CN202305042U - 一种快速响应薄膜热电偶温度传感器 - Google Patents

一种快速响应薄膜热电偶温度传感器 Download PDF

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谢贵久
肖友文
何峰
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Abstract

本实用新型公开了一种快速响应薄膜热电偶温度传感器，它具有一个陶瓷衬底及一个沉积在陶瓷衬底(11)的主表面上的AlN缓冲层(12)，并在缓冲层表面沉积有Pt-PtRh13功能薄膜(13)及由此搭接形成的热结点(14)，一个绝缘保护膜(15)至少在陶瓷衬底(11)的主表面上的热结点(14)中完整的沉积覆盖，但除了用于引线连接的引线区域(19)以外，一个Pt浆料烧结层(17)被用于功能薄膜(13)与引线(16)的连接，实现电动势信号的输出和检测，一个保护釉层(18)至少在陶瓷衬底(11)的主表面上的铂浆料层上完整覆盖，但不包括热结点(14)，利用本实用新型方法制造的热电偶温度传感器，具有体积小、耐腐蚀、可靠性高的优点。

Description

一种快速响应薄膜热电偶温度传感器
技术领域
本实用新型涉及薄膜式热电偶温度传感器，具体是一种用于测量瞬变温度的快速响应薄膜热电偶温度传感器及其制造方法。
背景技术
传统的高温温度测量方式，是利用两种不同材料将其中一端焊接在一起做成热电偶后在温度场下焊接结点(热结点)处产生电动势实现温度的测量，如S型、R型、和K型等丝状铠装热电偶温度传感器。传统热电偶温度传感器由于受材料的线径大小限制，已难以进一步减小热结点的大小，而热结点的大小直接影响传感器的响应时间快慢。
薄膜热电偶温度传感器(Thin Film Thermo Couple，TFTC)是一种先进的测量瞬变温度的测温传感器。由于薄膜热电偶温度传感器的热结点多为微米级的薄膜，它具有热容量小、响应迅速、耐腐蚀等特点，能够快速而准确地测量瞬态温度的变化，适合于高速飞行器表面、高温工业炉窑和化工等领域的温度测量。此外，由于薄膜热电偶温度传感器对原有温场影响小，抗干扰能力强，能够抗高振动冲击，可靠性高等优点，在这种极端条件下，传统的温度传感器根本无法相比。快速响应薄膜温度传感器的研制成功将填补国内快速响应高温测量领域的空白，不断缩小与国外先进技术的差距，为我国的高温测试应用提供强有力的保障。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种快速响应薄膜热电偶温度传感器，提高热电偶温度传感器的耐腐蚀性和可靠性，减少对温度场的影响，实现温度场的快速响应和测量。
为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种快速响应薄膜热电偶温度传感器，陶瓷衬底(11)的上表面沉积有AlN缓冲层(12)，AlN缓冲层(12)上沉积有功能薄膜(13)，功能薄膜(13)包括Pt薄膜和PtRh13薄膜，Pt薄膜和PtRh13薄膜重叠搭接处有热结点(14)，功能薄膜(13)靠近热结点(14)的一端和热结点(14)上有Al2O3绝缘保护膜(15)，功能薄膜(13)远离热结点(14)的一端为引线区域(19)，引线区域(19)上设有引线(16)，Al2O3绝缘保护膜(15)远离热结点(14)一端的表面上有由Pt浆料组成的导电胶层(17)，导电胶层(17)将引线区域(19)与引线(16)连接起来，导电胶层(17)上覆盖有Al2O3釉料层(18)；所述陶瓷衬底(11)材料为Al2O3。
一种快速响应薄膜热电偶温度传感器的制造方法，该方法为：
1)在陶瓷衬底的主表面上沉积一层AlN缓冲层，利用光刻技术在AlN缓冲层表面均匀涂敷一层光刻胶；
2)通过对光刻胶进行图形曝光与显影，得到PtRh13薄膜沉积之前所需形状的图形；
3)在陶瓷衬底上表面沉积一层0.5um～10um厚的PtRh13薄膜，并用剥离法去除图形以外的光刻胶和PtRh13薄膜；
4)利用光刻技术在AlN缓冲层表面均匀涂敷一层光刻胶，通过对光刻胶进行图形曝光与显影，得到Pt薄膜沉积之前所需形状的图形；
5)在光刻胶图形表面沉积一层0.1～10um厚的Pt薄膜，并用剥离法去除图形以外的光刻胶和Pt薄膜，Pt薄膜的光刻胶图形与PtRh13薄膜之间的重叠搭接区域称为热结点；
6)利用薄膜沉积技术，至少在热结点处，但不包括引线区域，沉积一层Al2O3绝缘薄膜，厚度为0.5um～10um；
7)利用高温烧结Pt浆料的方法将引线区域的两个连接点分别与引线连接起来，并对引线区域的Pt浆料导电胶层用釉料烧结形成Al2O3釉料层，Pt浆料烧结的温度为11000℃～14000℃，烧结时间为30～60分钟，釉料烧结温度为11000℃～13000℃，烧结时间为1～3小时。
薄膜沉积技术为物理气相沉积技术。
所述物理气相沉积技术为溅射沉积技术。
本实用新型中的缓冲层12主要用于缓冲功能薄膜13与Al2O3陶瓷衬底11之间的热失配和晶格失配，减轻它们的界面热应力和内应力，使功能薄膜13牢固地粘附在Al2O3陶瓷衬底11上。
本实用新型中的光刻技术主要是为了形成功能薄膜并由此形成热结点所采取的辅助手段，通过光刻胶的曝光与显影，获得沉积功能薄膜和热结点所需的图形，以及绝缘保护膜的沉积图形。
本实用新型中的剥离法是指通过去除光刻胶，达到剥离图形以外的薄膜的目的。例如，通过光刻技术在缓冲层表面得到PtRh13薄膜的光刻胶图形，在沉积PtRh13薄膜后，因图形内没有光刻胶，而图形以外的缓冲层表面涂敷了有一层光刻胶。利用剥离法将光刻胶去除后，同时也把光刻胶表面的PtRh13薄膜剥离掉，而图形内因没有光刻胶，PtRh13薄膜不会受到剥离的影响，仍然粘附在缓冲层表面，实现PtRh13薄膜的图形沉积。
本实用新型中的Al2O3绝缘薄膜用于保护热结点和功能薄膜不受热流的冲刷和腐蚀，但覆盖在热结点上面的Al2O3绝缘薄膜不宜太厚，否则影响传感器的热响应速度。
本实用新型中的导电胶层用Pt浆料进行烧结实现，分别将功能薄膜和通过引线区域和与引线连接起来，实现传感器电动势信号的传输。
本实用新型中的釉料层用于导电胶层的加固和防护。
本实用新型解决了传统丝状热电偶温度传感器在实际应用上的不足，利用本实用新型方法制造的热电偶温度传感器，具有体积小、耐腐蚀、可靠性高等优点，减少了对温度场的影响，实现了温度场的快速响应和测量。
附图说明
图1为本实用新型一实施例快速响应薄膜热电偶温度传感器结构示意图；
图2为本实用新型快速响应薄膜热电偶温度传感器制造流程示意图；
图3为热响应测试阶跃曲线图。
其中：
11：陶瓷衬底；12：AlN缓冲层；13：Pt-PtRh13功能薄膜；13a：Pt薄膜或Pt-PtRh13薄膜；13b：Pt-PtRh13薄膜或Pt薄膜；14：热结点；15：Al2O3保护层；16：引线；17：Pt浆料层；18：釉料层；19：引线区域；19a：Pt薄膜或Pt-PtRh13薄膜引线区域；19b：Pt-PtRh13薄膜或Pt薄膜引线区域。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细说明。
本实用新型给出快速响应薄膜热电偶温度传感器，它具有一个陶瓷衬底11及一个沉积在陶瓷衬底的主表面上的AlN缓冲层12，并在缓冲层12表面沉积了Pt-PtRh13功能薄膜13及由此搭接形成的热结点14。一个保护膜绝缘层15至少在陶瓷衬底的主表面上的热结点14区域中完整的沉积覆盖，但除了用于引线连接的焊盘区域以外。一个Pt浆料烧结层17被用于功能薄膜13与引线16的连接，实现电动势信号的输出和检测。一个保护釉层18至少在陶瓷衬底的主表面上的铂浆料烧结层17上完整覆盖，但不包括热结点14区域。本实用新型的快速响应薄膜热电偶温度传感器结构如图1所示。
在本实用新型中，快速响应薄膜热电偶温度传感器的制造方法如下：
在陶瓷衬底11的主表面上沉积缓冲层12，利用光刻技术在缓冲层12表面均匀涂敷一层光刻胶，通过对光刻胶进行图形曝光与显影，得到PtRh13薄膜13a沉积之前所需的图形，如图2(b)所示。然后在陶瓷衬底11主表面沉积一层0.1～10um厚的PtRh13薄膜，并用剥离法去除图形以外的光刻胶和PtRh13薄膜，得到PtRh13薄膜13a图形，如图2(c)所示。再次利用光刻技术在缓冲层12表面均匀涂敷一层光刻胶，通过对光刻胶进行图形曝光与显影，得到Pt薄膜13b沉积之前所需的图形，此时，Pt薄膜13b的光刻胶图形与PtRh13薄膜13a有一个接触区域，该接触区域即热结点14。如图2(d)所示。然后在光刻胶图形表面沉积一层0.1～10um厚的Pt薄膜，并用剥离法去除图形以外的光刻胶和Pt薄膜，完成Pt薄膜13b的图形沉积和热结点14的形成，如图2(e)所示。为了保护传感器图形，但又不至于影响温度传感器的响应时间，再次利用薄膜沉积技术，至少在热结点14处，但不包括引线区域19，即图2(f)所示的虚线框19a和19b，沉积一层耐高温、耐冲刷的Al2O3绝缘薄膜15，厚度在0.5um～10um，如。利用Pt浆料的烧结将传感器引线区域19的两个连接点19a和19b分别与引线16连接起来，实现传感器电动势信号的传输，并对引线区域19的Pt浆料导电胶层17用釉料烧结形成釉料层18进行加固和防护，如图2(g)所示，其中Pt薄膜13a和PtRh13薄膜13b的沉积位置和次序可以互换，薄膜沉积技术为物理气相沉积技术中的溅射沉积技术。
本实用新型中的缓冲层12主要用于缓冲功能薄膜13与Al2O3陶瓷衬底11之间的热失配和晶格失配，减轻它们的界面热应力和内应力，使功能薄膜13牢固地粘附在Al2O3陶瓷衬底11上。
本实用新型中的光刻技术主要是为了形成功能薄膜13并由此形成热结点所采取的辅助手段，通过光刻胶的曝光与显影，获得沉积功能薄膜13和热结点14所需的图形，以及绝缘保护膜15的沉积图形。
本实用新型中的剥离法是指通过去除光刻胶，达到剥离图形以外的薄膜的目的。例如，通过光刻技术在缓冲层12表面得到PtRh13薄膜13a的光刻胶图形，在沉积PtRh13薄膜后，因图形内没有光刻胶，而图形以外的缓冲层表面涂敷了有一层光刻胶。利用剥离法将光刻胶去除后，同时也把光刻胶表面的PtRh13薄膜剥离掉，而图形内因没有光刻胶，PtRh13薄膜13a不会受到剥离的影响，仍然粘附在缓冲层表面，实现PtRh13薄膜13a的图形沉积。
本实用新型中的Al2O3绝缘薄膜15用于保护热结点14和功能薄膜13不受热流的冲刷和腐蚀，但覆盖在热结点14上面的Al2O3绝缘薄膜15不宜太厚，否则影响传感器的热响应速度。
本实用新型中的导电胶层17用Pt浆料进行烧结实现，分别将功能薄膜13a和13b通过引线区域19a和19b与引线16连接起来，实现传感器电动势信号的传输。
本实用新型中的釉料层18用于导电胶层17的加固和防护。
由于现有的热电偶温度传感器存在体积较大、响应速度较慢等问题，为了能够实现高灵敏度、快速响应的测量，在5.6mm×3.4mm的陶瓷衬底主表面11沉积一层0.5um厚的AlN缓冲层12。然后，在缓冲层12表面涂敷一层光刻胶，通过光刻技术形成图形。接着在陶瓷衬底主表面沉积一层2um厚的PtRh13薄膜13a，利用剥离技术去除光刻胶及其表面的PtRh13薄膜13a，完成PtRh13薄膜13a的图形制作。再次在缓冲层12表面涂敷一层光刻胶，通过光刻技术形成图形，在陶瓷衬底主表面沉积一层2um厚的Pt薄膜13b，利用剥离技术去除光刻胶及其表面的Pt薄膜13b，完成Pt薄膜13b和热结点14的图形制作。最后在热结点和功能薄膜13表面沉积一层1um厚的保护膜，并通过Pt浆料和釉料的烧结引出和固化导线。样品经过测试，响应时间τ0.632≤2ms，如图3所示。

Claims (2)

1.一种快速响应薄膜热电偶温度传感器，其特征在于，陶瓷衬底(11)的上表面沉积有AlN缓冲层(12)，AlN缓冲层(12)上沉积有功能薄膜(13)，功能薄膜(13)包括Pt薄膜和PtRh13薄膜，Pt薄膜和PtRh13薄膜重叠搭接处有热结点(14)，功能薄膜(13)靠近热结点(14)的一端和热结点(14)上有Al2O3绝缘保护膜(15)，功能薄膜(13)远离热结点(14)的一端为引线区域(19)，引线区域(19)上设有引线(16)，Al2O3绝缘保护膜(15)远离热结点(14)一端的表面上有由Pt浆料组成的导电胶层(17)，导电胶层(17)将引线区域(19)与引线(16)连接起来，导电胶层(17)上覆盖有Al2O3釉料层(18)。
2.根据权利要求1所述的快速响应薄膜热电偶温度传感器，其特征在于，所述陶瓷衬底(11)材料为Al2O3。
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