CN106595894B - 薄膜热电偶及含有其的温度传感器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了薄膜热电偶及含有其的温度传感器件，该薄膜热电偶包括：基板，第一电极，所述第一电极设置在所述基板上，且含有二氧化锡；第二电极，所述第二电极设置在所述基板上，与所述第一电极具有至少一个接触点，且含有掺杂二氧化锡。该薄膜热电偶采用二氧化锡材料成本大大降低，且热稳定性好，制备工艺简单，耗时短，可靠性好，灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体的，涉及薄膜热电偶及含有其的温度传感器件。
背景技术
薄膜热电偶相对于传统体相热电偶材料，是一种微型化、兼容性好、热容小、灵敏度高、热响应速度快的新型温度传感器。然而，薄膜热电偶的制备难度较高，要在基体材料上沉积1-2μm厚的热电偶电极材料，并使其能够拥有与体相热电偶材料(电极直径>500μm)相当的热电特性，这对薄膜热电偶的制备工艺、薄膜成分控制以及膜系匹配都有相当严苛的要求。因此，目前薄膜热电偶由于薄膜热电偶材料的限制，其制备工艺往往较为繁琐，成本十分高昂，元件整体可靠性也较体相热电偶有较大差距。
目前，薄膜热电偶材料的设计主要有两种方案，一种是将传统热电偶材料薄膜化，如通过磁控溅射法制备的K型热电偶薄膜，传统热电偶往往是由两种合金材料组成，每种合金材料都有确定的元素比例且误差较小，但由于热电偶合金中的元素比例在热电偶薄膜化的过程中很难精确控制，因此通过该方法制备的薄膜热电偶可靠性难以得到保证。另一种薄膜热电偶是ITO基氧化物薄膜热电偶，如通过磁控溅射法制备的In2O3-ITO热电偶，该类热电偶可以获得较为稳定的热电性能。然而该方法中需要使用稀有元素In，而且其使用量往往是不同ITO导电涂层的数十倍，因此其材料成本较高，制备工艺时间较长。此外，以上两种薄膜热电偶都需要使用磁控溅射设备，制备一片薄膜热电偶往往需要在高真空中沉积数小时，成本十分高昂。
因而，目前的薄膜热电偶仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
本发明是基于发明人的以下发现而完成的：
针对现有薄膜热电偶制备工艺复杂、耗时长、成本高、可靠性得不到保证等问题，发明人致力于提出成本低廉、热稳定性好、易制备的薄膜热电偶。发明人经过大量探索和研究发现，半导体材料二氧化锡，具有无毒、成本低廉、热稳定性好、制备工艺广泛等诸多优点，对二氧化锡材料进行元素掺杂可以获得具有不同电学性能的材料，掺杂二氧化锡的电子浓度往往比本征二氧化锡高一个数量级以上。热电偶材料中具有温度响应的热电势便是由两种电极材料的电子浓度差引起的，因此，若将本征二氧化锡薄膜和掺杂二氧化锡薄膜作为热电偶的两极，便可制备出一种二氧化锡基薄膜热电偶材料。该二氧化锡基薄膜热电偶具有成本低廉、热稳定性好、易制备等诸多优点，是一种新型热电偶材料。
有鉴于此，本发明提出了一种薄膜热电偶。根据本发明的实施例，该薄膜热电偶包括：基板，第一电极，所述第一电极设置在所述基板上，且含有二氧化锡；第二电极，所述第二电极设置在所述基板上，与所述第一电极具有至少一个接触点，且含有掺杂二氧化锡。发明人发现，该薄膜热电偶采用二氧化锡材料成本大大降低，且热稳定性好，制备工艺简单，耗时短，可靠性好，灵敏度高。
根据本发明的实施例，所述基板为绝缘基板或具有绝缘层的非绝缘基板。
根据本发明的实施例，所述基板选自石英玻璃基板、微晶玻璃基板、陶瓷基板和具有陶瓷绝缘层的钛合金基板。
根据本发明的实施例，所述第一电极进一步含有掺杂元素，所述第一电极中的掺杂元素与所述第二电极中的掺杂元素不同。
根据本发明的实施例，所述第一电极或所述第二电极中的掺杂元素各自独立的包括锑、氟、铌、钽中的至少一种。
根据本发明的实施例，所述第一电极或所述第二电极中的掺杂元素的浓度各自独立的为1-20at.％。
根据本发明的实施例，所述第一电极和所述第二电极的厚度各自独立的为0.3-3微米。
根据本发明的实施例，该薄膜热电偶进一步包括：绝缘保护层，所述绝缘保护层覆盖所述第一电极和第二电极。
根据本发明的实施例，所述绝缘保护层为氧化物陶瓷或氮化物陶瓷薄膜。
根据本发明的实施例，所述绝缘保护层选自氧化铝薄膜、二氧化硅薄膜、氮化铝薄膜和氮化硅薄膜。
根据本发明的实施例，所述绝缘保护层的厚度为0.1-2微米。
根据本发明的实施例，所述第一电极、第二电极和绝缘保护层各自独立的是通过物理气相沉积法或化学气相沉积法形成的。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种温度传感器件。根据本发明的实施例，该温度传感器件包括前面所述的薄膜热电偶。该温度传感器件具有前面所述的薄膜热电偶的全部特征和优点，在此不再一一赘述。
附图说明
图1显示了根据本发明一个实施例的薄膜热电偶的结构示意图。
图2显示了根据本发明另一个实施例的薄膜热电偶的结构示意图。
图3显示了根据本发明一个实施例的薄膜热电偶的剖面结构示意图。
图4显示了根据本发明一个实施例的制备薄膜热电偶的掩膜版的结构示意图。
图5显示了本发明实施例1中二氧化锡-掺铌二氧化锡薄膜热电偶的热电曲线。
图6显示了本发明实施例2中二氧化锡-掺锑二氧化锡薄膜热电偶的热电曲线。
图7显示了本发明实施例3中二氧化锡-掺钽二氧化锡薄膜热电偶的热电曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
本发明提出了一种薄膜热电偶。根据本发明的实施例，参照图1和图2，该薄膜热电偶包括：基板10，第一电极1，所述第一电极1设置在所述基板10上，且含有二氧化锡；第二电极2，所述第二电极2设置在所述基板10上，与所述第一电极1具有至少一个接触点3，且含有掺杂二氧化锡。将两个电极按特定图案镀于同一基板上，两个电极接触点处即为测温点，会产生具有温度响应的电势差，电极组成的电路便构成可测温的薄膜热电偶元件。该二氧化锡基薄膜热电偶材料是一种微型化、耐高温、低成本、高精度、热稳定性好，可靠性好，制备工艺简单，耗时短，长寿命的新型热电偶，广泛适用于各种有测温需求的器件及产品中。该薄膜热电偶采用二氧化锡材料成本大大降低。
根据本发明的实施例，第一电极1和第二电极2之间的接触点3的数量不受特别限制，可以为1个(结构示意图见图1)、2个(结构示意图见图2)、3个、4个或者更多个，本领域技术人员可以根据需要进行选择。
根据本发明的实施例，可以采用的基板的具体种类不受特别限制，只要与第一电极和第二电极接触的表面是绝缘的即可，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。在本发明的一些实施例中，所述基板可以为绝缘基板或具有绝缘层的非绝缘基板。由此，能够有效保证热电偶有效发挥功能，提供薄膜热电偶的热稳定性和可靠性。在本发明的一些实施例中，所述基板可以选自石英玻璃基板、微晶玻璃基板、陶瓷基板和具有陶瓷绝缘层的钛合金基板。由此，能够进一步提高薄膜热电偶的使用性能。
根据本发明的实施例，第一电极和第二电极可以各自独立的由二氧化锡或掺杂二氧化锡形成，只要形成第一电极和第二电极的材料之间存在电子浓度差即可。在本发明的一些实施例中，第一电极可以由本征二氧化锡(未做掺杂处理)形成，第二电极可以由掺杂二氧化锡形成。由此，不仅成本低廉、易于加工，制备步骤简单、方便、耗时短，且第一电极和第二电极之间具有合适的电子浓度差，薄膜热电偶的热稳定性和可靠性良好，灵敏度高。在本发明的另一些实施例中，第一电极和第二电极均可由掺杂二氧化锡形成，为保证第一电极和第二电极之间具有合适的电子浓度差，第一电极和第二电极中的掺杂元素不同。由此，薄膜热电偶可以可靠、高灵敏的发挥测量温度的功能，且材料成本低廉、易于加工，制备步骤简单、方便、耗时短，经济性好。
根据本发明的实施例，前面所述的掺杂二氧化锡中可以掺杂的元素的种类不受特别限制，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。优选情况下，掺杂元素选择可以提高二氧化锡导电性的元素。在本发明的一些实施例中，可以采用的掺杂元素包括锑、氟、铌、钽中的至少一种。也就是说，当第一电极或第二电极由掺杂二氧化锡形成时，第一电极或第二电极中的掺杂元素可以各自独立的包括锑、氟、铌、钽中的至少一种。由此，可以使得掺杂二氧化锡具有合适的电子浓度，有利于提高薄膜热电偶的使用性能。
根据本发明的实施例，前面所述的掺杂二氧化锡中掺杂元素的浓度不受特别限制，只要能够使得第一电极和第二电极之间具有合适的电子浓度差即可，本领域技术人员可以根据需要进行选择。在本发明的一些实施例中，掺杂二氧化锡中掺杂元素的浓度可以为1-20at.％。也就是说，当第一电极或第二电极含有掺杂二氧化锡时，第一电极或所述第二电极中的掺杂元素的浓度可以各自独立的为1-20at.％。由此，第一电极和第二电极之间可以具有合适的电子浓度差，使得薄膜热电偶能够稳定、可靠、高灵敏度的进行温度测量，使用性能得到明显改善。
根据本发明的实施例，第一电极和第二电极的厚度不受特别限制，只要能够满足薄膜热电偶的使用要求即可，本领域技术人员可以根据需要灵活选择，在本发明的一些实施例中，第一电极和第二电极的厚度可以各自独立的为0.3-3微米。在该厚度范围内，薄膜热电偶测量温度性能良好，且不会因厚度过后而造成材料浪费，经济性较好。
根据本发明的实施例，形成第一电极、第二电极的具体方法不受特别限制，可以为本领域任何已知的方法，本领域技术人员可以根据需要进行选择。在本发明的一些实施例中，第一电极、第二电极是通过物理气相沉积法或化学气相沉积法形成的。由此，技术成熟、操作简单、方便，且成本较低。在本发明的一些具体示例中，第一电极、第二电极可以各自独立的通过包括但不仅限于磁控溅射法，真空蒸镀法，常压化学气相沉积法，等离子体增强化学气相沉积法形成。由此，方法简单，且形成的第一电极和第二电极性能良好。
根据本发明的实施例，参照图3，该薄膜热电偶可以进一步包括：绝缘保护层20，所述绝缘保护层20覆盖所述第一电极1和第二电极2。由此，可以有效保护第一电极和第二电极免受损伤，进而提高薄膜热电偶的寿命和可靠性。
根据本发明的实施例，形成绝缘保护层的材料不受特别限制，只要能够起到保护第一电极和第二电极的作用即可，本领域技术人员可以根据需要灵活选择。在本发明的一些实施例中，绝缘保护层可以为氧化物陶瓷或氮化物陶瓷薄膜。由此，原料来源广泛，易于加工，且保护性能理想。在本发明的一些具体实施例中，绝缘保护层选自氧化铝薄膜、二氧化硅薄膜、氮化铝薄膜和氮化硅薄膜。由此，成本较低且保护性能良好。
根据本发明的实施例，根据本发明的实施例，绝缘保护层的厚度不受特别限制，本领域技术人员可以根据需要进行选择。在本发明的一些实施例中，绝缘保护层的厚度可以为0.1-2微米。在该厚度范围内，绝缘保护层能够良好的发挥保护第一电极和第二电极的作用，不会过薄而使得保护性能不理想，也不会过厚而导致材料的浪费。
根据本发明的实施例，形成绝缘保护层的具体方法不受特别限制，可以为本领域任何已知的方法，本领域技术人员可以根据需要进行选择。在本发明的一些实施例中，绝缘保护层是通过物理气相沉积法或化学气相沉积法形成的。由此，技术成熟、操作简单、方便，且成本较低。在本发明的一些具体示例中，绝缘保护层可以通过包括但不仅限于磁控溅射法，真空蒸镀法，常压化学气相沉积法，等离子体增强化学气相沉积法形成。由此，方法简单，且形成的绝缘保护层性能良好。
在本发明的另一方面，本发明提供了一种温度传感器件。根据本发明的实施例，该温度传感器件包括前面所述的薄膜热电偶。该温度传感器件具有前面所述的薄膜热电偶的全部特征和优点，在此不再一一赘述。
下面详细描述本发明的实施例。
实施例1
采用常压化学气相沉积法在石英基板上制备二氧化锡基薄膜热电偶，具体制备方法如下：
1)清洗石英基板，步骤如下：将石英基板置于去离子水中，超声清洗20min；将石英基板取出置于丙酮中，超声清洗20min；将石英基板取出置于1mol/L稀盐酸中，超声清洗40min；将石英基板取出置于乙醇中，超声清洗20min；
2)清洗掩膜板，步骤如下：将掩膜板置于去离子水中，超声清洗20min；将掩膜板取出置于丙酮中，超声清洗20min；将掩膜板取出置于乙醇中，超声清洗20min；
3)将石英基板置于沉积室的基台上，并盖上掩膜板A(结构示意图见图4)，关闭沉积室炉盖，基台温度升至400℃，保温5min，同时对沉积室抽真空并通入氮气恢复常压，如此反复3次；
4)以氯化锡溶液为前驱体，用10L/min、30℃的氮气作为载气对前驱体溶液鼓泡，使氮气携带前驱体成分通入沉积室，沉积于石英基板表面，沉积7min；
5)待沉积室冷却后，打开沉积室炉盖，取出掩膜板A，放入掩膜板B(结构式示意图见图4)，关闭沉积室炉盖，基台温度升至400℃，保温5min，同时对沉积室抽真空并通入氮气恢复常压，如此反复3次；
6)以氯化锡及五氯化铌(10at.％)混合溶液作为前驱体，用10L/min、50℃的氮气作为载气对前驱体溶液鼓泡，使氮气携带前驱体成分通入沉积室，沉积于石英基板表面，沉积7min；
7)待沉积室冷却后，打开沉积室炉盖，取出掩膜板B，关闭沉积室炉盖，基台温度升至1000℃，保温5min，同时对沉积室抽真空并通入氮气恢复常压，如此反复3次；
8)以氯化铝溶液为前驱体，用10L/min、50℃的氮气作为载气对前驱体溶液鼓泡，使氮气携带前驱体成分通入沉积室，沉积于石英基板表面，沉积10min；
9)待沉积室冷却后，取出石英基板，即为二氧化锡基薄膜热电偶元件。
对该二氧化锡基薄膜热电偶元件进行热电势信号采集，获得的热电势随温度的变化趋势如图5所示，通过对数据采集点的线性拟合，可获得该薄膜热电偶的热电系数约为50.3μV/℃，热电系数高于K型热电偶，说明该薄膜热电偶具有良好的热电特性。
实施例2
采用常压化学气相沉积法在石英基板上制备二氧化锡基薄膜热电偶，具体制备方法如下：
1)清洗石英基板，步骤如下：将石英基板置于去离子水中，超声清洗20min；将石英基板取出置于丙酮中，超声清洗20min；将石英基板取出置于1mol/L稀盐酸中，超声清洗40min；将石英基板取出置于乙醇中，超声清洗20min；
2)清洗掩膜板，步骤如下：将掩膜板置于去离子水中，超声清洗20min；将掩膜板取出置于丙酮中，超声清洗20min；将掩膜板取出置于乙醇中，超声清洗20min；
3)将石英基板置于沉积室的基台上，并盖上掩膜板A(结构示意图见图4)，关闭沉积室炉盖，基台温度升至400℃，保温5min，同时对沉积室抽真空并通入氮气恢复常压，如此反复3次；
4)以氯化锡溶液为前驱体，用2L/min、50℃的氮气作为载气对前驱体溶液鼓泡，使氮气携带前驱体成分通入沉积室，沉积于石英基板表面，沉积10min；
5)待沉积室冷却后，打开沉积室炉盖，取出掩膜板A，放入掩膜板B(结构示意图见图4)，关闭沉积室炉盖，基台温度升至400℃，保温5min，同时对沉积室抽真空并通入氮气恢复常压，如此反复3次；
6)以氯化锡及五氯化锑(10at.％)混合溶液作为前驱体，用2L/min、50℃的氮气作为载气对前驱体溶液鼓泡，使氮气携带前驱体成分通入沉积室，沉积于石英基板表面，沉积10min；
7)待沉积室冷却后，打开沉积室炉盖，取出掩膜板B，关闭沉积室炉盖，基台温度升至800℃，保温5min，同时对沉积室抽真空并通入氮气恢复常压，如此反复3次；
8)以氯化铝溶液为前驱体，用3L/min、70℃的氮气作为载气对前驱体溶液鼓泡，使氮气携带前驱体成分通入沉积室，沉积于石英基板表面，沉积10min；
9)待沉积室冷却后，取出石英基板，即为二氧化锡基薄膜热电偶元件。
对该二氧化锡基薄膜热电偶元件进行热电势信号采集，获得的热电势随温度的变化趋势如图6所示，通过对数据采集点的线性拟合，可获得该薄膜热电偶的热电系数约为80.2μV/℃，热电系数为K型热电偶的1.5倍以上，说明该薄膜热电偶具有良好的热电特性。
实施例3
采用常压化学气相沉积法在石英基板上制备二氧化锡基薄膜热电偶，具体制备方法如下：
1)清洗石英基板，步骤如下：将石英基板置于去离子水中，超声清洗20min；将石英基板取出置于丙酮中，超声清洗20min；将石英基板取出置于1mol/L稀盐酸中，超声清洗40min；将石英基板取出置于乙醇中，超声清洗20min；
2)清洗掩膜板，步骤如下：将掩膜板置于去离子水中，超声清洗20min；将掩膜板取出置于丙酮中，超声清洗20min；将掩膜板取出置于乙醇中，超声清洗20min；
3)将石英基板置于沉积室的基台上，并盖上掩膜板A(结构示意图见图4)，关闭沉积室炉盖，基台温度升至400℃，保温5min，同时对沉积室抽真空并通入氮气恢复常压，如此反复3次；
4)以氯化锡溶液为前驱体，用1L/min、30℃的氮气作为载气对前驱体溶液鼓泡，使氮气携带前驱体成分通入沉积室，沉积于石英基板表面，沉积10min；
5)待沉积室冷却后，打开沉积室炉盖，取出掩膜板A，放入掩膜板B(结构示意图见图4)，关闭沉积室炉盖，基台温度升至400℃，保温5min，同时对沉积室抽真空并通入氮气恢复常压，如此反复3次；
6)以氯化锡及五氯化钽(10at.％)混合溶液作为前驱体，用1L/min、50℃的氮气作为载气对前驱体溶液鼓泡，使氮气携带前驱体成分通入沉积室，沉积于石英基板表面，沉积10min；
7)待沉积室冷却后，打开沉积室炉盖，取出掩膜板B，关闭沉积室炉盖，基台温度升至800℃，保温5min，同时对沉积室抽真空并通入氮气恢复常压，如此反复3次；
8)以氯化铝溶液为前驱体，用1L/min、70℃的氮气作为载气对前驱体溶液鼓泡，使氮气携带前驱体成分通入沉积室，沉积于石英基板表面，沉积15min；
9)待沉积室冷却后，取出石英基板，即为二氧化锡基薄膜热电偶元件。
对该二氧化锡基薄膜热电偶元件进行热电势信号采集，获得的热电势随温度的变化趋势如图7所示，通过对数据采集点的线性拟合，可获得该薄膜热电偶的热电系数约为74.2μV/℃，热电系数为K型热电偶的1.5倍以上，说明该薄膜热电偶具有良好的热电特性。
在本发明的描述中，需要理解的是，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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (13)
1.一种薄膜热电偶，其特征在于，包括：
基板，
第一电极，所述第一电极设置在所述基板上，且由二氧化锡形成；
第二电极，所述第二电极设置在所述基板上，与所述第一电极具有至少一个接触点，且由掺杂二氧化锡形成；所述第二电极中的掺杂元素包括锑、氟、铌、钽中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的薄膜热电偶，其特征在于，所述基板为绝缘基板或具有绝缘层的非绝缘基板。
3.根据权利要求1所述的薄膜热电偶，其特征在于，所述基板选自石英玻璃基板、微晶玻璃基板、陶瓷基板和具有陶瓷绝缘层的钛合金基板。
4.根据权利要求1所述的薄膜热电偶，其特征在于，所述第一电极进一步含有掺杂元素，所述第一电极中的掺杂元素与所述第二电极中的掺杂元素不同。
5.根据权利要求4所述的薄膜热电偶，其特征在于，所述第一电极中的掺杂元素包括锑、氟、铌、钽中的至少一种。
6.根据权利要求4所述的薄膜热电偶，其特征在于，所述第一电极或所述第二电极中的掺杂元素的浓度各自独立的为1-20at.％。
7.根据权利要求1所述的薄膜热电偶，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极的厚度各地独立的为0.3-3微米。
8.根据权利要求1所述的薄膜热电偶，其特征在于，进一步包括：
绝缘保护层，所述绝缘保护层覆盖所述第一电极和第二电极。
9.根据权利要求8所述的薄膜热电偶，其特征在于，所述绝缘保护层为氧化物陶瓷或氮化物陶瓷薄膜。
10.根据权利要求9所述的薄膜热电偶，其特征在于，所述绝缘保护层选自氧化铝薄膜、二氧化硅薄膜、氮化铝薄膜和氮化硅薄膜。
11.根据权利要求8所述的薄膜热电偶，其特征在于，所述绝缘保护层的厚度为0.1-2微米。
12.根据权利要求8所述的薄膜热电偶，其特征在于，所述第一电极、第二电极和绝缘保护层各自独立的是通过物理气相沉积法或化学气相沉积法形成的。
13.一种温度传感器件，其特征在于，包括权利要求1-12中任一项所述的薄膜热电偶。
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