CN204043813U - 响应时间短的温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种响应时间短的温度传感器，包括电源、精确电阻，以及感温部件；感温部件部分固定在固定部件上，固定部件为中间开孔的衬底片；感温部件包括多个弯折的测温铂薄膜电阻块，铂薄膜电阻块之间通过连接片连接，连接片部分固定在衬底片的中间孔边缘，多个铂薄膜电阻块和连接片串联形成环形悬于中间孔内；环形的感温部件的首尾通过导线与电源、精确电阻组成回路。本实用新型可以根据回路中感温部件中铂电阻随温度的变化来快速测量流体温度。

Description

响应时间短的温度传感器

技术领域

本实用新型涉及温度传感器，尤其涉及一种响应时间短的温度传感器。

背景技术

温度传感器是用来测量温度并感应温度变化使其转化为输出信号的仪器，广泛应用于工业、农业、商业等部门。

目前，在温度传感器领域，因响应速度较慢而不能及时反应被测温度的变化是一大缺陷，主要原因是传感器内部感温介质温度传递速度太慢，特别是外部被测温度通过感温介质传递到传感器中心距离较长时。而传统的热电阻温度传感器由于测温元件与被测物体要良好的热接触，进行热传导和对流换热而达到热平衡，达到热平衡时的显示值即为被测物体的温度值。这种测温法精度较高，并可以测出物体内部的温度分布。但对于温度变化非常快的场所，现有的温度传感器在测温响应时间、精度等方面已无法满足。因此随着微电子技术、自动测试技术的发展，温度测量越趋于微型化、自动化、快速化。

热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的变化而变化这一特性来进行温度测量的，故只需测出感温热电阻的阻值变化，就可知对应的温度值。应用较多的热电阻材料包括铜、铂、镍及镍铁合金，由于高纯度铂及其合金具有较高的电阻温度系数、耐高温、耐腐蚀、测温范围大及材料强度高等特性，而被广泛用于温度测量领域。

传统的铂电阻温度传感器的感温元件一般是用较粗的铂丝绕制成的，而感温元件的骨架或基片常采用陶瓷、玻璃、云母等，铂丝再与骨架或基片经过复杂的工艺加工而成。由于感温部件和骨架或基片的体积都比较大，因而整个传感器具有较大的热容量。这使得传统的电阻测温传感器的时间常数都不能达到很小，因而限制了此种传感器在快速测温领域中的应用。 

实用新型内容

本实用新型的实用新型目的，在于采用悬空布置的微纳米级铂（Pt）薄膜电阻作为感温元件，该设计的感温元件体积小，重量轻，热容量小，具有极小的时间常数，能实现快速测温。

本实用新型为达上述目的所采用的技术方案是：

提供一种响应时间短的温度传感器，包括电源、精确电阻，以及感温部件；

感温部件部分固定在固定部件上，固定部件为中间开孔的衬底片；

感温部件包括多个弯折的测温铂薄膜电阻块，铂薄膜电阻块之间通过连接片连接，连接片部分固定在衬底片的中间孔边缘，多个铂薄膜电阻块和连接片串联形成环形悬于中间孔内；环形的感温部件的首尾通过导线与电源、精确电阻组成回路。

本实用新型所述的响应时间短的温度传感器中，弯折的铂薄膜电阻块为折线型。 

本实用新型所述的响应时间短的温度传感器中，弯折的铂薄膜电阻块为正弦波型、方波型或者三角波形。

本实用新型所述的响应时间短的温度传感器中，连接片为与测温铂薄膜电阻块采用同样加工工艺实现的方块形铂薄膜块。

本实用新型所述的响应时间短的温度传感器中，连接片和铂薄膜电阻块的厚度相同。

本实用新型所述的响应时间短的温度传感器中，连接片和铂薄膜电阻块均为采用铂溅射和剥离工艺在硅片表面形成微纳米图形。

本实用新型所述的响应时间短的温度传感器中，衬底片可为硅片、玻璃片或者陶瓷片。

本实用新型所述的响应时间短的温度传感器中，中间孔的形状可以是圆形，方形或其它形状，该中间孔可为通孔或非通孔。

本实用新型产生的有益效果是：本实用新型采用微米纳米级别的感温部件，并将感温部件设计为环形，使串联的感温薄膜电阻的电阻值占回路中总电阻值的一个较大份额，而连接片电阻值很小，因此可以确保感温部件在所测环境温度变化时能及时响应，产生明显的电阻信号变化。从而可以根据回路中感温部件的铂电阻随温度的变化来快速测量流体温度。

本实用新型的实用新型目的，在于采用悬空布置的微纳米级铂（Pt）薄膜电阻作为感温元件，该设计的感温元件体积小，重量轻，热容量小，具有极小的时间常数，能实现快速测温。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例的传感器结构示意图；

图2是本实用新型实施例悬空结构设计的微纳米尺度铂电阻感温部件结构示意图；

图3是本实用新型实施例感温部件与固定部件立体图；

图4是本实用新型实施例固定部件的圆通孔结构设计立体示意图；

图5是本实用新型实施例感温部件中感温电阻块和连接片的几何结构设计示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型解决了比如汽车发动机点火瞬间或往复式压缩机周期运动过程中，要求测温响应时间极短且变温剧烈的场所的温度测量问题，提供了一种可快速测温的微纳米级铂电阻的温度传感器。

如图1所示，该传感器主要包括四个结构：感温部件1，固定部件2，精确电阻3（精度较高的电阻）和电源4。感温部件1的部分固定在固定部件2上，如图4所示，固定部件2为中间开孔的衬底片；感温部件1包括多个弯折的测温铂薄膜电阻块6，铂薄膜电阻块6之间通过连接片5连接，连接片5的部分固定在衬底片的中间孔边缘，多个铂薄膜电阻块6和连接片5串联形成环形悬于中间孔内，如图3所示；环形的感温部件1的首尾通过导线8与电源4、精确电阻3组成回路，如图1所示。

如图2所示，本实用新型的一个实施例中，感温部件1是由悬空布置的感温微纳米铂薄膜电阻块6和铂薄膜连接片5组成。如图3和5所示，该感温铂薄膜电阻块6为折线型，如方波型、三角波型、正余弦波型或其它折线形状。连接片5部分固定在衬底片7上，部分伸出衬底片形成悬空结构，该连接片的悬空结构连接着各个悬空的串联铂薄膜电阻，这样各组铂薄膜电阻块6通过连接片5串联在一起，并围成一个环形。铂薄膜电阻块6可为一条100微米长的电阻块经过弯折而成。

感温部件1设计为环形，这样做的目的是使串联的方波型或其他折线形的感温薄膜电阻6的电阻值占回路中总电阻值的一个较大份额，而连接片5是接近方形的几何形状，其电阻值很小。这种几何尺寸和形状的设计可以确保感温部件1在所测环境温度变化时能及时响应，产生明显的电阻信号变化。其中的铂薄膜电阻块6为一个弯折成方波型或其它折线形状的长方体铂电阻块，长方体薄膜电阻可看作由许多个正方体薄膜电阻串联而成。由物体的电阻公式，对于正方体，长度L与横截面A的比数值上等于厚度的倒数。由此可知，正方体的电阻值的大小只与厚度有关。

连接片5为厚度与铂薄膜电阻块6的厚度相同的铂薄膜片，两者为采用相同加工工艺实现的方块形铂薄膜块。均采用MEMS（Micro Electro Mechanical System, 微机电系统）溅射和剥离（lift-off）工艺完成。测温时连接片5仅悬空部分与被测流体环境接触，由于连接片5的电阻值远小于铂薄膜电阻块6的电阻值，这大大降低了连接片5的电阻值对感温部件1总电阻因温度变化快引起电阻率变化的影响。该设计使得温度敏感部分主要集中在铂薄膜电阻块6，保证感温部件1具有极小的时间常数。

固定部件2为一块表面有一层氧化硅的很薄很宽中间有孔（孔的大小足够容纳铂薄膜电阻块6）的衬底片。连接片5可采用溅射的工艺部分固定在衬底片7的孔边缘处,使铂薄膜电阻块6悬空（如图3所示），由此，主要感温部分铂薄膜电阻块6的质量和热容量都大大减小，其感温时间常数也大大减小。测温时感温部件1中的铂薄膜电阻块6与被检测流体直接接触，利用铂薄膜电阻块6能迅速随着环境温度的变化而发生自身电阻值的变化这一特点，实现快速测温。

测温电路的实现可通过在精确电阻3两端接一个电压表，用来读取测温过程中由于温度而引起铂薄膜电阻块6电阻变化，进而引起精确电阻3两端的电压变化信号。

该传感器可采用MEMS加工工艺，工艺设计简单，可靠性高。其中铂薄膜电阻块6和连接片5均采用标准的金属溅射和剥离（lift-off）工艺，作为固定部件的衬底片7可选用硅片或者玻璃片。本实用新型的一个较佳实施例中选用硅片，可将硅衬底片先淀积一层二氧化硅，再采用DRIE (Deep reactive ion etch, 深度反应离子刻蚀)工艺，刻蚀出一个通孔。或在有金属的一面以标准腐蚀工艺刻蚀出一个凹坑，使金属感温部件悬空。

该传感器的工作原理为：利用铂的电阻率随温度变化而变化这一基本原理，测温时感温部件1中的铂薄膜电阻块6处于温度场中感应温度变化，温度引起铂电阻率使电阻值发生相应的变化，再带动回路中的电流发生相应变化，最终加在精确电阻3两端的电压也变化，进而根据电压表读取的变化信号，利用相应的数学公式表示出被测环境温度引起电阻变化过程中的温度与时间的关系式。

该响应时间短的温度传感器一个微加工过程的实例为：

1）采用双面抛光硅片。硅片先用标准的清洗工艺清洗，然后采用淀积工艺在硅片的一个表面上生成一层二氧化硅（SiO₂）。

2）在生成二氧化硅（SiO₂）的硅片表面，采用铂（Pt）溅射和剥离（lift-off）工艺在硅片表面形成感温部件和连接片的微纳米图形。

采用MEMS标准的深反应离子刻蚀(DRIE)工艺，从无铂薄膜的硅片表面刻蚀出硅圆通孔结构，直到达到另一表面的铂金属结构层，最终得到图二、三的结构。其中腐蚀的掩膜层可直接用光刻胶或氮化硅（Si₃N₄）薄层。

本实用新型实施例的传感器具有以下特点：1）该传感器由于结构紧奏，微型化较高，故其可应用于温度变化快的场所，如航空航天、汽车内燃机、燃气轮机、冶金、电子、药和石油化工等测温要求快速、传热迅速场合。2）感温部分设计为环形的悬空布置的微纳米级铂电阻，这样既大大减小电阻块质量和热容量，又不会影响到传热的快速进行。3）该温度传感器具有非常小的时间常数，是一种根据回路中铂电阻随温度变化来快速测量流体温度的传感器。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种响应时间短的温度传感器，其特征在于，包括电源、精确电阻，以及微纳米级的感温部件；

感温部件部分固定在固定部件上，固定部件为中间开孔的衬底片；

感温部件包括多个弯折的测温铂薄膜电阻块，铂薄膜电阻块之间通过连接片连接，连接片部分固定在衬底片的中间孔边缘，多个铂薄膜电阻块和连接片串联形成环形悬于中间孔内；环形的感温部件的首尾通过导线与电源、电阻组成回路。

2.根据权利要求1所述的响应时间短的温度传感器，其特征在于，弯折的铂薄膜电阻块为折线型。

3.根据权利要求2所述的响应时间短的温度传感器，其特征在于，弯折的铂薄膜电阻块为正弦波型、方波型或者三角波形。

4.根据权利要求1所述的响应时间短的温度传感器，其特征在于，连接片为与测温铂薄膜电阻块采用同样加工工艺实现的方块形铂薄膜块。

5.根据权利要求1所述的响应时间短的温度传感器，其特征在于，连接片和铂薄膜电阻块的厚度相同。

6.根据权利要求1所述的响应时间短的温度传感器，其特征在于，连接片和铂薄膜电阻块均为采用铂溅射和剥离工艺在硅片表面形成微纳米图形。

7.根据权利要求1所述的响应时间短的温度传感器，其特征在于，衬底片为硅片、玻璃片或者陶瓷片。

8.根据权利要求1所述的响应时间短的温度传感器，其特征在于，中间孔的形状为圆形或者方形，且该中间孔为通孔或非通孔。