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温度传感功能薄膜的国内外研究进展状况

发布时间:2014-3-29??????发布人:泽天企业??????点击:

国内在热电阻传感薄膜研究方面,近几年有了一定的进展,并越来越受到重视。热敏电阻薄膜的敏感材料大多数为金属,其中Al薄膜的制备工艺简单,热处理温度低(Al的再结晶温度为150℃),可以直接作为内连线和压焊点。但是Al膜的灵敏度和电阻率低,耐腐蚀性差,这些都限制了它的使用。Ag的线性度比Al好,但Ag的电阻率比Al低,因此作为热敏电阻灵敏度低,而且Ag与保护膜的粘附性较差。Pt薄膜热电阻测温范围大,性能稳定,线性度好。

电子科技大学采用溅射法在氧化铝陶瓷和微晶玻璃基片上制备了Pt薄膜热敏电阻,并对二级直流溅射和磁控溅射两种制备工艺进行了研究比较,溅射的靶材采用99.9%的Pt片。普通二级直流溅射方法制备的薄膜电阻的电阻温度系数(TCR)最好只能达到3.6×10-3/℃,而采用磁控溅射方法并对Pt薄膜进行温度为500℃以上的热处理,制取的薄膜电阻的TCR可以达到3.85×10-3/℃以上。研究结果表明磁控溅射工艺极大地提高了薄膜沉积速度,使成膜速度提高,改善了薄膜性能。对薄膜进行电子显微镜形貌图观察显示薄膜密实,晶粒尺寸变大,使晶粒间界减少,膜面均匀一致,有利于减少薄膜电阻率,提高TCR。

由于金属薄膜的TCR与其电阻率的乘积为常数,因此降低电阻率就能提高金属薄膜的TCR。而薄膜的电阻率与其晶格点阵热振动和缺陷、杂质对自由电子的散射有关。降低电阻率的唯一途径是减少膜中的缺陷和杂质,消除表面影响。这就要求在制备薄膜时,选取适当的薄膜设备、镀膜和镀后热处理工艺,最大限度的降低薄膜中的杂质和缺陷。由于在磁控溅射时气体压力比直流溅射情况下减少,使薄膜中嵌入的气体杂质减少,薄膜表面气孔减少,提高了薄膜的TCR。磁控溅射工艺也提高了Pt膜的附着力,在氧化铝上和在微晶玻璃片上的附着力都比二级溅射的膜要好。而采用镀后热处理工艺后基片温度提高到500℃以上时,使Pt薄膜结构择优取向,结构改善,晶粒增大,应力减少,并释放出薄膜内的气体杂质,提高了薄膜的纯度,增强了Pt薄膜电阻的稳定性。但是由于Pt的价格昂贵,限制了它的应用。

近期的研究表明在金属材料中,Ni的电阻温度系数大,约为Pt电阻温度系数的1.7倍,作为温度传感器,Ni有较高的灵敏度,Ni的可焊性好,而价格远比Pt低,以上优点使Ni逐渐代替Pt成为优选的热敏薄膜材料。在Ni薄膜热敏电阻制备工艺方面,国内先后也有一些学者进行了有益的探讨。哈尔滨工业大学MEMS中心对Ni薄膜电阻作为多功能传感器的温度敏感元件进行了研究,他们应用蒸镀法制备了Ni传感薄膜,蒸镀材料选用纯度为5N的Ni丝,在1.3×-3Pa真空度下蒸镀出厚度为400nm的Ni膜,经光刻工艺制备出电阻传感器后,在400℃下退火2h。结果表明Ni传感膜在常温到350℃范围内工作稳定,有较好的重复性,在薄膜的线性度较差,达到9.3%,需要进行非线性补偿。结果表明,真空蒸发的优点是速度快,但膜层不够致密,容易出现针孔,薄膜中的缺陷、晶界较多,膜层与基片的结合不够牢固。而膜层的致密度和缺陷等将影响金属薄膜热敏电阻的TCR的大小。

采用磁控溅射法制备温度传感薄膜与蒸发镀膜相比有一系列优点。用荷能粒子轰击靶材,使靶表面原子获得足够的能量从表面逸出,高能量的溅射原子沉积到基片上形成薄膜,可使薄膜与基片的附着力增强,膜层致密,不易出现针孔,膜层与基片结合牢固,工艺重复性好。

浙江大学对真空蒸发、平面磁控溅射与S枪磁控溅射等几种制备工艺进行比较,并采用正交试验法得到了S枪磁控溅射靶镀制的Ni薄膜的最佳工艺。将在最佳工艺条件下溅射在微晶玻璃上的Ni薄膜经光刻后制得具有一定阻值的薄膜温度传感器。3种不同阻值 Ni薄膜温度传感器的电阻温度特性,其TCR值达到DIN-43670标准(德国国家工业标准)。当工作温度范围在-60℃---180℃时,TCR值(0至100℃)为6180×10-6/℃,非线性度小于0.7%,研究表明采用磁控溅射方法制备的Ni薄膜传感器的稳定性和精度要优于真空蒸发镀膜方法。而且由于镀膜设备上所采用的同轴结构的S枪靶的轴心处设置了一个能捕集二次电子的中心阳极,所以二次电子对基片的辐射损伤远比平面溅射靶和柱形溅射靶小,减少了薄膜中的缺陷及电阻率,因此可以获得较高精度的Ni传感薄膜。S枪磁控溅射靶还具有靶材利用率高,换靶容易等优点。

沈阳工业大学应用射频溅射法在聚酰亚胺软基底试制Ni薄膜热敏电阻,该传感器TCR的平均值为5.25×10-3/℃,测温范围-50~200℃。射频磁控溅射方法既可用于溅射导电的传感金属膜,又能溅射不导电的绝缘膜和介质膜。而且射频溅射方法对软基底的电子损伤小、膜在基底上的附着性好。

国外对薄膜电阻传感器的研究比较早,早在1917年就有人在玻璃棒上沉积薄膜电阻。近期Stankevic V研究了用于对压电晶片www.5197.com进行温度补偿的Al电阻传感薄膜,他研制的Al传感薄膜厚度为1.2μm,TCR值4.33×10-3/℃,使用温度0~125℃;Dichl W研究Pt薄膜电阻的温度传感器,TCR达到了3.85×10-3/℃;Gruner H研究了溅射Pt热阻薄膜膜厚与TCR的关系。研究结果认为,由于磁控溅射薄膜沉积速率较高,对溅射条件及时间要严格控制。金属薄膜电阻来源于金属内部对自由电子的散射。散射源由两部分组成:一部分是晶格的热振动,另一部分是结构缺陷、薄膜表面散射和杂质。为了消除表面散射对薄膜电阻的影响,应用使薄膜具有一定的厚度。当薄膜厚度比金属材料的电子平均自由程大一个数量级左右时,表面散射引起的电阻率可以忽略,金属材料的电子平均自由程一般为(10~30)nm之间,所以薄膜厚度应大于300nm。

薄膜热电偶传感器是一种比较先进的瞬变温度测量传感器,其动态响应能力好,动态时间常数可达微妙量级,体积小,便于安装;适用于瞬态温度测试。薄膜热电偶的原理是由德国人P Hackemann于一次世界大战期间提出,并将研制成的薄膜热电偶(其薄膜厚度为2μm)用于测量枪膛在子弹射出后的壁温变化。1950年代初,美国人D Bendersky根据P Hackemann提出的原理制作的薄膜热电偶,其热接点Ni膜厚度为1μm,用该薄膜热偶测出子弹发射所引起枪膛壁温的变化约427℃/ms,1960年代,日本的小栗达、原正键等研究成夹板式薄膜热电偶,用于测定内燃机壁面的瞬变温度。1970年代,英国的Marshall等研究了Ni、Fe、Cu、康铜、镍铬、镍铝等材料的蒸镀膜,当时Ni-Fe薄膜热电偶已经能达到250℃,并且误差在2℃范围内,日本的Koike等研究了蒸镀Bi-Ag和Sb-Ag薄膜热电偶的热电动势与膜厚之间的关系,美国Pratt和Whitney等航空汽轮发动机企业研究用薄膜热电偶测量汽轮机-级叶片表面温度,由于其它方法都无法达到测量汽轮机叶片表面瞬态温度,因此薄膜热电偶在测量汽轮机叶片的表面瞬态温度上的应用,极大地推动美国薄膜热电偶研究工作的进展。

1982年美国国家标准和技术研究所(NIST)开始进行1000℃以上薄膜热电偶与基体金属间绝缘材料的制造工艺和性能方面的研究工作,旨在提高薄膜热电偶与汽轮机一级叶片材料间氧化物的绝缘性能。NIST的第二个有关薄热电偶的研究项目是研究如何利用薄膜热电偶技术测量柴油机气缸温度,因为柴油机气缸一般用铸铁制造,所以必须研究绝缘氧化物的情况,得到涂层合金为FeCrAlY具有良好的绝缘性能。近期NIST的Kreider K G研究了反应溅射方法沉积透明导电的氧化铟锡(ITO)和氧化锑锡(ATO)热偶薄膜的工艺参数对薄膜热电偶性能的影响。透明薄膜热电偶既可以进行温度监控,又不影响玻璃基底材料的光学性能。通过控制制备工艺参数及薄膜的电阻率可得到具有不同热电势的薄膜热电偶,当薄膜的电阻率为(0.001~0.1)Ω-cm时,薄膜热偶输出的温差热电势系数为(12-80)μV/℃。研究表明,基片温度、溅射气氛、溅射速率、沉积均匀性等镀膜工艺参数和热处理工艺,对控制薄膜的电阻率及热电势系数是非常重要的。

1997年Yoshiteru、Enomoto 等研究应用薄膜热电偶测量发动机燃烧室的热流量。1998年,美国斯坦福大学的T Golnas等研究了用于设备在线监测的薄膜热电偶和薄膜应变片的制备,该薄膜热电偶以反应溅射氧化铝为绝缘层直接沉积在不锈钢基体上。1999年,美国通用电气企业应用溅射镀膜技术制备了响应时间常数为140μs Au-Pd薄膜热电偶,研究了溅射薄膜热电偶的工艺参数,并应用该热电偶测量激光束热流量分布。

国内也有不少学者对薄膜热电偶进行了研究。西北工业大学的研究人员用陶瓷片作为基体材料,采用射频溅射技术制备了膜厚为700 nm的Ta薄膜便携式热电偶。薄膜热偶的动态标定采用PLJ-Nd钕玻璃激光器脉冲补偿方法,测得薄膜热电偶的动态时间响应常数小于50μs;测量精度为0.5%,线性度良好,实验结果表面薄膜热偶的热稳定性及抗热冲击性良好,测温范围0--1200℃,可以在1200℃下长期使用。他们还运用射频溅射法制备了镍铬-镍硅薄膜热电偶,并应用该薄膜热电偶对锻压模具和机械制造中的磨削加工时的瞬态温度进行了测试,取得了良好效果。以上研究结果表明:射频溅射方法是制备多层绝缘与热偶结点材料交叉复合式薄膜热电偶的非常有效方法,该方法通过调整工艺,可以在同一台镀膜机一次分层镀出性能稳定的和较高测量精度的实用型薄膜热电偶。

采用真空蒸发法沉积热电偶合金薄膜时,由于合金中各种元素的蒸发能不同,分馏现象使热偶薄膜的成分改变,所以用真空蒸发法很难制备出实用的热偶传感薄膜,而普通磁控溅射靶对于溅射像NiSi那样的强磁材料的效率非常低。为了解决该问了NiCr-NiSi薄膜热电偶。磁场垂直靶面,成膜基片放在两靶相对空间之外。对向靶保留了磁控溅射技术的优点,并且在溅射磁性材料时,与之正交的磁力线仍可以穿出靶面,在两溅射靶间形成柱状高密度等离子区。通过控制电场和磁场,可以获得较高的沉积速率。同时在对向靶溅射中,由于成膜基片在等离子区域之外,避免了高能电子对基片的轰击,减少了薄膜结构中的缺陷,提高传感薄膜的测量精度。

镀膜时基片采用医用载玻片,掩模板用不锈钢薄膜刻制。溅射前的本底真空度为10-4Pa,溅射时的Ar工作压力为10-1Pa,溅射功率为600W。对制备的薄膜厚度在(300-670)nn的不同热电偶样品进行了静、动态特性测定,结果膜与所用靶材的成分基本一致,有利于保证薄膜热电偶的灵敏度。动态特性测试结果表明薄膜热电偶的时间常数随膜厚变薄而减小。对测试对果分析后认为:减少膜厚能够降低薄膜热电偶的热惯性,从而减少由于热惯性引起的热电偶指示值与被测温度之间的偏差。沈阳航空发动机研究所研制了应用在航空发动机涡轮叶片上的铂铑-铂热电偶,并对热电偶进行了试验,测量结果表明,温度在(400-900)℃范围内,薄膜热电偶的误差为±2%,而且薄膜热电偶系统可以承受有气流流过的情况下的反复冷热循环试验而不损坏。本文由泽天传感归纳整理,转载请保留出处。

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