基于磁控濺射的pt膜溫度傳感器設(shè)計

傳感器工藝制作基于磁控濺射工藝的pt膜溫度傳感器設(shè)計學校：哈爾濱理工大學專業(yè)：測控技術(shù)與儀器姓名：王琳學號：0905010703指導(dǎo)老師：馮僑華目錄一、鉑膜溫度傳感器11.工作原理12.技術(shù)指標23.熱響應(yīng)時間24.鉑電阻絕緣電阻25.鉑電阻允許通過電流26.鉑電阻溫度傳感器的分類2二、薄膜溫度傳感器的開展及應(yīng)用3三、材料及結(jié)構(gòu)5四、鉑薄膜溫度傳感器工作原理61.二線式測量72.四線式測量7五、工藝及工藝參數(shù)對薄膜特性的影響81.工作壓力對薄膜電阻的影響102.靶功率對薄膜電阻的影響113.靶基距對薄膜電阻的影響114.退火對樣片電阻的影響12六、設(shè)計小結(jié)13參考文獻13鉑膜溫度傳感器鉑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。工作原理鉑膜溫度傳感器是利用金屬鉑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鉑膜的電阻值所對應(yīng)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(shù)指標鉑膜溫度傳感器的技術(shù)指標見表1。表1鉑電阻的技術(shù)指標熱響應(yīng)時間在溫度出現(xiàn)階躍變化時，鉑電阻的輸出變化至量程變化50%所需要的時間成為熱響應(yīng)時間，用τ0.5表示。鉑電阻絕緣電阻常溫絕緣電阻的試驗電壓可取直流10～100V任意值，環(huán)境溫度在15～35℃范圍內(nèi)，相對濕度應(yīng)不大于80%，常溫絕緣電阻值應(yīng)大于100M。鉑電阻允許通過電流通過鉑電阻的測量電流最大不應(yīng)超過1mA。鉑電阻溫度傳感器的分類鉑電阻溫度傳感器可分為：鉑電阻溫度傳感器(I)和鉑電阻溫度傳感器(II)，其中鉑電阻溫度傳感器(I)為行業(yè)專用型溫度傳感器，鉑電阻溫度傳感(II)為通用型溫度傳感器。鉑電阻溫度傳感器(II)為又分為裝配式鉑電阻和鎧裝鉑電阻兩種。(1)裝配式熱電阻：裝配式鉑電阻是由感溫元件、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，雙支鉑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：鎧裝鉑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，鎧裝鉑電阻比裝配式鉑電阻直徑小、易彎曲、抗震性好、熱響應(yīng)快、使用壽命長等優(yōu)點，適宜安裝在裝配式鉑電阻無法安裝的場合。薄膜溫度傳感器的開展及應(yīng)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(luò)化的方向開展。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(dǎo)及對流原理到達熱平衡。這種測溫方法精度比擬高，并可測量物體內(nèi)部的溫度分布。但對于運動的、熱容量比擬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)境的影響比擬大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、高可靠性及平安性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速開展在日常生活中，溫度傳感器有著廣泛的應(yīng)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)生間根本上都做在室內(nèi)，有的甚至是在房間里，但是為防止不必要的浪費現(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，雖然大局部衛(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(guān)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翻開排風扇，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(guān)閉排風扇。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)在大局部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(shù)功能，更好更多的效勞在人們現(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、高可靠性及平安性、開發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速開展。目前，智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實現(xiàn)了標準化、標準化，技術(shù)的進展也將使得溫度傳感器能夠在現(xiàn)實生活中得到更多利用。鉑薄膜溫度傳感器因為具有高穩(wěn)定性、高精度、響應(yīng)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(yīng)用于內(nèi)燃機活塞頂面和燃燒室壁面、槍炮膛內(nèi)壁、鍛膜外表等瞬態(tài)溫度測試中。材料及結(jié)構(gòu)鉑薄膜溫度傳感器的主要結(jié)構(gòu)是在SiO2基體上沉積鉑薄膜,利用鉑薄膜的溫度電阻特性來測量溫度。為了加強鉑和SiO2的結(jié)合力,在pt和SiO2中間沉積了過渡層氧化鎳,同時為了提高鉑薄膜的焊接連接特性,在鎳薄膜上面又沉積了銅薄膜作為導(dǎo)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,其膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計如表3.1所示。傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3.2所示,鉑薄膜傳感層利用掩模工藝制作成總長為20cm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,鉑薄膜上邊的銅薄膜導(dǎo)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形鉑薄膜的兩端沉積銅薄膜,同時沉積的薄膜寬度與鉑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(dǎo)線層焊接完導(dǎo)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,可以防止傳感器層和銅導(dǎo)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(dǎo)線層鉑薄膜保護層氧化鎳過渡層二氧化硅基底表3.1圖3.2鉑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，如鉑電阻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(yīng)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：鉑電阻不超過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。一般鉑(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=I/2×2R(Rt-Rr)/(2R+Rt+Rr)當R>>Rt、Rr時，V0=I/(Rt-Rr)，其中：Rr為溫漂很小的鉑電阻；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。假設(shè)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(cè)的電阻，R3、R4是恒流源一側(cè)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局部。測量誤差主要由R1和R2的電壓降引起，該誤差遠遠小于鉑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。工藝及工藝參數(shù)對薄膜特性的影響鉑是一種高熔點的貴金屬材料(熔點1769),用普通真空蒸發(fā)設(shè)備,很難得到較大的成膜速率。我們采用二極濺射設(shè)備鍍膜,靶直徑110mm,背景真空度4*10-3Pa,通氬氣濺射的氣壓3100Pa,濺射電流10mA,濺射時20min,基片溫度200。濺射的膜厚300nm~400nm,靶材99.9%的鉑片,基片選用國產(chǎn)微晶玻璃,濺射出的鉑薄膜經(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。直流磁控濺射鉑電阻薄膜鉑靶:用純度為99.99%的鉑片;靶徑:110mm;背景真空度:(2~4)10-3Pa;濺射氣壓:(1~3)100Pa;靶基片距離:40mm~50mm;濺射氣體:N+Ar基片溫度:100~300;沉積速率:0.5nm/s~1nm/s;基片材料:氧化鋁陶瓷,微晶玻璃基片;濺射電壓:500V~700V;濺射電流:150mA~300mA。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,薄膜外表氣孔減少。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。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鉑膜的附著力,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,使鉑結(jié)構(gòu)擇優(yōu)取向,將結(jié)構(gòu)改善,晶粒增大,應(yīng)力減小,并釋放出鐘罩內(nèi)氣體雜質(zhì),提高鉑膜性能。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,保證鉑薄膜的純度?；逑椿逑礊R射成膜熱處理焊引線割片光刻常溫修組封裝動態(tài)測試傳感器制造工藝流程圖1.工作壓力對薄膜電阻的影響圖5.1是濺射工作壓力與傳感器電阻關(guān)系曲線,工作壓強比擬低時,氣體分子密度較小,根據(jù)公式,濺射粒子的平均自由程λ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擬大。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(yīng)使自濺射速率增強,從而導(dǎo)致沉積速率下降,也就導(dǎo)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到達極大值后,又隨氣壓的增加而不斷減小。由于沉積速率下降所以導(dǎo)致了電阻的變大。圖5.12.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度。等離子體密度增加時,被電離的氬氣離子對靶面的轟擊加強,從而濺射出來的鎳粒子或粒子團就會增加,由于濺射出來的鎳粒子或粒子團數(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,薄膜電阻比擬小;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撞的次數(shù)增多,同時等離子密度也減弱,動能減少,因此薄膜的沉積速率減少,從而使獲得的薄膜的厚度較小,薄膜電阻比擬大。圖5.34.退火對樣片電阻的影響將樣片置于高真空退火爐中,在400℃溫度下進行退火處理,退火時間為2h,然后隨爐冷卻。從圖5.4中可以看出樣品經(jīng)過真空退火后,其阻值都相應(yīng)的發(fā)生變化,由于退火的作用使薄膜的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,鎳薄膜的晶態(tài)結(jié)構(gòu)由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變成晶態(tài),這樣對于電子的阻礙作用明顯減弱,所以電阻都相應(yīng)的減小。圖5.4設(shè)計小結(jié)利用鉑薄膜的溫度電阻特性以及磁控濺射鍍膜技術(shù)設(shè)計并制備了薄膜熱阻型溫度傳感器,得到的薄膜傳感器在-200到600攝氏度之間