本文发表于 ieee sensors journal 第25卷第8期（2025年4月15日），作者为 nan zhao、yusen wang、congchun zhang、xiangxiang gao、ziyi wang 和 guifu ding，通讯作者为 congchun zhang，作者单位是上海交通大学微米/纳米加工技术国家级重点实验室。这是一篇关于高温薄膜应变计（htfsgs）的综述文章，系统梳理了该领域的发展历程、材料体系、制备工艺、测试方法及未来挑战。

文章首先阐述了高温应变测量在航空航天、核能、汽车、石化和可再生能源等领域的应用背景。在航空航天领域，htfsgs 用于监测航空发动机和燃气轮机等高温部件的应变，为疲劳损伤和变形提供预警；在核能领域，其用于反应堆压力容器和管道等设备的实时应变监测；在汽车工业中，高温传感器应用于内燃机、排气系统和涡轮增压器等部件。传统应变测量方法在高温下面临材料老化、薄膜热膨胀和传感器失效等问题，而 htfsgs 可在高达 1100 ℃ 的环境下稳定工作，且厚度仅为数百纳米，对被测物体的质量和气动性能影响极小。

文章将 htfsgs 按测量原理分为电容式、压电式和压阻式三类。电容式应变传感器通过电极间距或相对位置变化引起电容变化来测量应变，精度高、功耗低，但对温湿度敏感。压电式应变传感器利用石英和钛酸钡等压电材料在受力时产生电荷的原理，适用于高频动态应变测量。压阻式应变传感器通过电阻变化测量应变，具有灵敏度高、误差小和适用性广的特点，是本文重点讨论的对象。理想的应变计应具备两个关键特性：电阻变化主要由应变本身引起，不受温度或时间等因素干扰；在指定温度下保持稳定且可重复的电阻值。

在压阻式应变传感器的基本原理部分，文章详细推导了金属导体应变计的电阻变化公式。对于半导体应变计，电阻率变化与纵向压阻系数（piezoresistive coefficient）、应力和弹性模量相关。衡量 htfsgs 性能的关键参数包括应变因子（gauge factor, gf）、电阻温度系数（temperature coefficient of resistance, tcr）和漂移率（drift rate, dr）。gf 反映传感器对应变的灵敏度，tcr 描述电阻随温度变化的程度，dr 则用于评估传感器在恒定温度下电阻随时间的变化。金属应变计的 gf 约为 2 且 tcr 很低，半导体应变计 gf 较大但固有 tcr 较高。宽禁带半导体由于可在饱和非本征区工作，具有实现温度不敏感电学行为的潜力。

温度补偿方法方面，文章介绍了三种主要途径。第一种是利用正负 tcr 材料的串联补偿，例如将具有显著负 tcr 的 ito（氧化铟锡）与正 tcr 的金属（如 pt）串联，通过调整尺寸参数实现净 tcr 为零。第二种是采用惠斯通电桥（wheatstone bridge）将微小电阻变化转换为电压输出。第三种是在电桥相邻臂连接补偿元件以消除温度引起的电阻变化。此外，还可以采用悬浮薄膜结构，只受温度影响而不受基底热膨胀影响，从而实现温度补偿。

关于应变测试方法，文章介绍了四点弯曲法、悬臂梁法、等应变悬臂梁法和拉伸试件法。四点弯曲法利用线性可变差动变压器测量梁的挠度并计算应变；悬臂梁法通过梁弯曲理论建立外力与应变的关系；等应变悬臂梁通过宽度沿长度变化的设计，使上下表面应变保持均匀；拉伸试件法适用于金属基底，通过试件伸长量计算应变。

在敏感材料原理部分，文章重点介绍了 ito 和 pdcr（钯铬合金）两种材料。ito 是一种透明导电氧化物，晶体结构以体心立方为主，锡以 sn4+ 形式掺杂，引入自由电子从而提高导电性。ito 在高温下会发生氧化还原反应，氧化时氧空位减少、载流子浓度降低、导电性下降；还原时氧空位增加、导电性上升。ito 的压阻效应主要来源于能带结构变形和有效质量各向异性引起的迁移率和载流子浓度变化。一个显著现象是 ito 的 gf 在特定温度范围内会从负值转变为正值，表明其导电机制从 n 型向 p 型转变，这与铟的氧化态从 +2 变为 +3 有关。氮掺杂可以稳定 ito 的多孔结构、抑制晶粒长大和致密化，从而提高高温稳定性。pdcr 合金中 pd 提供优良导电性，cr 提供硬度和抗氧化性。pdcr 在约 400 ℃ 开始氧化，在 600 ℃ 左右 pd 通过晶界扩散至表面，导致更深层 cr 富集区的氧化。保护涂层可作为 pd 和氧的扩散屏障，降低氧化速率和电阻漂移。

文章随后按基底材料分类综述了 htfsgs 的研究进展。在陶瓷基底方面，金属敏感层应变计以 pdcr 为主，通过 al2o3/al 双层保护涂层和 al2o3–zro2/al2o3 异质结构显著提高了循环稳定性和高温下的电阻漂移性能。直写（direct ink writing, diw）技术制备的 agpd 应变计在 600–800 ℃ 范围内表现出良好的稳定性。半导体敏感层方面，ito 薄膜的研究涵盖氧分压调控、厚度优化、pt 掺杂、ag 掺杂和氮掺杂等策略，其中 pt-ito 纳米复合应变计在 500–1100 ℃ 范围内实现近零 tcr，gf 在 800 ℃ 时约为 26.0。在金属基底方面，绝缘层的制备是关键环节，常用材料包括 sio2、al2o3、mgo 和 ysz（氧化钇稳定氧化锆）。多层复合结构如 ysz/al2o3/ysz/al2o3 可将绝缘电阻提升两个数量级。超快高温烧结（ultrafast high-temperature sintering, uhs）技术和共形直写（cdiw）系统也被应用于制备曲面金属基底上的 pt 厚膜应变计。在硅基底方面，n 型多晶硅、ta–n 和 tialnxoy 等薄膜材料通过 mems 工艺制备的应变传感器在高温下表现出良好的稳定性。在玻璃基底和陶瓷基复合材料（ceramic matrix composite, cmc）方面，nicr 薄膜和基于 sic–sic cmc 体压阻特性的应变计也取得了一定进展。

最后，文章总结了未来研究的五个挑战和方向：中间层优化以降低高温下的应变传递损失；探索具有更高 gf 和高温稳定性的新型敏感材料；研究 cmc 等新型基底材料并探索其作为敏感材料的潜力；设计能够在高温环境下读取和处理信号的电路并与无线通信技术集成；研究多物理场耦合效应对 htfsgs 性能的影响。

该综述的价值在于系统梳理了 htfsgs 从材料选择、结构设计、制备工艺到测试方法的完整技术链条，为航空航天、核能和能源等领域的高温应变监测提供了全面的参考基础，并为未来材料创新和传感器集成指明了方向。