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快速响应薄膜温度传感器研制方案报告

发布时间:2019-7-20      发布人:泽天传感      点击:

(一)项目概述

国内外最常用的三种接触式测温元件是热电偶、电阻温度计(RTD)和NTC热敏电阻。热电偶的工作温度范围宽,但易受噪声影响,漂移较高,500℃以下测量精度及稳定性较差。NTC热敏电阻灵敏度高,但稳定性差、线性与互换性差,阻值偏差大。远距离、非接触式测温中用得多的是红外温度传感器,但它受水气、烟雾、尘雾、尘埃等影响较大,这些都不适合环境恶劣的军用传感器性能要求。在低、中温段,以电阻温度计的线性最好,尤其是铂热敏电阻,凭借其上佳的线性和无与伦比的长期稳定性,确立了自己作为温度参考传递国际标准的地位。所以,高精度、高稳定性的军用传感器基本都是采用的铂热电阻温度传感器。

国外对高精度铂热敏电阻的研制主要集中在铂膜热敏电阻上。如瑞典的IRON公司、德国贺利氏(Heraeus)公司、美国霍尼韦尔公司,德国贺利氏的高精度铂热敏膜电阻的代表有L020、L420。国外对高精度产品的开发投入相当大,美国霍尼韦尔公司的固态传感器发展中心每年用于设备投资就达5000万美元,目前拥有包括计算机辅助设计、单晶生长、加工、图形发生器,对步重复照像、自动涂胶和光刻、等离子刻蚀、溅射、扩散、外延、蒸镀、离子注入、化学气相沉积、扫描电镜、封装和屏蔽动态测试等最先进的成套设备和生产线,而且是大约每三年左右就要更新其中大部分仪器设备。

通过先进的薄膜制备技术制作的薄膜铂热敏电阻是新型的高精度温度敏感元件,国外军事上普遍使用。它的主要工作原理是利用铂热敏电阻的阻值随温度变化而变化,并呈一定函数关系的特性来进行测温,这种温敏元件能直接测量-60℃~+600℃范围内的液体、气体介质以及固体表面的温度。如日本产的CRZ铂金薄膜铂热敏电阻芯片就是一个划时代温度传感器发展的产物。这种薄膜铂热敏电阻元件采用的是最先进高科技方法,像激光喷镀,显微照相和平版印刷光刻技术,用陶瓷和铂特制而成,而电阻值则以数字修整方式作出微调,因而能提供最精确的电阻值,产品精度达到了A级和B级。该电阻元件在高温下能够保持优良的稳定性,适合在-50℃~400℃的温度下使用。铂薄膜通过激光喷溅在陶瓷表层,因而铂膜热敏电阻元件具有良好的防振动和防冲击性能,薄膜表面覆盖以陶瓷,因此元件能够承受高电压并有良好的绝缘性。

(二)研究目标

国内铂膜热敏电阻的研究起步较晚,在电阻的准确性、稳定性、线性度等技术性能和可生产性方面,与国外同类型产品还有很大的差距。国内市场上绝大部分的高精度薄膜热电阻传感器都是采用国外的薄膜铂电阻芯体组装而成,如泽天传感所生产的ZTM系列温度传感器,其测试范围为-50℃~4OO℃,但其耐压25MPa。国内市场上绝大部分的高精度铂膜热敏电阻都依赖于进口,这对我国工业技术与国防事业的发展都很不利。本项目的研究目标是:通过对离子束溅射镀膜、离子束刻蚀、高压高导热封装等工艺技术进行研究,制造新型的高稳定、高精度铂膜热敏电阻传感器,打破国外技术的封锁,满足高速飞机中液压系统中机油温度的快速测试需求,为我国军事装备的运用提供保障。

1、向用户提交鉴定样品2只。

2、向用户提供产品20只。

3、形成完整的研制报告和工艺技术文件,固化生产工艺。

(三)技术指标

传感器主要技术指标如下:1、测量温度范围:-50~+300℃;2、贮存温度范围:-50~+400℃;3、外壳耐压力:25MPa;4、响应时间:τ0.5小于1秒;5、阻值系列(0℃):100Ω;500Ω;1000Ω;2000Ω;6、温度系数: 3850 PPM/℃;7、芯片电阻允许偏差: ClassC:±0.24%;ClassD:±0.48%;8、抗振动:10~2000Hz,40g;9、抗冲击:100g ,8ms,半正弦波;10、绝缘电阻:100MΩ;11、芯片外形尺寸:2×10×0.65mm3

(四)研究内容

1、铂膜版图的设计;2、离子束溅射铂电阻膜的工艺研究;3、薄膜铂电阻的热处理工艺研究;4、传感器基底及热保护管材料的研制。

拟采取的研究技术路线及关键技术难点

(一)技术路线

铂热敏电阻的制作工艺一般采用的是丝式、箔式、厚膜式,薄膜铂热敏电阻还很少。丝式铂热敏电阻是在平板形式支架用直径为0.03~0.07mm纯铂丝绕制而成,虽然精度高,但具有抗振动和抗冲击性能差,可靠性低的缺点,并且体积大,不利于向微型化方向发展。箔式铂热敏电阻虽然抗振动冲击性能有所改善,但具有耐湿性差,绝缘性能低的缺点。铂膜热敏电阻的优点主要体现在:稳定性好,抗振动,抗冲击;体积小,重量轻,便于微型化;精度高,寿命长。金属铂热敏电阻器是利用一铂电阻随温度而变化的特性来测温的。铂电阻具有高的稳定性,制成标准电阻系列可以和仪表或电路接口直接连接,实现对温度的自动测量、控制和调节,应用广泛,成为中、低温测量不可缺少的温度敏感元件之一。

铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示:在0~600℃温度范围内Rt= R0(1+At+Bt2)…………………………………(1)

在-190℃~0℃温度范围内 Rt= R0(1+At+Bt2+C(t-100))t3 ……………………(2)

式中R0,Rt 分别是0℃和℃时的电阻值;A —常数(3.96847×10-3/℃);B —常数(-5.847×10-7/℃);C —常数(-4.22×10-12/℃);

金属铂电阻的阻值随温度的变化关系,在一定的温区内,电阻阻值的变化量与温度基本呈线性。

本项目将利用金属铂的这种热电阻制作成薄膜热敏电阻。该薄膜热敏电阻溅镀在基底材料上,基底材料可以是金属材料或者陶瓷。在基底材料上先镀一层性能优良的绝缘膜,再在其上制作电阻膜。功能薄膜的分布图第一层是基底材料,上面依次是绝缘膜、电阻膜、保护膜、引线膜。

铂膜热敏电阻的温度测量原理是:热能-铂膜电阻值变化。

电阻器封装采用耐温材料,芯片与封装体之间的电气连接采用金丝球焊件。热敏电阻一般选用陶瓷作为基底材料,由于本产品要求快速响应,采用导热性好的金属材料作基底,经抛光后,在基底材料上沉积一层绝缘膜,然后在绝缘层上溅射铂电阻膜,经离子束刻蚀成栅条电阻,再在电阻膜层上溅射一层保护绝缘膜。每片基片上可制造10-20支电阻器,芯片制造工艺完成后再进行切片,内引线,封装,检测。

(二)关键技术难点

1、铂热电阻膜工艺研究

铂电阻温度系数线性好,阻值稳定,适合制作高精度的薄膜热电阻。每种材料的溅射速率是不一样的,而且不同的溅射能量参数下,所获得的薄膜的性能也有差异,所以,镀不同材质的膜层时,所需的溅射能量参数不一样。要获得均匀、致密、性能优异的薄膜,必须对不同膜层的工艺参数进行工艺研究。

对电阻膜性能的要求,主要集中在多厚的膜的材质最接近于体材的材质,有着稳定的温度性能与电阻性能。从理论上分析,电阻膜的各项性能在工艺上主要受溅射靶材的性能、成膜的过程、成膜的厚度、电阻膜的栅条形状及分布、薄膜的热处理工艺等影响。为了保证膜层的均匀一致性,保证工艺的可重复性,必须对薄膜电阻的形状、厚度和成膜速率进行研究。

薄膜厚度不一样,成膜的结晶过程不一样,膜层的性能也就有差别。厚度太薄的膜,由于其缺陷多,稳定性差,工艺可控性不强,对传感器的性能、制作工艺不利,适当提高薄膜的厚度,使其性能更接近于体材,有利于产品稳定性的提高和工艺中的控制。膜厚达到一定程度,溅射材料成分的细微变化、膜层杂质、光刻腐蚀过程中的差异等对电阻阻值的影响就会减小,这些都有利于薄膜电阻温度系数的一致性与阻值的均匀性。通过大量的工艺实验研究,找到最佳镀膜参数与镀膜时间,确定薄膜厚度,可以获得高性能的电阻膜。

2、激光调阻技术研究

激光调阻技术是采用激光束对多层薄膜的中间层铂膜电阻条阻值进行精确修正,使阻值精确符合100Ω,500Ω等标准系列。预先在薄膜电阻版图上设计激光调阻区,在镀膜完成后,利用激光束的能量,对铂电阻进行熔断或切削。主要研究内容包括:激光束能量的大小、束径控制、定位系统和阻值精密监测系统。

3、封装

研究解决耐高压的高导热的材料(如玻璃钢)问题,研究封装方法。本文源自泽天传感,版权所有,转载请保留出处。