高溫ITO薄膜應變計結構參數影響研究

李劍 劉志春 周浩 李強 趙鑫 梁軍生 王立鼎

摘要：以氧化銦錫（ITO）為敏感材料制備的高溫薄膜應變計被廣泛應用于航空發動機渦輪葉片等熱端部件應變測試。為了探究高溫ITO薄膜應變計結構參數對其應變靈敏度系數（GF）的影響，采用正交試驗法設計了不同敏感柵長度、不同敏感柵數量的高溫ITO薄膜應變計，通過仿真分析以及試驗驗證的方法系統研究了應變計在25℃、600℃、800℃和900℃的差別。結果表明，應變計GF隨敏感柵長度的增加而變大，隨敏感柵數量的增加而先增大后減?。ㄗ顑炛虚g值為6柵），最終獲得敏感柵長度5mm、敏感柵數量6柵為最佳結構參數，以最佳結構參數制備的高溫ITO薄膜應變計在不同溫度下的GF均保持在3.2左右。研究結果對高溫ITO薄膜應變計的高溫性能優化有一定的指導意義。

關鍵詞：ITO；應變計；高溫；航空發動機；GF

中圖分類號：V241.7文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.05.010

航空發動機是一種集復雜和精密于一體的熱力機械，為保證發動機在高溫、高壓、強振動等極端工作環境中正常運行，需要對其熱端部件產生的應變進行準確、穩定的監測[1-2]。薄膜應變計由于其可直接沉積制備、質量基本可以忽略、靈敏度高、響應速度快、適用于惡劣環境等優點受到業內廣泛關注[3]。金屬與合金材料是目前應用廣泛的薄膜應變計材料，如NiCr、PbCr等。然而它們在高溫環境中存在氧化等問題，從而導致應變計準確度降低甚至失效。銦錫氧化物（ITO）作為一種新型半導體材料，由于其熔點高、高溫抗氧化性好、耐腐蝕等特點，被廣泛應用于制備薄膜高溫應變計[4-5]和薄膜熱電偶[6]。

國內外學者研究發現，應變計的結構參數在一定程度上會對其性能產生影響。宋瑞如等[7]通過仿真分析研究了絲式高溫應變計的敏感柵結構參數變化對其結構振動及壽命的影響。結果發現，應變計結構諧響應振動隨敏感柵長度的減小而增大，柵絲直徑對應變計壽命影響最大。Larry[8]利用有限元方法分析了應變計基底厚度與應變計性能的關系。結果發現，增大應變計基底厚度時，其靈敏度系數（GF）降低。胡玉梅等[9]分析了應變計敏感柵直徑、柵絲間距和柵絲長度的變化對測量精度的影響。結果發現，柵絲直徑越小，產生的應變傳遞誤差越小，而柵絲間距、柵長對應變傳遞誤差均存在最優中間值。然而，目前報道的文獻中并沒有發現關于高溫ITO薄膜應變計的結構參數在不同溫度下對GF影響的相關研究。本研究為了探究高溫ITO薄膜應變計結構參數對其GF的影響，采用正交試驗法設計了不同敏感柵長度、不同敏感柵數量的高溫ITO薄膜應變計，通過仿真分析以及試驗驗證的方法系統研究了在25℃、600℃、800℃以及900℃下，高溫ITO薄膜應變計的敏感柵長度、敏感柵數量的變化對其GF的影響。

1材料和方法

1.1理論

由于橫向效應的存在，應變計總電阻變化量ΔR減小，導致計算得到的GF小于應變計實際靈敏度系數GFreal，減小了應變計的GF值。

為了提高應變計的GF和測量精度，需要對應變計的結構參數（如敏感柵長度、數量等）進行設計選取最優值，盡可能降低橫向效應的干擾。

1.2結構設計及仿真分析

為排除應變計整體尺寸的影響，首先確定了13.5mm×8.6mm的高溫ITO薄膜應變計整體尺寸，然后根據應變計結構參數設計理論和正交試驗原理，分別設計了三種不同敏感柵長度、4種不同敏感柵數量的高溫ITO薄膜應變計結構尺寸參數[11]。表1、表2分別顯示了不同應變計的詳細結構參數。

利用COMSOL仿真軟件分別建立不同結構參數的應變計及其附著的氧化鋁（Al2O3）等強度梁基底模型。表3是仿真中使用的Al2O3、ITO的相關材料特性[12]。

在仿真過程中，用固體力學物理場模擬使應變計產生微應變的載荷施加過程，用固體傳熱物理場模擬應變計所處高溫環境，用電流-單層殼物理場模擬ITO薄膜應變計的電學特性變化。通過定義廣義熱通量及溫度來設定應變計的溫度環境為25℃、600℃、800℃、900℃，將等強度梁基底的寬端設置為固定約束，在另一端指定位移1.5mm，在應變計兩端設置輸入0.5A電流，輸出應變計兩端電壓狀況。通過應變計電壓變化來計算其電阻變化，根據式（2）得到ITO薄膜應變計的GF值。

1.3試驗程序

2結果與討論

圖2是在不同溫度環境下對敏感柵長度為3mm、4mm、5mm的高溫ITO薄膜應變計施加210με時，不同敏感柵長度應變計的GF仿真與測試結果對比圖。

可以發現，在不同溫度下，改變敏感柵的長度會對高溫 ITO薄膜應變計的GF產生影響，隨著敏感柵長度的增加，應變計GF也在增大。在25℃、600℃、800℃和900℃時，對比測試結果可以發現，相比3mm敏感柵長度的應變計，5mm敏感柵長度的應變計GF分別提高了40%、28%、36%、79%。這是因為隨著敏感柵長度的增加，橫柵產生的壓應變不變，而敏感柵產生的拉應變增大，使測量得到的總應變量更加接近真實值，提高了測量精度。同時應變計總電阻變化量也隨之增大，使計算得到GF值也增大，更加接近真實GF值。圖3是施加210με時，不同溫度下高溫ITO薄膜應變計電阻變化率隨施加微應變的結果，可以發現，在受載時，不同敏感柵長度的應變計電阻變化率與微應變呈現一定的線性關系，由式（2）可知，圖3中斜率即為應變計GF，說明在不同高溫環境中，敏感柵長度均對應變計GF有較大的影響，增大敏感柵長度能夠使高溫ITO薄膜應變計在不同高溫下的GF有一定的提升。

圖4分別是不同溫度環境下，敏感柵數量為4柵、6柵、8柵、10柵的應變計受載時GF仿真與測試結果?？梢园l現，在不同溫度下，高溫ITO薄膜應變計敏感柵數量的不同均會對其GF產生影響。隨著敏感柵數量的增加，GF先增大后減小，存在最優中間值，最優值是6柵，測試結果與仿真結果相符。由測試結果可以發現，在25℃、600℃、800℃和900℃時，對比10柵的高溫ITO薄膜應變計，6柵的應變計GF分別提高了21%、35%、38%和55%。這是因為敏感柵數量的增加間接增加了敏感柵的長度，使應變計測得的應變值更加接近真實值，提高了測量精度，也使得計算得到的GF值更加接近真實值，使GF增大。然而，當敏感柵數量超過6柵時，敏感柵數量的增加使高溫ITO薄膜應變計與 Al2O3基底的接觸面積過大，應變從基底向應變計的傳遞中，應變傳遞誤差增大，降低了測量精度，使GF下降。

圖5是加載210με時不同溫度下不同敏感柵數量的高溫ITO薄膜應變計電阻變化率輸出情況，可以發現各個應變計電阻變化率與微應變呈現一定線性關系。對比圖3發現，在同一溫度下，不同敏感柵數量的應變計斜率差別較小，這表明相比敏感柵長度對應變計GF的影響，敏感柵數量的改變對其影響較小。

綜上所述，可以得到最優的高溫ITO薄膜應變計參數，即敏感柵長度為5mm，敏感柵數量為6柵。在不同溫度下，對具有最優參數的高溫ITO薄膜應變計進行高溫循環測試，其均表現出良好的壓阻變化，響應迅速，滯后時間較短。經計算，該參數的高溫ITO薄膜應變計在25℃、600℃、800℃和900℃下的GF分別為3.207，3.174，3.238，3.214，均在3.2左右，穩定性較好。

3結論

本文旨在研究高溫ITO薄膜應變計的結構參數變化對其在不同溫度下的GF影響，從而提高高溫ITO薄膜應變計在高溫環境的GF值。通過COMSOL仿真分析和正交試驗法對結構參數的影響進行論證。結果發現，在同一整體尺寸下，ITO薄膜應變計敏感柵長度、敏感柵數量的變化均會對其在不同高溫環境下的GF產生影響。不同溫度下，隨著敏感柵長度的增加，高溫ITO薄膜應變計的GF隨之增加；隨著敏感柵數量的增加，應變計的GF先增大后減小，最優中間值是6柵。選擇敏感柵長度5mm，敏感柵數量6柵作為整體尺寸13.5mm×8.6mm的高溫ITO薄膜應變計最優結構參數，使應變計在不同溫度下循環受載，其GF均保持在 3.2左右，穩定性較好。該研究方法和成果對于應用于航空領域的高溫ITO薄膜應變計及其他材料應變計的結構參數設計及性能提高有一定的指導意義。

參考文獻

[1]蔣聰，熊欣，劉冕，等.空氣渦輪起動機超高轉速渦輪包容結構性能分析與研究[J].航空科學技術，2021，32（8）：37-42. Jiang Cong， Xiong Xin， Liu Mian， et al. Performance analysis and research on ultra-high speed turbine containment structure of air turbine starter[J]. Aeronautical Science & Technology， 2021，32（8）：37-42.（in Chinese）

[2]喻成璋，劉衛華.高超聲速飛行器氣動熱預測技術研究進展[J].航空科學技術，2021，32（2）：14-21. Yu Chengzhang， Liu Weihua. Research progress of aerothermal prediction technology for hypersonic vehicle[J]. Aeronautical Science & Technology，2021，32（2）：14-21.（in Chinese）

[3]劉豪.與航空發動機渦輪葉片一體化集成的薄膜應變計研究[D].成都：電子科技大學，2019. Liu Hao. Research on thin film strain gauge integrated with aero-engineturbineblade[D].Chengdu：Universityof Electronic Science and Technology of China， 2019.（in Chinese）

[4]Yang S，Zhang C，Yang Z，et al. Effect of nitrogen doping temperature on the resistance stability of ITO thin films[J]. Journal ofAlloys and Compounds，2019，778（1）：90-96.

[5]Gregory O，Luo Q，Crisman Everett E. High temperature stability of indium tin oxide thin films[J]. Thin Solid Films，2002，406（1）：286-293.

[6]呂智軒.透明ITO薄膜應變計的制備與研究[D].大連：大連交通大學，2018. Lyu Zhixuan. Preparation and research of transparent ITO film strain gauge[D]. Dalian： Dalian Jiaotong University，2018.（in Chinese）

[7]宋瑞如，艾延廷，李成剛，等.應變片敏感柵參數對結構振動及壽命的影響[J].沈陽航空航天大學學報，2021，38（1）：1-7. Song Ruiru， Ai Yanting， Li Chenggang， et al. Influence of strain gauge sensitive grid parameters on structural vibration and life[J]. Journal of Shenyang Aerospace University， 2021，38（1）：1-7.（in Chinese）

[8]Larry B. Applying finite element analysis method strain gage design[EB/OL]. [2013-01-15]. http：//loadcelltheory. com/Load Cellu Support Theory PDF/FEA-Strain Gage Design.pdf.

[9]胡玉梅，張方建，邵毅敏，等.應變片敏感柵結構參數對測量精度的影響[J].重慶大學學報，2013，36（12）：21-27. Hu Yumei， Zhang Fangjian， Shao Yimin， et al. Influence of structuralparametersofstraingage-sensitivegridon measuring accuracy[J]. Journal of Chongqing University， 2013， 36（12）：21-27.（in Chinese）

[10]周哲.電阻應變片測量影響因素及熱機解耦研究[D].重慶：重慶大學，2012. Zhou Zhe. Study on influence factors of resistance strain gauge measurement and thermo-mechanical decoupling[D]. Chongq‐ing： Chongqing University， 2012.（in Chinese）

[11]Agarwala S，Liang G G，Yeong W Y，Aerosol jet printed strain sensor：simulation studies analyzing the effect of dimension and design on performance（September 2018）[J]. IEEEAccess，2018，6：63080-63086.

[12]張朝陽.疊層陶瓷薄膜高溫應變傳感器關鍵結構研制[D].大連：大連理工大學，2020. Zhang Chaoyang.Development of key structures of laminated ceramic film high temperature strain sensor[D]. Dalian： Dalian University of Technology，2020.（in Chinese）

[13]劉梓才，何承義.等強度標定梁計算方法[C]//四川省力學學會2008年學術大會，2008. Liu Zicai， He Chengyi. Calculation method of calibrated beam with equal strength [C]// The 2008 Academic Conference of Sichuan Mechanics Society， 2008.（in Chinese）

Investigation of Structure Parameters on the Properties of ITO Film Strain Gauge at High Temperatures

Li Jian1，Liu Zhichun1，Zhou Hao1，Li Qiang3，Zhao Xin3，Liang Junsheng1，2，Wang Liding1，2

1. Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System of Liaoning Province，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

2. Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China

3. Key Laboratory of Hypersonic Aerodynamic Force and Heat Technology，AVIC Aerodynamics Research Institute，Shenyang 110034，China

Abstract： The ITO thin film strain gauge （TFSG） has been widely used in the strain measurement of hot sections including high temperature turbine blades of aeroengines. In order to explore the effect of the structural parameters on the gague factor （GF） of the ITO TFSG， different grid lengths and the number of the sensitive grid in the ITO TFSGs are developed， and their pezoresistive performance are also systematically studied at 25℃，600℃，800℃and 900℃. Results show that the GF of the ITO TFSGs initially increases and then decreases with the increase of the number of the sensitive grid. The GF of the ITO TFSGs grows with the enhancement of the length. Consequently， the optimal structural parameters of 5mm sensitive grid length and 6 sensitive grids are obtained. Moreover， the pezoresistive response of the ITO TFSG prepared with the optimal structural parameters is recorded， and the GF is about 3.2 at different temperatures. The results have a certain guiding significance for the high-temperature performance optimization of ITO TFSGs.

Key Words： ITO； strain gauge； high temperature； aeroengine； GF