基于磁控濺射的pt膜溫度傳感器設計

1、傳感器工藝制作基于磁控濺射工藝的pt膜溫度傳感器設計學校：哈爾濱理工大學專業(yè)：測控技術與儀器姓名：王琳學號：0905010703指導老師:馮僑華哈爾濱理工大學測控技術與儀器專業(yè)目錄 TOC o 1-5 h z 一、鉗膜溫度傳感器 2.工作原理2.技術指標2.熱響應時間2.鉗電阻絕緣電阻2.鉗電阻允許通過電流2.鉗電阻溫度傳感器的分類 3二、薄膜溫度傳感器的發(fā)展及應用 3三、材料及結構5.四、鉗薄膜溫度傳感器工作原理工.二線式測量7.四線式測量.8.五、工藝及工藝參數(shù)對薄膜特性的影響 9.工作壓力對薄膜電阻的影響1.0.靶功率對薄膜電阻的影響1.1.靶基距對薄膜電阻的影響12.退火對樣片電阻的影

2、響.13六、設計小結.13參考文獻14哈爾濱理工大學測控技術與儀器專業(yè)鉗膜溫度傳感器鉗膜溫度傳感器具有精度高，穩(wěn)定性好，可靠性強，產(chǎn)品壽命 長等優(yōu)點，適用于工業(yè)自動化測量和各種實驗儀器儀表。.工作原理鉗膜溫度傳感器是利用金屬鉗在溫度變化時自身電阻值也隨之 改變的特性來測量溫度的，顯示儀表將會指示出鉗膜的電阻值所對 應的溫度值。當被測介質(zhì)中存在溫度梯度時，所測的溫度為感溫元 件所在范圍內(nèi)介質(zhì)層中平均溫度。.技術指標鉗膜溫度傳感器的技術指標見表1。表1鉗電阻的技術指標名稱分度號測溫范用ro精度等級誤差（AtnC）伯電阻PtlOOPt5OOPtlOOO200rl001/3 DINA級B級 ( 0.1

3、0土0.0017|t| ) (0.15i0.002|t|) ( 0.300.005|(| ).熱響應時間在溫度出現(xiàn)階躍變化時，鉗電阻的輸出變化至量程變化50%斤需要的時間成為熱響應時間，用T0.5表示。.鉗電阻絕緣電阻常溫絕緣電阻的試驗電壓可取直流 10100V任意值，環(huán)境溫 度在1535c范圍內(nèi)，相對濕度應不大于 80%,常溫絕緣電阻值應 大于100M 。.鉗電阻允許通過電流通過鉗電阻的測量電流最大不應超過 1mA哈爾濱理工大學測控技術與儀器專業(yè).鉗電阻溫度傳感器的分類鉗電阻溫度傳感器可分為：鉗電阻溫度傳感器 和鉗電阻溫度 傳感器（II）,其中鉗電阻溫度傳感器（I）為行業(yè)專用型溫度傳感器，

4、鉗電阻溫度傳感（II）為通用型溫度傳感器。鉗電阻溫度傳感器（II）為又分為裝配式鉗電阻和鎧裝鉗電阻兩 種。（1）裝配式熱電阻：裝配式鉗電阻是由感溫元件、不銹鋼外保 護管、接線盒以及各種用途的固定裝置組成，有雙支和單支元件兩 種規(guī)格，雙支鉗電阻可以同時輸出兩種相同的電阻信號供使用，安 裝固定裝置有固定螺紋、活動法蘭盤、固定安裝法蘭盤和帶固定螺 栓錐形保護管裝置等形式。（2）鎧裝熱電阻：鎧裝鉗電阻外保護套管采用不銹鋼，內(nèi)充高 密度氧化物絕緣體，具有很強的抗污染性能和優(yōu)良的機械強度，鎧 裝鉗電阻比裝配式鉗電阻直徑小、易彎曲、抗震性好、熱響應快、 使用壽命長等優(yōu)點，適宜安裝在裝配式鉗電阻無法安裝的場合

5、。二、薄膜溫度傳感器的發(fā)展及應用目前，國際上新型溫度傳感器正從模擬式想數(shù)字式、集成化向 智能化及網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。溫度傳感器按傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式可分為兩大類：一 類是接觸式溫度傳感器，一類是非接觸式溫度傳感器。接觸式溫度 傳感器的測溫元件與被測對象要有良好的熱接觸，通過熱傳導及對 流原理達到熱平衡。這種測溫方法精度比較高，并可測量物體內(nèi)部哈爾濱理工大學測控技術與儀器專業(yè)的溫度分布。但對于運動的、熱容量比較小的及對感溫元件有腐蝕 作用的對象，這種方法將會產(chǎn)生很大的誤差。非接觸測溫的測溫元件與被測對象互不接觸。常用的是輻射熱 交換原理。此種測穩(wěn)方法的主要特點是可測量運動狀態(tài)的小目標及 熱容

6、量小或變化迅速的對象，也可測量溫度場的溫度分布，但受環(huán) 境的影響比較大21世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標準 化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡傳感器、研制單片 測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展在日常生活中，溫度傳感器有著廣泛的應用。隨著生活品質(zhì)的 提高，人們樂意去享受生活。溫度傳感器也帶給給人們一種不同的 生活體驗?，F(xiàn)在衛(wèi)生間基本上都做在室內(nèi)，有的甚至是在房間里， 但是為避免不必要的浪費現(xiàn)在的衛(wèi)生間一般都非常小，一般就幾平 米。所有透氣效果很不好，雖然大部分衛(wèi)生間都有排風扇，但是現(xiàn) 在主要還是依賴人工操作，如何自動開關排風扇以及如何自動調(diào)節(jié) 衛(wèi)生間內(nèi)的溫濕度呢？這就需

7、要利用到傳感器。溫濕度傳感器將是人 們感知室內(nèi)溫度變化的重要幫手。如果在衛(wèi)生間里安裝氣體傳感器和溫濕度傳感器就能解決上述 所說的問題。將氣體傳感器和濕度傳感器與排風扇相連，當衛(wèi)生間 內(nèi)氣體濃度和濕度濃度大于一定值的時候就自動的打開排風扇，從 而降低衛(wèi)生間內(nèi)的異味氣體濃度和濕度，當降低到一定的時候，氣 體傳感器和濕度傳感器就能給排風扇一個信號，從而自動關閉排風哈爾濱理工大學測控技術與儀器專業(yè)扇。這樣就能確保衛(wèi)生間內(nèi)的氣體濃度和濕度保持在一個合理的范 圍內(nèi)。同樣的道理利用溫度傳感器還能調(diào)節(jié)衛(wèi)生間內(nèi)的溫度，尤其是 在洗澡的時候，能自動調(diào)節(jié)衛(wèi)生間內(nèi)的溫度是很有必要的。通過溫 濕度傳感器和氣體傳感器就能

8、很好的控制衛(wèi)生間內(nèi)的環(huán)境從而使我 們能夠擁有一個舒適的生活?，F(xiàn)在大部分旅館和一些公共場所都實 現(xiàn)了自動調(diào)節(jié)，而普通家庭的衛(wèi)生間都還是人工操作，尚未實現(xiàn)自 動調(diào)節(jié)這主要是一般客戶不知道能夠利用傳感器實現(xiàn)自動化，隨著 未來人們的進一步了解，普通家庭的衛(wèi)生間也能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。溫度傳感器將進一步加強自身的技術功能，更好更多的服務在人們現(xiàn)實生活中。進入21世紀后，智能溫度傳感器正朝著高精度、 多功能、總線標準化、高可靠性及安全性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡 傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速發(fā)展。目前，智能 溫度傳感器的總線技術也實現(xiàn)了標準化、規(guī)范化，技術的進展也將 使得溫度傳感器能夠在現(xiàn)實生活中得到

9、更多利用。鉗薄膜溫度傳感器因為具有高穩(wěn)定性、高精度、響應快、抗震 性好等諸多優(yōu)點，被作為工業(yè)精密測控系統(tǒng)中廣泛使用的一種理想 測溫元件。廣泛應用于內(nèi)燃機活塞頂面和燃燒室壁面、 槍炮膛內(nèi)壁、 鍛膜表面等瞬態(tài)溫度測試中。三、材料及結構鉗薄膜溫度傳感器的主要結構是在 SiO2基體上沉積鉗薄膜，利 用鉗薄膜的溫度電阻特性來測量溫度。 為了加強鉗和SiO2的結合力，哈爾濱理工大學測控技術與儀器專業(yè)在pt和SiO2中間沉積了過渡層氧化銀，同時為了提高鉗薄膜的焊接 連接特性，在銀薄膜上面又沉積了銅薄膜作為導線層，最后在最外層 沉積了三氧化二鋁薄膜作為保護膜，起到絕緣保護的作用，具膜系結 構設計如表3,1所示

10、。傳感器的結構如圖3.2所示，鉗薄膜傳感層利 用掩模工藝制作成總長為20 cm的10個S形,這樣可以大大提高薄膜 電阻的方數(shù)，提高靈敏度的同時也為檢測提供了良好的條件，鉗薄膜上邊的銅薄膜導線層也同樣利用掩模工藝進行沉積，為了減少銅薄膜 電阻隨溫度變化的影響，只在S形鉗薄膜的兩端沉積銅薄膜，同時沉 積的薄膜寬度與鉗電阻絲相比要大得多，從而使銅薄膜的影響減到最 小。在銅導線層焊接完導線后，在最上邊沉積三氧化二鋁保護層。由 于三氧化二鋁的絕緣特性和高硬度、高穩(wěn)定性等特點，可以避免傳感 器層和銅導線層的氧化，同時也可以保證傳感器的耐腐蝕和耐沖擊，從而保證傳感器長期穩(wěn)定地工作。三氧化二鋁保護層銅薄膜導線

11、層鉗薄膜保護層氧化銀過渡層二氧化硅基底表3,1哈爾濱理工大學測控技術與儀器專業(yè)圖3.2四、鉗薄膜溫度傳感器工作原理由于熱電阻隨溫度變化而引起電阻的變化值較小，如鉗電阻Pt1000在零溫度時的阻值 R0=1000,因此，在傳感器與測量儀器之 間的引線過長會引起較大的測量誤差，在實際應用時，通常是熱電 阻與儀器或放大器采用兩線或四線制的接線方式。兩線制的引線電阻：鉗電阻不超過R0的0.1%,銅電阻不超過R0的0.2%。采用四線制可消除連線過長而引起的誤差。其接線方法和工作原理如圖3-1(a)、(b)、(c)所示。一般鉗(Pt)測溫電阻的測量電路如圖3-1(a) 所示。電橋輸出電壓 V0 為：V0=

12、I /2 X2R(Rt-Rr) /(2R+Rt+Rr)當RRt、Rr時，V0=I /(Rt-Rr),其中：Rr為溫漂很小的鉗電阻；Rt 為可變電阻；R為固定電阻；I為恒流源提供的電流；V0為輸出電 壓。1.二線式測量二線式電路如圖3-1(b)所示。該電路是最簡單的測量方式也是 最容易產(chǎn)生較大誤差的連接方法。圖3-1(b)中的R2和R3是固定電阻器，且 R2=R3 R1為保哈爾濱理工大學測控技術與儀器專業(yè)持電橋平衡而選用的可變電阻器。二線式接法由于沒有考慮引線電 阻和接觸電阻，故可能產(chǎn)生較大的誤差。若用這種電路作溫度精密 測量，整個電路在使用溫度范圍內(nèi)必須校準。2,四線式測量圖3-1(c)是四線

13、式接法。此種方法測量精度高，可消除因連線 過長而引起的誤差。圖3-1(c)中的R1、R2 R3和R4為引線電阻 和接觸電阻，且阻值相同。R1、R2是電壓檢測電路一側的電阻，RS R4是恒流源一側電阻。這種電路在測量電壓時，漏電流很小，它是 高阻抗電壓計不可缺少的部分。測量誤差主要由R1和R2的電壓降引起，該誤差遠遠小于鉗電阻測溫計電壓降引起的誤差，可忽略 不計。R3和R4因為是和恒流源串聯(lián)連接，故也可忽略此，本系統(tǒng) 的信號調(diào)理模塊的測試電路采用四線制的方法進行測量。(a)電路原理哈爾濱理工大學 測控技術與儀器專業(yè)情流源R.1P.4(b)二線制(c)四線制(b two-wire method(c

14、 fbur-wiie mediod高輸入 阻拉，電 范友3-1接線方法五、工藝及工藝參數(shù)對薄膜特性的影響鉗是一種高熔點的貴金屬材料(熔點1 769),用普通真空蒸發(fā)設 備,很難得到較大的成膜速率。我們采用二極濺射設備鍍膜，靶直徑 110 mm背景真空度4*10-3Pa,通瀛氣濺射的氣壓3100Pa,濺射電流 10mA濺射時20 min,基片溫度200。濺射白膜厚300 nm400nm靶 材99.9%的鉗片，基片選用國產(chǎn)微晶玻璃，濺射出的鉗薄膜經(jīng)熱處理 后，其電阻溫度系數(shù)多數(shù)3.600 3.700*10-3 之間，達不到IEC- 751 規(guī)定的數(shù)值。直流磁控濺射鉗電阻薄膜鉗靶 ：用純度為99.9

15、9%的鉗片；靶 徑:110mm;背景真空度:(24)10- 3Pa;濺射氣壓：(13) 100Pa;靶基 片距離：40mm50mms射氣體：N+Ar基片溫度：100300;沉積速哈爾濱理工大學測控技術與儀器專業(yè)率:0.5 nm/ s 1 nm/ s;基片材料：氧化鋁陶瓷，微晶玻璃基片；濺射電壓：500 V 700 V;濺射電流:150 mA300 mA磁控濺射極大地 提高了淀積速度。成膜速度增加，改善了薄膜性能。這是由于在磁控 濺射時氣體壓力減小了 ，使薄膜中嵌入的氣體雜質(zhì)減少，薄膜表面氣 孔減少。電子顯微鏡形貌圖顯示，此時薄膜密實，膜面均勻一致。成 膜速度提高，晶粒尺寸變大，使晶粒間界減少。

16、這有利于減少電阻率， 提高電阻溫度系數(shù)。直流磁控濺射提高了鉗膜的附著力，在氧化鋁上 附著力好，在微晶玻璃片上附著力也比二級濺射的膜要好?；瑴囟忍岣叩?00 ,使鉗結構擇優(yōu)取向，將結構改善，晶粒增大，應力減小， 并釋放出鐘罩內(nèi)氣體雜質(zhì)，提高鉗膜性能。濺射室的鐘罩壁，基片架 必須清洗干凈，并在濺射前加熱，去除雜質(zhì)氣體，保證鉗薄膜的純 度。傳感器制造工藝流程圖.工作壓力對薄膜電阻的影響10哈爾濱理工大學測控技術與儀器專業(yè)圖5.1是濺射工作壓力與傳感器電阻關系曲線，工作壓強比較低 時,氣體分子密度較小，根據(jù)公式，濺射粒子的平均自由程 入較大，氣 體離子碰撞電離幾率較少，同時濺射氣壓低會使放電電流及轟

17、擊靶材 的離子數(shù)減少，從而使膜層的沉積速率較低，在相同時間內(nèi)薄膜沉積 的厚度較薄，從而薄膜的電阻就比較大。在氣壓不太高的情況下，隨著 氣壓的增高，氣體分子密度增大，電離度增大，放電增強，濺射出的離 子數(shù)增多，沉積速率逐漸增大。但當氣壓過高時，不僅由于粒子的平均 自由程減小，與氣體離子碰撞的幾率增大，另外也因背散射而回到靶 上的粒子數(shù)增加，同時產(chǎn)生的潘寧電離效應使自濺射速率增強 ，從而 導致沉積速率下降，也就導致了電阻變大。因此，綜合所有影響因素可 以得出這樣的規(guī)律：隨著濺射氣壓的增大，沉積速率不斷增大，沉積速 率在某一氣壓下達到極大值后，又隨氣壓的增加而不斷減小。由于沉 積速率下降所以導致了電

18、阻的變大。16500550040003500 300025(H) 2000 KM0 00 1,5 2.Q 2 5 1.0 S.5 44 4,5 S.O H作壓力但i圖5.1.靶功率對薄膜電阻的影響在其他工藝參數(shù)不變的情況下，得到的功率與電阻的曲線如圖5.2所示。從圖中可見，由于實驗使用的是直流磁控濺射，靶功率的變化直接影響到靶面電流密度，靶面的電流密度又影響等離子體的密11哈爾濱理工大學測控技術與儀器專業(yè)度。等離子體密度增加時，被電離的瀛氣離子對靶面的轟擊加強，從而 濺射出來的銀粒子或粒子團就會增加，由于濺射出來的銀粒子或粒子 團數(shù)量增加，薄膜的沉積速率就會加快，所以傳感器的電阻值就會變 小。圖5.23,靶基距對薄膜電阻的影響由圖5.3可知，隨著靶基距的增大，沉積速率均有下降的趨勢， 這是因為當靶材和基片距離較近時,薄膜沉積區(qū)域的等離子密度較高 而且氣體散射的作用很小，薄膜沉積速率都很高，薄膜電阻比較??；而 隨著靶基距的增大，被濺射材料射向基片時與氣體分子碰