Hoge-temperatuur stabiliteit van ITO/PtRh dunne-film thermokoppels voor aero-engine toepassingen

Samenvatting

Dunne-film thermokoppels (TFTCs) maken nauwkeurige, niet-intrusieve temperatuurbewaking in luchtvaart-aandrijvingssystemen mogelijk. We rapporteren een ITO/PtRh:PtRh TFTC, geproduceerd op alumina keramiek via magnetronsputtering en post-geanneald in een N₂-lucht cyclus. Het apparaat werd gekalibreerd door meerdere cycli tot 1.000 °C, wat uitzonderlijke EMF-stabiliteit en herhaalbaarheid demonstreert. Zuurstofdiffusiebarrières gevormd door PtRh-oxidatie, gekoppeld met Schottky-barrières aan ITO-korrelgrenzen, onderdrukken ladingsdrager-concentratiedrift. De TFTC blijft operationeel voor >30 uur in harde omgevingen, wat het positioneert als betrouwbare sensor voor aero-engine warm-component temperatuurmeting.

Achtergrond

Nauwkeurige temperatuurdata zijn essentieel voor het valideren van aero-engine thermomechanische modellen, het monitoren van operatieomstandigheden, en het uitvoeren van diagnostiek. In vergelijking met conventionele draadthermokoppels, infraroodcamera's, of thermische spuitjauges, bieden TFTCs snelle respons, minimale gasstroom-storing, en verwaarloosbare invloed op de gemeten oppervlaktetemperatuurdistributie.

Hoge-temperatuur TFTCs zijn geconstrueerd uit Pt-PtRh en In₂O₃-ITO systemen. Echter, deze dunne-film architecturen lijden vaak onder stabiliteits- en herhaalbaarheidsproblemen in het 800–1.000 °C bereik typisch voor aero-engines. Rhodium-oxidatie veroorzaakt drift in Pt-PtRh apparaten, terwijl zuurstof-vacantie-dynamiek leidt tot uitgangsdrift of falen in In₂O₃-gebaseerde TFTCs. Verschillende strategieën—hoge-temperatuur annealing, stikstof-doping, of nanocomposite benaderingen—hebben ITO-prestaties verbeterd, doch de thermoelektrische uitgang daalt typisch door zuurstofdiffusie. Een semiconductor/metaal multilagen thermoelement was nog niet gerapporteerd.

In dit werk introduceren we een ITO/PtRh composiet multilagen als thermoelement. Na sputter-depositie en N₂-lucht annealing, onderzoeken we de microstructuur, resistiviteit, en hoge-temperatuur thermoelektrische respons van de resulterende ITO/PtRh:PtRh TFTC.

Methoden

Monsterbereiding

ITO (In₂O₃:SnO₂ = 90:10, 99,99 gewichts%, 100 mm diameter) en Pt-13%Rh (99,99 gewichts%, 100 mm diameter) targets werden gesputterd op alumina en Si(100) substraten in een 7 × 10⁻⁴ Pa kamer bij 110 mm target-substraat-afstand. Substraten werden achtereenvolgens gereinigd met aceton, ethanol, en gedemineraliseerd water. Afwisselende depositie van ITO- en Pt-Rh-lagen produceerde een ~1 µm dikke composietfilm, met de ITO-laag ≈400 nm en de Pt-Rh-laag ≈100 nm. Post-annealing omvatte 5 uur bij 1.000 °C in N₂ gevolgd door 2 uur bij 1.000 °C in lucht (N₂-Lucht).

ITO/PtRh:PtRh TFTC Fabricage

De 63 mm × 1 mm × 1 µm TFTC werd gepatroneerd op een 75 mm × 12 mm × 0,5 mm alumina-substraat met behulp van sjabloonmaskers. Na N₂-Lucht annealing werd het apparaat gekalibreerd in een oven van 300 tot 1.000 °C. Elk zetpunt werd ≥1 uur vastgehouden om thermisch evenwicht te bereiken. Standaard S- en K-type draadthermokoppels maatten warme (T₁) en koude (T₂) junctietemperaturen; een digitale multimeter noteerde de EMF van de koude-junctieleiding.

Karakterisering

Röntgendiffractie (XRD) onderzocht de ITO-kristalliniteit; scanning-elektronenmicroscopie (SEM) onthulde de dwarsdoorsnede van de composietfilm; vier-punt-proef meet filmresistiviteit.

Kalibratieprocedure

De kalibratie-opstelling is geïllustreerd in Figuur 1b: een circulatie waterbad creëert een temperatuurgradiënt tussen de warme en koude junctie. EMF wordt vastgelegd terwijl T₁ en T₂ worden gemonitord met referentie-thermokoppels.

Resultaten en discussie

Microstructuur en resistiviteit

XRD van de geannealde ITO-film toont polykristallijn cubisch bixbyiet In₂O₃-pieken zonder voorkeursoriëntatie; geen Sn of Sn-oxide-pieken verschijnen, wat vastestofvorming bevestigt.

SEM-dwarsdoorsnedes (Afbeelding 3) bevestigen de bedoelde ~1 µm totale dikte, met de ITO-laag ongeveer vier keer de Pt-Rh-dikte.

Resistiviteitsmetingen (Tabel 2) onthullen dat de as-gedeponeerde ITO/PtRh-composiet een orde van grootte geleidender is dan zuiver ITO. Post-annealing verlaagt ITO-resistiviteit licht (8,52 × 10⁻² Ω cm → 7,55 × 10⁻² Ω cm), waarschijnlijk door verdichting en defectreductie. Integenstelling, de composiet-resistiviteit stijgt (1,68 × 10⁻³ Ω cm → 7,61 × 10⁻³ Ω cm) omdat oppervlakte Rh-oxidatie tijdens annealing ladingstransport belemmert.

Thermoelektrische prestaties

Statische kalibratie (Afbeelding 4a) toont een niet-lineaire toename van EMF met temperatuurverschil, doch EMF-waarden blijven praktisch ongewijzigd over meerdere cycli tot 1.000 °C, wat superieure stabiliteit aangeeft.

Afbeelding 4b toont Seebeck-coëfficiënten die snel stijgen met ΔT, wat de temperatuur-afhankelijke ladingsdragerconcentratie in degeneraat ITO reflecteert. De gemiddelde Seebeck-coëfficiënt over drie cycli is 2,19 µV/°C, iets lager dan conventionele S- of R-type thermokoppels. Deze reductie wordt toegeschreven aan Schottky-barrières aan ITO-korrelgrenzen, die ladingsdragerconcentratie-variaties beperken en het apparaat stabiliseren.

De EMF-ΔT-relatie past een derdegraads polynoom (Vergelijking 3), met coëfficiënten vrijwel identiek over cycli (Tabel 3). De gefitte krommen bevestigen de herhaalbaarheid van het apparaat. De TFTC blijft functioneel voor >30 uur bij 1.000 °C, wat de geschiktheid ervan voor aero-engine oppervlaktetemperatuurmonitoring benadrukt.

Conclusies

We hebben succesvol ITO- en ITO/PtRh-composietfilms op alumina gedeponeerd via kamertemperatuur magnetronsputtering en een stabiele, multilagen ITO/PtRh:PtRh TFTC bereikt na N₂-lucht annealing. De composiet-resistiviteitstoename na annealing wordt toegeschreven aan Rh-oxidatie, terwijl de ITO-resistiviteit licht verbetert door verdichting. De hoge-temperatuur stabiliteit van het apparaat voortvloeit uit zuurstofdiffusiebarrières gevormd door PtRh-oxidatie en Schottky-barrières aan ITO-korrelgrenzen, die ladingsdrager-concentratiedrift onderdrukken. Met een gemiddelde Seebeck-coëfficiënt van 2,19 µV/°C en een levensduur van meer dan 30 uur onder harde omstandigheden, is deze TFTC een veelbelovende sensor voor nauwkeurige aero-engine componenttemperatuurmeting. De multilagen strategie biedt een nieuwe weg om ITO-stabiliteit te verbeteren zonder uitsluitend te vertrouwen op hoge-temperatuur annealing of stikstof-doping.

Afkortingen

EMF

Elektromotorische kracht

S

Seebeck-coëfficiënt

SEM

Scanning-elektronenmicroscopie

TFTC

Dunne-film thermokoppel

XRD

Röntgendiffractie