（机械制造及其自动化专业论文）基于磁控溅射技术的薄膜热电偶测温系统.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 n i c r n i s i 薄膜热电偶切削温度测试系统研制这一课题来源于中国工程物理研究院 重大基金项目( 项目编号：2 0 0 1 2 0 3 0 1 ) ：炸药件机械加工及仿真技术研究。本文主要研 究瞬态测温传感器薄膜热电偶的制作及传感器的研制。 在切削化爆材料的过程中，由于化爆材料的不均匀性，其内部随机分布硬质点，当切 到某个硬质点时，会突然出现瞬时高温脉冲，当这一瞬时高温超出一定的范围时，会引爆 工件而引发重大恶性事故。因此，能够快速准确地测量化爆材料瞬态切削温度的传感器对 军工企业的安全生产具有重大的意义。 本课题组曾采用多弧离子镀方法制备n i c r n i - s i 薄膜热电偶由于薄膜成分偏离标准 大块n i - c r n i - s i 材料，导致热电偶塞贝克系数与标准n i c r n i s i 丝式热电偶相差较大。 这样用n i c r n i s i 丝作为冷端补偿导线时会产生较大的误差。本文对n i c r n i s i 薄膜热 电偶采用磁控溅射制作方法及其特性进行分析研究。 磁控溅射以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体 ( a t 气) 的电离率和利用率。电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰 撞，被电离的a r + 在电场作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子( 呈中性) 最后沉 积在基片上。磁控溅射具有沉积速率高、薄膜质量好、膜一材成分一致性好，成膜参数方便 可控、重复性和稳定性好等特点，成为当今制膜行业的首选方法之一。 论文的主要内容包括：薄膜热电偶测温传感器的结构设计，磁控溅射方法制备热电偶 薄膜电极，测温传感器的静态标定、动态标定及切削温度测量试验，测温误差分析等。其 中，薄膜电极的制备是本论文工作的重点，也是测温传感器研制的关键。 与多弧离子镀法相比，采用磁控溅射法镀制的热电偶薄膜成分与靶材接近，膜层致密 均匀、平整光滑，膜厚为2 4 5um 。对新研制的n i c r n i s i 薄膜热电偶进行了静态标定与 动态标定。得出薄膜热电偶的灵敏度为4 0 1uv ，线性误差不大于0 7 5 ，时间常数为 0 3 2 m s 。最后将薄膜热电偶温度传感器用于化爆材料切削试验，试验表明，采用磁控溅射 法制各的n i - c r n i s i 薄膜热电偶经验证能够快速地反映化爆材料的切削温度，温度脉冲 时间常数小于0 3 5 m s ，能够达到瞬态温度监控的目的。 关键词：薄膜热电偶：磁控溅射：化爆材料；标定；切削试验 基于磁控溅射技术的薄膜热电偶测湿系统 t h et h i nf i l mt h e r m o c o u p s l e st e m p r e t u r e t e s t i n gs y s t e m b a s e do nm a g n e t r o ns p u t t e n n g d e v e l o p m e n to fn i o 悄i s it h i n - f i l lt h e r m o c o u p l e sc u t t i n gt e m p e r e t u r et e s t i n gs y s t e mf o r c h e m i c a le x p l o s i v em a e r i a ii ss u r p p o r t e db yc h i n aa c a d e m yo fe n g i n e e r i n gp h y s i c a l m o 2 0 0 1 2 0 3 0 1 ) t h ep r e s e n tw o r kd e d i e a e st ot h ed e v e l o p m e n to ft e m p m t u r es e n s o r t h i n f i l m t h e r m o c o u p l e sa n dt h ef a b r i c a t i o no f i t 。 h a r dp a r t i e a l e sd i s t r i b u t i n gr a n d o m l yi n s i d ec h e m i c a le x p l o s i v em a t e r i a l w h e nm a c h i n i n g s u c hk i n d so fm a t e r i a l ，h i g hi n s t a n t a n e o u sw o r k p i e c ct e m p r e t u r ew i l lo c c u r t h e r ew i l lb em u c h d a n g e rw h e nt h ew o r k p i e c et e m p r e t u r ee x c e e d sas p e c i a lv a l u e s oi t ss i g n i f i c a n tt ot e s tt h e i n s t a n t a n e o u st e m p r e t u r eq u i c k l ya n da c c u r a t e l yf o rw a ri n d u s t r ye n t e r p r i s e t h er e s e a r c ht e a mh a v ee v e rf a b r i e a t e at h et h i n - f i l mo f t h c rm o c o u p l e sb ym u l t i p l ea r ci o n p l a t i n g , a n dt h ec o n t r i b u t i o n so f t h ef i l la r ed e v i a t i n gf r o mt h et a r g e t s ot h es e e b e c kc o e f f c i e n ti s n o ti na c c o r d a n c ew i t ht h en o r m a lt h c r m o c o u p l e sc o m p o s e do fn i c r n i - s iw i r e s ，w h i e hl e a dt o t h el a r g e re r r o rw h e nn i - c r n i - s iw i r e sw a sa p p l i e dt ot h ec u r i n gt e s ta sc o m p e n s a t i o nl e a d i nt h i s p a p e r , t h ef a b r i c a t i o nm e t h o da n dp 砌瑚so fn i - c 时睢s it h i n - f i l lt h e r m o e o u p l e s a r e i n t r o d u c e dr e a s o n e d l y m a g n e t r o ns p u t t e r i n gc a r ti m p r o v ee l e e t r o u s u s ef a c t o ra n di o n i z a t i o nr a t eb yi m p r i s o n i n g ， c h a n g i n ga n de x t e n d i n gt h e i rm o v i n gp a t h t h e r ew i l lb ec o l l i s i o n so fe l e c t r o n sw i t ha ra t o m s d u r i n ge l e c t r o n sa c c e l e r a t i n gt os u b s t r a t ew i t he l e c t r i cf i e l d t h et a r g e tw i l lb eb o m b r a r d e db y i o n i z e da r + w i t hh ea c c e l e r a t i n ge l e c t r i cf i e l d ，a tt h es a m et i m e ，t h es p u t t e r e dt a r g e ta t o m sw i l l d e p o s i t0 1 3 t h es u b s t r a t e m 趣雕灯o n 印i i c _ 嘶i l gh a v eb l ! f 2 o m eo n e o f t h eb e s tc h o i s e sb e c a u s eo fi t s s e r i e so fa d v a n t a g e s ，s u c h 豳h i g hd e p o s i t i o nv e l o c i t y , g o o dq u a l i t y ，c o m p o n e n tc o n s i s t e n c yw i t h t a r g e t ，c o n t r o l l e dt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s ，g o o dr e p e a t a b i l t ya n ds t a b i l i t ya n ds oo n t h es t e mc o n t a n ta r ea sf o l l o w s ：s t r u c t u r ed e s i g no ft h et e r n p r e t u r e $ e r l s o r t h ef a b f i c a t i o n m e t h o df o rt h et h e r m o c o u p l e st h i n - f i l lb yt h em a g n e t r o ns p u r t i n g ，s t a t i cc a l i b r a t i o n ，d y n a m i c a l c a l i b r a t i o n , e r r o ra n a l y s i s o fd y n a m i c a l c u t t i n gt c m p r e t u r e a n ds o o n a m o n gt h e s e ，t h e m a n u f a c t t t d n go f t h i n - f i l le l e c t r o d e si st h ek e y p r o j e c ta n dh a sb e e ne m p h a s i z e di nt h i sp a p e r c o m p a r e dw i t hm u l t i p l ea r ci o np l a t i n g , t h et h i n - f i l mo f t h e r m o c o u p l ew h i c ha r ed e v e l o p e d b yt h em a 四e t r o ns p u t t i n ga r em o r ec o m p a c t i v ea n ds m o o t h , t h ec o n 研b l m o n sa r ec l o s et ot h e t a r g e t a n dt h ed e p t ho f 可sh o t j u n c t i o ni so n l y2 4 5i tm t h es t a t i ca n dd y n a m i cc a l i b r a t i o no f i i 大连理工大学硕士学位论文 t i t a r ep r o p o s e d ，a n di ti sc o n c l u d e dt h a tt h es e n s i t i v i t ya l e4 0 1l av c ，l i n e a re r r o ri sn og r e a t e r t h a no 7 5 , a n dt h ec o n s t a n tt i m ei sl e s s0 3 2 m s a tl a s tt f ra r ea p p l i e dt ot h ec h e m i c a le x p l o s i v e m a t e r i a ls i m u l a t i o nc u t t i n gt e s t , a n dt h ec o n c l u s i o ni sd r e wt h a tt h es e n s o rc a nr e f l e c tt h ec u t t i n g t e m p r e t u r ea c c u r a t e l ya n dr a p i c u y t e m p r e t u r ep u l s ec o n s t a n tt i m ei sl e s st h a n0 3 5 m s ，w h i c h p r o v ei tc 8 1 1g a i nt h ep o i n to f c o n s t a n tt e m p r e u r em o n i t o r i n g k e yw o r d s ：t h i n - f d mt h e r m o c o u p l e ；m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；c h e m i c a le x p l o s i v e m a t e r i a l ；c a l i b r a t i o n ；c u t t i n gt e s t i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名通崧 日期：三丝：! 么 大连理工大学硕士学位论文 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规 定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本 授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：亟超 导师签名 驺级公 拯扯月逗日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 论文选题背景及其研究意义 在制造业行业中，虽然已经开发出各种不同的零件成型工艺，但目前仍然有9 0 以上 的机械零件通过切削加工来完成【”。在切削加工过程中，重要的参数之一就是切削熟与切 削温度。由于切削热引起切削温度升高，使工件和机床产生热变形，降低零件的加工精度 和表面质量。切削温度又是影响刀具寿命的主要因素。因此，研究切削热和切削温度具有 重要的实际意义。 在切削过程中，切削热除了少数散逸到周围介质中以外，其余均传入刀具、切削和工 件中，引起工件变形，严重时甚至引起机床变形。因此，在进行切削理论研究、刀具切削 性能试验及被加工材料性能试验时，对切削温度的测量非常重要。测量切削温度时，既可 以测量切削区域的平均温度，也可以测量出切削、刀具和工件中的温度分布。国内外金属 切削方面( 尤其塑性材料切削) 的研究工作者，在切削温度的理论计算和实验技术方面， 进行着大量的研究工作。而在非金属材料与脆性材料的切削温度方面的研究相对较少。 本课题来源于中匡工程物理研究院重大基金资助项目( n o 2 0 0 1 2 0 3 0 1 ) ：炸药件加工 及仿真技术研究。炸药件是一种化学爆炸材料( 以下简称化爆材料) ，这种材料的密度为 1 8 1 9x1 0 5k g ，抗拉强度为4 t m p a ，抗压强度为3 5 0m p a ，硬度与浇注硫磺差不 多，切削时产生的切削成粉末飞扬状。在化爆材料的切削加工过程中，由于材料内部随即 分布硬质点，一旦切到某个硬质点，将产生瞬时温度脉冲，当这一瞬时温度脉冲温度超出 一定范围时，有可能引爆工件两发生危险。长期以来，中国工程物理研究院化工材料研究 所在加工化爆材料过程当中，都是采用低切削速度、小切削深度、小进给量等保守的方法 降低化爆材料的切削温度与切削力。虽然这种方法基本能保证加工的安全性，但生产效率 却非常低，而且偶尔也会发生被切试件爆炸的重大恶性事故。因此需要研制一种时间常数 在1 5 m s 以内快速响应温度传感器用以动态测定化爆材料的切削温度。 切削温度测量用的最广泛的方法就是自然热电偶法。但是当被加工材料是化爆材料等 非金属材料时，切削刀具与工件不能组成热电偶，也就不能采用自然热电偶法测量切削温 度。而通常自然热电偶法的动态响应慢，不能满足快速测温要求。也不宜在刀具内部埋置 人工热电偶的方法，因为埋置人工热电偶时，热电偶接点必然与刀尖有一定的距离，而且 刀尖出的温度梯度较大，因而所测得的温度与工件本身的温度相差较远。另一方面，这种 结构的热电偶热惯性较大，仍然难以满足快速测温的要求。虽然红外辐射法具有较快的响 应速度，但是这种方法只能用于干切削，而中国工程物理研究院在加工化爆材料时需要加 冷却液，即使不加冷却液，也会因为切削呈现粉末状飞扬并包围切削刀刃与加工接触区而 基于磁控躐射技术的薄膜热电偶测温系统 使得红外辐射测温无法进行。而其它一些金属切削温度测量方法如金相组织观察法、显微 硬度分析法、量热法、热敏涂料法、涂色法等等均不能满足实时测量的要求，因此不能用 于化爆材料的动态切削温度测量。 本文采用一种分刀片式薄膜热电偶技术用于化爆材料的动态切削温度测量。 1 2 国内外主要切削温度测量技术及发展趋势 切削温度的测量是切削实验研究的重要技术，可以用来研究各个因素对切削温度的影 响，也可以用来校核切削温度理论计算的正确性，也可以把所测得的切削温度作为控制切 削过程的信号源。 为了评价切削区域的温升，在过去几十年里开发出了几种技术，绝大多数的技术是用 来测量刀具的温度。常用的切削温度测量方法主要有自然热电偶法、半人工热电偶法、人 工热电偶法、薄膜热电偶法、辐射测温法、金相组织观察法、热敏涂料法和量热计法等。 1 2 1 自然热电偶法 在诸多的切削温度测量方法当中，自然热电偶法是用的最广泛、最直接、最方便的测 量方法。自然热电偶法主要用于测定切削区域的平均温度【i 】。它是利用刀具和工件分别作 为自然热电偶的两极，组成闭合回路测量切削温度。刀具引出端导线接入毫伏计的一极， 工件引出端的导线通过起电刷作用的铜顶尖接入毫伏计的另一极。测温时，刀具与工件引 出端应该处于室温，且刀具和工件应该分别与机床绝缘。切削加工时，刀具与工件接触区 产生的高温( 热端) 与刀具、工件各自引出端的室温( 冷端) 形成温差电势，该电势值可 以用接入的毫伏计测出，切削温度越高，该电势值越大。切削温度与毫伏计的示值之间的 对应关系可以通过切削温度表定得到。根据切削实验中测出的热电势毫伏值，可以在标定 曲线上查出对应的温度值。 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 自然热电偶测温示意图 f i g 1 1 t h es k e c h m a p o f o u t t i n g t e m p m t u m t e s t i n g b y n a t u r a l t h e r m o c o u p l e s 自然热电偶法测量切削温度简便可靠，可以方便地研究切削条件，( 如切削速度、进 给量等) 对切削温度的影响。值得注意的是，用自然热电偶法只能测出切削区的平均温 度，无法测得切削区域指定点的温度；同时，当刀具材料或工件材料变换后，切削温度一 毫伏值曲线也必须重新标定【lj 。 i 2 ，2 人工热电偶法 人工热电偶法也称为埋置热电偶法，利用人工热电偶法可以测定刀具和工件上定点的 湿度值口】。在刀具前面和加工表面上钻出西o 0 5 m m 左右的盲孔，在孑l 中插入对标准热电 偶丝，两根热电偶丝的一端焊接点置于被测点处，孔中热电偶丝应该保持绝缘。另一端分 别接入毫伏计两极，通过毫伏计测得冷、热端的电势差，然后参照热电偶的标定曲线得出 彼测点的温度。利用小尺寸的热电偶，通过在不同的方位打许多小孔能够获得关于刀具温 度梯度的满意结果。但不利之处在于不可能把热电偶放在非常接近刀刃的位置，而这个地 方正是高温度梯度的地方。 人工热电偶法的优点在于：对于特定的人工热电偶材料只需标定一次；热电偶材料可 以灵活选择以改善热电偶的热电敏感性和动态响应速度，提高热电偶的传感质量。但是 由于将人工热电偶埋入超硬刀具材料( 如陶瓷、p c b n 、p c d 等) 内部比较困难，因此限 制了该方法的推广应用。 基于磁控溅射技术的薄膜热电偶测温系统 j | j 1 n 鼠 ，一一。 ：_)薷 工件 图1 2 人工热电偶法灏4 量切削温度示意图 f i g t 2c u t t i n g t e m p e r a t u r e m e a s u r i n g b ya r t i f i c i a l t h h m c c o u p l e 因人工热电偶的接点有一定的质量和体积，对变化着的温度响应有滞后现象，对变化 过快的温度尤其难于测量同。因此，人工热电偶只能测量比较稳定的温度，而且用人工热 电偶法只能测到离前刀面一定距离处某点的温度，而不能直接测出前刀面的温度，要知道 前刀面的温度，还要应用传热学的原理和公式进行计算。 1 2 3 半人工热电偶法 还有一种方法是将自然热电偶法和热工热电偶法结合起来即组成了半人工热电偶法。 这种方法运用不同于刀具和工件材料的金属丝作为半人工热电偶的极，以工件材料或刀 具材料作为另一极而构成的热电偶。采用该方法测量切削温度的工作原理与自然热电偶法 和人工热电偶法相同。 常兴等人口 在测量用c b n 自动滚切刀具切削钢料的切削温度时，沿试件径向镶嵌驴 0 0 5 r a m 漆包康铜热电偶丝，在切削过程中，当热电偶丝外端部随周围的金属产生塑性变 形并被切断时，热电偶丝端部的绝缘层被破坏，热电偶丝与工件短路，同时短路点上又有 高温，热电偶丝和工件材料组成半人工热电偶。根据半人工热电偶的输出电势便可以得到 工件材料产生塑性变形并被切下时的温度。根据热电偶丝被切断的过程可以判断，这种测 温装置只能测出第一、第三变形区的温度，而测不到第二变形区的温度。 m h i i 巷。用这种方法测量刀具后刀面温度。将热电偶丝插入工件上一个直径很小的孔 中并绝缘。当材料被切割时，这根丝也同样被切害u - j ，而此时金属丝和刀具就组成了热电 偶。从所得的结果来看，后刀面的温度受切削速度，进给量和切削深度的影响很小a 比如 对于碳素钢，获得的温度大约在4 0 0 c ，与刀具材料无关。这种方法获得的温度低于自然 - 4 - 大连理工大学硕士学位论文 热电偶法所获得的温度。这种方法的误差在于当切削区域与热电偶接触时无法确定切削区 域所发生的情况，而且接触的时间非常短州。 ) 房 ) l 国 工件 图1 3 半人工热电偶测量切削温度示意图 f i g 1 3c u t t i n g t e m p e r a t u r em e a s u r i n gb ys e m i - a r t i f i c i a l t h e r m o c o u p i e 1 2 4 薄膜热电偶测温方法 薄膜热电偶是一种先进的测量瞬变温度的传感器，引起许多研究人员的关注，特别是 在枪炮膛内壁、段膜表面、硅片热处理等瞬态温度测试中近年来获得了广泛的应用。它的 原理是由德国人p h a c k e m a n n 于第二次世界大战期间提出，并研制成第一批薄膜热电偶 ( 其薄膜厚度为2um ) ，用于测量枪膛在子弹射出后壁温的变化。薄膜热电偶的测温原 理与普通热电偶相似。由于热电偶的热接点多为微米级的薄膜，与普通热电偶相比较，它 具有热容量小、响应迅速等特点，所以能够准确地测量瞬态温度的变化口l 【6 】。 薄膜热电偶的尺寸非常小，对温度场的影响不大，根据制造工艺和使用要求可以分为 三种： ( 1 ) 片状薄膜热电偶把热电偶薄膜用粘结荆粘贴在衬架或者基片上，需要用云母 或者浸酚醛塑料片作绝缘材料和保护层。在我国，由中国科学院工程热物理研究所与重庆 仪表研究所合作，试制成用于测量发动机壁面瞬变温度的铁镍片状薄膜热电偶，。其长、 宽、厚尺寸分别为6 0 m m 、6 m m 、o 2 m m ，金属薄膜厚度在3 - 6u m ，之间，测温范围在 0 3 0 0 ，时间常数小于o 0 1 m s t ，j 。 基于磁控溅射技术的薄膜热电偶测温系统 7| o 心心。 n n 小l 、v v ， ， i 妖 l、，4 ，厂， ； ，o i 、热电偶测量端2 、基底3 、铁膜4 、镍膜5 、铁丝6 、镍丝7 、接头夹具 图1 4 铁镶片状薄膜热电偶 f i g , 4 f e - n it h i nf i l mt h e r m o c o u p l e ( 2 ) 针状薄膜热电偶。选取一种热电极材料作成针状，将另一种热电极材料用蒸镀 方法覆盖在针状热电极的表面，在两热电极之间用涂层绝缘，仅在针尖处连接成测量端。 针状热电偶摆脱了粘接剂和衬粲的影响，时间常数比片状热电偶小。 早期的薄膜热电偶被设计成同心圆柱形的热元件( 类似于针状薄膜热电偶) ，用金属 薄膜加以联接，金属薄膜垂直于圆柱，平行于被澳9 表面。遗憾的是这种薄膜热电偶对被测 部分的热传导存在干扰作用。 5 0 年代初期，d 。b c n d c r s k y 发表了他的研制结果，并用薄膜热电偶测量了枪膛内表 面在发射瞬间的温升【1 6 1 。b e n d e r s k y 热电偶的结构如图1 4 所示。它由一支钢管与经过绝缘 处理的镍丝组成，表面蒸镀薄膜，膜厚1l am 。由于该热电偶的热接点极薄，热惯性小， 因而具有很快的响应速度。d b e n d e r s k y 用膜厚1um 的薄膜热电偶测得枪膛温升率达 4 4 0 c m s l 7 1 。 6 0 年代，日本小栗达、原正键等人研制成夹头式薄膜热电偶，用于测定内燃机壁面的 瞬变温度，如图1 6 所示【8 】o 8 0 年代，我国沈胜强、张志千等人研制出了b s 1 和b s - 2 型薄膜热电偶【2 l l ，用于测定 柴油机气缸盖的瞬变温度，如图1 7 所示。热电偶的一极选用与所测壁面相同或传热性能 相近的材料铁，中间芯片电极选用镍或康铜。绝缘好的芯片装入铁芯之中，后都螺母将其 压紧，依靠头部的锥面使两热电偶金属及绝缘面严密配合。头部经研磨、洗净后检查两金 属的绝缘情况，再镀0 5pm 厚的薄膜。 大连理工大学硕士学位论文 蒜绒 燕缘 钒管 赣艇 图1 5d b c n d e r s k 5 , 薄膜热电偶 f i g i 5 d b c n d e r s k y t h i n f i l m t h w m o e o u p l e 绝缘 f e 本体 绝缘 n i 图1 6 夹头式薄膜热电偶结构 图1 7b s 一1 ( 镍一铁) 和b s 一2 ( 康铜铁) 薄膜热电偶结构 f i g i 6s t r u c t u r e o f p l y w o o d t h i n f i g 1 7s t r u c t u r e s o f b s - 1 ( n i - f e ) f i l mt h e r m o e o u p l e a n db s 一2 ( c u - n i ) t h i nf i l mt h e r m o c o u p l e 基于磁控溅射技术的薄膜热电偶测温系统 9 0 年代，我国薛晖、李付国等人研制出一种用于锻模瞬态温度测量的b m b i 型便携 式薄膜热电偶凹，选用陶瓷薄片材料作为基体，通过激光加工将陶瓷片制成如图1 8 所示 形状，其中部两孔直径为0 2 r a m ，将由0 2 r a m 标准镍铬镍硅热电偶丝分别嵌入小孔，使 其与小孔达到过渡配合，从金相显微镜下基本看不到间隙。然后在陶瓷片背面用高温无机 胶将热电偶丝固定。经研磨、超声波清洗、红外灯烘烤后，镀0 7 um 厚的薄膜，再镀一 层0 1u i i l 厚的保护膜。 ( 3 ) 热电极材料直接镀在被测表面的薄膜热电偶。由于这种热电偶不用衬架和保护 管，镀层极薄，因此响应速度极快，其时间常数可达微秒级。而且不影响被测表面的温度 分布，是一种理想的表面热电偶。 这种薄膜熟电偶的早期研究工作始于1 9 6 6 年，英国的m a r s h a l l 等人研究了镍、铁、 铜、康铜、镍铬、镍铝等材料的蒸镀膜。尽管这些薄膜热电偶的塞贝克系数不高，但膜厚 超过0 2 5 耻m 以后结果是一致的吲。 在我国，天津大学的刘裕光等在2 5 m i n x8 0 r a m 1 0 m m 医用玻璃基片上镀制镍铬一 镍硅薄膜热电偶。西北工业大学的黄吕权等 2 9 1 在非金属表面上镀制镍铬一镍硅薄膜热电 偶，并用于锻压模和机械制造中磨削时的瞬态温度测量【l “。上海交通大学的陈汉平等阱】直 接将镍铬镍硅薄膜热电偶镀于待测的非金属表面【l “，如图1 9 所示。被测表面是覆盖在 凑 翮 重* 蚰舳a 1 飞 歹 7 i ， ， 67 图1 8b m b - 1 型薄膜热电偶结构 f i g 1 8s t r u c t u r eo f b m b lt h i nf i l mt h e r m o c o u p l e 图1 9 直接镀于被测表面的薄膜热电偶 f i g 1 9 t h i nf i l mt h m n o c o u n ed e p o s i t e dd i r e l y o i lt h es u r f a c et ob em e a s u r e d 大连理工大学硕士学位论文 基体1 上的陶瓷喷涂层2 ，引出导线6 和7 直径为0 5 r a m ，材料分别与两种薄膜相同。用 直径2 m m 的对开圆锥销8 将引出线夹紧后以一定的紧度装进被钡4 工件的销孔中，使引线 定位。引线的一个伸出端与被测表面一起修平，镀膜时热电偶薄膜3 和4 应把引线充分盖 住。圆锥销孔布置得离热电偶测量接点5 足够远，以免影响测点附近温度场的真实性。圆 锥销和工件基体之间加入云母片9 绝缘。 1 2 _ 5 红外辐射测温方法 采用光、热辐射法测量切削温度的原理是：刀具、切屑和工件材料受热时都会产生一 定强度的光、热辐射，且辐射强度随温度升高而加大，因此可通过测量光、热辐射的能量 间接测定切削温度回。但辐射测温法将遇到的主要困难之一是在刀具一切屑及刀具一工件 的接触面上所产生的辐射被遮挡，无法进行通常的测量。 ( 1 ) 辐射温度计法 使用红外辐射温度计可测定刀具或工件表面的温度分布。红外探测器将接收的红外线 转换为电信号，经线性化处理后即可获得相应的温度值。但采用红外辐射高温计只限于测 量刀具或工件外表面某一点的温度。 辐射温度计测温方法的优点是不干扰被测温场，从而具有较高的测量准确度：在理论 上无测最上限，可测量相当高的温度；物体红外辐射的传播速度就是光的速度，所以原则 上测量物体每一点温度所需时间仅受这种仪器本身使用的探测器响应时间的限制，丽探测 器响应时间可达微秒级，故易于快速与动态测量。但由于材料的表面辐射率是一个影响因 素相当复杂的参数，难以直接测得被测对象的实际温度。而且这种测温方法的测温原理及 温度计结构相对复杂，因而价格较高。 ( 2 ) 红外热像仪法f 1 0 1 红外热像仪的基本工作原理是利用了斯蒂芬波尔兹曼定律，即 e = e o 6 4 ( 1 1 ) 式中e 物体辐射单元单位面积的辐射能量( w m 2 ) r 物体辐射单元表面辐射率( 取决于物体表面性厕 口斯蒂芬波尔兹曼常数( o = 5 7 6 x1 0 - 8 w m 2 k 4 ) d 物体辐射单元的表面温度( k ) 红外热像仪利用3 5 6 “m 或8 1 4um 红外波段的扫描来测量物体表面温度分布及 状态，并通过热成像技术给出热辐射体的温度和温度分布值，以及得n - - 维温度分布热像 图。红外热像仪与辐射测温仪相比，只是多一套目标扫描系统和一套目标成像系统( 如图 1 9 中虚线框内所示) 。其基本组成如图1 1 0 所示。 基于磁控溅射技术的薄膜热电偶测温系统 图1 1 0 红外热像仪基本组成框图 f i g i 1 0 b l o c kd i a g r a mo f t h es m l c t u o f t h ei n f t a r c dt h n m o g r a p h 目标扫描系统对被测目标在一定区域内进行扫描，测定该区域的温度及其分布。此光 信号在控制程序作用下分别投向探测器进行光电转换，获得正比于光通量的信号电流。它 经过信号放大电路，将所测得的温度及其分布在显示器上显示出来。经放大后的信号电流 再经电光转换后，在同步信号控制下，由成像扫描系统在示波器或c r t 上显示出正比于 被测对象温度的电子视频信号。红外热像仪测温法具有直观、简便、测温范围宽、准确度 高、响应快、可远距离非接触监测等优点，在恶劣环境下测量物体表面温度时具有较大优 越性。 切削时，红外热像仪通过光机扫描机构探测工件( 或刀具) 表面辐射单元的辐射能量， 并将每个辐射单元的辐射能量转换为电子视频信号，通过对信号进行处理，以可见图像的 形式进行显示，显示的热像图代表被测表面的二维辐射能量场，若辐射单元的表面辐射率 已知，则可通过斯蒂芬波尔兹曼定律求出辐射单元表面的温度分布场及动态变化。虽然 红外热像仪所测温度为相对温度，滞后于实际切削温度，但根据传热反求算法可准确求得 切削过程中工件( 或刀具) 的温度变化规律及动态分布。红外热像仪测温法具有直观、简 便、可远距离非接触监测等优点，在恶劣环境下测量物体表面温度时具有较大优越性。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 溅射薄膜沉积技术简介 本文研制的薄膜热电偶切削温度传感器是将n i c r n i s i 薄膜热电偶镀在w 1 8 c r 4 v 刀 具内，薄膜制作方法有很多种，根据成膜方法的基本原理主要有物理气相沉积( p h y s i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ，简称p v d ) 、化学气相沉积( c h e m i c a lv a p o rd e p o s i t i o n ，简称c v d ) 和离子注入等。其中，物理气相沉积是由真空燕镀法，溅射镀膜法、离子镀法组成。最常 用的物理气相沉积方法是溅射【1 3 1 。 固体材料在一定条件下所发生的溅射和蒸发现象，是所有物理气相沉积制备薄膜技术 的物理基础。其中真空蒸镀法简单易行，沿用己久，被广泛地用于集成电路电极制作、布 线、透镜的滤光片镀膜、金属磁带制作及各种装饰性镀层，同时也发现方法本身有许多难 以克服的缺点，如真空蒸镀膜基结合力差、高熔点或低蒸气压的物质不易蒸镀、制备功能 材料薄膜时物性难以控制、一些与膜结构关系密切的性质再现性差以及膜厚无法精确控制 等。因此人们一直致力于开发各种新的薄膜制备技术。 溅射现象早在一百多年前便被用于制各薄膜，但早年所用的直流溅射法有许多缺点， 如溅射沉积率太低、维持自持溅射放电的气压高等，所以很长时间未能得到应有的发展。 直到上个世纪六十年代，由于高技术兴起对优质功能薄膜的需求，加之相关学科的发展， 使溅射技术重新受到重视并得到不断完善。特别是1 9 7 4 年c h a p h a 发明了平面磁控技术 后，溅射沉积技术进入了快速发展时期14 】” p - 0 。 1 3 1 溅射现象 用带有几十电子伏特以上动能的粒子或粒子束轰击固体表面时，靠近固体表面的原子 就会获得入射粒子所带能量的一部分，当获得的能量足以克服固体表面的束缚能时，这些 原子就会脱离固体从而进入真空，这种现象称为溅射。由于离子易于在电磁场中加速或偏 转，所以荷能粒子一般为离子，这种溅射称为离子溅射。受轰击的固体通常称为靶，从靶 上溅射出的物质大都呈原子状态，也可能有原子团，常称之为溅射原子。 1 3 2 典型的薄膜溅射沉积方法 1 3 , 2 1 直流溅射 直流溅射是最简单的溅射方法，又p q - 极溅射法。常用平行板型电极结构，在真空室 内以欲镀材料为阴极，基片放在阳极上，预抽至高真空后，充入工作气体并维持气压在 1 0 p a 左右：两极间加i 2 k v 直流电压，就会产生电流密度为o 1 5 m 舭m 2 的异常辉光放 电。放电气体中的离子受阴极暗区电位降加速轰击靶表面，溅射粒子沉积在基片表面成 膜。直流溅射的优点是比真空蒸镀的应用范围广，方法简单，可以溅射高熔点、低蒸气压 的元素。但存在下列缺点陋9 1 ： 基于磁控溅射技术的薄膜热电偶测温系统 ( 1 ) 通常仅限于金属或电阻率低于1 0q c m 的非金属靶，若阻高电阻率的半导体、绝 缘体材料作靶则不能维持放电； ( 2 ) 工作气压较高( 1 p a 左右) ，因而真空室内残留的气氛( 0 2 、h 2 0 、n 2 、c 0 2 ) 对 膜层有一定的影响，在制成的薄膜中往往含有较多的气体分子； ( 3 ) 薄膜的生长速率太慢，大约为真空蒸镀的1 1 0 ； ( 4 ) 大量二次电子直接轰击基片，使基片温升过高。 1 3 2 - 2 射频溅射 简单地说，把直流二极溅射装置的直流电源换成射频电源就构成射频溅射装置。采用 射频电源可以对绝缘靶材进行溅射1 6 】。因为在等离子中，电子的运动速度比离子的运动速 度大得多，因而相对于等离子体而言，等离子体近旁的任何物体都将处于负电位。在射频 电压的正半周期，一个开始没有任何电荷积累的电极为跟随电源电位的变化，将接受大量 的电子，并使其自身带有负电荷。在紧接着的负半周期，它又将接受少量的带正电荷但运 动速度较慢的离子，使其所带的负电荷被中和一部分。经过这样的几个周期之后，电极上 将带有一定负电荷而对等离子体呈现出一定的负电位，即在靶上产生一定的负偏压。此负 电位对电子产生排斥作用，使电极在以后电位的变化时所接受的正负电荷数目趋于相等， 形成的自偏压值也趋于稳定。 实际上，在射频溅射中采用了不对称的电极结构，即靶面积大大小于基体和支持架、 屏蔽罩等接地部分的面积，使小面积电极的阴极位降比大面积表面的阴极位降大很多，它 们的关系为： rj 、2 二上：i 二i( 1 2 ) l 式中：4 l 靶面积； a 2 基体及支持架等接地部分面积： m ，硷分别为靶与基体表面的阴极位降。 这种不对称的电极结构大大减弱了正离子轰击基体的能量。同时基体和接地部分大多 数是导电的，带电量很少，面积也大，使轰击基体的正离子能量进一步减弱，因而逆溅射 大大降低【j ”。 为了保护高频发生器和同轴电缆，并增加输入到辉光放电室中的高频功率，同时为了 避免阻抗失配而引起过量的射频辐射对人体的损害，在高频发生器与放电室之间通常使用 电容c 和电感l 组成的匹配网络，有l 型和型两种 1 7 - 1 9 】。 射频溅射绝缘靶材时，绝缘靶两靶面相当于一个电容器c 。如果在射频电源与靶材之 间串接一个1 0 0 - 3 0 0 p f 的电容时，也可以溅射金属靶【”】。 大连理工大学硕士学位论文 l | 3 2 - 3 磁控溅射 以上两种溅射法和蒸镀法均存在沉积速率低、基片温度升高和辐射损伤大等缺点，解 决这些问题的有效方法是采用磁控溅射。磁控溅射又称高速低温溅射【 1 。如上所述，在 溅射沉积过程中，溅射靶附近由辉光放电产生等离子体，等离子体中的离子在溅射偏压的 作用下轰击溅射靶，从而产生溅射粒子；同时，在离子轰击溅射靶时，也会产生大量的二 次电子，这些电子对等离子体的产生和维持非常重要。但磁控溅射不能溅射强磁性材料 p 5 1 。 一般平面磁控溅射靶的磁场布置形式如图1 11 所示。 图1 11 磁控溅射靶材表面的磁场及电子运动轨迹 f i g ，i 11 m o v i n gt r a c ko f t h ee l e c t r o n s a b o v e t h e m a 星硝灯o n 诅t 窘e t 村旌 叨i i i i 皿i ii 凹i i i i 烈i ii唧iiii唧11t1 111 1 图1 1 2 非平衡磁控溅射示意图 f i g 1 1 2 s k e t c hm a po f n o n - b a l a n c em a g n e t r o ns p u t t e d n g 磁控溅射利用了交叉电磁场对二次电子的约束作用。在溅射靶内放置永久磁铁，磁铁 分别放置在靶中心和靶边缘，且极性相反，从而产生平行于靶表面的磁场分量雪，当在磁 控靶上施加垂直于靶表面的电场豆时，溅射产生的二次电子被约束在靶表面附近，沿 豆雪方向做漂移运动，其运动方程式为： 州譬= e 陋+ 剀 ( 1 3 ) 式中8 电子电量 m 电子质量 v 电子运动速度 f 时间 选取直角坐标系使豆和x 轴平行，雪沿z 轴方向。并设旧= e ，俐= b ，由式( 1 3 ) 得 基于磁控溅射技术的薄膜热电偶测温系统 墼=兰(e+bvy)dt m 盟：一三bv，dt，2 1 d r 。：0 出 0 ) ( 6 ) 0 ) 式( 1 4 a