安全、可靠地工作。