CN105784183A - 一种贴片式温度传感器及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种贴片式温度传感器及其制备工艺，属于涉及温度计领域，其包括基底，位于基底上的锗膜，以及位于锗膜上的叉指电极，叉指电极的两个电极各连接一条导线。制备工艺先采用超高背底真空条件，高纯氩气和高纯度锗靶的磁控溅射技术在基底的表面制备高纯锗膜作为温敏材料，又在锗膜的表面制备叉指电极以减小锗膜的电阻，然后在叉指电极引出导线作为温度传感器的输出信号引线。温度传感器呈片状，温度传感器的长度和宽度均不大于1mm，温度传感器的厚度不大于550μm，温度传感器的体积小，因此可直接贴到待测物体表面的任意局部，通过测量锗膜的电阻值，就可用来测量物体表面局部温度的快速变化，温度传感器的测量精确度高且稳定。

Description

一种贴片式温度传感器及其制备工艺

技术领域

本发明涉及温度传感器领域，具体而言，涉及一种贴片式温度传感器及其制备工艺。

背景技术

温度计是可以准确判断和测量温度的工具，根据使用目的的不同，人们已设计制造出许多种温度计，主要包括：利用固体、液体、气体受温度的影响而热胀冷缩的现象设计的温度计，例如水银温度计；根据在定容条件下，气体(或蒸汽)的压强因不同温度而变化设计的温度计；根据热电效应的作用设计的温度计；还有根据电阻对温度的变换而变化设计的温度计，例如半导体温度计。

市场上出售的温度计虽然多种多样，但体积一般比较大，适合测量液体内部温度或者固体较大面积的温度，例如将呈块体的温度计直接放入物体内部测量其温度。在某些特殊情况下，需要测量较小物体表面温度的快速变化，但市场上出售的温度计无法满足需求。

通过研究发现，半导体的电阻变化比较特殊，当温度升高时，其电阻反而减少，并且某些温度范围内变化幅度较大，少量的温度变化可使半导体的电阻发生明显的变化，也就是说半导体的电阻温度系数很大，因此采用半导体所制成的温度计有较高的精确度，常被称为感温器。虽然半导体温度计的理论精确度很高，但是目前由于技术原因，无法获得高纯的半导体薄膜材料，半导体薄膜中杂质的存在大大降低了其电阻温度系数，也降低了半导体温度计的测试精度。如果能在制备半导体薄膜的过程中降低薄膜内部的杂质含量，其测试精度可以进一步提高，在某些温度范围内有望达到1mK。目前，市场上还没有精度达到1mK，可以用来测量物体表面局部温度的半导体温度计。

发明内容

本发明提供了一种贴片式温度传感器，其测量精确度高且稳定，体积小，可用来测量物体表面局部温度的快速变化。

本发明提供了一种贴片式温度传感器的制备工艺，由高电阻温度系数的半导体温敏层组成的温度传感器能够保证温度传感器的测量精确度高且稳定，体积小，可用来测量物体表面局部温度的快速变化。

本发明是这样实现的：一种贴片式温度传感器，温度传感器呈片状，温度传感器包括：

基底，位于基底的上表面的锗膜，以及位于锗膜的远离基底的表面的叉指电极，，叉指电极的两个电极各连接一条导线。

进一步地，上述基底采用具有氧化层的单晶硅、蓝宝石衬底、MgO单晶、Al₂O₃单晶中的一种制成。

进一步地，上述具有氧化层的单晶硅包括由下而上堆叠的硅层和氧化硅层，硅层的厚度为300-500μm，氧化硅层的厚度为0.2-0.4μm。

进一步地，上述温度传感器的长度和宽度均不大于1mm，温度传感器的厚度不大于550μm；锗膜的厚度为0.5-1.5μm。

进一步地，上述叉指电极包括由下而上堆叠而成的钛层和金层，钛层的厚度为0.01-0.05μm；金层的厚度为0.15-0.25μm。

进一步地，上述金层与导线连接，导线为金或铜导线。

进一步地，上述叉指电极上覆盖有氧化铝形成的保护层，保护层的厚度为0.15-0.25μm。

进一步地，上述叉指电极的叉指宽度＝叉指间距＝4-6μm。

一种贴片式温度传感器的制备工艺，包括以下步骤：

选取基底，采用磁控溅射技术在背底真空优于1.0×10^-7Pa的条件下，采用纯度为6N的氩气作为溅射气体，并采用纯度为7N的锗靶作为溅射靶材，在基底的上表面制备锗膜；

在锗膜远离基底的表面制备叉指电极；以及

在叉指电极的两个电极各引出一条导线。

进一步地，上述叉指电极包括由下而上堆叠而成的钛层和金层，叉指电极的制备过程为：利用光刻技术在锗膜上制备出光刻胶的图形，再利用热蒸发技术在图形上依次镀钛和金，镀完后溶去光刻胶。

本发明的有益效果是：

本发明采用超高背底真空条件，高纯氩气和高纯度锗靶的磁控溅射技术在基底的第一表面制备高纯的锗膜作为温敏材料，锗膜的电阻温度系数高，又在锗膜的第二表面制备叉指电极以减小锗膜的电阻，然后在叉指电极引出导线作为温度传感器的输出信号引线。温度传感器呈片状，温度传感器的长度和宽度均不大于1mm，温度传感器的厚度不大于550μm，温度传感器的体积小，因此可直接贴到待测物体表面的任意局部，通过测量锗膜的电阻值，就可得到物体局部表面的温度，温度传感器的测量精确度高且稳定。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为实施例1提供的贴片式温度传感器的结构示意图；

图2为图1沿AA的剖面示意图；

图3为实施例2提供的贴片式温度传感器的结构示意图；

图4为图3沿BB线的剖面示意图；

图5为实施例3提供的贴片式温度传感器的剖面示意图；

图6为实施例3提供的贴片式温度传感器的电阻随温度变化的曲线图。

图中附图标记分别为：

100、200、200a-温度传感器，101、201-基底，201a-硅层，201b-氧化硅层，101a、201c-第一表面，102、202-锗膜，102a、202a-第二表面，110、210-叉指电极，102b-第二底面，103-第一电极，103a-第一极杆，103b、203b-第一叉指杆，104-第二电极，104a-第二极杆，104b、204b-第二叉指杆，205-钛层，206-金层，207-保护层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

第一实施例

参见图1和图2所示，本实施例提供一种贴片式温度传感器100，温度传感器100呈片状，温度传感器100的长度和宽度均不大于1mm，温度传感器100的厚度不大于550μm，温度传感器100为片状结构，且体积小，因此可直接贴到待测物体表面的任意局部，用来测量物体表面的局部温度，以及不同形状物体的表面温度。温度传感器100包括基底101、锗膜(Ge膜)102，以及叉指电极110。锗膜102是温敏材料，是温度传感器100的核心部分，锗膜102位于基底101的第一表面101a(即上表面)，锗膜102具有第二表面102a和第二底面102b，第二表面102a是远离基底101的表面，第二底面102b与基底101的第一表面101a接触，叉指电极110位于锗膜102的第二表面102a，叉指电极110的两个电极各连接一条导线，用于将叉指电极110的两极引出。温度传感器100的结构简单，温度传感器100的底面，即基底101的第二表面101b为平面，可通过绝缘导热胶将温度传感器100的底面和物体紧密的贴合在一起，就可测试物体的表面温度。

其中，基底101采用高阻材料制成，高阻材料包括具有氧化层的单晶硅、蓝宝石衬底，或者基底101也可采用导热绝缘材料制成，导热绝缘材料包括MgO单晶，Al₂O₃单晶，基底101的厚度300-500μm。本实施例中，基底101采用MgO单晶制成，基底101的厚度约为300μm。

锗膜102的厚度为0.5-1.5μm。对于半导体温度传感器，少量的温度变化可使半导体的电阻产生明显的变化。在一定温度变化条件下，若半导体电阻的变化范围过大，相应的，半导体能够测量的温度范围较小；若半导体电阻的变化范围过小，则说明半导体的测量精度不高。本实施例中，温度传感器100作为一种半导体温度传感器，单质锗膜102作为温敏材料，只有锗膜102的厚度范围限定在1μm±5％，对应的锗膜102电阻范围最为合适，温度传感器100的测量的温度范围较大，而且测量精度高。本实施例中锗膜102的厚度为0.95μm。

叉指电极110是如指状或梳状的面内有周期性图案的电极，通常这种电极被用来产生与可穿透材料样品和敏感涂层的电场相关的电容，而在本实施例中，叉指电极110是为了降低锗膜电阻。叉指电极110包括第一电极103和第二电极104，第一电极103包括第一极杆103a和多根一端与第一极杆103a连接的第一叉指杆103b，第二电极104包括第二极杆104a和多根一端与第二极杆104a连接的第二叉指杆104b，所有第一叉指杆103b和第二叉指杆104b交替间隔设置，第一极杆103a和第二极杆104a为叉指电极110的两极，第二极杆104a的宽度约为100-200um，是用来金丝球焊引出电极。本实施例中，叉指电极110的厚度为0.15-0.3μm，叉指电极110的叉指宽度＝叉指间距＝4-6μm，叉指宽度为第一叉指杆103b或第二叉指杆104b的宽度，叉指间距为相邻第一叉指杆103b和第二叉指杆104b之间的间距。优选的，叉指电极110的厚度为0.15μm；叉指电极110的叉指宽度＝叉指间距＝4μm。

本实施例提供的贴片式温度传感器100的制备工艺，包括以下步骤：

首先，选取基底101，采用磁控溅射技术在背底真空优于1.0×10^-7Pa的条件下，采用纯度为6N的氩气作为溅射气体，并采用纯度为7N的锗靶作为溅射靶材，在350-450℃的基底101的第一表面101a制备锗膜102作为温敏材料。

磁控溅射的工作原理是电子在电场E的作用下，在飞向基片过程中与氩原子发生碰撞，使其电离产生出Ar正离子和新的电子；新电子飞向基片，Ar离子在电场作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，使靶材发生溅射，在溅射粒子中，中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。采用普通磁控溅射技术制备普通锗膜的过程中可能由于靶材中有杂质，以及真空度达不到，气体中可能存在杂质的原因，而使所制备的普通锗晶体和普通锗膜中含有大量的杂质，使得普通锗膜的温敏系数降低，影响普通温度传感器的测量精度。

本实施例是在背底真空优于1.0×10^-7Pa的超高真空条件下，纯度为6N的氩气作为溅射气体，并采用纯度为7N的锗靶作为溅射靶材溅射形成锗膜102，超高真空条件可以大大降低镀膜时气体中氧的浓度，进而降低锗膜102中的氧含量；纯度为7N的高纯靶材可以降低溅射靶中的杂质含量。本实施例采用超高真空的技术条件和选用高纯度的锗靶(Ge靶)和氩气，使溅射形成锗膜102内的杂质降低，制备得到高纯的锗膜102，其电阻温度系数高，适合作为高灵敏度的温度传感器100；另外，350-450℃的基底101温度可使锗膜102的结晶行为良好，锗膜102表面致密光洁，进一步提高了温度传感器100的测量稳定性。本实施例中磁控溅射时的基底101温度为400℃。

其次，在锗膜102的第二表面102a制备叉指电极110，以减小锗膜102的电阻。

然后，在叉指电极110的两个电极各引出一条导线，作为温度传感器100的输出信号引线。

本实施例温度传感器100的工作原理为：当温度发生变化时，锗膜102的电阻会发生变化，锗膜102的电阻随温度的变化具有一定规律，因此用仪器与导线连接，即可读出锗膜102的电阻值，就可以推算出温度。

第二实施例

参见图3和图4所示，提供的贴片式温度传感器200，与第一实施例提供的贴片式温度传感器100的结构大致相同，温度传感器200包括基底201、锗膜202，以及叉指电极210。锗膜202位于基底201的第一表面201c，叉指电极210位于锗膜202的第二表面202a，叉指电极210的两个电极各连接一条导线，用于将叉指电极210的两极引出。

二者的区别在于：本实施例中，基底201为具有氧化层的单晶硅，基底201包括由下而上堆叠的硅层201a和氧化硅层201b，硅层201a的厚度为300-500μm，氧化硅层201b的厚度为0.2-0.4μm。优选的，硅层201a的厚度为500μm，氧化硅层201b的厚度为0.4μm；锗膜202的厚度为1.05μm。

叉指电极210的第一叉指杆203b和第二叉指杆204b交替间隔设置，叉指电极210的叉指宽度＝叉指间距＝6μm。叉指电极210包括由下而上堆叠而成的钛层205和金层206，钛层205的厚度为0.01-0.05μm，金层206的厚度为0.15-0.25μm，金层206与导线连接，导线为金或铜导线，用于引出叉指电极210的两个电极。具体的，导线为铜导线，钛层205的厚度为0.05μm，金层206的厚度为0.25μm。其中，金层206为电极层，作为温度传感器200的引线，钛层205是金层206的过渡层，保证锗膜202与金层206接触良好，并将锗膜202的电阻值信号传递出去，并转化为对应的温度值。

本实施例温度传感器200的制备工艺与第一实施例的温度传感器200的制备工艺大致相同，在此不再赘述。二者的不同之处在于，本实施例温度传感器200的叉指电极210为Ti/Au电极，因此采用lift-off工艺制备电极。在锗膜202的第二表面202a制备叉指电极210的方法具体是：利用光刻技术在锗膜202上制备出光刻胶的图形，再利用热蒸发技术在图形上依次镀钛和金，镀完后溶去光刻胶，剩下的即是叉指电极210。导线是通过金丝球焊技术从金层206表面引出。

具体地，光刻胶又称光致抗蚀剂，由感光树脂、增感剂(见光谱增感染料)和溶剂三种主要成分组成的对光敏感的混合液体。感光树脂经光照后，在曝光区能很快地发生光固化反应，使得这种材料的物理性能，特别是溶解性、亲合性等发生明显变化。经适当的溶剂处理，溶去可溶性部分，得到所需图像。

热蒸发是把待镀膜的基片或工件置于真空室内，通过对镀膜材料加热使其蒸发气化而沉积与基体或工件表面并形成薄膜或涂层的工艺过程，称为真空蒸发镀膜，简称蒸发镀膜或蒸镀。钛层205和金层206这两层金属层均用热蒸制得。

第三实施例

参见图5所示，本实施例提供的贴片式温度传感器200a与第二实施例提供的贴片式温度传感器200的结构大致相同，二者的区别在于：本实施例中，硅层201a的厚度为400μm，氧化硅层201b的厚度为0.3μm。锗膜202的厚度为1μm。

叉指电极210包括由下而上堆叠而成的钛层205和金层206，钛层205的厚度为0.03μm，金层206的厚度为0.2μm，叉指电极210的叉指宽度＝叉指间距＝5μm。薄膜的Ti/Au电极是叉指结构，其中的叉指宽度和叉指间距均为5um。这样做的原因是锗膜202为本征半导体，其电阻很大，当锗膜202的电阻很大时，一方面会对电阻测量设备提出很高的要求；另外也会降低测量精确度，当锗膜202的电阻为千欧量级时，其精确度最高，本实施例中的叉指电极210刚好可保证锗膜202的电阻在20K附近为在千欧量级。

叉指电极210和叉指电极210叉指间距之间的锗膜202上覆盖有氧化铝形成的保护层207，氧化铝形成的保护层207的厚度为0.15-0.25μm，氧化铝形成的保护层207的厚度优选为0.2μm。或者叉指电极210和叉指电极210的叉指间距之间的锗膜202上覆盖有厚度大于0.5μm的蓝宝石多晶材料形成的保护层207。保护层207用于保护锗膜202，避免其因氧化、受损等因素而对温度传感器200a的性能产生影响。

本实施例温度传感器200a的制备工艺与第二实施例的温度传感器200的制备工艺大致相同，在此不再赘述。二者的不同之处在于，增加了采用磁控溅射技术在叉指电极210上覆盖氧化铝，形成氧化铝保护层207的步骤。或者增加了利用磁控溅射技术在叉指电极210、铜引线、叉指电极210叉指间距之间的锗膜202上制备蓝宝石多晶材料作为保护层207的步骤。

本实施例温度传感器200a的工作原理为：当温度发生变化时，锗膜202的电阻会发生变化，锗膜202的电阻随温度的变化具有一定规律，因此用仪器读出锗膜202的电阻值，就可以推算出温度。

参考国家计量校准规范《JJF1170-2007负温度系数低温电阻温度计校准规范》，测试第三实施例提供的温度传感器200a的R-T特性。

测试方法为：将被测温度传感器用低温胶贴在精密比对恒温器的铜块表面，与低温标准铂电阻温度计和铑铁电阻温度计开展比较法测量；测量实验中恒温器的真空室抽真空以达到真空绝热，恒温铜块的温度由低温控温仪采用PID模式实现自动控温，本次测量实验中温度波动小于1mK。温度传感器200a采用四线制方法测试电阻，采用恒流法测试温度传感器200a的电阻，按传感器输出电压为(4-6)mV确定测量电流。

一、在4.2K至300K温区做温度传感器200a的多点测量，完成18K点的10分钟示值稳定性测量。

(1)在4.2K至300K温区做温度传感器200a的多点测量，测量数据如表1所示。

表1温度传感器200a的电阻特性测试数据

(2)对温度传感器200a做了多点拟合计算，并由此计算给出了电阻、灵敏度和相对灵敏度特性曲线，参见图6所示，图6为温度传感器200a的电阻随温度的变化曲线图。另外，温度传感器200a在18K、19K和20K点的典型数据如表2所示。

表2温度传感器200a在18K至20K的典型特性数据

由温度传感器200a的温度特性曲线可以看出，这是典型的负温度系数电阻温度计，灵敏度变化特性是典型的锗电阻温度计类型。

二、对经历温循后的温度传感器200a再做18K点的电阻测量。

(1)在18.4K处做温度传感器200a的示值波动性测量，典型数据如表3所示。

表3温度传感器200a在18.4K时10分钟示值波动性的统计数据

(2)对温度传感器200a做了18.4K温循前后的变化测量，数据如表4所示。

表4温度传感器200a在18.4K温循前后的变化

在18.4K温度点，取0.4μA测试电流，在铜块温度温度波动小于1mK时，温度传感器200a电压波动的标准偏差折合温度值都小于2mK。

综上所述，本实施例贴片式温度传感器可测温度范围为10-300K，尤其是在10-150K范围内测量精度较高。温度传感器的测量精度随温度的降低而增加，当温度≤20K时，温度传感器的测量精度优于0.001K。温度传感器可直接贴到物体的表面测试其表面局部温度。

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 (10)

1.一种贴片式温度传感器，其特征在于，所述温度传感器呈片状，所述温度传感器包括：

基底，

锗膜，位于所述基底的上表面，以及

叉指电极，位于所述锗膜的远离所述基底的表面，所述叉指电极的两个电极各连接一条导线。

2.根据权利要求1所述的贴片式温度传感器，其特征在于，所述基底采用具有氧化层的单晶硅、蓝宝石衬底、MgO单晶、Al₂O₃单晶中的一种制成。

3.根据权利要求2所述的贴片式温度传感器，其特征在于，所述具有氧化层的单晶硅包括由下而上堆叠的硅层和氧化硅层，所述硅层的厚度为300-500μm，所述氧化硅层的厚度为0.2-0.4μm。

4.根据权利要求1所述的贴片式温度传感器，其特征在于，所述温度传感器的长度和宽度均不大于1mm，所述温度传感器的厚度不大于550μm；所述锗膜的厚度为0.5-1.5μm。

5.根据权利要求1所述的贴片式温度传感器，其特征在于，所述叉指电极包括由下而上堆叠而成的钛层和金层，所述钛层的厚度为0.01-0.05μm；所述金层的厚度为0.15-0.25μm。

6.根据权利要求5所述的贴片式温度传感器，其特征在于，所述金层与所述导线连接，所述导线为金或铜导线。

7.根据权利要求1所述的贴片式温度传感器，其特征在于，所述叉指电极上覆盖有氧化铝形成的保护层，所述保护层的厚度为0.15-0.25μm。

8.根据权利要求1所述的贴片式温度传感器，其特征在于，所述叉指电极的叉指宽度＝叉指间距＝4-6μm。

9.一种如权利要求1所述的贴片式温度传感器的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：

选取基底，采用磁控溅射技术在背底真空优于1.0×10^-7Pa的条件下，采用纯度为6N的氩气作为溅射气体，并采用纯度为7N的锗靶作为溅射靶材，在所述基底的上表面制备锗膜；

在所述锗膜远离所述基底的表面制备叉指电极；以及

在所述叉指电极的两个电极各引出一条导线。

10.根据权利要求9所述的贴片式温度传感器的制备工艺，其特征在于，所述叉指电极包括由下而上堆叠而成的钛层和金层，所述叉指电极的制备过程为：利用光刻技术在所述锗膜上制备出光刻胶的图形，再利用热蒸发技术在所述图形上依次镀钛和金，镀完后溶去光刻胶。