CN104807554B - 一种铜热电阻薄膜温度传感器芯片及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铜热电阻薄膜温度传感器芯片，包括基片、温度传感器、两个电极板，其中所述温度传感器设置在基片上且包含多个电连接的电阻元件，部分电阻元件构成调阻电路。集成电路元件由薄膜技术沉积而成，其组成部分有：种子层、种子层上方的铜热电阻薄膜层和铜热电阻薄膜层之上的钝化保护层，这种结构的热敏电阻层通过半导体制造技术与工艺制成一系列的热敏电阻线来构成温度传感器，并且温度传感器上设有调阻电路用以精确调节电阻值。本发明还公开了这种传感器芯片的制备方法，即先在基片表面沉积薄膜，然后通过磁控溅射、图形化、剥离、刻蚀等工艺便可得到了最终的传感器芯片。该传感器芯片具有高阻抗、热稳定好、线性度高、成本低等优点。

Description

一种铜热电阻薄膜温度传感器芯片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种温度传感器芯片及其制备方法，尤其涉及一种使用铜热电阻作为测温元件的温度传感器芯片及其制备方法。
背景技术
温度传感器是感受温度并转换成可用输出信号的传感器，主要包括热电阻温度传感器(resistance temperature sensor)、热敏电阻温度传感器(thermistor temperaturesensor)、热电偶温度传感器(thermocouple temperature sensor)及集成P-N结温度传感器。随着技术的发展进步，红外辐射传感器、热释电探测器、MOS场效应管光子红外探测器、光纤温度传感器，也得到了越来越多的应用。温度传感器虽然种类繁多，但各有优劣，使用最多的是几大类温度传感器—热电阻、热敏和热电偶温度传感器，它们的应用场合略有区别：热敏电阻器通常由单晶、多晶半导体材料制成，其对温度极度敏感，电阻值会随温度产生阶跃性变化，通常是非线性的；热电偶温度传感器非常适合于高温测量，相反在负温度区间其测量效果不佳，而且需对热电偶冷端补偿、基准端温控和超前补偿做预防措施，使得其测量过程非常复杂；热电阻温度传感器电阻值随温度呈良好的线性关系，并且具有很好的稳定性，是中低温区(-200℃～650℃)最常用的一种温度检测器。
目前热电阻温度传感器大多使用金属铂作为热电阻敏感材料，其主要优点是：金属铂的电阻值随温度变化而变化，基本成线形关系，并且具有很好的重现性和稳定性，测量精度高，应用温度范围广，是中低温区(-200-650℃)最常用的一种温度检测器。另一种常用的热电阻材料为镍，其有着1.7倍于铂的电阻温度系数，具有更高的灵敏度，因此在精度要求不是太高的情况下，镍热电阻可以取代昂贵的铂热电阻。与前两者相比，铜的线性度最好，具有高于铂的电阻温度系数。但铜的缺陷也相当明显：低电阻率导致灵敏度与精度低下，容易被氧化、腐蚀等。以上缺陷严重限制了其在温度检测方面的应用，长期未引起人们的重视。
发明内容
为克服现有技术中的以上缺陷，本发明的铜热电阻薄膜温度传感器芯片采用改良的薄膜工艺，降低了所沉积金属膜内杂质与缺陷数量，大大提高了铜薄膜的电阻率，在传感器的制造过程中加入了钝化保护层，使铜薄膜避免被氧化腐蚀，提高了耐用度，保留了优良线性度的优点，具有高电阻、热稳定、低成本的优点。通过在真空中的高温热处理，使得铜薄膜内微缺陷进一步减少，并且还可控制调节温敏薄膜的电阻温度系数。
为实现上述目的，本发明提供了一种铜热电阻薄膜温度传感器芯片，包括一基片、温度传感器、两个电极板，其中所述温度传感器设置在所述基片上，所述温度传感器包含检测电阻和调阻电路，所述检测电阻和调阻电路分别由多个电连接的电阻元件构成，所有所述电阻元件上覆盖有一绝缘钝化层，所述两个电极板分别与调阻电路两端的电阻元件连接。
所有所述电阻元件由温敏薄膜图形化形成，所述温敏薄膜包括一铜热电阻薄膜层和覆盖于所述铜热电阻薄膜层表面的一钝化保护层，其中所述铜薄膜为热敏感材料，具有纳米微晶结构，其微晶或缺陷的长度不大于500纳米。
进一步地，所述温敏薄膜还包括一种子层，所述种子层位于所述基片与所述铜热电阻薄膜层之间，所述铜薄膜的纳米结构用于控制温敏薄膜的电阻温度系数，并可以通过所述种子层的材料的选择和制造过程中的退火工艺得到进一步的优化。
进一步地，整个芯片除连接电极板以外的其它部分覆盖有一弹性保护层。
优选地，所述钝化保护层为高温保护涂层，用以提高所述温度传感器的高温耐受性。
优选地，所述钝化保护层由各类氧化物和氮化物组成，并不局限于某一特定材料。
优选地，钝化保护层的氧化物包括氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧化钽。
优选地，钝化保护层的氮化物包括氮化钛、氮化铝、氮化钽、氮化硅。
优选地，所述铜热电阻薄膜层为铜薄膜或铜合金薄膜，所述铜合金薄膜为CuCr、CuNi、CuSn、CuNiFe或CuNiTi。
进一步地，所述铜热电阻薄膜层的厚度为200～50000埃。
优选地，所述检测电阻的形状为蛇形或螺旋形，所述电极板的形状为正方形、长方形或圆形。
本发明还提供了一种铜热电阻薄膜温度传感器芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1.对一基片进行表面清洁，在所述基片上沉积温敏薄膜；
S2.将所述沉积后的温敏薄膜进行真空热处理，真空热处理的目的在于消除膜内微缺陷和调节热敏感层的电阻温度系数(TCR)；
S3.将所述经过真空热处理的温敏薄膜图形化形成温度传感器中的各电阻元件；
S4.在所述电阻元件的上方沉积一层绝缘钝化层，将所述绝缘钝化层开窗，露出热敏感材料用于构建连接电极；
S5.在绝缘钝化层开窗处生长电极，该电极可用于后道球线焊接或者直接贴片封装；
S6.使用激光调整温度传感器芯片的电阻值至其规定值；
S7.在除连接电极外的其它部分沉积一层弹性保护层。
优选地，所述步骤S1在基片上沉积温敏薄膜包括：
S101.在所述基片上沉积一层种子层；
S102.在所述种子层上溅射一层铜热电阻薄膜层作为热敏感材料；
S103.在所述铜热电阻薄膜层上溅射一层钝化保护层。
优选地，所述步骤S1在基片上沉积温敏薄膜包括：
S111.在基片上溅射一层铜热电阻薄膜层作为热敏感材料；
S112.在所述铜热电阻薄膜层上溅射一层钝化保护层。
上述方法中，所述基片的材质为硅、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、碳化硅、氮化硅或微晶玻璃；所述种子层应当根据热敏感材料薄膜与基片之间的粘附性、产品对电阻温度系数等要求来决定是否需要添加。所述种子层包括氧化铝、氧化镁、氧化钛等金属氧化物或氮化铝、氮化钛等金属氮化物。所述钝化保护层包括氮化钛、氮化铝、氮化钽、氮化硅等金属氮化物及氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧化钽等金属氧化物。
优选地，所述步骤S3中进行真空热处理的温度为150～600摄氏度。
优选地，所述铜热电阻薄膜层为铜薄膜或铜合金薄膜，所述铜合金薄膜为CuCr、CuNi、CuSn、CuNiFe或CuNiTi。
优选地，所述铜热电阻薄膜层的厚度为200～50000埃。
进一步地，所述步骤S3中，多个所述电阻元件电连接构成温度传感器的检测电阻和调阻电路，所述步骤S6中，通过调整调阻电路的电阻值来调整温度传感器芯片的电阻值至其规定值。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)一次成膜，制备工艺简单；
(2)与同类铂、镍热电阻温度传感器相比具有更高的线性度；
(3)所使用的金属敏感材料超薄，使温度传感器芯片不仅具有高电阻的特性，并且具有优良的温度特性；
(4)铜材料可以广泛获得，相比其它类金属热电阻温度传感器，成本大大降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种铜热电阻薄膜温度传感器芯片的结构示意图；
图2为本发明的的调阻电路图；
图3为本发明的螺旋形电阻元件示意图；
图4为本发明的蛇形电阻元件示意图；
图5为本发明的一种铜热电阻薄膜温度传感器芯片的截面图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
实施例
图1为本发明的一种铜热电阻薄膜温度传感器芯片的结构示意图。该传感器芯片包括基片3以及集成在基片3上的温度传感器。温度传感器包含检测电阻4和调阻电路5，所述检测电阻4和调阻电路5分别由多个电阻元件连接构成，所有所述电阻元件上覆盖有一绝缘钝化层9，电极板1、2与调阻电路5两端的电阻元件连接；整个芯片除连接电极板以外的其它部分还沉积有一弹性保护层11。
所有所述电阻元件由温敏薄膜图形化形成，所述温敏薄膜包括一种子层6、种子层上方的一铜热电阻薄膜层7和铜热电阻薄膜层之上的一钝化保护层8，其中，所述铜热电阻薄膜层7为热敏感材料，具有纳米微晶结构，其微晶或缺陷的长度不大于500纳米。
所述铜热电阻薄膜层7为铜薄膜或铜合金薄膜，所述铜合金薄膜为CuCr、CuNi、CuSn、CuNiFe或CuNiTi，所述铜合金薄膜具有提高耐腐蚀性、减少压力引起的空隙、降低薄膜粗糙度等优点。
参见图3、图4，所述检测电阻4的形状可以为蛇形或螺旋形，电极板1、2的形状为正方形、长方形或圆形，但不限于以上形状。基片可以为硅、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、碳化硅、氮化硅或微晶玻璃等材料，在本实例中为硅基片。
图5所示的铜热电阻薄膜温度传感器芯片的制备方法包括以下步骤：
(1)首先对基片3进行表面清洁，在基片3上沉积一层种子层6，其厚度主要根据产品对电阻温度系数的要求而进行调节，也可不用，视实际产品要求情况而定。该称种子层6可为氧化铝、氧化镁、氧化钛等金属氧化物或氮化铝、氮化钛等金属氮化物。在本实施例中，该种子层为氧化镁(MgO)。
(2)使用磁控溅射方法在种子层6上溅射一层厚度为200—10000埃的铜热电阻薄膜层7作为热敏感材料，然后再接着沉积一层钝化保护层8，所述铜热电阻薄膜层7为铜薄膜或铜合金薄膜，所述铜合金薄膜为CuCr、CuNi、CuSn、CuNiFe或CuNiTi，钝化保护层8为各类金属氮化物(氮化钛、氮化钽、氮化铝、氮化硅等)及金属氧化物(氧化铝、氧化镁、氧化硅等)材料，在本实施例中，该钝化保护层为氮化钽(TaN)。
(3)将上述沉积后的温敏薄膜(温敏薄膜包含种子层6、铜热电阻薄膜层7和钝化保护层8进行热处理，热处理在真空环境下进行，热处理可以改善薄膜质量，提高电阻温度系数。热处理的温度一般在150～600摄氏度，实际温度依照产品的要求而定。在本实例中，温度为350摄氏度。
(4)将热处理后的温敏薄膜图形化形成温度测量用的各个电阻元件，这里的图形化形成电阻元件等同于用光刻和粒子束刻蚀工艺来定义各个功能器件。
(5)在图形化后形成的电阻元件上方沉积一层绝缘钝化层9，绝缘钝化层9可为氧化铝、二氧化硅或氮化硅等材料，本实例中绝缘钝化层材料为二氧化硅。将所述绝缘钝化层开窗，露出热敏感材料用于构建连接电极；
在钝化层开窗处生长电极10，该电极的材料可以为金、铜、铂、镍、银、锡及其合金等材料，本实例中为金，用于后道球线焊接或者直接贴片封装。
(6)用激光调阻的方法将温度传感器中的电阻元件的电阻调整至其规定值；
(7)除连接电极外，整个芯片涂覆沉积一层弹性保护层11，至此完成整个工艺。
下面对温度传感器的工作原理进行介绍。
对于图1所示的温度传感器，其主要是利用电阻温度传感器的理论原理来测量温度的，即在德拜温度附近，金属的电阻率与温度成正比。针对铜热电阻，在常温附近，RT＝R0[1+AT+BT2]，其中R0，RT分别为铜电阻在0℃和T℃时的阻值，A,B为常数，所以通过测量RT就可得出温度的值。
如图2所示，为本发明所涉及调阻电路示意图，虚线方框内为调阻电路5。芯片的设计电阻会低于实际要求的电阻值，其差额通过激光调阻进行调节。具体方法为：有意切断或熔断调阻电路5内某些电阻线，如图2叉号标记所标记的位置，来调节芯片电阻值至规定值。在实际设计和操作过程中，调阻电路的电阻线会有不同的设计尺寸(长短、宽窄)分别对应不同的阻值，以达到精确调阻的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种铜热电阻薄膜温度传感器芯片，其特征在于，包括一基片(3)、温度传感器、两个电极板(1，2)，其中所述温度传感器设置在所述基片(3)上，所述温度传感器包含检测电阻(4)和调阻电路(5)，所述检测电阻(4)和调阻电路(5)分别由多个电连接的电阻元件构成，所有所述电阻元件上覆盖有一绝缘钝化层(9)，所述两个电极板(1,2)分别与调阻电路(5)两端的电阻元件连接；所有所述电阻元件由温敏薄膜图形化形成，所述温敏薄膜包括一铜热电阻薄膜层(7)和覆盖于所述铜热电阻薄膜层(7)表面的一钝化保护层(8)；整个所述温度传感器芯片除连接电极板以外的其它部分覆盖有一弹性保护层(11)；所述调阻电路的电阻线有不同的设计尺寸；所述铜热电阻薄膜层(7)的厚度为200～50000埃，所述铜热电阻薄膜层(7)为热敏感材料，具有纳米微晶结构，其微晶或缺陷的典型长度不大于500纳米。
2.根据权利要求1所述的铜热电阻薄膜温度传感器芯片，其特征在于，所述温敏薄膜还包括一种子层(6)，所述种子层(6)位于所述基片(3)与所述铜热电阻薄膜层(7)之间。
3.根据权利要求1所述的铜热电阻薄膜温度传感器芯片，其特征在于，所述检测电阻(4)的形状为蛇形或螺旋形，所述电极板(1)的形状为正方形、长方形或圆形。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的铜热电阻薄膜温度传感器芯片，其特征在于，所述钝化保护层(8)为用以提高所述温度传感器的高温耐受性的高温保护涂层，
所述钝化保护层为金属氧化物或金属氮化物；
所述金属氧化物包括氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧化钽；
所述金属氮化物包括氮化钛、氮化铝、氮化钽、氮化硅。
5.根据权利要求1所述的铜热电阻薄膜温度传感器芯片，其特征在于，所述铜热电阻薄膜层(7)为铜薄膜或铜合金薄膜，所述铜合金薄膜为CuCr、CuNi、CuSn、CuNiFe或CuNiTi。
6.一种权利要求1-5中任意一项的铜热电阻薄膜温度传感器芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.对一基片进行表面清洁，在基片上沉积温敏薄膜，
S2.将所述沉积后的温敏薄膜进行真空热处理；
S3.将经过真空热处理的所述温敏薄膜图形化形成温度传感器中的各电阻元件；
S4.在所述电阻元件的上方沉积一层绝缘钝化层，将所述绝缘钝化层开窗，露出热敏感材料用于构建连接电极；
S5.在绝缘钝化层开窗处生长电极；
S6.调整温度传感器芯片的电阻值至其规定值；
S7.在整个芯片除连接电极外的其它部分沉积一层弹性保护层；
所述步骤S1在基片上沉积温敏薄膜包括：
S101.在所述基片上沉积一层种子层；
S102.在所述种子层上溅射一层铜热电阻薄膜层作为热敏感材料，所述铜热电阻薄膜层的厚度为200～50000埃，所述铜热电阻薄膜层具有纳米微晶结构，其微晶或缺陷的典型长度不大于500纳米；
S103.在所述铜热电阻薄膜层上溅射一层钝化保护层。
7.根据权利要求6所述的铜热电阻薄膜温度传感器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤S1在基片上沉积温敏薄膜包括：
S111.在基片上溅射一层铜热电阻薄膜层作为热敏感材料；
S112.在所述铜热电阻薄膜层上溅射一层钝化保护层。
8.根据权利要求6或7所述的铜热电阻薄膜温度传感器芯片的制备方法，其特征在于：所述基片的材质为硅、氧化铝、蓝宝石、氮化铝、碳化硅、氮化硅或微晶玻璃。
9.根据权利要求6所述的铜热电阻薄膜温度传感器芯片的制备方法，其特征在于：所述种子层为金属氧化物或金属氮化物；所述金属氧化物包括氧化铝、氧化镁、氧化钛，所述金属氮化物包括氮化铝、氮化钛。
10.根据权利要求6或7所述的铜热电阻薄膜温度传感器芯片的制备方法，其特征在于：所述钝化保护层为金属氧化物或金属氮化物，所述金属氮化物包括氮化钛、氮化铝、氮化钽、氮化硅，所述金属氧化物包括氧化铝、氧化镁、氧化硅、氧化钽。
11.根据权利要求6所述的铜热电阻薄膜温度传感器芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中进行真空热处理的温度为150～600摄氏度。
12.根据权利要求6或7所述的铜热电阻薄膜温度传感器芯片的制备方法，其特征在于：所述铜热电阻薄膜层为铜薄膜或铜合金薄膜，所述铜合金薄膜为CuCr、CuNi、CuSn、CuNiFe或CuNiTi。
13.根据权利要求6所述的铜热电阻薄膜温度传感器芯片的制备方法，其特征在于：步骤S3中，多个所述电阻元件电连接构成温度传感器的检测电阻和调阻电路，所述步骤S6中，通过调整调阻电路的电阻值来调整温度传感器芯片的电阻值至其规定值。
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