CN1432799A

CN1432799A - 薄膜电阻温度传感器及其制造方法

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Publication number: CN1432799A
Application number: CN 02109989
Authority: CN
Inventors: 董述恂; 龙峰洲
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2002-01-17
Publication date: 2003-07-30
Anticipated expiration: 2022-01-17
Also published as: CN1184462C

Abstract

本发明涉及一种薄膜电阻温度传感器及其制造方法，其克服了现有技术高成本、制造复杂的缺点。该传感器设有绝缘衬底，在绝缘衬底上设有薄膜电阻、连接电阻的电极、保护层，薄膜电阻的成分为含有少量金属氧化物的铂或者金，其厚度为0.02um－2um。制造方法包括以下步骤：将有机铂化合物或有机金化合物加热，得到混合物，将混合物添加有机化合物，同时添加树脂和溶剂，形成混合型铂浆料或金浆料。将上述混合型浆料印刷于经过清洗的基板上，然后经过烧结等步骤，形成产品。或采用丝网印刷等方法在基板上均匀涂覆所述混合型浆料，然后进行烧结等步骤形成产品。本发明可广泛用于航天、化工、汽车领域的测温、温度控制等。

Description

薄膜电阻温度传感器及其制造方法

技术领域：本发明涉及一种温度传感器及其制造方法，具体说是一种薄膜电阻温度传感器及其制造方法。

背景技术：铂电阻具有线性度高、热响应时间小、稳定性好等优势，广泛于航天、化工、汽车等领域。图1为薄膜式电阻温度传感器的结构示意图，图2为薄膜片式电阻传感器结构图，图3为厚膜式电阻温度传感器的结构示意图，图4为厚膜片式电阻传感器结构图。图中1是由陶瓷等材料组成的绝缘衬底，2是感温电阻，3是玻璃包封层，4是引线电极，5是铂丝引线，6是引线加固釉。

按照感温电阻材料组成和制作工艺的不同，电阻可分为厚膜电阻和薄膜电阻两类。厚膜电阻目前采用丝网印刷、烧结、激光修正工艺制作，使用铂粉型厚膜浆料，设备投资少，生产效率高，成本低，但膜层厚度一般为10um左右，方阻小，难以制作小型高阻值电阻体；厚膜电阻含有大量的玻璃成分，温度系数调整困难，且不能刻蚀，最细线宽只能作到150um；且由于膜层厚度大，线条宽度大，热容量大，热响应时间长；需1200℃烧结，能耗大，设备要求高。薄膜电阻目前采用两种技术制作：(1)采用溅射等真空技术，光刻腐蚀、激光修正工艺制作，设备投资大，生产效率低，铂金属利用率低，成本高；但金属厚度一般只有0.8-2um，线条宽度可作到10um，热容小，热响应特性好，因此多用于快速测温。(2)使用纯液态的有机铂浆料，纯液态的有机铂浆料是由未经加热改性处理的有机铂、大量的成膜树脂和溶剂组成，采用丝网印刷等厚膜技术制作。但由于薄膜表面效应的影响，薄膜电阻厚度要达到0.8um左右才能得到接近块状材料的较大的温度系数。但是纯液态有机金属浆料在烧结时易爆裂，每次印刷烧结厚度只能达到0.2-0.3um，要到达所需厚度的电阻，需重复印刷烧结3-4次，生产效率低，易产生针孔、灰尘等膜层缺陷，成品率低；溶解有机金属浆料的溶剂及匹配的成膜树脂材料选择性小，浆料粘度较大，印刷时易产生气泡、针孔等缺陷，印刷特性调整困难。

金虽然具有较大的电阻温度系数，但由于电阻率较小，且原有制作金膜的工艺成本较高，因而一直未能作为测温电阻材料应用到温度传感器。

发明内容：本发明所要解决的技术问题是在现有上述厚、薄膜技术的基础上，克服两者缺点，综合两者的优势，从而提供一种新型的低成本、高性能薄膜温度传感器以及高效率生产薄膜电阻的制造方法。

一种薄膜电阻温度传感器，其设有绝缘衬底，在绝缘衬底上设有薄膜电阻、连接电阻的电极、保护层，薄膜电阻的成分为含有少量金属氧化物的铂或者金，其厚度为0.02um-2um。

所述的金属氧化物为铑、铋、铅、硅、铬、铜、硼的氧化物的一种或几种。

所述的薄膜电阻为弯曲的蛇型或网孔结构。

一种制造上述薄膜电阻温度传感器的方法，该方法包括以下步骤：a：将有机铂化合物或有机金化合物150-190℃加热15-30分钟，得到由有机铂或有机金化合物的微分解固化物、超细铂粉或金粉、低分子量有机物、超细碳粉组成的混合物；将此混合物添加有机铑化合物、有机铋化合物、有机铅化合物、有机硅化合物、有机铬化合物、有机铜化合物、有机硼化合物中的一种或二种以上，铂或金与铑的比例(重量)控制在1∶0.0001～0.02，铂或金与其他金属的比例(重量)控制在1∶0.003～0.05之间，同时添加树脂和溶剂，形成混合型铂浆料或金浆料。

b：将上述混合型浆料印刷于经过清洗的基板上，然后经过烧结、再经过电极制作，保护层制作，修阻形成所需图形的电阻，测量，形成产品。

一种制造上述薄膜电阻温度传感器的方法，该方法包括以下步骤：a：将有机铂化合物或有机金化合物150-190℃加热15-30分钟，得到由有机铂或有机金化合物的微分解固化物、超细铂粉或金粉、低分子量有机物、超细碳粉组成的混合物，将此混合物添加有机铑化合物、有机铋化合物、有机铅化合物、有机硅化合物、有机铬化合物、有机铜化合物、有机硼化合物中的一种或二种以上，铂或金与铑的比例(重量)控制在1∶0.0001～0.02，金或铂与其他金属的比例(重量)控制在1∶0.003～0.05之间，同时添加树脂和溶剂，形成混合型铂浆料或金浆料。

b：采用丝网印刷、直描、喷涂、辊涂、旋涂、笔涂、刷涂其中之一的方法在基板上均匀涂覆所述混合型浆料，然后进行烧结、光刻、腐蚀，再经过电极制作、保护层制作，修阻后形成要求的电阻，测量，形成产品。

上述薄膜电阻温度传感器的方法，所述的有机铂化合物是硫化松节油铂、硫化萜烯铂、硫化松油醇铂、硫醇铂、硫化松香酸铂、硫化2-已基己烷酸铂、硫化辛基酸铂、硫化环烷、烃酸铂的一种或两种以上。

上述薄膜电阻温度传感器的方法，所述的有机金化合物是硫化松节油金、硫化萜烯金、硫化松油醇金、硫醇金、硫化松香酸金、硫化2-已基己烷酸金、硫化辛基酸金、硫化环烷、烃酸金的一种或两种以上。

上述制造薄膜铂电阻温度传感器的方法，采用厚膜工艺形成所述电极和保护层。

本发明就是针对使用混合型铂或金浆料制作温度传感器薄膜感温部进行研究。适用于金属材料的的阻值(R)随温度的变化如下：

R＝R₀×T×EXP(E/kT)

R₀：初期电阻值 T：温度 k：玻尔滋曼常数 E：活化能量

有机铂或有机金是金属有机化合物的一种，是铂原子或金原子通过硫原子、氧原子、氮原子等与有机物中的碳原子结合而成，采用硫化香脂法、硫醇盐法、树脂酸盐法或他们的组合而制造。

有机铂或有机金通过烧结分解为金属铂或金，在衬底上形成金属膜，是制作导线和电阻的良好材料，但是未经热改性处理的有机铂或有机金在干燥烧结时易爆裂，需在浆料内添加大量的成膜树脂才能形成连续膜，导致浆料内金属含量低，每次印刷烧结厚度只能达到0.2-0.3um，要到达所需厚度的电阻，需重复印刷烧结3-4次，生产效率低，易产生针孔、灰尘等膜层缺陷，成品率低；溶解有机金属的溶剂及匹配的成膜树脂选择性小，浆料粘度较大，印刷时易产生气泡、针孔等缺陷，印刷特性调整困难。

为解决上述问题，发明了一种低成本的薄膜电阻及高效率的生产工艺。为达到上述目的，我们将制作有机铂或有机金化合物在150-190℃加热15-30分钟，使有机金属微分解，成为有机铂或有机金化合物的微分解固化物、超细铂粉或金粉、低分子量有机物、超细碳粉等组成的混合体，将此混合体溶于有机溶剂，然后添加有机铑、有机铋、有机铅、有机铬、有机铜、有机硅、成膜树脂、溶剂等制成混合型浆料。由于浆料内含有无机铂粉或金粉以及无机碳粉，浆料粘度的调整非常容易，尤其适合制作丝网印刷用浆料；由于含有无机铂粉或金粉、无机碳粉，在干燥成膜时，碳粉、铂粉或金粉有效吸收干燥成膜过程中产生的热应力，防止纯有机铂或有机金浆料膜厚过大时爆裂的现象；作为混合型浆料主成分的有机铂或有机金微分解固化物，烧结过程中分解平缓，防止了纯液态有机铂或有机金浆料膜厚过大烧结时爆裂的现象，单次印刷烧结膜厚可达0.8um，克服了纯液态有机铂或有机金浆料需多次印刷烧结的问题，极大地提高了生产性和成品率。烧结温度低，膜层致密均匀，膜层质量可与溅射膜媲美；铂、金消耗量少，热响应特性好；不需要薄膜制作中的退火处理，工艺简单；不需要薄膜制作中的附着层，刻蚀工艺简单；采用常规的丝网印刷、烧结成膜技术，生产效率高，结合光刻腐蚀技术可作作成弯曲状的宽度10um的细线或作成网状结构，可达到高阻化的目的，并使采用金作低成本感温电阻成为可能。

烧结过程中有机铂分解为金属铂、有机金分解为金，但铂或金的附着力很差，且在高温烧结时会产生颗粒凝聚现象。浆料内添加有机铑和其他贱金属有机化合物，可有效解决上述问题。有机铑在烧结过程中分解氧化成为氧化铑，极微量的氧化铑就可避免铂或金高温烧结时的颗粒凝聚现象，提高烧结温度而不影响铂或金电阻的温度系数，是最好的铂或金的熔剂材料。与其他玻璃粘接剂不同，贱金属有机化合物可与浆料的其他成分实现分子级的均匀搀杂，使用量很少就可达到有效附着的效果，对铂或金的温度系数影响小，在烧结过程中贱金属有机化合物分解氧化成为贱金属氧化物，这些贱金属氧化物与衬底反应形成牢固的结合层，大大第提高了铂或金电阻的可靠性。

附图说明：

图1为薄膜式电阻温度传感器的结构示意图；

图2为薄膜片式电阻传感器结构示意图；

图3为厚膜式电阻温度传感器的结构示意图；

图4为厚膜片式电阻传感器结构示意图；

图5为弯曲蛇型铂电阻感温部结构示意图；

图6为网孔状铂电阻感温部结构示意图。

图7为本发明制造方法流程示意图。

图8为现有技术的流程示意图。

具体实施方式：

实施例1

混合型铂浆料与采用铂粉、玻璃粉混合形成的厚膜铂电阻浆料不同，因为利用了铂的高分子结合技术，因而成膜性很好。技术上要求膜厚0.02um-2um，本发明采用混合型浆料制作感温部。将邯郸陶瓷研究所生产的43％的硫化松节油铂在190℃加热15分钟、将分解产物与4.3％的硫化松节油铑、5.1％的松香酸铋按铂∶铑∶铋＝1∶0.0001∶0.003的比例，添加20％重量的威海威信化工有限公司生产的聚甲基丙希酸树脂和5％重量溶纤素及10％重量松油醇等溶剂，搅拌混合均匀后得到所需的混合型铂浆料，将此铂浆料均匀地涂覆在上釉氧化铝基板1上，810℃烧结30分钟后得到镀铂基板，重复印刷、烧结得到感温铂电阻部2，印刷烧结引线电极3，涂覆、烧结玻璃包封层4，激光修正得到所需电阻值，焊接铂丝引线5，涂覆低温加固釉6，加固铂丝引线。

本发明的一个实施例中，得到膜厚为0.8um，阻值为100Ω，TCR达到3830ppm/℃，时间常数＜0.5s的高性能铂电阻。

实施例2

将邯郸陶瓷研究所生产的43％的硫化松节油铂、35％的硫化松油醇铂按2∶1的比例混合，在190℃加热15分钟，将分解产物与4.3％的硫化松节油铑、3.8％的松香酸铜按铂∶铑∶铜＝1∶0.0001∶0.001的比例，添加20％重量的威海威信化工有限公司生产的聚甲基丙希酸树脂和5％重量的溶纤素及10％重量的松油醇等溶剂，搅拌混合均匀后得到所需的混合型铂浆料，将此铂浆料均匀地涂覆在上釉氧化铝基板1上，810℃烧结30分钟后得到镀铂基板，重复印刷、烧结得到加厚的镀铂基板；通过光刻、等离子刻蚀形成所需要的图形，得到感温铂电阻部2，印刷烧结引线电极3，涂覆、烧结玻璃包封层4，激光修正得到所需电阻值，焊接铂丝引线5，涂覆低温加固釉6，加固铂丝引线。

本发明的一个实施例中，得到膜厚为0.8um，阻值为1000Ω，TCR达到3760ppm/℃，时间常数＜0.5s的高性能铂电阻。

实施例3

将邯郸陶瓷研究所生产的43％的硫化松节油铂190℃加热15分钟、将分解产物与4.3％的硫化松节油铑、5.1％的松香酸铋按铂∶铑∶铋＝1∶0.0003∶0.01的比例，添加20％重量的威海威信化工有限公司生产的聚甲基丙希酸树脂和5％重量的溶纤素及10％重量的松油醇等溶剂，搅拌混合均匀后得到所需的混合型铂浆料，将此铂浆料均匀地涂覆在上釉氧化铝基板1上，850℃烧结30分钟后得到镀铂基板，重复印刷、烧结得到加厚的镀铂基板；通过光刻、等离子刻蚀形成所需要的图形，得到感温铂电阻部2，印刷烧结引线电极3，涂覆、烧结玻璃包封层4，激光修正得到所需电阻值，切割封接端头电极得到小型的片式薄膜电阻。

本发明的一个实施例中，得到膜厚为0.8um，阻值为500Ω，TCR达到35300ppm/℃，时间常数＜0.5s的高性能铂电阻。

实施例4

将邯郸陶瓷研究所生产的38％的硫化松节油金在160℃加热25分钟，将分解产物、4.3％的硫化松节油铑、5.1％的松香酸铋按金∶铑∶铋＝1∶0.0001∶0.003的比例，添加16％重量的威海威信化工有限公司生产的聚甲基丙希酸树脂和5％重量的溶纤素及8％重量的松油醇等溶剂，搅拌混合均匀后得到所需的混合型金浆料，将此金浆料均匀地涂覆在上釉氧化铝基板1上，810℃烧结30分钟后得到镀金基板，重复印刷、烧结得到感温金电阻部2，印刷烧结引线电极3，涂覆、烧结玻璃包封层4，激光修正得到所需电阻值，划片后印刷烧结内电极，涂覆端头电极得到片式温度传感器。

本发明的一个实施例中，得到膜厚为0.8um，阻值为100Ω，TCR达到3450ppm/℃，时间常数＜0.5s的高性能金电阻。

实施例5

将邯郸陶瓷研究所生产的38％的硫化松节油金在160℃加热25分钟、将分解产物与35％的硫化松油醇金按3∶1的比例混合后添加4.3％的硫化松节油铑、5.1％的松香酸铋按金∶铑∶铋＝1∶0.0001∶0.001的比例，添加20％重量的威海威信化工有限公司生产的聚甲基丙希酸树脂和3％重量溶纤素及8％重量松油醇等溶剂，搅拌混合均匀后得到所需的混合型金浆料，将此金浆料均匀地涂覆在上釉氧化铝基板1上，810℃烧结30分钟后得到镀铂基板，重复印刷、烧结得到加厚的镀金基板；通过光刻、等离子刻蚀形成所需要的图形，得到感温金电阻部2，印刷烧结引线电极3，涂覆、烧结玻璃包封层4，激光修正得到所需电阻值，焊接铂丝引线5，涂覆低温加固釉6，加固铂丝引线。

本发明的一个实施例中，得到膜厚为0.8um，阻值为100Ω，TCR达到3380ppm/℃，时间常数＜0.35s的高性能金电阻。

实施例6

将邯郸陶瓷研究所生产的38％的硫化松节油金160℃加热20分钟、将分解产物与4.3％的硫化松节油铑、5.1％的松香酸铋按金∶铑∶铋＝1∶0.0003∶0.01的比例，添加16％％重量的威海威信化工有限公司生产的聚甲基丙希酸树脂和3％重量的溶纤素及6％重量的松油醇等溶剂，搅拌混合均匀后得到所需的混合型金浆料，将此金浆料均匀地涂覆在上釉氧化铝基板1上，850℃烧结30分钟后得到镀金基板，重复印刷、烧结得到加厚的镀金基板；通过光刻、等离子刻蚀形成所需要的图形，得到感温金电阻部2，印刷烧结引线电极3，涂覆、烧结玻璃包封层4，激光修正得到所需电阻值，划片后印刷烧结内电极，涂覆端头电极得到片式温度传感器。

本发明的一个实施例中，得到膜厚为0.8um，阻值为100Ω，TCR达到3100ppm/℃，时间常数＜0.35s的高性能金电阻。

实施例7

下面说明感温电阻部的构造，如图5所示，为提高电阻值，提高热分布的均匀性，减小自热影响，电阻作成了弯曲的蛇型结构。

实施例8

下面说明感温铂电阻部的另外构造例，如图6所示，为提高电阻值，提高热分布均匀性，减小自热效应，电阻作成了网孔形状或叫点阵结构，这种结构刻蚀后电阻值均匀性高。

实施例9

图7为本发明的制作方法流程图。如图7所示，本发明所用的方法是先清洗基板，再经过铂浆印刷、烧结、涂胶、曝光、现象、刻蚀、电极印刷、电极烧结、玻璃印刷、玻璃烧结、激光修阻、铂丝焊接、铂丝加固、测量后，形成产品。

图8为现有技术的制作方法流程图。如图8所示，现有技术所用的方法是先清洗基板，再经过溅射铂膜、涂胶、曝光、现象、刻蚀、电极印刷、电极烧结、玻璃印刷、玻璃烧结、激光修阻、铂丝焊接、铂丝加固、测量后，形成产品。

如上所述，因为本发明的薄膜电阻温度传感器的电阻采用混合型铂浆料或金浆料制作，并且作成了弯曲的蛇状或网孔状，所以具有以下效果：1、膜层薄，热响应特性好，适应于快速测温。2、膜层内含有的贱金属氧化物与衬底反应形成牢固的付着层，附着力大，可靠性高。3、铂膜或金膜在810℃以上烧结而成，可在高温下工作。4、用常规的厚膜技术或厚膜结合光刻技术制作，生产效率高、材料消耗少，成本低。5、混合型铂浆料或金浆料制作简单；各成分间可实现分子级搀杂，温度系数可控性、重复性好。6、烧结温度低，烧结膜层均匀致密，不需进行退火处理，工艺简单。7、混合型铂或金浆料可在各种复杂形状上进行涂覆，可制作各种形状的传感器。8、铂膜或金膜直接烧结在衬底上，不需过渡金属层，刻蚀工艺简单。

本发明是关于快速温度测控所用的薄膜电阻温度传感器，可广泛用于航天、化工、汽车领域的测温、温度控制等。

Claims

1、一种薄膜电阻温度传感器，其设有绝缘衬底，在绝缘衬底上设有薄膜电阻、连接电阻的电极、保护层，其特征是薄膜电阻的成分为含有少量金属氧化物的铂或者金，其厚度为0.02um-2um。

2、根据权利要求1所述的薄膜电阻温度传感器，其特征在于所述的金属氧化物为铑、铋、铅、硅、铬、铜、硼的氧化物的一种或几种。

3、根据权利要求1或2所述的薄膜电阻温度传感器，其特征在于所述的薄膜电阻为弯曲的蛇型或网孔结构。

4、一种制造如权利要求1所述的薄膜电阻温度传感器的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

a：将有机铂化合物或有机金化合物150-190℃加热15-30分钟，得到由有机铂或有机金化合物的微分解固化物、超细铂粉或金粉、低分子量有机物、超细碳粉组成的混合物；将此混合物添加有机铑化合物、有机铋化合物、有机铅化合物、有机硅化合物、有机铬化合物、有机铜化合物、有机硼化合物中的一种或二种以上，铂或金与铑的比例(重量)控制在1∶0.0001～0.02，铂或金与其他金属的比例(重量)控制在1∶0.003～0.05之间，同时添加树脂和溶剂，形成混合型铂浆料或金浆料。

5、一种制造如权利要求1所述的薄膜电阻温度传感器的方法，其特征是该方法包括以下步骤：

a：将有机铂化合物或有机金化合物150-190℃加热15-30分钟，得到由有机铂或有机金化合物的微分解固化物、超细铂粉或金粉、低分子量有机物、超细碳粉组成的混合物，将此混合物添加有机铑化合物、有机铋化合物、有机铅化合物、有机硅化合物、有机铬化合物、有机铜化合物、有机硼化合物中的一种或二种以上，铂或金与铑的比例(重量)控制在1∶0.0001～0.02，金或铂与其他金属的比例(重量)控制在1∶0.003～0.05之间，同时添加树脂和溶剂，形成混合型铂浆料或金浆料。

6、根据权利要求4或5所述的制造如权利要求1所述的薄膜电阻温度传感器的方法，其特征是所述的有机铂化合物是硫化松节油铂、硫化萜烯铂、硫化松油醇铂、硫醇铂、硫化松香酸铂、硫化2-已基己烷酸铂、硫化辛基酸铂、硫化环烷、烃酸铂的一种或两种以上。

7、根据权利要求4或5所述的制造如权利要求1所述的薄膜电阻温度传感器的方法，其特征是所述的有机金化合物是硫化松节油金、硫化萜烯金、硫化松油醇金、硫醇金、硫化松香酸金、硫化2-已基己烷酸金、硫化辛基酸金、硫化环烷、烃酸金的一种或两种以上。

8、根据权利要求7所述的制造如权利要求1所述的薄膜铂电阻温度传感器的方法，其特征在于采用厚膜工艺形成所述电极和保护层。

9、根据权利要求8所述的制造如权利要求1所述的薄膜铂电阻温度传感器的方法，其特征在于采用厚膜工艺形成所述电极和保护层。