CN1007764B - 一种薄膜电阻温度传感器及制造方法 - Google Patents
一种薄膜电阻温度传感器及制造方法Info
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Abstract
该薄膜电阻温度传感器的特征是在表面有氧化硅绝缘层的硅芯片上形成铝钛薄膜热敏电阻片的结构。为使传感器小型化、工作温度范围宽和灵敏度高，采用了薄膜结构，微细图案设计和加工技术，温度传感器封装在小型金属管壳里，电阻值为600-130Ω，电阻正温度系数约4200×10-5/℃，能在正200℃-负200℃的温度范围内使用，最大非线性度小于0.5%。
Description
本发明涉及一种薄膜电阻温度传感器及其制造方法，特别涉及一种铝钛薄膜电阻温度传感器及其制造方法。
在现有技术中，大部分金属薄膜电阻温度传感器用镍、钨、铂等金属材料制成。例如美国专利（US4139833）描述的一种镍金属薄膜电阻温度传感器。它是在陶瓷衬底上淀积一层一氧化硅绝缘层，然后用掩膜版淀积一层金属镍薄膜，形成螺旋蛇状图案，面积为0.140×0.140×0.0015inches，其电阻值为1000Ω，最后再淀积一层一氧化硅保护层。镍或钨薄膜温度传感器有较高的灵敏度，但由于电阻正温度系统太高，因而在低温时电阻值变得很小，温度线性很差，不适宜在负200℃的低温下使用。铂的电阻正温度系数较高，能在负200℃的低温范围内保持电阻的线性变化，也有良好的感温灵敏度，但制造困难，成本昂贵。现有技术中制备金属薄膜电阻温度传感器的方法。都不是在氧化硅衬底上直接淀积金属形成图案。例如在云母、石英或蓝宝石衬底上直接淀积铝薄膜的方法（File13：Inspec 1958683，A87102411，B87056641），但加工工艺复杂，成本很高，而且不易控制薄膜电阻值及其电阻的正温度系数。
本发明的目的在于设计一种铝钛双层薄膜电阻温度传感器。采用电阻正温度系数比铂电阻略高的
温度线性范围较宽的金属铝作为感温材料。由于金属铝的电阻率较低，所以采用薄膜结构和弯曲条状图案来提高铝层的薄膜电阻，使温度传感器微型化。在铝层和氧化硅衬底之间添加一层钛层以增加其粘附性能，使传感器能在正200℃～负200℃范围内正常工作。钛和铝的标准电离电位仅差0.03伏，两者接合不易发生异金属电解腐蚀作用。钛的电阻率比铝的电阻率至少大16倍，当钛层厚度约为铝层厚度1/10时，钛层对铝层电阻的并联影响很小。本发明的另一个目的在提供一种铝钛薄膜电阻温度传感器的制造方法。在氧化硅绝缘衬底上，先后淀积钛铝两层金属薄膜，用钛膜4作为过渡层，形成在二氧化硅绝缘衬底3上的铝钛双层薄膜结构并采用弯曲条状图案设计，既考虑到温度传感器的良好性能，又顾及了生产时器件的进一步微型化和产品的合格率。
本发明的实现方法是：在高温氧化炉中，用热氧化法在抛光硅片的至少一边的表面生长约1μm厚的氧化硅绝缘层作为薄膜电阻温度传感器芯片2的衬底3，在10-5～10-6乇的真空室中，在衬底3具有氧化硅绝缘层的一边用纯度都大于99.97%的钛和铝金属材料用电阻加热蒸发或用电子束蒸发或用溅射法，先淀积一层钛膜4，随后在所淀积的钛膜4上再淀积一层铝膜5，淀积钛铝薄膜时衬底3加热到100℃～350℃。淀积的速度控制在每秒3-25埃之间。钛膜4的厚度为500～700埃，，铝膜5的厚度为4000-7000埃。然后涂光刻胶，用金属图案掩膜版进行爆光，湿法（或干法）腐蚀掉多余的光刻胶，形成掩膜版上的弯曲条状图案，在光刻胶的保护下用磷酸溶液刻蚀铝膜至钛膜显露出来为止，再用稀的氢氟酸刻蚀钛膜直至形成弯曲条状图案的电阻带，其宽度为4-6μm，长宽比为（1.2-1.9）×104。电阻带的蚀刻误差不超过±1μm。在弯曲条状图案线条的1/10和1/5处各增设一个外引线键合点。使铝钛双层金属薄膜的电阻值为600-1300Ω，电阻正温度系数约4200×10-6/℃，在正200℃-负200℃的温度范围内最大非线性度小于0.5%。接着去掉光刻胶，划分制成电阻芯片2，用银浆把芯片2粘接和烧结在金属管座1上，在350℃～400℃下进行烧结牢固。用硅铝丝6将芯片2的压脚和管座的引出线7之间进行键合，使其电气连接，初测合格的敏感器和管帽进行高温焙烘，排除水汽，在室温下相对湿度低于15%的干燥氮气体中进行封帽。最后把封装好的传感器置于250℃的温度下进行1小时的高温老化处理。
本发明与现有技术相比，具有下列特点：
1.灵敏度高工作温度范围宽，应用铝钛金属材料的双层薄膜结构，使得本温度传感器具有比铂电阻高的电阻值和电阻正温度系数，同时使薄膜和氧化硅绝缘衬底之间具有良好的粘附性能，能承受正200℃～负200℃的温度变化，并具有良好的电阻-温度的线性关系。参见表1。
表1：铝层厚度对其电阻值和电阻正温度系数的关系
铝层电阻 铝层厚度 电阻温度系统
（Ω） （A） ×10-6/℃
500 8000 4245
600 6520 4241
800 5000 4237
1000 4000 4083
3000 1340 3210
在表1中列出的实验数据表明，当铝层厚度小于4000埃时，铝层电阻的正温度系数下降得很快。
2.体积小、响应快。用铝金属作为传感器的感温材料，铝膜5制备方便，容易进行微细加工，有助于减小铝膜5厚度，提高薄层电阻。铝层上也容易进行键合，这现与引出线7的连接。在钛层与铝层和氧化硅绝缘层接触的界面上，能分别生成TiO2和TiAl3化合物，从而使三者形成牢固的粘接。这种粘附是在淀积过程中自动形成，不需要再经高温处理，使铝层免受一次多余的氧化。这样，铝层的厚度和薄层电阻都得到很好的控制。结构紧凑使本温度传感器可以做到小型化，并且加快响应速度。
3.可靠性高，铝层表面能自然生长一层氧化层，可起钝化保护作用。钛的表面也有钝化层，使传感器性能稳定。钛和铝的标准电离电位仅差0.03伏，两者接合不易发生异金属电解腐蚀作用。钛的电阻率比铝的电阻率至少大16倍，钛膜4厚度约是铝膜5厚度的1/10，因而钛层对铝膜5电阻的并联影响很小。严格控制在室温下相对湿度低于15%的干燥氮气中进行管壳封装，封闭后又进行250℃高温1小时的老化处理，使得本温度
传感器具有能长期工作的可靠性，而且工作性能稳定。
附图1是铝钛薄膜电阻温度传感器的结构和局部介剖图。其中1是金属管座，2是芯片，3是绝缘氧化硅衬底，4是钛膜，，5是铝膜，6是硅铝丝，7是引出线。
附图2是本温度传感器的电阻-温度（R-T）特性曲线图。它表明在室温25℃时，电阻值为800Ω的温度传感器的电阻-温度（R-T）特性曲线。按下列公式可算出电阻正温度系数：
＝4237×10-6/℃
其中，T0温度为0℃。T传感器的电阻值为Rr时的温度。
R00℃时传感器的电阻值。RTT℃时传感器的电阻值。
α传感器电阻的正温度系数。
按下列公式可算出最大非线性度：
其中，RA与拟合直线偏离最大的电阻值
RC拟合直线上的电阻值
Fmax最高电阻值
Rmin最低电阻值
δmax最大非线性度
附图3是本温度传感器在85℃、85%相对温度的温湿环境中电阻相对变化 最大值与时间关系的曲线图。它是通过8只温度传感器实验的结果。从图中可以看出，经500小时贮存试验后，
这说明，本温度传感器性能稳定，可靠。
铝钛薄膜电阻温度传感器是一种新型的温度传感器。与铂电阻温度传感器相比，具有较高的电阻正温度系数和电阻值，因而有较高的灵敏度、体积小、响应快、制造容易、成本低廉和容易批量生产等优点。与热敏电阻温度传感器相比，具有工作温度范围宽、线性好、性能稳定、可靠性高、耐振等优点。因而它具有能在各个领域普遍推广应用的前景。
Claims (13)
1、一种薄膜电阻温度传感器，其特征是，所用薄膜电阻芯片2的结构为，以至少一边具有氧化硅绝缘层表面的硅为衬底3，在衬底3具氧化硅表面层的一边淀积一层钛膜4，在钛膜上淀积一层铝膜5，淀积的钛铝双层薄膜蚀刻形成所需的弯曲的电阻带图形。
2、根据权利要求1的薄膜电阻温度传感器，其特征是，衬底3的氧化硅表面层厚度为1微米，淀积的钛膜厚度为500-700埃，铝膜厚度为4000-7000埃，蚀刻钛铝双层薄膜形成的电阻带宽度为4-6微米，电阻带的长宽比为（1.2-1.9）×104。电阻带的蚀刻误差不超过±1微米。
3、根据权利要求1和2的薄膜电阻温度传感器，其特征是，铝钛薄膜的电阻值为600-1300欧姆，电阻温度系数为+4200×10-6/℃，在+200℃～-200℃的温度范围内，芯片电阻的最大非线性度小于0.5%。
4、根据权利要求1的一种薄膜电阻温度传感器的制造方法，包括：
（1）在高温氧化炉中，使抛光硅片的至少一边的表面生长一层氧化硅绝缘层，作为薄膜电阻温度传感器芯片的衬底3。
（2）在真空中，在衬底3的具有氧化硅绝缘层的一边，真空淀积一层钛膜4，随后在所淀积的钛膜4上再淀积一层铝膜5。
（3）淀积成的双层膜蚀刻成所需的弯曲电阻带图形，制成所需的电阻芯片2。
（4）将芯片2装入外壳中，连接电阻带与外引线，使其电气连接。
（5）封装。
（6）测试。
（7）老化处理。
5、根据权利要求4的制造方法，其特征是，形成钛、铝薄膜的真空淀积技术是真空蒸发。
6、根据权利要求4的制造方法，其特征是形成钛、铝薄膜的真空淀积技术是电子束蒸发。
7、根据权利要求4的制造方法，其特征是形成钛、铝薄膜的方法是溅射法。
8、根据权利要求4的制造方法，其特征是，衬底3的至少一边生长的氧化硅绝缘层厚度为1微米。
9、根据权利要求4的制造方法，其特征是，淀积钛、铝薄膜所用金属钛和铝的纯度均为99.97%。
10、根据权利要求4的制造方法，其特征是，真空淀积钛、铝薄膜的真空度为10-5-10-6乇，衬底3的加热温度为100℃-350℃。
11、根据权利要求4的制造方法，其特征是，所淀积的钛薄膜4的厚度为500-700埃，铝膜5的厚度为4000-7000埃。
12、根据权利要求4的制造方法，其特征是，铝钛双层薄膜用光刻，腐蚀技术形成电阻带图形，其带宽为4-6微米，长宽比为（1.2-1.9）×104。
13、根据权利要求4的制造方法，其特征是，传感器的封装在室温，相对湿度低于15%的干燥氮气中进行。
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| CN 88102279 CN1007764B (zh) | 1988-04-18 | 1988-04-18 | 一种薄膜电阻温度传感器及制造方法 |
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