一种快响应且耐高温的薄膜型温度传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及温度传感器技术领域，公开了一种快响应且耐高温的薄膜型温度传感器及其制备方法，其中快响应且耐高温的薄膜型温度传感器，包括绝缘基底、带缓冲层的铂薄膜电阻温度传感器，绝缘基底为石英基底，绝缘基底上沉积有缓冲层和耐高温保护层的铂薄膜电阻温度传感器，缓冲层、耐高温保护层以及铂薄膜电阻温度传感器呈S形分布，与传统退火工艺不同本薄膜电阻温度传感器经过快速退火工艺制备而成。该快响应且耐高温的薄膜型温度传感器采用磁控溅射工艺，薄膜厚度在纳米尺度，热容量小，金属附着力强，器件整体电阻低，响应时间快。响应时间快。响应时间快。

【技术实现步骤摘要】
一种快响应且耐高温的薄膜型温度传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及温度传感器
，具体涉及一种快响应且耐高温的薄膜型温度传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]温度传感器主要用于温度的测量，其在工业监测、农业生产和科学研究等领域有着重要的应用。随着科技发展，越来越多传感器被用于瞬态测量的同时，对其尺寸的要求也逐步提高。而其中薄膜温度传感器具有灵敏度高、响应时间快、制作灵活的特点，近些年来，铂薄膜热电阻温度传感器的应用技术和装配工艺的发展日渐成熟。例如在过程控制中，及时探测温度能够保证系统工作的安全性、可靠性。在新能源汽车的使用中，铂薄膜温度传感器可监控车辆能源电池的温度，监控新能源电池的温度以防过热导致器件损坏。
[0003]但是，到目前为止，国内大量使用的铂薄膜电阻传感器一方面绝大多数仍为代理商进口销售的国外产品，此类技术与产品一向为国外产商所垄断，另一方面，现有的铂薄膜电阻传感器大多在具有多样的缺陷，例如中国专利201880030405.6，公开了一种用于测定气体参数的传感器，其传感器结构为S型，但是所采用的的材料耐高温性较弱。另外，中国专利201610913940.9，公开了一种高温薄膜传感器用抗氧化复合防护层及其制备方法，其采用长时间退火的方式，会引起薄膜表面产生缺陷影响器件性能，鉴于铂薄膜热电阻在民用领域和军用领域的重要作用，改变我国在这方面技术上的落后更具有极其深远的战略目标。
[0004]电阻温度系数(TCR)是表征铂金薄膜热电阻性能的关键指标之一，到目前为止，国内大多数报道的铂金薄膜热电阻的TCR值在室温下仍低于3.0
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‑3/℃。为了提高Pt薄膜温度传感器的电阻温度系数，一种方法是通过长时间的高温退火。研究发现，退火时保温时间过长会使器件灵敏度降低，线性程度变差，这是由于长时间的高温退火虽减少薄膜的缺陷，但铂电阻温度传感器中缓冲层在长时间的高温状态下扩散至表面，从而造成薄膜表面杂质增加。因此目前国内多选长时间高温退火来提高TCR，性能提高不明显，且针对缓冲层的研究相对较少一向选择传统缓冲层Ti,可供选择单一，因此国内制备所得器件大多达不到国际标准且工艺时间过长，升高降温时间以小时为单位。另一种方法是选择符合导热系数低、能耐较高温度的绝缘基底制备Pt可以在一定程度上提高TCR。第一种方法的虽然能够在一定程度上提高TCR，但退火工艺时间较长，升温及降温过程多达一天，且对器件伤害较大，制备出器件TCR多小于3.0
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‑3/℃。第二种方法所使用的氧化物单晶衬底(例如氧化铝衬底、铝酸镧衬底等)能够有效提高TCR，但工艺成本较高，试验设计需要投入的成本过大。这两种方法的制备工艺相对比较复杂，且制备成本较高，我们亟需探索新型制备工艺来提高温度传感器的性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术意在提供一种快响应且耐高温的薄膜型温度传感器及其制备方法，以解决
现有铂薄膜电阻传感器灵敏度低，耐高温性弱的问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术的基础方案如下：一种快响应且耐高温的薄膜型温度传感器，包括绝缘基底，绝缘基底上沉积有带有缓冲层以及具有耐高温保护层的铂薄膜电阻温度传感器，缓冲层以及具有耐高温保护层的铂薄膜电阻温度传感器呈S形分布。
[0007]本专利技术原理以及有益效果：采用的是绝缘基底，且基底和薄膜之间没有低导热系数的缓冲层或导热胶，从而显著降低热边界电阻，继而可以实现较高温度的测量，同时铂薄膜电阻温度传感器由于带有缓冲层，缓冲层的整体厚度为1～15nm，缓冲层可以起到加强基底与铂薄膜电阻连接性的作用，同时还能起到解决铂与缓冲层热膨胀系数不同导致的应力不匹配问题的作用。
[0008]进一步，耐高温保护层由氮化硅或氮化铝材料制成，其厚度为100～300nm。
[0009]进一步，铂薄膜电阻温度传感器采用掩膜版进行图案化。
[0010]有益效果：相对比于传统光刻工艺进行图案化，采用掩膜板技术能够使图案完整清晰，这样可以避免光刻工艺带来的图案受损从而使器件性能达到最优。
[0011]进一步，缓冲层导热金属钽或铬金属。
[0012]有益效果：缓冲层的扩散对铂电阻层有消极作用，但国内对于缓冲层研究单一，经过调研本专利技术选择了两种耐高温且热膨胀系数与铂电阻和基底相适宜的金属，因此本专利技术的缓冲层选取钽或铬金属单层或合金层作为首选材料，选取金属钽或铬金属制备为单层膜或两种金属制备为多层膜或合金薄膜，钽或铬的电性能和附着力明显优于传统的钛缓冲层，选择此两种材料能够一定程度上能够减少在高温下缓冲层的扩散。
[0013]进一步，铂薄膜厚度为80～200nm。
[0014]进一步，缓冲层的厚度为1～15nm。
[0015]进一步，快响应且耐高温的薄膜型温度传感器的制备方法，制备步骤如下，
[0016]步骤一，采用现有的工艺分别用无水乙醇、超纯水、丙酮和无水乙醇清洗绝缘基底，
[0017]步骤二，采用磁控溅射工艺在绝缘基底上利用掩膜版溅射出高质量S形缓冲层金属薄膜，或者采用热蒸发工艺制备温度传感器缓冲层，
[0018]步骤三，在保持真空状态不变的情况下，基于缓冲薄膜材料基础继续生长铂薄膜电阻温度传感器,厚度介于80～200nm之间，制备条件为：采用磁控溅射法制备；磁控溅射的功率为30～60W，溅射靶材为高纯铂靶，溅射气压为0.2～0.5Pa，氩气流量为40～100sccm，
[0019]步骤四，在保持真空状态不变的情况下，基于热电阻薄膜继续生长耐高温保护层薄膜，厚度介于100～300nm之间，
[0020]步骤五，将制备完成的温度传感器从磁控溅射设备中取出进行快速退火，温度在几秒内达到预设高温状态，避免缓冲层薄膜的扩散和氧化，退火方法为：进行快速升温，退火升温速度60～100℃/s,升温时间5～10s；达到退火温度500～900℃，在退火温度下保温1～10min；降温至室温25℃且降温速度为10℃/min,
[0021]步骤六，将退火后的温度传感器进行激光打孔处理进行引线。
[0022]有益效果：采用磁控溅射工艺，薄膜厚度在纳米尺度，热容量小，金属附着力强，器件整体电阻低，响应时间快，同时采用快速退火工艺大大不仅缩短了工艺时间，能够在短时间内完成器件的制备并且与已有专利技术相比性能提升幅度较大，目前市面已有的薄膜型温度
传感器利用现有的退火工艺，难以得到本申请中退火工艺的作用。所述步骤四采用磁控溅射工艺制备耐高温保护层，其制备条件为：在保持真空状态不变的情况下，基于热电阻薄膜继续生长耐高温保护层薄膜，厚度介于100～300nm之间。经过添加耐高温保护层的铂薄膜温度传感器可以保证温度传感器能够长时间在900℃高温条件下正常工作，且与市面已有的大多保护层材料不同，本专利技术选择氮化铝或氮化硅材料与传统材料相比具有更高的传热能力。
[0023]进一步，采用磁控溅射工艺在绝缘基底上利用掩膜版溅射出高质量S形缓冲层金属薄膜，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快响应且耐高温的薄膜型温度传感器，其特征在于：包括绝缘基底，绝缘基底上沉积有带有缓冲层以及具有耐高温保护层的铂薄膜电阻温度传感器，缓冲层以及具有耐高温保护层铂薄膜电阻温度传感器呈S形分布。2.根据权利要求1所述的快响应且耐高温的薄膜型温度传感器，其特征在于：耐高温保护层由氮化硅或氮化铝材料制成，其厚度为100～300nm。3.根据权利要求2所述的快响应且耐高温的薄膜型温度传感器，其特征在于：所述铂薄膜电阻温度传感器采用掩膜版进行图案化。4.根据权利要求3所述的快响应且耐高温的薄膜型温度传感器，其特征在于：所述缓冲层为导热金属钽或铬金属。5.根据权利要求4所述的快响应且耐高温的薄膜型温度传感器，其特征在于：铂薄膜厚度为80～200nm。6.根据权利要求5所述的快响应且耐高温的薄膜型温度传感器，其特征在于：缓冲层的厚度为1～15nm。7.一种快响应且耐高温的薄膜型温度传感器的制备方法，其特征在于：包括如下制备步骤，步骤一，采用现有的工艺分别用无水乙醇、超纯水、丙酮和无水乙醇清洗绝缘基底，步骤二，采用磁控溅射工艺在绝缘基底上利用掩膜版溅射出高质量S形缓冲层金属薄膜，或者采用热蒸发工艺制备温度传感器缓冲层，步骤三，在保持真空状态不变的情况下，基于缓冲薄膜材料基础继续生长铂薄膜电阻温度传感器,厚度介于80～200nm之间，制备条件为：采用磁控溅射法制备；磁控溅射的功率为30～60W，溅射靶材为高纯铂靶，溅射气压为0.2～0.5Pa，氩气流量为40～10...

【专利技术属性】
技术研发人员：王勇，焦瑞娜，王昆仑，宫建红，孙珲，邹文韬，刘昱赫，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：