一种基于层状钴氧化物的低温测温元件制造技术

本发明专利技术公开一种基于层状钴氧化物的低温测温元件，包括单晶基底、薄膜热敏元件、金属电极Ⅰ、金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ、金属电极Ⅳ、导线Ⅰ、导线Ⅱ，薄膜热敏元件在单晶基底上沿c轴外延生长，在薄膜热敏元件上表面依次设置有等距排列的金属电极Ⅰ、金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ、金属电极Ⅳ，金属电极Ⅰ、金属电极Ⅳ通过导线Ⅰ连接恒流源输出端，金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ通过导线Ⅱ连接电压表输入端，薄膜热敏元件为层状钴氧化物薄膜；本发明专利技术测温元件在0℃~‑200℃下电阻温度系数大，电阻温度关系线性好，物理化学性能稳定、成本低廉。

【技术实现步骤摘要】
一种基于层状钴氧化物的低温测温元件
本专利技术涉及一种基于层状钴氧化物的低温测温元件，属于探测设备

技术介绍
目前针对-100℃及以下低温的精确测量，工业上最广泛应用的测温元件是Pt100，即纯度≥99.9995%的铂热电阻，这主要由于Pt有较高的电阻温度系数(TCR)~0.374%(0℃)，使其探测灵敏度高，且其在低温范围内电阻值与温度近似为线性关系，便于分度和读数。但其仍有众多不足，例如：Pt在还原性气氛中易被还原污染、变脆，必须用保护套管隔离有害气氛；电阻率较小，ρ(0℃)仅为9.8×10-3mΩcm，使在输出相同电压信号下的热电阻体积大，导致其热容量和热惯性大，对温度波动的响应较慢；地球储量小，价格高昂。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供一种基于层状钴氧化物的低温测温元件，包括单晶基底、薄膜热敏元件、金属电极Ⅰ、金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ、金属电极Ⅳ、导线Ⅰ、导线Ⅱ，薄膜热敏元件在单晶基底上沿c轴外延生长，在薄膜热敏元件上表面依次设置有等距排列的金属电极Ⅰ、金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ、金属电极Ⅳ，金属电极Ⅰ、金属电极Ⅳ通过导线Ⅰ连接恒流源输出端，金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ通过导线Ⅱ连接电压表输入端，薄膜热敏元件为层状钴氧化物薄膜。所述单晶基底为(00l)取向的SrTiO3、LaAlO3或(LaxSr1-x)(AlyTa1-y)O3，(LaxSr1-x)(AlyTa1-y)O3中0.1≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7。所述金属电极Ⅰ、金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ、金属电极Ⅳ的材料相同，为Ag、Cu、In或Pt，金属电极Ⅰ、金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ、金属电极Ⅳ之间的间距1-5mm。所述导线Ⅰ、导线Ⅱ所用材料相同，为Ag或Cu导线，导线1、导线2的直径为0.05-0.2mm。所述层状钴氧化物薄膜为层状Ca3Co4O9+δ薄膜，其制备方法具体包括以下步骤：A、层状钴氧化物多晶块材的制备：将纯度为99.99%的CaCO3、Co3O4粉末按摩尔比Ca:Co=3:4混合、研磨5-10h，在10-20MPa单轴压力下压片成型后在空气气氛、800-850℃下预烧12-24h，然后重新研磨5-10h成粉，在10-20MPa单轴压力下压片成型，在空气气氛、880-900℃下烧结24-36h，获得Ca3Co4O9+δ多晶块材，9+δ本领域表示化学式中氧原子的量在9左右；B、外延薄膜的制备：以步骤A获得的多晶块材为靶材，用脉冲激光沉积在单晶基底上生长预制薄膜；C、原位退火：将步骤B获得的预制薄膜在静态氧气氛下原位退火，得到c轴外延的层状钴氧化物薄膜。步骤B中所述脉冲激光沉积的工艺条件为KrF准分子激光波长248nm，激光脉宽28ns，激光能量密度1-2.5mJ/cm2，激光频率2-5Hz，背底真空10-4-10-5Pa，生长温度760-800℃，生长流动氧压20-40Pa，生长时间10-40min。步骤C中所述原位退火的工艺为退火温度780-820℃，退火氧压2×104-4×104Pa，退火时间10-30min。本专利技术的有益效果是：在测温范围内物理化学性能稳定；电阻温度系数TCR可达0.49%(0℃)，探测灵敏度高；30℃~-180℃整个温度范围内电阻率-温度线性关系好，便于分度、读数；有较大的电阻率ρ(0℃)≈4.5-5mΩcm，比Pt100大3个数量级，因此在相同输出电压下，元件的体积和用料显著小，热容量和热惯性小，对温度变化的响应更快；层状钴氧化物材料各向异性，且制备原料为常见的氧化物粉末，成本低廉。附图说明图1为本专利技术低温测温元件的剖面结构示意图；图2为本专利技术实施例1中低温测温元件的电阻率-温度曲线；图3为本专利技术实施例2中低温测温元件的电阻率-温度曲线；图1中：1-单晶基底，2-薄膜热敏元件，3-导线Ⅰ，4-导线Ⅱ，5-金属电极Ⅰ，6-金属电极Ⅱ，7-金属电极Ⅲ，8-金属电极Ⅳ。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。实施例1一种基于层状钴氧化物的低温测温元件，如图1所示，包括单晶基底1、薄膜热敏元件2、导线Ⅰ3、导线Ⅱ4、金属电极Ⅰ5、金属电极Ⅱ6、金属电极Ⅲ7、金属电极Ⅳ8，薄膜热敏元件2在单晶基底1上沿c轴外延生长，在薄膜热敏元件2上表面设置有依次等距排列有金属电极Ⅰ5、金属电极Ⅱ6、金属电极Ⅲ7、金属电极Ⅳ8，金属电极Ⅰ5、金属电极Ⅳ8通过导线Ⅰ3连接恒流源输出端，金属电极Ⅱ6、金属电极Ⅲ7通过导线Ⅱ4连接电压表输入端；薄膜热敏元件2为层状钴氧化物薄膜。本实施例中单晶基底1为(00l)取向的SrTiO3，金属电极Ⅰ5、金属电极Ⅱ6、金属电极Ⅲ7、金属电极Ⅳ8的材料相同，为Ag，金属电极Ⅰ5、金属电极Ⅱ6、金属电极Ⅲ7、金属电极Ⅳ8之间的间距1mm；导线Ⅰ3、导线Ⅱ4所用材料相同，为Cu导线，直径为0.05mm。本实施例所述层状钴氧化物薄膜为层状Ca3Co4O9+δ薄膜，其制备方法具体包括以下步骤：A、Ca3Co4O9+δ多晶块材的制备：采用固相反应法，将纯度为99.99%的CaCO3、Co3O4粉末按摩尔比Ca:Co=3:4混合、研磨5h，在10MPa单轴压力下压片成型后在空气气氛、800℃下预烧12h，然后重新研磨5h成粉，在10MPa单轴压力下压片成型，在空气气氛、880℃下烧结24h，获得Ca3Co4O9+δ多晶块材；B、外延薄膜的制备：以步骤A获得的Ca3Co4O9+δ多晶块材为靶材，用脉冲激光沉积，以工艺条件为KrF准分子激光波长248nm，激光脉宽28ns，激光能量密度1mJ/cm2，激光频率2Hz，背底真空10-4Pa，生长温度760℃，生长流动氧压20Pa，生长时间10min，在SrTiO3(001)单晶基底上生长Ca3Co4O9+δ预制薄膜；C、原位退火：将步骤B获得的Ca3Co4O9+δ预制薄膜在静态氧气氛下退火，退火温度780℃，退火氧压2×104Pa，退火时间10min，得到c轴外延的层状Ca3Co4O9+δ薄膜。将本实施例元件放置在目标测温环境中，通过在金属电极Ⅰ5、金属电极Ⅳ8间输入已知恒流源，并对金属电极Ⅱ6、金属电极Ⅲ7间的电压表读数，通过欧姆定律可推算得到元件在该温度下的电阻及电阻率，进一步对照其电阻率-温度曲线即可得到被测环境温度。本实施例测温元件在26℃~-173℃温度范围内的电阻率-温度曲线见图2，电阻率-温度关系几乎为线性，0℃下电阻温度系数TCR高达0.49%，电阻率ρ≈5mΩcm。实施例2一种基于层状钴氧化物的低温测温元件，包括单晶基底1、薄膜热敏元件2、导线Ⅰ3、导线Ⅱ4、金属电极Ⅰ5、金属电极Ⅱ6、金属电极Ⅲ7、金属电极Ⅳ8，薄膜热敏元件2在单晶基底1上沿c轴外延生长，在薄膜热敏元件2上表面设置有依次等距排列有金属电极Ⅰ5、金属电极Ⅱ6、金属电极Ⅲ7、金属电极Ⅳ8，金属电极Ⅰ5、金属电极Ⅳ8通过导线Ⅰ3连接恒流源输出端，金属电极Ⅱ6、金属电极Ⅲ7通过导线Ⅱ4连接电压表输入端；薄膜热敏元件2为层状钴氧化物薄膜。本实施例中单晶基底1为(00l)取向的LaAlO3，金属电极Ⅰ5、金属电极Ⅱ6、金属电极Ⅲ7、金属电极Ⅳ8的材料相同，为In，金属电极Ⅰ5、金属电极Ⅱ6、金属电极Ⅲ7、金属电极Ⅳ8之间的间距3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于层状钴氧化物的低温测温元件，其特征在于，包括单晶基底、薄膜热敏元件、金属电极Ⅰ、金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ、金属电极Ⅳ、导线Ⅰ、导线Ⅱ，薄膜热敏元件在单晶基底上沿c轴外延生长，在薄膜热敏元件上表面依次设置有等距排列的金属电极Ⅰ、金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ、金属电极Ⅳ，金属电极Ⅰ、金属电极Ⅳ通过导线Ⅰ连接恒流源输出端，金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ通过导线Ⅱ连接电压表输入端，薄膜热敏元件为层状钴氧化物薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种基于层状钴氧化物的低温测温元件，其特征在于，包括单晶基底、薄膜热敏元件、金属电极Ⅰ、金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ、金属电极Ⅳ、导线Ⅰ、导线Ⅱ，薄膜热敏元件在单晶基底上沿c轴外延生长，在薄膜热敏元件上表面依次设置有等距排列的金属电极Ⅰ、金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ、金属电极Ⅳ，金属电极Ⅰ、金属电极Ⅳ通过导线Ⅰ连接恒流源输出端，金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ通过导线Ⅱ连接电压表输入端，薄膜热敏元件为层状钴氧化物薄膜。2.根据权利要求1所述基于层状钴氧化物的低温测温元件，其特征在于，所述单晶基底为00l取向的SrTiO3、LaAlO3或(LaxSr1-x)(AlyTa1-y)O3,(LaxSr1-x)(AlyTa1-y)O3中0.1≤x≤0.5，0.5≤y≤0.7。3.根据权利要求1所述基于层状钴氧化物的低温测温元件，其特征在于，所述金属电极Ⅰ、金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ、金属电极Ⅳ的材料相同，为Ag、Cu、In或Pt，金属电极Ⅰ、金属电极Ⅱ、金属电极Ⅲ、金属电极Ⅳ之间的间距为1-5mm。4.根据权利要求1所述基于层状钴氧化物的低温测温元件，其特征在于，所述导线Ⅰ、导线Ⅱ所用材料相同，为Ag或Cu导线，导线Ⅰ、导线Ⅱ的直径为0.05-0.2mm。5.根据权利要求1所述基于层状钴氧化物的低温测温元件，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋世金，虞澜，胡建力，崔凯，黄杰，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53