鉑膜電阻溫度傳感器耐高溫結構設計與性能驗證

2024-01-12 07:25:26楊永超劉成利王大興高云鵬皮倩倩

傳感器與微系統 2024年1期

楊永超，劉成利，王大興，傅巍，高云鵬，皮倩倩，李濤

（中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150028）

0 引言

環境、物體溫度的改變通過溫度傳感器進行測量，隨著物聯網快速發展，在智能建筑、醫療保健、智能制造、智慧農業等領域對溫度傳感器需求量巨大。目前溫度檢測的主要方法包括熱敏電阻、熱電偶及薄膜電阻等［1］。其中，薄膜電阻溫度傳感器具有尺寸小、響應快、精度高等優點［2～4］，使其在眾多領域得到應用，如環境、氣象、醫療、農業等領域［5］。鉑（Pt）金屬具有耐腐蝕、結構穩定、TCR 高、線性度好等優點，是理想的薄膜電阻溫度傳感器溫度敏感材料［6～10］。塊體Pt 材料理論電阻溫度系數（temperature coefficient of resistance，TCR）值為3 928 ×10-6℃，TCR值越高傳感器靈敏度越高，目前報道的溫度傳感器Pt 膜材料TCR ＜3 700 ×10-6℃，靈敏度有待進一步提升［9，11～13］。Pt膜電阻溫度傳感器多采用硅基襯底制作［11～13］，硅（Si）與Pt材料熱膨脹系數失配產生應力引起電阻阻值變化，影響了傳感器測量精度和高溫穩定性。996 氧化鋁（Al2O3）陶瓷襯底熱膨脹系數約為7.0 ×10-6℃，與Pt 熱膨脹系數9.1 ×10-6℃匹配性較好，可有效降低由應力引起的測量誤差。996Al2O3陶瓷襯底具有優異的絕緣性能、抗彎強度和高的熱導率，可提升傳感器的機械性能和熱響應速度。2001年，Kim J等人［14］在Al2O3陶瓷襯底沉積Pt 膜，采用MEMS技術制得Pt 膜溫度傳感器，討論了Pt 膜熱處理溫度、Pt膜沉積厚度對TCR 影響。2014 年，上海交通大學Han J 等人［15］采用磁控濺射法在Al2O3陶瓷襯底沉積20 nm鉻（Cr）過渡層、200 nm Pt 膜感溫層和1.0 μm Al2O3防護層，制備了Pt膜溫度傳感器在25～700 ℃具有一定的線性度，TCR僅為1 940 ×10-6℃。Pt膜表面防護使其與環境隔離，是提升Pt膜溫度傳感器穩定性及高溫測量性能的有效技術手段，目前研究多集中在Pt 膜表面沉積一層Al2O3、氧化硅（SiOx）或氮化硅（Si3N4）等［11，12，15］。雖然溫度測量性能得到一定提升，但Pt 膜電阻溫度傳感器受到材料及制作工藝限制，沒能實現850 ℃高溫環境長期穩定測量。

本文針對Pt 膜電阻溫度傳感器難以實現高溫環境長期穩定測量問題開展技術研究，通過高穩定、高TCR 的Pt膜磁控濺射制備，結合耐高溫Pt膜表面防護結構設計提升Pt膜高溫測量的穩定性。同時運用激光修調技術控制阻值精度，采用MEMS工藝與厚膜工藝技術制備Pt膜電阻溫度傳感器。

1 實驗

1.1 傳感器結構設計與制備

1.1.1 傳感器結構設計

Pt膜電阻溫度傳感器整體結構為“三明治”結構，下層為996Al2O3陶瓷襯底，中間層為Pt膜電阻溫度敏感層，上層為Pt膜表面防護層，總體結構如圖1。其中，Pt膜作為溫度敏感層，極易受到外界環境干擾，影響其電學特性和穩定性［16］。本文Pt膜表面防護結構設計采用耐高溫玻璃進行封接，同時在封接玻璃表面Pt 膜敏感區域覆蓋996Al2O3陶瓷片形成密閉環境，減少外界環境對Pt膜干擾。

1.1.2 傳感器制備

Pt 膜電阻溫度傳感器制備工藝流程如圖2 所示。1）襯底清洗：996Al2O3陶瓷襯底，單面粗糙度Ra≤25 nm，采用重鉻酸鉀清洗液煮沸30 min，去離子水沖洗30 min，除去陶瓷基片表面的雜質；2）Pt 膜沉積：采用磁控濺射系統在陶瓷襯底拋光面濺射Pt 膜，濺射功率1 000 W，壓強0.2 Pa，時間5 min；3）Pt膜熱處理：在1 100 ℃高溫進行3 h熱處理，減少沉積過程中引入的缺陷、應力及非穩態結構，晶格恢復，晶粒長大，使得Pt 膜晶體結構處于穩定狀態；4）光刻：基片表面旋涂一層光刻膠，曝光、顯影，暴露刻蝕區域；5）離子束刻蝕：采用離子束刻蝕系統對光刻暴露的Pt膜進行刻蝕；6）去膠：刻蝕完成后將襯底放在丙酮溶液中10～15 min去除剩余的光刻膠，然后再用去離子水沖洗并烘干；7）電極涂覆：在電極圖形處表面涂覆一層耐高溫電極漿料，在1 000 ℃進行燒結15 min，用于引線焊接；8）表面封接：在Pt膜敏感區域涂覆一層厚度為30 μm耐高溫玻璃漿料，同時在Pt 膜敏感區表面覆蓋Al2O3陶瓷片，在1 100 ℃進行燒結15 min；9）阻值修調：采用高精度修調機進行阻值修調，達到設計阻值精度要求；10）引線焊接：引線采用Pt及Pt合金絲引線，保證引線高溫使用，引線焊接實現引線與電極連通；11）焊點封接：在焊點處涂覆高溫玻璃漿料，1 100 ℃燒結15 min，增加引線與電極連接強度；12）芯片分離：將芯片分離成單只Pt 膜電阻溫度傳感器；13）性能測試：進行精度、響應時間、穩定性、壽命試驗。

圖2 制備工藝流程

1.2 表征測試

采用丹東通達儀器有限公司TD-3500 型X 射線粉末衍射儀（X-ray powder diffraction，DIXRD）對Pt 膜進行物相分析；采用FEI Inspect S50 型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對Pt 膜進行形貌觀察；采用廣州四探針科技有限公司RTS-8 型四探針測試儀測試Pt 膜方塊電阻。采用Fluke恒溫槽和熱電偶檢定爐進行精度測量。

1.3 性能測試

傳感器從室溫階躍到850 ℃溫度差值90%時間定義Pt膜電阻溫度傳感器響應時間τ90。傳感器從室溫至850 ℃循環轉換100次，轉換時間≤2 s，評價抗冷熱沖擊性能。傳感器放置于850 ℃熱電偶檢定爐中持續120 h，實時動態監測傳感器阻值變化。傳感器放置于850 ℃箱式電阻爐持續1 000 h，進行0 ℃阻值漂移量測量。溫度系數計算TCR ＝（R100-R0）／（R0×100 ×℃），其中，R100為100 ℃傳感器電阻值，R0為0 ℃傳感器電阻值。

2 結果與分析

2.1 Pt膜結構與形貌表征

為了探究熱處理對沉積Pt膜晶體結構的影響，對其進行XRD測試，如圖3 所示。可以看出，Pt 膜衍射峰與標準卡片PDF＃87-0640 很好符合，所測樣品在39.9°，46.4°，67.7°，81.6°位置分別對應（111）、（200）、（220）、（311）晶面特征衍射峰，證明制備的Pt 膜為立方晶相，空間群為Fm-3m（225）。Pt膜經熱處理后，衍射峰顯著增強，衍射峰變得尖銳，說明退火促進Pt 膜晶化，半高寬變窄，晶粒生長，晶粒尺寸增大。

圖3 沉積Pt膜XRD 圖

采用SEM對Pt膜進行形貌觀察，如圖4所示。沉積態Pt膜晶粒尺寸小，Pt 膜表面存在大量缺陷，包括孔洞和裂紋。Pt膜經1100 ℃高溫熱處理后，Pt晶粒尺寸得到顯著增長，達到了微米（μm）級別，結果與XRD測試結果符合。熱處理后Pt膜缺陷明顯減少，裂紋消失，僅有少量孔洞，孔洞產生是由于晶粒生長過程中晶粒相互吞并導致。熱處理Pt膜缺陷顯著較少，對提升Pt 膜TCR 與穩定性具有重要意義［16］。

圖4 Pt膜SEM圖

為了評價制備Pt膜均勻性，通過四探針測試儀對熱處理后的Pt膜方塊電阻進行測試，采用五點法，測試方塊電阻值分別為74.2，74.7，73.8，74.9，74.6 mΩ；優異的均勻性保證傳感器工藝的一致性，利于傳感器批量化生產。

2.2 傳感器性能測試

制備的Pt膜熱電阻溫度傳感器如圖5 所示，Pt膜電阻溫度傳感器外形尺寸為2 mm ×4 mm ×0.13 mm，引線長度為4 mm。隨機抽取10只覆蓋Al2O3陶瓷片Pt電阻溫度傳感器，定義為防護型樣品；抽取2只未覆蓋Al2O3陶瓷片產品進行對比試驗，定義為未防護（Unprotected）型樣品。樣品進行0～850 ℃輸出電阻值測量和TCR 換算，測試結果1＃～10＃為防護型樣品，11＃和12＃為未防護型樣品。測試結果表明，通過高精度阻值修調技術，1＃～12＃樣品R0在199.91～200.06 Ω范圍。結合Pt膜制備工藝、熱處理工藝與表面防護工藝，Pt 膜電阻TCR 控制在3 848 ×10-6～3 853 ×10-6℃范圍內，TCR具有極佳的一致性。

圖5 Pt膜熱電阻

精度測試結果與標準曲線對比，如圖6 所示。圖6（a）結果表明，0～600 ℃防護型與未防護型樣品均與Pt膜電阻溫度傳感器標準曲線符合較好，該溫度區間內達到工業Pt熱電阻及感溫元件B級測溫精度。隨著溫度升高，防護型與未防護型樣品與標準曲線偏離增大，測溫精度下降。圖6（b）為高溫段放大圖，從圖6（b）中可以得出，防護型比未防護型樣品具有更高的測溫精度，溫度達到850 ℃時，防護型樣品測溫精度為841.6～844.6 ℃，達到C級測溫精度。國際標準規定的C級Pt膜電阻溫度傳感器最高測溫點為600 ℃，制備Pt 膜電阻溫度傳感器較國際標準提升了250 ℃。

對制備的Pt膜電阻溫度傳感器進行響應時間測試，如圖7所示。防護型樣品響應時間為15.1 s，未防護型樣品響應時間為12.8 s，未防護型樣品較防護型樣品具有更快的響應時間，主要原因在于防護型樣品覆蓋陶瓷片，降低了傳熱效率，使得響應時間減慢。

圖7 響應時間測試

為了表征制備的傳感器高溫穩定性，抽取樣品中防護型樣品1＃～4＃和未防護型樣品11＃進行850 ℃輸出穩定性測試，測試時間為120 h，記錄間隔為1 h，測試結果如圖8 所示。樣品隨時間推移輸出阻值均呈現遞增趨勢，且樣品在前30 h輸出阻值變化相對較快，30 h后輸出阻值趨于穩定，阻值變化較小。防護型樣品高溫120 h 阻值變化不大于2.5 Ω，未防護型樣品阻值變化為6.5 Ω。防護型較未防護型樣品具有更優異的高溫穩定性能，證明采用Pt膜表面覆蓋Al2O3陶瓷片結構可有效提升傳感器高溫性能。

圖8 高溫穩定性測試

選取5＃樣品進行室溫至850 ℃溫度沖擊試驗，如圖9所示。沖擊過程中，傳感器輸出電阻值均能對溫度快速響應，高溫達到穩定的輸出狀態，Pt 膜電阻溫度傳感器可以實現劇烈溫度變化的快速測量；100 次沖擊完成后對樣品進行850 ℃動態監測3 h，電阻輸出隨時間由776.86 Ω增加至778.26 Ω，阻值變化2.6 Ω，變化較小，輸出穩定。

圖9 溫度沖擊試驗

選取6＃～10＃樣品進行850 ℃壽命試驗測試，測試時間1 000 h，1 000 h 后測試電阻0 ℃阻值變化；同時選取12＃樣品進行對比試驗。測試結果表明，防護型樣品850 ℃環境1 000 h后0 ℃阻值變化率小于0.5%，樣品TCR變化較小；未防護型樣品0 ℃阻值變化率為6.09%，樣品TCR下降明顯；證明Pt膜表面覆蓋Al2O3陶瓷片可有效提升Pt膜高溫穩定性，提升了樣品耐高溫測試性能。

如圖10所示，Pt膜表面防護采用的玻璃漿料包含有機物質，玻璃漿料燒結過程中有機質揮發形成微量的氣孔。氣孔的存在降低了玻璃封接的密封性，長期高溫條件下，外界氣氛通過微量氣孔擴散與Pt膜表面發生緩慢反應，促進傳感器阻值變大及TCR 下降。通過Pt 膜表面覆蓋Al2O3陶瓷片，陶瓷片、陶瓷襯底與Pt膜形成三明治結構，有效阻斷外界氣氛通過玻璃微氣孔擴散并與Pt膜發生反應，提升傳感器高溫穩定性。同時覆蓋陶瓷片結構對Pt 膜形成釘扎作用，減少膨脹系數不匹配引起的應力，提高了傳感器測試精度。