CN1288671C - 温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种温度传感器，在单晶衬底的表面上具有温敏元件，其中该温敏元件由铂薄膜电阻器制成，并且将其制作为外延层。

Description

温度传感器
技术领域
本发明涉及在单晶衬底的表面上具有温敏元件的温度传感器，其中温敏元件由铂薄膜电阻器制成。本发明进一步涉及用于制造这种温度传感器的方法及其用途。
背景技术
在单晶衬底上具有薄膜电阻器的温度传感器是公知的。RU2069324描述了一种这样的温度测量器件，该温度测量器件具有介质衬底和施加于其上的由镍或铂制成的、弯曲形式的薄膜电阻器。铂层和衬底之间是由氮化钛制成的粘合剂层。例如，已经公开了用蓝宝石作为介质衬底。
US 6,229,121 B1公开了一种具有双金属(bimetallic)开关接触的微型开关，具有外延层上的弯曲形的加热元件和温敏元件，例如铂薄膜电阻器。
WO 87/05146描述了一种具有绝缘衬底的温度传感器，绝缘衬底例如由蓝宝石制成。提供铂薄膜电阻器作为温度传感器，该温度传感器由覆盖层保护。
DE 32 05 704公开了一种利用温度传感器元件评估室内气候的器件。例如，在蓝宝石衬底上具有弯曲形式的铂薄膜电阻器。
US 4,378,489描述了一种测量装置，在蓝宝石支撑体上具有铂薄膜电阻器和加热元件。
发明内容
为了能够得到几何尺寸进一步减小的、包含铂薄膜电阻器的温度传感器，必须在越来越小的衬底表面上制造更薄、更长的导体通路。由于在更小的宽度处，导电电子在铂晶粒边界处泄漏和铂的电阻温度系数α成为零，因此制造到这种程度的用于温度传感器的结晶铂薄膜电阻器从大约＞10μm的导体通路宽度处开始在技术上是可行的。此外，在例如通过蚀刻构成结晶铂薄膜电阻器中，在导体通路中会出现孔隙，这种孔隙可以追溯到铂微晶、它们的形状、尺寸和定向。
因此，问题是制造温度传感器的问题，该温度传感器利用铂薄膜电阻器作为温敏元件，其中能够减小导体通路的宽度，并且铂薄膜电阻器的导体通路之间的距离减小到＜10μm。此外，应提供制造这种温度传感器的适当方法。
对于温度传感器来说解决该问题的方案是将铂薄膜电阻器构造为外延层，铂薄膜电阻器由1至10μm宽的导体通路构成，导体通路呈弯曲状，在彼此间隔1-10μm处设置相邻的导体通路，导体通路具有0.05μm至2μm的厚度。将外延层理解为通过外延在单晶衬底上制造的单晶层。如果将铂薄膜电阻器构造为外延层，那么由于其单晶特性，因此很容易蚀刻，可以制造没有缺陷的导体通路宽度，并且通路之间的距离＜10μm。由于在晶界处不再有任何导电电子的泄漏，因此铂的电阻温度系数α保持不变。由于能够在衬底上构造更薄和更长的导体通路，因此铂薄膜电阻器毫无疑问可以得到＞10kΩ的电阻。
已经证实如果单晶衬底由电绝缘材料，优选α-Al2O3或MgO制成是有利的。
通过B.M.Lairson et al在1992年9月21日的Appl.Phys.Lett.61(12)第1390-1392页的“Epitaxial Pt(001)，Pt(110)and Pt(111)films on MgO(001)，MgO(110)，MgO(111)and Al2O3(0001)”中的描述，对于铂的外延层来说使用这些衬底是已知的了。该公开文献描述了在由MgO或Al2O3制成的单晶衬底上制造外延铂层，并且记载了各种制造方法，例如分子束外延、激光熔蚀、阴极溅射或化学汽相淀积。
具体地说，优选单晶衬底由α-Al2O3制成，衬底表面平行于α-Al2O3的结晶面(110)，并且在平行于该表面的(111)面或(110)面或(100)面中生长铂薄膜电阻器的铂。然而，如果单晶衬底由α-Al2O3制成，衬底表面平行于α-Al2O3的结晶面(001)，并且在平行于该表面的(111)面或(110)面或(100)面中生长铂薄膜电阻器的铂，那么这种情况也是有利的。
进一步显示出下列情况也是有利的，即单晶衬底由α-Al2O3制成，衬底表面平行于α-Al2O3的结晶面(1-10)，并且在平行于该表面的(111)面或(110)面或(100)面中生长铂薄膜电阻器的铂。
此外，已经显示出下列情况是值得采用的，即单晶衬底由MgO制成，其中衬底表面平行于MgO的结晶面(111)，并且在平行于该表面的(111)面或(110)面或(100)面中生长铂薄膜电阻器的铂。
进一步显示出下列情况是有利的，即单晶衬底由MgO制成，其中衬底表面平行于MgO的结晶面(001)，并且在平行于该表面的(111)面或(110)面或(100)面中生长铂薄膜电阻器的铂。
此外，已经显示出下列情况是值得采用的，即单晶衬底由MgO制成，其中衬底表面平行于MgO的结晶面(110)，并且在平行于该表面的(111)面或(110)面或(100)面中生长铂薄膜电阻器的铂。
可以在单晶衬底和铂薄膜电阻器之间设置最厚达2nm的籽晶层。
单晶衬底也可以由半导体材料制成，例如硅，其中在衬底和铂薄膜电阻器之间设置电绝缘的外延层。
这里，已经显示出下列情况是值得采用的，即平行于硅的结晶面(111)制造衬底的表面。然后优选在平行于该表面的(111)面生长铂薄膜电阻器的铂。
可以在导电衬底和电绝缘的外延层之间和/或在电绝缘的外延层和铂薄膜电阻器之间设置最厚达2nm的籽晶层。
导体通路优选具有大于0.00350/K的电阻温度系数α。
解决工艺问题的方案是利用PVD(物理汽相淀积)或CVD(化学汽相淀积)或MBE(分子束外延)淀积一个或者多个外延层。
单晶衬底上的外延铂薄膜的理想用途是作为温度传感器的铂薄膜电阻器。
下面的例1至例3以举例的方式阐述了本发明。具有铂薄膜电阻器的温度传感器的外观已经众所周知了，例如RU2069324就记载了这样的内容，因此附图说明是多余的。
具体实施方式
例1：
在由α-Al2O3制成的单晶衬底上，衬底表面平行于结晶面(110)伸展，通过阴极溅射生成弯曲状的铂薄膜电阻器。该铂薄膜电阻器由外延层构成，外延层在平行于衬底表面的(110)面中生长，并且具有1μm的厚度。形成的弯曲状铂薄膜电阻器的导体通路分别具有3μm的导体通路宽度和相互的间隔。
例2：
在由MgO制成的单晶衬底上，衬底表面平行于结晶面(001)伸展，通过CVD制造弯曲状的铂薄膜电阻器。该铂薄膜电阻器由外延层构成，外延层在平行于衬底表面的(110)面中生长，并且具有0.5μm的厚度。形成的弯曲状铂薄膜电阻器的导体通路具有5μm的导体通路宽度和1.5μm的相互间隔。在衬底和铂薄膜电阻器之间设置0.5nm厚的Fe籽晶层。
例3：
在由硅制成的单晶衬底上，衬底表面平行于结晶面(111)伸展，通过阴极溅射制造由MgO构成的电绝缘外延层，该电绝缘外延层在平行于衬底表面的(111)面中生长，并且具有2μm的厚度。在由MgO构成的电绝缘外延层上，通过阴极溅射生成弯曲状的铂薄膜电阻器。铂薄膜电阻器由外延层构成，该外延层在平行于衬底表面的(111)面中生长，并且具有1.5μm的厚度。形成弯曲状铂薄膜电阻器的导体通路具有6μm的导体通路和5μm的相互间隔。

Claims (18)

1.一种温度传感器，在单晶衬底的表面上具有温敏元件，其中该温敏元件由铂薄膜电阻器构成，其特征在于，将铂薄膜电阻器制作为外延层，铂薄膜电阻器由1至10μm宽的导体通路构成，导体通路呈弯曲状，在彼此间隔1-10μm处设置相邻的导体通路，导体通路具有0.05μm至2μm的厚度。
2.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，单晶衬底由电绝缘材料制成。
3.根据权利要求2所述的温度传感器，其特征在于，单晶衬底由α-Al2O3或MgO制成。
4.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，单晶衬底由α-Al2O3制成，其中衬底的表面平行于α-Al2O3的结晶面(110)，在平行于该表面的(111)面或(110)面或(100)面中生长铂薄膜电阻器的铂。
5.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，单晶衬底由α-Al2O3制成，衬底表面平行于α-Al2O3的结晶面(001)，并且在平行于该表面的(111)面或(110)面或(100)面中生长铂薄膜电阻器的铂。
6.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，单晶衬底由α-Al2O3制成，衬底表面平行于α-Al2O3的结晶面(1-10)，并且在平行于该表面的(111)面或(110)面或(100)面中生长铂薄膜电阻器的铂。
7.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，单晶衬底由MgO制成，其中衬底表面平行于MgO的结晶面(111)，并且在平行于该表面的(111)面或(110)面或(100)面中生长铂薄膜电阻器的铂。
8.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，单晶衬底由MgO制成，其中衬底表面平行于MgO的结晶面(001)，并且在平行于该表面的(111)面或(110)面或(100)面中生长铂薄膜电阻器的铂。
9.根据权利要求3所述的温度传感器，其特征在于，单晶衬底由MgO制成，其中衬底表面平行于MgO的结晶面(110)，并且在平行于该表面的(111)面或(110)面或(100)面中生长铂薄膜电阻器的铂。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的温度传感器，其特征在于，在衬底和铂薄膜电阻器之间设置最厚达2nm的籽晶层。
11.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，单晶衬底由半导体材料制成，在衬底和铂薄膜电阻器之间设置电绝缘的外延层。
12.根据权利要求11所述的温度传感器，其特征在于，单晶衬底由硅制成。
13.根据权利要求12所述的温度传感器，其特征在于，衬底的表面平行于硅的结晶(111)面。
14.根据权利要求13所述的温度传感器，其特征在于，在平行于该表面的(111)面中生长铂薄膜电阻器的铂。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的温度传感器，其特征在于，在衬底和电绝缘的外延层之间和/或在电绝缘的外延层和铂薄膜电阻器之间设置最厚达2nm的籽晶层。
16.根据权利要求1所述的温度传感器，其特征在于，导体通路具有大于0.00350/K的电阻温度系数α。
17.一种制造根据权利要求1所述的温度传感器的方法，其特征在于，通过物理汽相淀积PVD或化学汽相淀积CVD或分子束外延MBE淀积一个或者多个外延层。
18.使用单晶衬底上的外延铂薄膜作为根据权利要求1所述的温度传感器的铂薄膜电阻器。
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