Hochtemperaturstabilität von ITO/PtRh-Dünnschicht-Thermoelementen für Aeroengine-Anwendungen

Zusammenfassung

Dünnschicht-Thermoelemente (TFTCs) ermöglichen präzise, nicht-intrusive Temperaturüberwachung in Luft- und Raumfahrtantriebssystemen. Wir berichten über ein ITO/PtRh:PtRh TFTC, hergestellt auf Alumina-Keramik via Magnetronsputtern und nachgeglüht in einem N₂-Luft-Zyklus. Das Gerät wurde durch mehrere Zyklen bis 1.000 °C kalibriert und demonstrierte außergewöhnliche EMF-Stabilität und Wiederholbarkeit. Sauerstoffdiffusionsbarrieren, gebildet durch PtRh-Oxidation, gekoppelt mit Schottky-Barrieren an ITO-Korngrenzen, unterdrücken Ladungsträgerkonzentrationsdrift. Das TFTC hält >30 h in rauen Umgebungen durch und positioniert sich als zuverlässiger Sensor für Heißkomponenten-Temperaturmessung in Aeroengines.

Hintergrund

Genaue Temperaturdaten sind essenziell für Validierung aeroengine-thermomechanischer Modelle, Überwachung Betriebsbedingungen und Diagnostik. Im Vergleich zu konventionellen Drahtthermoelementen, Infrarotkameras oder thermischen Spritzsensoren bieten TFTCs schnelles Ansprechverhalten, minimale Gasstromstörung und vernachlässigbaren Einfluss auf die gemessene Oberflächentemperaturverteilung.

Hochtemperatur-TFTCs wurden aus Pt-PtRh und In₂O₃-ITO Systemen konstruiert. Diese Dünnschichtarchitekturen leiden jedoch oft unter Stabilitäts- und Wiederholbarkeitsproblemen im 800–1.000 °C-Bereich, typisch für Aeroengines. Rhodium-Oxidation verursacht Drift in Pt-PtRh-Geräten, während Sauerstoff-Vakanzen-Dynamik zu Output-Drift oder Versagen in In₂O₃-basierten TFTCs führt. Verschiedene Strategien – Hochtemperatur-Glühen, Stickstoffdotierung oder Nanokomposit-Ansätze – verbesserten ITO-Leistung, doch der thermoelektrische Output nimmt typischerweise durch Sauerstoffdiffusion ab. Ein Halbleiter/Metall-Multilayer-Thermoelement wurde bisher nicht berichtet.

In dieser Arbeit führen wir einen ITO/PtRh-Komposit-Multilayer als Thermoelement ein. Nach Sputterabscheidung und N₂-Luft-Glühen untersuchen wir Mikrostruktur, Widerstandsfähigkeit und hochtemperatur-thermoelektrisches Ansprechverhalten des resultierenden ITO/PtRh:PtRh TFTC.

Methoden

Probenpräparation

ITO (In₂O₃:SnO₂ = 90:10, 99,99 Gew.%, 100 mm Durchmesser) und Pt-13 %Rh (99,99 Gew.%, 100 mm Durchmesser) Targets wurden auf Alumina und Si(100) Substrate in einer 7 × 10⁻⁴ Pa Kammer bei 110 mm Target-Substrat-Abstand gesputtert. Substrate wurden sequentiell mit Aceton, Ethanol und deionisiertem Wasser gereinigt. Abwechselnde Abscheidung von ITO und Pt-Rh Schichten erzeugte einen ~1 µm dicken Kompositfilm, mit ITO-Schicht ≈400 nm und Pt-Rh-Schicht ≈100 nm. Nachglühen umfasste 5 h bei 1.000 °C in N₂ gefolgt von 2 h bei 1.000 °C in Luft (N₂-Luft).

ITO/PtRh:PtRh TFTC Fertigung

Der 63 mm × 1 mm × 1 µm TFTC wurde auf einem 75 mm × 12 mm × 0,5 mm Alumina-Substrat mittels Schablonenmasken strukturiert. Nach N₂-Luft-Glühen wurde das Gerät in einem Ofen von 300 bis 1.000 °C kalibriert. Jeder Sollwert wurde ≥1 h gehalten für thermisches Gleichgewicht. Standard S- und K-Typ Drahtthermoelemente maßen Heiß- (T₁) und Kaltstellen- (T₂) Temperaturen; ein digitales Multimeter zeichnete die EMF vom Kaltstellenleiter auf.

Charakterisierung

Röntgenbeugung (XRD) untersuchte die ITO-Kristallinität; Rasterelektronenmikroskopie (SEM) enthüllte den Querschnitt des Kompositfilms; Vier-Punkt-Messung bestimmte den Filmwiderstand.

Kalibrierverfahren

Der Kalibrieraufbau ist in Abbildung 1b illustriert: ein Umlaufwasserbad erzeugt einen Temperaturgradienten zwischen Heiß- und Kaltstelle. EMF wird aufgezeichnet während T₁ und T₂ mit Referenzthermoelementen überwacht werden.

Ergebnisse und Diskussion

Mikrostruktur und Widerstandsfähigkeit

XRD des geglühten ITO-Films zeigt polykristalline kubische Bixbyit-In₂O₃-Peaks ohne bevorzugte Orientierung; keine Sn- oder Sn-Oxid-Peaks erscheinen, was Festkörperlösungsbildung bestätigt.

SEM-Querschnitte (Abbildung 3) bestätigen die beabsichtigte ~1 µm Gesamtdicke, mit ITO-Schicht etwa viermal so dick wie Pt-Rh.

Widerstandsmessungen (Tabelle 2) zeigen, dass der as-abgeschiedene ITO/PtRh-Komposit um eine Größenordnung leitfähiger ist als reines ITO. Nachglühen reduziert ITO-Widerstand leicht (8,52 × 10⁻² Ω cm → 7,55 × 10⁻² Ω cm), wahrscheinlich durch Densifizierung und Defektreduktion. Umgekehrt steigt der Kompositwiderstand (1,68 × 10⁻³ Ω cm → 7,61 × 10⁻³ Ω cm), da Oberflächen-Rh-Oxidation während des Glühens den Ladungstransport behindert.

Thermoelektrische Leistung

Statische Kalibrierung (Abbildung 4a) zeigt einen nichtlinearen EMF-Anstieg mit Temperaturdifferenz, doch EMF-Werte bleiben über mehrere Zyklen bis 1.000 °C praktisch unverändert, was überlegene Stabilität anzeigt.

Abbildung 4b zeigt Seebeck-Koeffizienten, die mit ΔT rasant ansteigen, reflektierend die temperaturabhängige Trägerkonzentration in degeneriertem ITO. Der durchschnittliche Seebeck-Koeffizient über drei Zyklen beträgt 2,19 µV/°C, leicht niedriger als konventionelle S- oder R-Typ Thermoelemente. Diese Reduktion wird Schottky-Barrieren an ITO-Korngrenzen zugeschrieben, die Trägerkonzentrationsvariationen limitieren und das Gerät stabilisieren.

Die EMF-ΔT-Beziehung folgt einem Polynom dritter Ordnung (Gleichung 3), mit Koeffizienten, die über Zyklen nahezu identisch sind (Tabelle 3). Die angepassten Kurven bestätigen die Wiederholbarkeit des Geräts. Das TFTC bleibt >30 h bei 1.000 °C funktionsfähig, was seine Eignung für Aeroengine-Oberflächentemperaturüberwachung unterstreicht.

Schlussfolgerungen

Wir haben erfolgreich ITO und ITO/PtRh-Kompositfilme auf Alumina via Raumtemperatur-Magnetronsputtern abgeschieden und nach N₂-Luft-Glühen ein stabiles, mehrlagiges ITO/PtRh:PtRh TFTC erreicht. Der Widerstandsanstieg des Komposits beim Glühen wird Rh-Oxidation zugeschrieben, während der ITO-Widerstand durch Densifizierung leicht verbessert wird. Die Hochtemperaturstabilität des Geräts resultiert aus Sauerstoffdiffusionsbarrieren durch PtRh-Oxidation und Schottky-Barrieren an ITO-Korngrenzen, die Trägerkonzentrationsdrift unterdrücken. Mit einem durchschnittlichen Seebeck-Koeffizienten von 2,19 µV/°C und einer Lebensdauer >30 h unter rauen Bedingungen ist dieses TFTC ein vielversprechender Sensor für präzise Aeroengine-Komponententemperaturmessung. Die Multilayer-Strategie bietet einen neuen Weg zur ITO-Stabilisierung ohne ausschließliche Abhängigkeit von Hochtemperatur-Glühen oder Stickstoffdotierung.

Abkürzungen

EMF

Elektromotorische Kraft

S

Seebeck-Koeffizient

SEM

Rasterelektronenmikroskopie

TFTC

Dünnschicht-Thermoelement

XRD

Röntgenbeugung