基于磁控濺射的pt膜溫度傳感器設(shè)計(jì)

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(jì)學(xué)校：哈爾濱理工大學(xué)專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器姓名：王琳學(xué)號(hào)：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(biāo)23.熱響應(yīng)時(shí)間24.鉑電阻絕緣電阻25.鉑電阻允許通過(guò)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(kāi)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(cè)量72.四線式測(cè)量7五、工藝及工藝參數(shù)對(duì)薄膜特性的影響81.工作壓力對(duì)薄膜電阻的影響102.靶功率對(duì)薄膜電阻的影響113.靶基距對(duì)薄膜電阻的影響114.退火對(duì)樣片電阻的影響12六、設(shè)計(jì)小結(jié)13參考文獻(xiàn)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(qiáng)，產(chǎn)品壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量和各種實(shí)驗(yàn)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(shí)自身電阻值也隨之改變的特性來(lái)測(cè)量溫度的，顯示儀表將會(huì)指示出鉑膜的電阻值所對(duì)應(yīng)的溫度值。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)中存在溫度梯度時(shí)，所測(cè)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(biāo)鉑膜溫度傳感器的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。表1鉑電阻的技術(shù)指標(biāo)熱響應(yīng)時(shí)間在溫度出現(xiàn)階躍變化時(shí)，鉑電阻的輸出變化至量程變化50%所需要的時(shí)間成為熱響應(yīng)時(shí)間，用τ0.5表示。鉑電阻絕緣電阻常溫絕緣電阻的試驗(yàn)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(duì)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(guò)電流通過(guò)鉑電阻的測(cè)量電流最大不應(yīng)超過(guò)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(hù)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(shí)輸出兩種相同的電阻信號(hào)供使用，安裝固定裝置有固定螺紋、活動(dòng)法蘭盤、固定安裝法蘭盤和帶固定螺栓錐形保護(hù)管裝置等形式。(2)鎧裝熱電阻：鎧裝鉑電阻外保護(hù)套管采用不銹鋼，內(nèi)充高密度氧化物絕緣體，具有很強(qiáng)的抗污染性能和優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適宜安裝在裝配式鉑電阻無(wú)法安裝的場(chǎng)合。薄膜溫度傳感器的開(kāi)展及應(yīng)用目前，國(guó)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(kāi)展。溫度傳感器按傳感器與被測(cè)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(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象要有良好的熱接觸，通過(guò)熱傳導(dǎo)及對(duì)流原理到達(dá)熱平衡。這種測(cè)溫方法精度比擬高，并可測(cè)量物體內(nèi)部的溫度分布。但對(duì)于運(yùn)動(dòng)的、熱容量比擬小的及對(duì)感溫元件有腐蝕作用的對(duì)象，這種方法將會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。非接觸測(cè)溫的測(cè)溫元件與被測(cè)對(duì)象互不接觸。常用的是輻射熱交換原理。此種測(cè)穩(wěn)方法的主要特點(diǎn)是可測(cè)量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的小目標(biāo)及熱容量小或變化迅速的對(duì)象，也可測(cè)量溫度場(chǎng)的溫度分布，但受環(huán)境的影響比擬大21世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及平安性、開(kāi)發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速開(kāi)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(lè)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(yàn)?，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(fèi)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(fēng)扇，但是現(xiàn)在主要還是依賴人工操作，如何自動(dòng)開(kāi)關(guān)排風(fēng)扇以及如何自動(dòng)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(shuō)的問(wèn)題。將氣體傳感器和濕度傳感器與排風(fēng)扇相連，當(dāng)衛(wèi)生間內(nèi)氣體濃度和濕度濃度大于一定值的時(shí)候就自動(dòng)的翻開(kāi)排風(fēng)扇，從而降低衛(wèi)生間內(nèi)的異味氣體濃度和濕度，當(dāng)降低到一定的時(shí)候，氣體傳感器和濕度傳感器就能給排風(fēng)扇一個(gè)信號(hào)，從而自動(dòng)關(guān)閉排風(fēng)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(gè)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(shí)候，能自動(dòng)調(diào)節(jié)衛(wèi)生間內(nèi)的溫度是很有必要的。通過(guò)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(gè)舒適的生活。現(xiàn)在大局部旅館和一些公共場(chǎng)所都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)，而普通家庭的衛(wèi)生間都還是人工操作，尚未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)這主要是一般客戶不知道能夠利用傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，隨著未來(lái)人們的進(jìn)一步了解，普通家庭的衛(wèi)生間也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。溫度傳感器將進(jìn)一步加強(qiáng)自身的技術(shù)功能，更好更多的效勞在人們現(xiàn)實(shí)生活中。進(jìn)入21世紀(jì)后，智能溫度傳感器正朝著高精度、多功能、總線標(biāo)準(zhǔn)化、高可靠性及平安性、開(kāi)發(fā)虛擬傳感器和網(wǎng)絡(luò)傳感器、研制單片測(cè)溫系統(tǒng)等高科技的方向迅速開(kāi)展。目前，智能溫度傳感器的總線技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、標(biāo)準(zhǔn)化，技術(shù)的進(jìn)展也將使得溫度傳感器能夠在現(xiàn)實(shí)生活中得到更多利用。鉑薄膜溫度傳感器因?yàn)榫哂懈叻€(wěn)定性、高精度、響應(yīng)快、抗震性好等諸多優(yōu)點(diǎn),被作為工業(yè)精密測(cè)控系統(tǒng)中廣泛使用的一種理想測(cè)溫元件。廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)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(cè)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(lái)測(cè)量溫度。為了加強(qiáng)鉑和SiO2的結(jié)合力,在pt和SiO2中間沉積了過(guò)渡層氧化鎳,同時(shí)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(hù)膜,起到絕緣保護(hù)的作用,其膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(zhǎng)為20cm的10個(gè)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(shí)也為檢測(cè)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(jìn)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(shí)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(hù)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(diǎn),可以防止傳感器層和銅導(dǎo)線層的氧化,同時(shí)也可以保證傳感器的耐腐蝕和耐沖擊,從而保證傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。三氧化二鋁保護(hù)層銅薄膜導(dǎo)線層鉑薄膜保護(hù)層氧化鎳過(guò)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(shí)的阻值R0=1000，因此，在傳感器與測(cè)量?jī)x器之間的引線過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(guò)R0的0.1%，銅電阻不超過(guò)R0的0.2%。采用四線制可消除連線過(guò)長(zhǎng)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(cè)溫電阻的測(cè)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(dāng)R>>Rt、Rr時(shí)，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(cè)量二線式電路如圖3-1(b)所示。該電路是最簡(jiǎn)單的測(cè)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(méi)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(cè)量，整個(gè)電路在使用溫度范圍內(nèi)必須校準(zhǔn)。2.四線式測(cè)量圖3-1(c)是四線式接法。此種方法測(cè)量精度高，可消除因連線過(guò)長(zhǎng)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(cè)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(cè)量電壓時(shí)，漏電流很小，它是高阻抗電壓計(jì)不可缺少的局部。測(cè)量誤差主要由R1和R2的電壓降引起，該誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉑電阻測(cè)溫計(jì)電壓降引起的誤差，可忽略不計(jì)。R3和R4因?yàn)槭呛秃懔髟创?lián)連接，故也可忽略此，本系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理模塊的測(cè)試電路采用四線制的方法進(jìn)行測(cè)量。工藝及工藝參數(shù)對(duì)薄膜特性的影響鉑是一種高熔點(diǎn)的貴金屬材料(熔點(diǎn)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(shí)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(guó)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(dá)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(shí)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(shí)薄膜密實(shí),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(jí)濺射的膜要好。基片溫度提高到300,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。基片清洗基片清洗濺射成膜熱處理焊引線割片光刻常溫修組封裝動(dòng)態(tài)測(cè)試傳感器制造工藝流程圖1.工作壓力對(duì)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(qiáng)比擬低時(shí),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(shí)濺射氣壓低會(huì)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(shí)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(qiáng),濺射出的離子數(shù)增多,沉積速率逐漸增大。但當(dāng)氣壓過(guò)高時(shí),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(shí)產(chǎn)生的潘寧電離效應(yīng)使自濺射速率增強(qiáng),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(dá)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(duì)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(jiàn),由于實(shí)驗(yàn)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(shí),被電離的氬氣離子對(duì)靶面的轟擊加強(qiáng),從而濺射出來(lái)的鎳粒子或粒子團(tuán)就會(huì)增加,由于濺射出來(lái)的鎳粒子或粒子團(tuán)數(shù)量增加,薄膜的沉積速率就會(huì)加快,所以傳感器的電阻值就會(huì)變小。圖5.23.靶基距對(duì)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(shì),這是因?yàn)楫?dāng)靶材和基片距離較近時(shí),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(shí)與氣體分子碰撞的次數(shù)增多,同時(shí)等離子密度也減弱,動(dòng)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(duì)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(jìn)行退火處理,退火時(shí)間為2h,然后隨爐冷卻。從圖5.4中可以看出樣品經(jīng)過(guò)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(duì)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(jì)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(jì)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