新型薄膜式热电偶切削温度测量传感器

　　1　传感器的结构设计

　　薄膜热电偶的测温原理为热电效应(或塞贝克效应):当两种不同的金属组成的闭合回路两端存在温差时,在回路中产生热电势。

　　由测温的基本原理,首先根据刀片参数设计刀头的整体外形及分割面,用线切割机分别切出上下两个刀片,刀片尾部呈阶梯状以利于刀片的定位。在两接触面镀一层SiO₂绝缘膜后,利用掩膜在上半部镀合金膜:NiCr膜、NiSi膜。两合金膜即热电偶的两极在刀尖处形成0·8 mm×3 mm的接点,另一端通过镍铬、镍硅丝引出与信号放大器相接。薄膜热电偶刀头结构如图1,其优点是测温传感器集成在刀头内,既能切削,又能测温;上下两部分刀片通过耐高温高强度胶粘合后,刀片切削刃强度和寿命与整体型刀头相差不大。

　　2　薄膜热电偶的制作

　　2.1　SiO₂绝缘膜的制作

　　SiO₂膜具有硬度高、耐磨性好、绝缘性能好、膜层牢固等特点,是一种重要的介质膜^[1]。镀膜工艺选择微波ECR等离子体增强磁控溅射技术,该方法具有工作气体的电离率高、溅射气压低、产生等离子体的离子能量低、对基片损伤小等优点。

　　成膜设备为全方位ECR离子注入机。射频电源为SY型500 W射频功率源,频率13·56 MHz,磁场强度B为8·75×10^-2T.微波功率850 W,频率2·45GHz.靶是纯度为99·99%的硅靶,直径68 mm.靶与基片的距离为100 mm.基片(刀片)经过严格的打磨抛光,用丙酮超声波清洗去油,去离子水漂洗烘干后放入真空室的载物台。开启机械泵粗抽真空至17 Pa时启动TurboMolecularPump PowerSupply型分子泵,本底真空度要求低于5×10^-3Pa,溅射时按一定比例通入纯度为99·99%的氧气和纯度为99·99%的氩气,氧气为反应气体,溅射气压为0·1 Pa左右。基片温度低于100℃.溅射时间为3 h,膜厚约为2μm.镀膜结束后工件随真空室冷却2 h后取出。

　　2.2　合金膜的制作

　　离子镀是一种将真空蒸镀与溅射沉积结合起来的镀膜方法,具有膜层的附着力强、绕射性好、可镀材料广泛等优点^[2]。

　　首先设计并加工掩模,每种刀具对应NiCr膜和NiSi膜。材料为不锈钢,打磨抛光后备用。镀膜设备为MIP-8多弧离子镀膜机。电弧蒸发电源型号为ZXG-160,采用机械触发方式引燃真空电弧,弧流控制在40~50 A的范围内。靶为同标准K型热电偶成分一致的NiCr靶和NiSi靶,直径56 mm.首先装上NiCr靶,刀片的上半部和对应的掩模经超声波严格清洗后烘干,用夹具将掩模和刀片固定,放在载物台上。依次开启机械泵、罗茨泵、扩散泵抽真空,本底真空度低于6×10^-3Pa,通入氩气,真空度维持在1 Pa左右。镀膜时间为1 h,膜厚约为1·5μm.冷却取出后,换NiSi靶,用同样的方法镀另一种热电偶膜。两热电偶膜在刀尖处形成0·8 mm×3 mm的接点。