基于磁控溅射的pt膜温度传感器设计

传感器工艺制作基于磁控溅射工艺的pt膜温度传感器设计学校：哈尔滨理工大学专业：测控技术与仪器姓名：王琳学号：0905010703指导老师：冯侨华目录一、铂膜温度传感器11.工作原理12.技术指标23.热响应时间24.铂电阻绝缘电阻25.铂电阻允许通过电流26.铂电阻温度传感器的分类2二、薄膜温度传感器的开展及应用3三、材料及结构5四、铂薄膜温度传感器工作原理61.二线式测量72.四线式测量7五、工艺及工艺参数对薄膜特性的影响81.工作压力对薄膜电阻的影响102.靶功率对薄膜电阻的影响113.靶基距对薄膜电阻的影响114.退火对样片电阻的影响12六、设计小结13参考文献13铂膜温度传感器铂膜温度传感器具有精度高，稳定性好，可靠性强，产品寿命长等优点，适用于工业自动化测量和各种实验仪器仪表。工作原理铂膜温度传感器是利用金属铂在温度变化时自身电阻值也随之改变的特性来测量温度的，显示仪表将会指示出铂膜的电阻值所对应的温度值。当被测介质中存在温度梯度时，所测的温度为感温元件所在范围内介质层中平均温度。技术指标铂膜温度传感器的技术指标见表1。表1铂电阻的技术指标热响应时间在温度出现阶跃变化时，铂电阻的输出变化至量程变化50%所需要的时间成为热响应时间，用τ0.5表示。铂电阻绝缘电阻常温绝缘电阻的试验电压可取直流10～100V任意值，环境温度在15～35℃范围内，相对湿度应不大于80%，常温绝缘电阻值应大于100M。铂电阻允许通过电流通过铂电阻的测量电流最大不应超过1mA。铂电阻温度传感器的分类铂电阻温度传感器可分为：铂电阻温度传感器(I)和铂电阻温度传感器(II)，其中铂电阻温度传感器(I)为行业专用型温度传感器，铂电阻温度传感(II)为通用型温度传感器。铂电阻温度传感器(II)为又分为装配式铂电阻和铠装铂电阻两种。(1)装配式热电阻：装配式铂电阻是由感温元件、不锈钢外保护管、接线盒以及各种用途的固定装置组成，有双支和单支元件两种规格，双支铂电阻可以同时输出两种相同的电阻信号供使用，安装固定装置有固定螺纹、活动法兰盘、固定安装法兰盘和带固定螺栓锥形保护管装置等形式。(2)铠装热电阻：铠装铂电阻外保护套管采用不锈钢，内充高密度氧化物绝缘体，具有很强的抗污染性能和优良的机械强度，铠装铂电阻比装配式铂电阻直径小、易弯曲、抗震性好、热响应快、使用寿命长等优点，适宜安装在装配式铂电阻无法安装的场合。薄膜温度传感器的开展及应用目前，国际上新型温度传感器正从模拟式想数字式、集成化向智能化及网络化的方向开展。温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为两大类：一类是接触式温度传感器，一类是非接触式温度传感器。接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理到达热平衡。这种测温方法精度比拟高，并可测量物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比拟小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很大的误差。非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测稳方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比拟大21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及平安性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速开展在日常生活中，温度传感器有着广泛的应用。随着生活品质的提高，人们乐意去享受生活。温度传感器也带给给人们一种不同的生活体验。现在卫生间根本上都做在室内，有的甚至是在房间里，但是为防止不必要的浪费现在的卫生间一般都非常小，一般就几平米。所有透气效果很不好，虽然大局部卫生间都有排风扇，但是现在主要还是依赖人工操作，如何自动开关排风扇以及如何自动调节卫生间内的温湿度呢?这就需要利用到传感器。温湿度传感器将是人们感知室内温度变化的重要帮手。如果在卫生间里安装气体传感器和温湿度传感器就能解决上述所说的问题。将气体传感器和湿度传感器与排风扇相连，当卫生间内气体浓度和湿度浓度大于一定值的时候就自动的翻开排风扇，从而降低卫生间内的异味气体浓度和湿度，当降低到一定的时候，气体传感器和湿度传感器就能给排风扇一个信号，从而自动关闭排风扇。这样就能确保卫生间内的气体浓度和湿度保持在一个合理的范围内。同样的道理利用温度传感器还能调节卫生间内的温度，尤其是在洗澡的时候，能自动调节卫生间内的温度是很有必要的。通过温湿度传感器和气体传感器就能很好的控制卫生间内的环境从而使我们能够拥有一个舒适的生活。现在大局部旅馆和一些公共场所都实现了自动调节，而普通家庭的卫生间都还是人工操作，尚未实现自动调节这主要是一般客户不知道能够利用传感器实现自动化，随着未来人们的进一步了解，普通家庭的卫生间也能实现自动调节。温度传感器将进一步加强自身的技术功能，更好更多的效劳在人们现实生活中。进入21世纪后，智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高可靠性及平安性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制单片测温系统等高科技的方向迅速开展。目前，智能温度传感器的总线技术也实现了标准化、标准化，技术的进展也将使得温度传感器能够在现实生活中得到更多利用。铂薄膜温度传感器因为具有高稳定性、高精度、响应快、抗震性好等诸多优点,被作为工业精密测控系统中广泛使用的一种理想测温元件。广泛应用于内燃机活塞顶面和燃烧室壁面、枪炮膛内壁、锻膜外表等瞬态温度测试中。材料及结构铂薄膜温度传感器的主要结构是在SiO2基体上沉积铂薄膜,利用铂薄膜的温度电阻特性来测量温度。为了加强铂和SiO2的结合力,在pt和SiO2中间沉积了过渡层氧化镍,同时为了提高铂薄膜的焊接连接特性,在镍薄膜上面又沉积了铜薄膜作为导线层,最后在最外层沉积了三氧化二铝薄膜作为保护膜,起到绝缘保护的作用,其膜系结构设计如表3.1所示。传感器的结构如图3.2所示,铂薄膜传感层利用掩模工艺制作成总长为20cm的10个S形,这样可以大大提高薄膜电阻的方数,提高灵敏度的同时也为检测提供了良好的条件,铂薄膜上边的铜薄膜导线层也同样利用掩模工艺进行沉积,为了减少铜薄膜电阻随温度变化的影响,只在S形铂薄膜的两端沉积铜薄膜,同时沉积的薄膜宽度与铂电阻丝相比要大得多,从而使铜薄膜的影响减到最小。在铜导线层焊接完导线后,在最上边沉积三氧化二铝保护层。由于三氧化二铝的绝缘特性和高硬度、高稳定性等特点,可以防止传感器层和铜导线层的氧化,同时也可以保证传感器的耐腐蚀和耐冲击,从而保证传感器长期稳定地工作。三氧化二铝保护层铜薄膜导线层铂薄膜保护层氧化镍过渡层二氧化硅基底表3.1图3.2铂薄膜温度传感器工作原理由于热电阻随温度变化而引起电阻的变化值较小，如铂电阻Pt1000在零温度时的阻值R0=1000，因此，在传感器与测量仪器之间的引线过长会引起较大的测量误差，在实际应用时，通常是热电阻与仪器或放大器采用两线或四线制的接线方式。两线制的引线电阻：铂电阻不超过R0的0.1%，铜电阻不超过R0的0.2%。采用四线制可消除连线过长而引起的误差。其接线方法和工作原理如图3-1(a)、(b)、(c)所示。一般铂(Pt)测温电阻的测量电路如图3-1(a)所示。电桥输出电压V0为：V0=I/2×2R(Rt-Rr)/(2R+Rt+Rr)当R>>Rt、Rr时，V0=I/(Rt-Rr)，其中：Rr为温漂很小的铂电阻；Rt为可变电阻；R为固定电阻；I为恒流源提供的电流；V0为输出电压。1.二线式测量二线式电路如图3-1(b)所示。该电路是最简单的测量方式也是最容易产生较大误差的连接方法。图3-1(b)中的R2和R3是固定电阻器，且R2=R3。R1为保持电桥平衡而选用的可变电阻器。二线式接法由于没有考虑引线电阻和接触电阻，故可能产生较大的误差。假设用这种电路作温度精密测量，整个电路在使用温度范围内必须校准。2.四线式测量图3-1(c)是四线式接法。此种方法测量精度高，可消除因连线过长而引起的误差。图3-1(c)中的R1、R2、R3和R4为引线电阻和接触电阻，且阻值相同。R1、R2是电压检测电路一侧的电阻，R3、R4是恒流源一侧电阻。这种电路在测量电压时，漏电流很小，它是高阻抗电压计不可缺少的局部。测量误差主要由R1和R2的电压降引起，该误差远远小于铂电阻测温计电压降引起的误差，可忽略不计。R3和R4因为是和恒流源串联连接，故也可忽略此，本系统的信号调理模块的测试电路采用四线制的方法进行测量。工艺及工艺参数对薄膜特性的影响铂是一种高熔点的贵金属材料(熔点1769),用普通真空蒸发设备,很难得到较大的成膜速率。我们采用二极溅射设备镀膜,靶直径110mm,背景真空度4*10-3Pa,通氩气溅射的气压3100Pa,溅射电流10mA,溅射时20min,基片温度200。溅射的膜厚300nm~400nm,靶材99.9%的铂片,基片选用国产微晶玻璃,溅射出的铂薄膜经热处理后,其电阻温度系数多数3.600~3.700*10-3之间,达不到IEC-751规定的数值。直流磁控溅射铂电阻薄膜铂靶:用纯度为99.99%的铂片;靶径:110mm;背景真空度:(2~4)10-3Pa;溅射气压:(1~3)100Pa;靶基片距离:40mm~50mm;溅射气体:N+Ar基片温度:100~300;沉积速率:0.5nm/s~1nm/s;基片材料:氧化铝陶瓷,微晶玻璃基片;溅射电压:500V~700V;溅射电流:150mA~300mA。磁控溅射极大地提高了淀积速度。成膜速度增加,改善了薄膜性能。这是由于在磁控溅射时气体压力减小了,使薄膜中嵌入的气体杂质减少,薄膜外表气孔减少。电子显微镜形貌图显示,此时薄膜密实,膜面均匀一致。成膜速度提高,晶粒尺寸变大,使晶粒间界减少。这有利于减少电阻率,提高电阻温度系数。直流磁控溅射提高了铂膜的附着力,在氧化铝上附着力好,在微晶玻璃片上附着力也比二级溅射的膜要好。基片温度提高到300,使铂结构择优取向,将结构改善,晶粒增大,应力减小,并释放出钟罩内气体杂质,提高铂膜性能。溅射室的钟罩壁,基片架必须清洗干净,并在溅射前加热,去除杂质气体,保证铂薄膜的纯度。基片清洗基片清洗溅射成膜热处理焊引线割片光刻常温修组封装动态测试传感器制造工艺流程图1.工作压力对薄膜电阻的影响图5.1是溅射工作压力与传感器电阻关系曲线,工作压强比拟低时,气体分子密度较小,根据公式,溅射粒子的平均自由程λ较大,气体离子碰撞电离几率较少,同时溅射气压低会使放电电流及轰击靶材的离子数减少,从而使膜层的沉积速率较低,在相同时间内薄膜沉积的厚度较薄,从而薄膜的电阻就比拟大。在气压不太高的情况下,随着气压的增高,气体分子密度增大,电离度增大,放电增强,溅射出的离子数增多,沉积速率逐渐增大。但当气压过高时,不仅由于粒子的平均自由程减小,与气体离子碰撞的几率增大,另外也因背散射而回到靶上的粒子数增加,同时产生的潘宁电离效应使自溅射速率增强,从而导致沉积速率下降,也就导致了电阻变大。因此,综合所有影响因素可以得出这样的规律:随着溅射气压的增大,沉积速率不断增大,沉积速率在某一气压下到达极大值后,又随气压的增加而不断减小。由于沉积速率下降所以导致了电阻的变大。图5.12.靶功率对薄膜电阻的影响在其他工艺参数不变的情况下,得到的功率与电阻的曲线如图5.2所示。从图中可见,由于实验使用的是直流磁控溅射,靶功率的变化直接影响到靶面电流密度,靶面的电流密度又影响等离子体的密度。等离子体密度增加时,被电离的氩气离子对靶面的轰击加强,从而溅射出来的镍粒子或粒子团就会增加,由于溅射出来的镍粒子或粒子团数量增加,薄膜的沉积速率就会加快,所以传感器的电阻值就会变小。图5.23.靶基距对薄膜电阻的影响由图5.3可知,随着靶基距的增大,沉积速率均有下降的趋势,这是因为当靶材和基片距离较近时,薄膜沉积区域的等离子密度较高,而且气体散射的作用很小,薄膜沉积速率都很高,薄膜电阻比拟小;而随着靶基距的增大,被溅射材料射向基片时与气体分子碰撞的次数增多,同时等离子密度也减弱,动能减少,因此薄膜的沉积速率减少,从而使获得的薄膜的厚度较小,薄膜电阻比拟大。图5.34.退火对样片电阻的影响将样片置于高真空退火炉中,在400℃温度下进行退火处理,退火时间为2h,然后随炉冷却。从图5.4中可以看出样品经过真空退火后,其阻值都相应的发生变化,由于退火的作用使薄膜的晶体结构发生变化,镍薄膜的晶态结构由非晶态转变成晶态,这样对于电子的阻碍作用明显减弱,所以电阻都相应的减小。图5.4设计小结利用铂薄膜的温度电阻特性以及磁控溅射镀膜技术设计并制备了薄膜热阻型温度传感器,得到的薄膜传感器在-200到600摄氏度之间