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西安交通大学王猛/张仲恺/田边：Al2O3及YSZ掺杂In2O3多层异质薄膜热电偶在1850℃下的性能评估和校正

已有 756 次阅读 2025-6-17 08:43 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Wang M, Zhang Z, Lei J, et al. Performance evaluation and correction of Al₂O₃ and YSZ-doped In₂O₃/In₂O₃ multilayer heterogeneous thin-film thermocouples up to 1850 °C. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(5): 9221071. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221071

文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221071

ResearchGate： https://www.researchgate.net/publication/390392813_Performance_evaluation_and_correction_of_Al2O3_and_YSZ-doped_In2O3In2O3_multilayer_heterogeneous_thin-film_thermocouples_up_to_1850_C

1、导读

本研究面向航空发动机1800℃超高温测温需求，开发了一种YSZ掺杂改性的In₂O₃基薄膜热电偶传感器。基于热电偶原理，通过第一性原理计算和有限元仿真建立In₂O₃(YSZ)/In₂O₃材料体系模型，优化YSZ掺杂浓度与热电性能构效关系，采用丝网印刷工艺制备样品，系统表征了YSZ掺杂对材料微观结构和高温稳定性的影响规律，并创新性地提出CNN-LSTM-Attention混合神经网络模型，实现热电信号的动态补偿与漂移校正。实验表明，该传感器在1800℃下具有优异的稳定性和动态响应，经神经网络补偿后测量精度显著提高，为超高温环境监测提供了有效解决方案。

图1 文章图片摘要

2、研究背景

新一代航空发动机燃烧室温度突破1800℃，要在极端环境中保持高效、稳定的运行，对高温关键部件的温度监控至关重要，传统高温传感器无法满足超高温测量需求。当前广泛研究的薄膜热电偶是解决其测温问题的可行方案之一。如NASA、NIST、西门子等机构采用WRe26-In₂O₃、In₂O₃/ITO、Pt- Rh10/Pt、LSCO、NiCr-NiSi等作为薄膜热电偶敏感层材料，已实现其最高测量温度为1500℃，然而，在更高温域（≥1800℃）的长期热循环工况下，现有材料体系普遍存在热稳定性不足、界面扩散加剧等失效机制，严重制约了其工程应用。因此，开发具有更高热稳定性和抗氧化性能的新型功能材料体系，突破薄膜热电偶在超高温环境下的长时服役瓶颈，已成为当前高温传感领域亟待解决的关键科学问题。

3、文章亮点

(1) 将YSZ材料与In₂O₃掺杂制备热电偶，并探究掺杂比例对In₂O₃ (YSZ)薄膜的影响，所制备的In₂O₃ (YSZ)/ In₂O₃高温薄膜热电偶传感器测温上限为1850℃，性能指标尤其是测温上限在目前文献中为最高水平，可在无需水冷气冷或特殊热防护环境中长时间使用，展现出优异的工程应用潜力。

(2) 使用神经网络技术对薄膜热电偶进行重复性误差补偿，使其重复性提升至99.50%，满量程误差为±0.73%FS；

4、研究结果及结论

（1）本研究提出了一种基于YSZ（氧化钇稳定氧化锆）材料掺杂的超高温薄膜热电偶温度传感器。通过在In₂O₃中掺杂适当比例的YSZ，显著提升了材料的高温稳定性和热电性能。实验测试结果表明，该薄膜热电偶的最大工作温度可达1850℃，展现了优异的高温测量性能，为高温环境下的精确温度测量提供了一种新的解决方案。

图2 传感器静态测试数据

（2）通过CNN-LSTM-Attention神经网络对传感器重复性误差进行补偿，可将重复性提高到99.53%。进一步地，将补偿后所测得的温度数据与B型标准热电偶对比，经计算可得补偿后薄膜热电偶满量程误差为±0.73%FS，这一结果充分验证了补偿方法的有效性与可靠性。

图3 基于神经网络算法的薄膜热电偶性能曲线

5、作者及研究团队简介

王猛（第一作者），西安交通大学机械工程学院在读博士生，主要从事高温温度/应变传感器相关研究。

张仲恺（通讯作者），西安交通大学副研究员，全国工业热标委会委员，主要研究方向为高温传感关键技术。作为项目负责人主持重点研发计划、面上项目等多项。已授权国家发明专利23项，软美国专利3项，国防专利3项。

个人主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhangzhongkai

田边（通讯作者），西安交通大学教授，机械工程学院精密工程研究所副所长。长期致力于航空航天等领域的超高温温度和特种压阻式MEMS传感器研究，主持两机专项、重点研发计划等项目多项，获得国家技术发明二等奖1项、陕西省科学技术一等奖1项。

个人主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/t.b12/%E4%B8%AD%E6%96%87%EF%BC%88chinese%EF%BC%891

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇；2024年6月发布的影响因子为18.6，连续4年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，该刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。