CN106679843B - 一种抗压阻效应的薄膜温度传感器及检测温度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种抗压阻效应的薄膜温度传感器及检测温度的方法，涉及海洋传感测量技术领域，该薄膜温度传感器包括绝缘基板，第一热电阻蛇形线，第二热电阻蛇形线，热电阻连接导线，焊盘，绝缘层，其中所述第一热电阻蛇形线与所述第二热电阻蛇形线相互靠近且不互相交叉，所述第一热电阻蛇形线与所述第二热电阻蛇形线分别由所述热电阻连接导线焊接在所述焊盘上，所述焊盘位于所述绝缘基板上，所述绝缘层覆盖所述第一热电阻蛇形线、所述第二热电阻蛇形线、所述热电阻连接导线。本发明能够减小或消除目前薄膜温度传感器中由于压阻效应带来的测量误差，使其能够在深海等大压力环境中进行高精度的温度测量。

Description

一种抗压阻效应的薄膜温度传感器及检测温度的方法

技术领域

本发明涉及海洋传感测量技术领域，特别涉及一种抗压阻效应的薄膜温度传感器及检测温度的方法。

背景技术

电导率(Conductivity)、温度(Temperature)、以及深度(Depth)传感器(简称CTD或温盐深传感器)是用于监测海洋环境的最基本也是最重要的传感器，它不但直接提供了温度参数，更可用于计算海水的盐度参数，这些参数是开展各种海洋研究所必不可少的，它们不但可用于监测海水的流动、循环、以及气候变化过程，还可以为生物地球化学以及海洋生态系统的研究提供背景物理参数，在研究全球气候问题以及监测海洋生态环境等方面有着重大的意义，同时，温度和盐度参数还为其它各种海洋传感器提供必不可少的背景补偿参数。

薄膜温度传感器具有结构简单，响应速度快、易加工、成本低的优点，然而，在海水中，尤其是在深海高压环境中进行温度测量时，薄膜温度传感器的基板材料容易由于水压、水流、以及材料吸水或老化等原因产生形变，造成其表面电阻线的拉伸或压缩，改变其电阻值，由于薄膜温度传感器是通过热阻效应进行温度测量，在其使用过程中，这种压阻效应导致阻值变化将会被换算成温度变化，造成温度测量误差或漂移。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种抗压阻效应的薄膜温度传感器及检测温度的方法。

本发明提出一种抗压阻效应的薄膜温度传感器，包括：

绝缘基板，第一热电阻蛇形线，第二热电阻蛇形线，热电阻连接导线，焊盘，绝缘层，其中所述第一热电阻蛇形线与所述第二热电阻蛇形线相互靠近且不互相交叉，所述第一热电阻蛇形线与所述第二热电阻蛇形线分别由所述热电阻连接导线焊接在所述焊盘上，所述焊盘位于所述绝缘基板上，所述绝缘层覆盖所述第一热电阻蛇形线、所述第二热电阻蛇形线、所述热电阻连接导线。

抗压阻效应的薄膜温度传感器用于导电溶液的温度测量时，通过绝缘胶水对所述焊盘进行密封保护。

所述第一热电阻蛇形线、所述第二热电阻蛇形线、所述热电阻连接导线、所述焊盘的材料为铂或镍或铁或铜或钛或银或金或钛硅化物。

所述第一热电阻蛇形线与所述第二热电阻蛇形线采用的材料不同。

所述绝缘层的材料为二氧化硅或氮化硅或金刚石或环氧树脂或聚酯或聚酰胺。

所述絶縁基板的材料为硅或石英或砷化镓或蓝宝石或聚四氟乙烯或陶瓷或环氧玻璃布层压板。

本发明还提出一种利用所述的抗压阻效应的薄膜温度传感器检测温度的方法，分别获取所述第一热电阻蛇形线、所述第二热电阻蛇形线的电阻值，并获取电阻值的比值，根据所述电阻值的比值，计算并获取比例系数，根据所述比例系数，计算并获取当前温度，其中，获取所述电阻值的比值的方式包括直接通过两个电阻值相除获取所述电阻值的比值，或采用电阻串联分压的方式获取所述电阻值的比值。

计算并获取比例系数的公式为

其中k为比例系数，R₁为所述第一热电阻蛇形线的电阻值，R₂为所述第二热电阻蛇形线的电阻值，R_2T0为所述第二热电阻蛇形线在T₀下的电阻值，R_1T0为所述第一热电阻蛇形线在T₀下的电阻值。

计算并获取温度的公式为

其中T为当前温度，T₀为温度，α_R2为所述第一热电阻蛇形线的温度系数，α_R1为所述第二热电阻蛇形线的温度系数，k为所述比例系数，R1为所述第一热电阻蛇形线，R2为所述第二热电阻蛇形线。

由以上方案可知，本发明的优点在于：

本发明能够减小或消除目前薄膜温度传感器中由于压阻效应带来的测量误差，使其能够在深海等大压力环境中进行高精度的温度测量，特别适合用于制作小型化的海水温盐深传感器。利用薄膜温度传感器导热层薄的特点，大幅提高传感器的响应速度，特别适合于制作快速响应的温盐深传感器。

附图说明

图1为本发明的传感器的正面结构示意图；

图2为本发明的传感器的剖面结构示意图；

图3为本发明中的传感器温度与电阻比值关系图；

图4为本发明中的一种双电阻比值的测量电路图。

其中附图标记为：

1绝缘基板 201第一热电阻蛇形线

202第二热电阻蛇形线 3热电阻连接导线

4焊盘 5绝缘层

R1为铂电阻 R2为镍电阻

具体实施方式

本发明的基本原理如下：

金属或金属化合物的电阻阻值随温度变化关系可以近似为线性变化，采用如下的一次多项式描述：

R_T＝R_T0[1+α(T-T₀)] [1]

其中R_T为电阻在温度T下的电阻值，R_T0为电阻在温度T₀(一般为0℃、20℃、25℃)下的电阻值，而α为电阻的温度系数，取决于电阻的材料。

若为了提高描述精度，可以采用3次多项式来描述温度与电阻值的非线性关系：

R_T＝R_T0[1+α₁(T-T₀)+α₂(T-T₀)²+α₃(T-T₀)³] [2]

其中α₁、α₂、α₃是以3次多项式的系数形式呈现的温度系数，，取决于电阻的材料。

对于半导体热敏电阻来说，其电阻值与温度的关系可以近似为指数关系：

其中T与T₀是温度的数值，β为半导体热敏电阻的温度系数，也取决于热敏电阻的制作材料。

目前，薄膜温度传感器一般采用上述热电阻测量的原理，在一个平面基板上以蛇形走线的方式加工金属或金属化合物的电阻线，并通过测量该电阻线的电阻值来计算传感器上感应到的温度。

对于金属或金属化合物的电阻线来说，根据电阻计算公式，其电阻值与其横截面积成反比，与其线长成正比，因此，横截面积越小、长度越长的电阻线，其阻值越大，一般来说，薄膜温度传感器会通过横截面积和电阻线长度的设计，来控制其电阻值在100～10000欧姆之间，以便于电阻值的测量。其中，电阻计算公式如下：

R＝ρL/S [4]

其中，R为计算出的电阻值，L为电阻线长度，S为电阻线的横截面积，ρ为材料的电阻率，与材料和温度有关，结合之前的热阻公式[1]，可以认为ρ与温度有如下关系：

ρ_T＝ρ_T0[1+α(T-T₀)] [5]

其中，ρ_T是在温度T下的电阻率，ρ_T0是在温度T₀下的电阻率，α为电阻的温度系数，与公式[1]中一致，在薄膜温度传感器的实际使用过程中，其电阻值不仅会随温度变化，还会随着基板的形变产生变化，例如，如果基板发生弯曲，导致其上表面沿电阻线径向方向产生0.01％的拉伸，则电阻线长度L也会随之产生0.1％的拉伸，而由于电阻线体积保持不变，其横截面积将减少0.1％，根据公式[4]，由于这个基板形变，将带来电阻值约0.2％的变化，这个现象我们称为压阻效应，而在薄膜温度传感器中，这个电阻值的变化将被折算为温度的变化，给温度测量带来误差。

在海洋，特别是深海的温度测量中，水压和水流很容易给薄膜传感器施加应力，造成其压缩或弯折，产生压阻效应，带来温度测量误差，因此，本发明提出一种抗压阻效应的薄膜温度传感器及检测温度的方法，其技术思想如下：

在一个薄膜基板上，采用两种温度系数不同的材料，制作两根相互靠近、不互相交叉蛇形电阻线，并通过测量这两个电阻线阻值的比值，来计算传感器的温度。

由电阻计算公式[4]可知，影响电阻值R的变量中，ρ与温度有关，L、S与形变有关，它们之间是乘积的关系，也就是说，电阻R随温度和随形变的变化是独立的，可以写成如下的关系：

R＝R_Tf_V(L,S) [6]

其中R_T是如公式[1]和[2]中的描述的，在不发生形变时，温度T下的电阻；f_V(L,S)是形变函数，仅与形变有关：

其中L₀、S₀为不发生形变时的长度与截面积，L、S为当前的长度与截面积。

在本发明中，两个蛇形电阻线(阻值分别用R₁与R₂表示)由于相互靠近，它们由于压阻效应产生的形变可以认为是相同的，也就是它们拥有相同的f_V(L,S)，而由于材料不同，它们的温度系数不同(分别记为α_R1和α_R2)，在无形变情况，本发明用R_1T和R_2T表示温度T下的两个蛇形线电阻值，则含有形变的两个蛇形线电阻比值R₁/R₂有如下关系如下：

由此可见，R₁与R₂的比值仅与材料本身以及温度相关，与形变无关，而这个温度函数可以通过公式[1]计算，得到

本发明定义一个比例系数k：

其中R_2T0为所述第二热电阻蛇形线在T₀下的电阻值，R_1T0为所述第一热电阻蛇形线在T₀下的电阻值

则代入公式[9]可得到：

由图3可知，当采用铂和镍作为电阻时，以20℃为T₀，在0～40℃的温度区间中，温度和k的关系基本为单调线性的关系，因此本发明也可以采用标定的方式，用三次多项式对k和T的关系进行描述：

T＝T₀(1+α_k1k+α_k2k²+α_k3k³) [12]

其中，α_R1和α_R2是两种电阻材料的温度系数，可以通过文献查询得到，也可以通过标定测量的方式获取，α_k1、α_k2、α_k3是关于温度T与比例系数k的3次多项式的拟合系数，可以通过标定测量的方式获取。

这样，在测量R₁与R₂的比值后，本发明结合事先在T₀温度下测得的阻值R_1T0和阻值R_2T0，通过公式[10]可以计算出比例系数k，再结合公式[11]或[12]中的温度函数，本发明可以进一步计算出当前的温度值T，这样，采用本发明提供的方法设计薄膜温度传感器，并通过两个电阻的比值来计算传感器测量的温度，就可以大幅降低、甚至完全消除压阻效应带来的测量影响。

本发明的抗压阻效应的薄膜温度传感器，在整体结构上包含绝缘基板，采用两种不同导电材料制作的第一、二热电阻蛇形线、热电阻连接导线、焊盘，以及覆盖位于第一、二热电阻蛇形线与热电阻连接导线的绝缘层，其中，第一、二热电阻蛇形线与热电阻连接导线构成了两个热电阻，并通过焊盘与外部的测量电路实现电气连接。薄膜温度传感器传感器为二维平面结构，采用单面PCB或MEMS加工工艺制作。在其绝缘基板材料表面上加工了两根相互靠近、不互相交叉蛇形电阻线。在第一、二热电阻蛇形线采用了两种不同的导电材料；每根热电阻蛇形线的两端分别由两根热电阻连接导线连接到两个焊盘上，构成一个热电阻；热电阻连接导线和焊盘与连接的电阻线材料相同。热电阻蛇形线、热电阻连接导线被位于其上方的绝缘层完全覆盖，不与外部接触。用于制作热电阻蛇形线、热电阻连接导线、以及焊盘的导电材料可以是铂、镍、铁、铜、钛、银、金、钛硅化物(TiSi₂)。绝缘层的材料可以是二氧化硅、氮化硅、金刚石、环氧树脂、聚酯、聚酰胺。絶縁基板的材料还可以是硅、石英、砷化镓、蓝宝石、聚四氟乙烯、陶瓷、环氧玻璃布层压板。用于导电溶液的温度测量时，传感器的焊盘不与导电溶液直接接触，可通过绝缘胶水对其进行密封保护。

以下以图1所示的薄膜温度传感器为例，介绍本发明的一种具体制作方式：

采用0.6毫米厚的石英为绝缘基板；

第一蛇形线热电阻的材料为金属铂，厚度为100nm，宽度为20um，长度为20mm；

第二蛇形线热电阻的材料为金属镍，厚度为100nm，宽度为10um，长度为20mm；

绝缘层为100nm的氮化硅，再覆盖5um的环氧树脂作为保护。

在上述制作方式中，20℃时，铂的电阻率为10.6×10^-8Ω/m，镍的电阻率为6.84×10^-8Ω/m，铂的温度系数为3.74×10^-3/℃，镍的温度系数为6.90×10^-3/℃。由电阻计算公式可知，20℃时，铂电阻阻值为1060.0Ω，镍电阻阻值为1368.0Ω。

结合上述传感器的具体制作方式，本发明的一种具体测量方式如下：

假设当前温度值为10℃，则不发生形变时，结合上述的材料的温度系数与20℃时的电阻值，根据公式[1]，可算出当前铂电阻的阻值为1020.4Ω，镍电阻的阻值为1273.6Ω。

此时若在电阻线径向上产生0.1％的拉伸形变，由上述分析可知，铂电阻和镍电阻的阻值将分别增大0.2％，达到1022.4Ω和1276.1Ω。

在此形变的情况下，若不采用本发明中双电阻求比值的方法，而是直接通过其中一个电阻的阻值来测量温度，那么根据公式[1]，在发生形变时，1022.4Ω的铂电阻换算后的温度值为10.5℃，也就是说，0.1％的拉伸形变给铂电阻带来了0.5℃的等效温度测量误差。

当采用本发明的双电阻求比值的方法时，铂电阻与镍电阻的比值为1022.4Ω/1276.1Ω＝0.80119，代入公式[10]有k＝1.03399，代入公式[11]得到T＝10.0℃，也就是说，采用本发明的方法，测得的温度值没有受到形变和压阻效应的影响。

在进行双电阻比值测量的时候，本发明既可以采用通常的电阻测量方法，分别测量两个电阻的阻值，再进行比值计算，也可以采用电阻分压法，按图3的方式，直接测得两个电阻串联后的分压，其中测得的电压与电阻值得关系为：

求解可得

因此，可直接由图4和公式[14]的方式，测得两个电阻的比值，直接用于温度的计算。

以上具体实施方式仅为本发明的应用案例，在实际使用过程中，相关人员可在本发明的技术思想范围内进行各种修改和变更，比如，变更电阻、基板、绝缘层的材料；变更电阻线的长度、厚度、线宽、阻值；将直流激励测量改为交流激励测量等。

Claims (6)

1.一种抗压阻效应的薄膜温度传感器，其特征在于，包括：

绝缘基板，第一热电阻蛇形线，第二热电阻蛇形线，热电阻连接导线，焊盘，绝缘层，其中所述第一热电阻蛇形线与所述第二热电阻蛇形线相互靠近且不互相交叉，所述第一热电阻蛇形线与所述第二热电阻蛇形线分别由所述热电阻连接导线焊接在所述焊盘上，所述焊盘位于所述绝缘基板上，所述绝缘层覆盖所述第一热电阻蛇形线、所述第二热电阻蛇形线、所述热电阻连接导线，通过所述第一热电阻蛇形线电阻值和所述第二热电阻蛇形线电阻值的比值，计算比例系数，进而利用得到当前温度；

其中T为当前温度，T₀为温度，α_R2为所述第一热电阻蛇形线的温度系数，α_R1为所述第二热电阻蛇形线的温度系数，k为所述比例系数；

所述第一热电阻蛇形线与所述第二热电阻蛇形线采用的材料不同；

其中R₁为所述第一热电阻蛇形线的电阻值，R₂为所述第二热电阻蛇形线的电阻值，R_2T0为所述第二热电阻蛇形线在T₀下的电阻值，R_1T0为所述第一热电阻蛇形线在T₀下的电阻值。

2.如权利要求1所述的抗压阻效应的薄膜温度传感器，其特征在于，抗压阻效应的薄膜温度传感器用于导电溶液的温度测量时，通过绝缘胶水对所述焊盘进行密封保护。

3.如权利要求1所述的抗压阻效应的薄膜温度传感器，其特征在于，所述第一热电阻蛇形线、所述第二热电阻蛇形线、所述热电阻连接导线、所述焊盘的材料为铂或镍或铁或铜或钛或银或金或钛硅化物。

4.如权利要求1所述的抗压阻效应的薄膜温度传感器，其特征在于，所述绝缘层的材料为二氧化硅或氮化硅或金刚石或环氧树脂或聚酯或聚酰胺。

5.如权利要求1所述的抗压阻效应的薄膜温度传感器，其特征在于，所述绝缘基板的材料为硅或石英或砷化镓或蓝宝石或聚四氟乙烯或陶瓷或环氧玻璃布层压板。

6.一种利用如权利要求1-5任意一项所述的抗压阻效应的薄膜温度传感器检测温度的方法，其特征在于，分别获取所述第一热电阻蛇形线、所述第二热电阻蛇形线的电阻值，并获取电阻值的比值，根据所述电阻值的比值，计算并获取比例系数，根据所述比例系数，计算并获取当前温度，其中，获取所述电阻值的比值的方式包括直接通过两个电阻值相除获取所述电阻值的比值，或采用电阻串联分压的方式获取所述电阻值的比值；

其中计算并获取当前温度的公式为：

其中T为当前温度，T₀为温度，α_R2为所述第一热电阻蛇形线的温度系数，α_R1为所述第二热电阻蛇形线的温度系数，k为所述比例系数；

所述第一热电阻蛇形线与所述第二热电阻蛇形线采用的材料不同；

其中R₁为所述第一热电阻蛇形线的电阻值，R₂为所述第二热电阻蛇形线的电阻值，R_2T0为所述第二热电阻蛇形线在T₀下的电阻值，R_1T0为所述第一热电阻蛇形线在T₀下的电阻值。