Stabilitas Suhu Tinggi Termokopel Tipis ITO/PtRh untuk Aplikasi Mesin Penerbang

Abstrak

Termokopel tipis (TFTC) memungkinkan pemantauan suhu yang akurat dan non-intrusif dalam sistem propulsif penerbangan. Kami melaporkan TFTC ITO/PtRh:PtRh, yang dibuat pada keramik alumina melalui sputtering magnetron dan dianil afterward dalam siklus N₂-udara. Perangtokal kalibrasi melalui beberapa siklus hingga 1.000 °C, menunjukkan stabilitas EMF dan repeatabilitas yang luar biasa. Hambatan difusi oksigen yang dibentuk oleh oksidasi PtRh, bersama dengan hambatan Schottky pada batas butiran ITO, menekan drift konsentrasi pembawa. TFTC tetap beroperasi lebih dari 30 jam dalam lingkungan yang keras, memosisikannya sebagai sensor yang andal untuk pengukuran suhu komponen panas mesin penerbang.

Latar Belakang

Data suhu yang akurat esensial untuk memvalidasi model termo-mekanik mesin penerbang, memantau kondisi operasional, dan melakukan diagnostik. Dibandingkan dengan termokopel konvensional, kamera inframerah, atau gauges thermal spray, TFTC menawarkan respons cepat, gangguan aliran gas minimal, dan pengaruh yang dapat diabaikan pada distribusi suhu permukaan yang diukur.

TFTC suhu tinggi telah dibuat dari sistem Pt-PtRh dan In₂O₃-ITO. Namun, arsitektur tipis ini sering menderita masalah stabilitas dan repeatabilitas pada rentang 800–1.000 °C yang umum pada mesin penerbang. Oksidasi rodium menyebabkan drift dalam perangtokal Pt-PtRh, sementara dinamika kosong oksigen mengarah pada drift output atau kegagalan dalam TFTC berbasis In₂O₃. Berbagai strategi—pemanasan suhu tinggi, doping nitrogen, atau pendekatan nanokomposit—telah meningkatkan performa ITO, namun output termoelektrik umumnya menurun karena difusi oksigen. Sebuah termoelement multilayer semiconductor/logam belum pernah dilaporkan.

Dalam pekerjaan ini kami memperkenalkan termoelement multilayer komposit ITO/PtRh. Setelah deposisi sputtering dan anil N₂-udara, kami meneliti mikrostruktur, resistivitas, dan respons termoelektrik suhu tinggi dari TFTC ITO/PtRh:PtRh yang dihasilkan.

Metode

Persiapan Sampel

Target ITO (In₂O₃:SnO₂ = 90:10, 99,99 wt%, diameter 100 mm) dan Pt-13 %Rh (99,99 wt%, diameter 100 mm) di-sputter pada substrat alumina dan Si(100) dalam kamber 7 × 10⁻⁴ Pa pada jarak target-substrat 110 mm. Substrat dibersihkan berurutan dengan aseton, etanol, dan air deionis. Deposisi bertukar lapisan ITO dan Pt-Rh menghasilkan film komposit tebal ~1 µm, dengan lapisan ITO sekitar 400 nm dan lapisan Pt-Rh sekitar 100 nm. Anil melibatkan 5 jam pada 1.000 °C di dalam N₂ diikuti oleh 2 jam pada 1.000 °C di dalam udara (N₂-Udara).

Pembuatan TFTC ITO/PtRh:PtRh

TFTC berukuran 63 mm × 1 mm × 1 µm diatur pada substrat alumina berukuran 75 mm × 12 mm × 0,5 mm menggunakan masker stensil. Setelah anil N₂-Udara, perangtokal kalibrasi dalam pemanas dari 300 hingga 1.000 °C. Setiap titik setpoint dipertahankan ≥1 jam untuk mencapai kesetimbangan termal. Termokopel kawat tipe S dan K standar mengukur suhu junti panas (T₁) dan junti dingin (T₂); multimeter digital mencatat EMF dari kawat junti dingin.

Karakterisasi

Difraksi X-ray (XRF) memeriksa kristalinitas ITO; mikroskopi elektron pemindaian (SEM) mengungkapkan penampang silang film komposit; uji empat titik mengukur resistivitas film.

Prosedur Kalibrasi

Pengaturan kalibrasi diilustrasikan dalam Gambar 1b: pemandian air melingkar menciptakan gradien suhu antara junti panas dan dingin. EMF dicatat saat T₁ dan T₂ dipantau dengan termokopel referensi.

Hasil dan Diskusi

Mikrostruktur dan Resistivitas

XRD dari film ITO yang dianil menunjukkan puncak bixbyite In₂O₃ kubik polikristal tanpa orientasi yang diinginkan; tidak ada puncak Sn atau oksida Sn yang muncul, mengonfirmasi pembentukan larutan padat.

Penampang silang SEM (Gambar 3) mengonfirmasi ketebalan total sekitar 1 µm yang diinginkan, dengan lapisan ITO sekitar empat kali ketebalan Pt-Rh.

Pengukuran resistivitas (Tabel 2) mengungkapkan bahwa komposit ITO/PtRh yang baru ditaburi satu urutan magnetis lebih konduktif daripada ITO murni. Anil mengurangi resistivitas ITO sedikit (8,52 × 10⁻² Ω cm → 7,55 × 10⁻² Ω cm), kemungkinan karena pemadatan dan pengurangan defek. Sebaliknya, resistivitas komposit naik (1,68 × 10⁻³ Ω cm → 7,61 × 10⁻³ Ω cm) karena oksidasi Rh permukaan selama anil menghambat transportasi muatan.

Performa Termoelektrik

Kalibrasi statis (Gambar 4a) menunjukkan peningkatan non-linier EMF dengan selisih suhu, namun nilai EMF tetap hampir sama di seluruh beberapa siklus hingga 1.000 °C, menunjukkan stabilitas yang unggul.

Gambar 4b menampilkan koefisien Seebeck yang naik cepat dengan ΔT, mencerminkan konsentrasi pembawa yang bergantung pada suhu dalam ITO degeneratif. Rata-rata koefisien Seebeck selama tiga siklus adalah 2,19 µV/°C, sedikit lebih rendah daripada termokopel tipe S atau R konvensional. Pengurangan ini disebabkan oleh hambatan Schottky pada batas butiran ITO, yang membatasi variasi konsentrasi pembawa dan menstabilkan perangtokal.

Hubungan EMF-ΔT cocok dengan polinomial orde ketiga (Persamaan 3), dengan koefisien hampir sama di seluruh siklus (Tabel 3). Kurva yang sesuai mengonfirmasi repeatabilitas perangtokal. TFTC tetap berfungsi lebih dari 30 jam pada 1.000 °C, menekankan kesesuaiannya untuk pemantauan suhu permukaan mesin penerbang.

Kesimpulan

Kami berhasil menaburi film ITO dan komposit ITO/PtRh pada alumina melalui sputtering magnetron suhu kamar dan mencapai TFTC multilayer ITO/PtRh:PtRh yang stabil setelah anil N₂-udara. Peningkatan resistivitas komposit setelah anil disebabkan oleh oksidasi Rh, sementara resistivitas ITO sedikit membaik karena pemadatan. Stabilitas suhu tinggi perangtokal berasal dari hambatan difusi oksigen yang dibentuk oleh oksidasi PtRh dan hambatan Schottky pada batas butiran ITO, yang menekan drift konsentrasi pembawa. Dengan koefisien Seebeck rata-rata 2,19 µV/°C dan umur lebih dari 30 jam di dalam kondisi yang keras, TFTC ini adalah sensor yang menjanjikan untuk pengukuran suhu komponen mesin penerbang yang presisi. Strategi multilayer menawarkan jalan baru untuk meningkatkan stabilitas ITO tanpa bergantung sepenuhnya pada pemanasan suhu tinggi atau doping nitrogen.

Singkatan

EMF

Gaya gerak listrik

S

Koefisien Seebeck

SEM

Mikroskopi elektron pemindaian

TFTC

Termokopel tipis

XRD

Difraksi X-ray