航空エンジン用途向けITO/PtRh薄膜熱電対の高温安定性

概要

薄膜熱電対（TFTC）は航空宇宙推進システムにおける精密非侵襲温度監視を可能にする。アルミナセラミックス上にマグネトロンスパッタリングで作製し、N₂-大気サイクルでアニールしたITO/PtRh:PtRh TFTCを報告。1000℃までの複数サイクルで較正、優れた起電力（EMF）安定性と再現性実証。PtRh酸化形成酸素拡散バリア、ITO粒界ショットキーバリアがキャリア濃度ドリフト抑制。30時間以上過酷環境下動作維持、航空エンジン高温部品温度測定用信頼性センサとして位置づけ。

背景

正確温度データは航空エンジン熱機械モデル検証、運転監視、診断に必須[1-3]。従来線熱電対、赤外カメラ、熱スプレーゲージ比較でTFTCは高速応答、ガス流擾乱最小、被測定面温度分布影響無視可能[4,5]。

高温TFTCはPt-PtRhとIn₂O₃-ITO系で構築[6-9]。しかしこれら薄膜構造は航空エンジン典型800-1000℃域で安定性・再現性課題。Rh酸化でPt-PtRhデバイスドリフト[10,11]、酸素空孔ダイナミクスでIn₂O₃系TFTC出力ドリフト/故障[12,13]。高温アニール、窒素ドープ[14-16]、ナノコンポジット[8]等でITO性能改善も、酸素拡散で熱電出力典型的低下。半導体/金属多層サーモエレメント未報告。

本研究でITO/PtRh複合多層をサーモエレメント導入。スパッタ堆積とN₂-大気アニール後、結果ITO/PtRh:PtRh TFTCの微細構造、抵抗率、高温熱電応答調査。

方法

試料調製

ITO（In₂O₃:SnO₂=90:10、99.99 wt%、100 mm径）とPt-13%Rh（99.99 wt%、100 mm径）ターゲットで、アルミナとSi(100)基板へ7×10⁻⁴ Paチャンバー、110 mmターゲット-基板距離でスパッタ。基板アセトン、エタノール、脱イオン水順次洗浄。ITOとPt-Rh層交互堆積、総厚~1 µm複合膜形成、ITO層≈400 nm、Pt-Rh層≈100 nm。アニール：N₂中1000℃ 5時間、続けて大気中1000℃ 2時間（N₂-大気）[15]。

ITO/PtRh:PtRh TFTC作製

63 mm × 1 mm × 1 µm TFTCを、75 mm × 12 mm × 0.5 mmアルミナ基板上にステンシルマスクでパターニング。N₂-大気アニール後、炉で300-1000℃較正。各セットポイント≥1時間熱平衡待機。標準S型とK型線熱電対でホット（T₁）とコールド（T₂）接合部温度測定、デジタルマルチメータでコールド接合リードEMF記録。

評価

X線回折（XRD）でITO結晶性検査；走査型電子顕微鏡（SEM）で複合膜断面観察；四端子法で膜抵抗率測定。

較正手順

較正セットアップ図1b：循環水槽でホット/コールド接合部間温度勾配形成。T₁, T₂を基準熱電対監視しながらEMF記録。

結果と考察

微細構造と抵抗率

アニール後ITO膜XRD：多結晶立方晶ビクスバイトIn₂O₃ピーク、優先配向なし；SnやSn酸化物ピークなし、固溶体形成確認[17]。

SEM断面（図3）で意図通り~1 µm総厚、ITO層Pt-Rh厚約4倍確認。

抵抗率測定（表2）：堆積時ITO/PtRh複合体は純ITO比1桁導電的。アニール後ITO抵抗率微減（8.52×10⁻²→7.55×10⁻² Ω cm）、緻密化と欠陥減少起因。対照的に複合体抵抗率上昇（1.68×10⁻³→7.61×10⁻³ Ω cm）、アニール中Rh表面酸化で電荷輸送阻害[18]。

熱電性能

静的較正（図4a）でEMFが温度差に非線形増加、複数サイクル1000℃までEMF値ほぼ不変、優れた安定性示す。

図4bにゼーベック係数：ΔT上昇で急増、ITO退化型半導体キャリア濃度温度依存性反映。3サイクル平均ゼーベック係数2.19 µV/℃、従来S/R型熱電対よりやや低値。低下はITO粒界ショットキーバリアがキャリア濃度変動制限、デバイス安定化寄与[21-23]。

EMF-ΔT関係三次多項式フィット（式3）、係数サイクル間ほぼ同一（表3）。フィット曲線デバイス再現性確認。TFTC 1000℃で>30時間機能維持、航空エンジン表面温度監視適合性裏付け。

結論

室温マグネトロンスパッタでアルミナ上ITOとITO/PtRh複合膜堆積、N₂-大気アニールで安定多層ITO/PtRh:PtRh TFTC実現。複合体抵抗率上昇はRh酸化起因、ITO抵抗率微改善は緻密化起因。デバイス高温安定性はPtRh酸化形成酸素拡散バリアとITO粒界ショットキーバリアがキャリア濃度ドリフト抑制起因。平均ゼーベック係数2.19 µV/℃、過酷条件下30時間超寿命で、精密航空エンジン部品温度測定有望センサ。多層戦略は高温アニールや窒素ドープのみに依存せぬITO安定化新アプローチ提示。

略語

EMF

起電力

S

ゼーベック係数

SEM

走査型電子顕微鏡

TFTC

薄膜熱電対

XRD

X線回折