CN219842082U - 一种基于四线制薄膜铂电阻温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及海洋温度测量装置领域，特别涉及一种基于四线制薄膜铂电阻温度传感器。该温度传感器包括基底、形成于所述基底上的铂薄膜电阻线和焊盘结构、覆盖于所述铂薄膜电阻线上的保护层；所述铂薄膜电阻线的尾端沿远离其首端的方向呈蛇形延伸布设，且其尾端回环至与其首端位于同一侧，所述铂薄膜电阻线的首端和尾端均引出有至少两焊盘结构；所述焊盘结构位于所述保护层的覆盖区域外，其用于通过导线与后端处理电路连接。该温度传感器能够有效消除引线误差，实现高准确度温度测量，其具有尺寸小、易集成、精度高等优点。

Description

一种基于四线制薄膜铂电阻温度传感器

技术领域

本实用新型涉及海洋温度测量装置领域，特别涉及一种基于四线制薄膜铂电阻温度传感器。

背景技术

海水温度是海洋探测研究关注的重要物理量之一。但是，由于海水体量巨大，极大的热交换仅会造成很小的温度变化，因此海洋科考、海洋环境监测等领域对温度测量设备的精度要求极高。

在海水温度检测传感器领域，高精度、小体积、易集成、低成本、可大批量生产是温度传感器发展的重要方向，同时，由于传感器在复杂水体环境中，要求传感器多参量集成一体化，这也要求各参量传感器要体积小、易集成，即温度传感器具有体积小和易集成的特点，有利于其与其他参量传感器(例如pH传感器等)集成一体化。

目前，海洋环境中的温度传感器大多为中等精度传感器,但是其存在体积大、功耗大、价格昂贵，无法实现传统海洋传感器的大量投放等缺点。现有的温度传感器难以达到体积小、易集成、精度高兼具的效果。例如，现有的温度传感器的敏感元件广泛采用热敏电阻或者铂电阻，其中，由于铂电阻具有化学物理性质稳定、电阻与温度的关系为线性、测温精度高的特性，被广泛应用于铂薄膜温度传感器中作为敏感元件。但是，现有的铂薄膜温度传感器是二线制的，使用二线制铂薄膜温度传感器测温时，引线误差无法消除，导致其存在准确度低的缺陷。

实用新型内容

为解决上述背景技术提到的现有技术的不足，本实用新型提供一种基于四线制薄膜铂电阻温度传感器，其技术方案如下：

该基于四线制薄膜铂电阻温度传感器包括基底、形成于所述基底上的铂薄膜电阻线和焊盘结构、覆盖于所述铂薄膜电阻线上的保护层；所述铂薄膜电阻线的尾端沿远离其首端的方向呈蛇形延伸布设，且其尾端回环至与其首端位于同一侧，所述铂薄膜电阻线的首端和尾端均引出有至少两焊盘结构；所述焊盘结构位于所述保护层的覆盖区域外，其用于通过导线与后端处理电路连接。

在一实施例中，所述铂薄膜电阻线的拐角处采用平滑弧线过渡。

在一实施例中，所述铂薄膜电阻线的尾端沿其长度方向呈蛇形延伸，以使其形成若干蛇形弯折结构，相邻的蛇形弯折结构之间具有间隙，且相邻的蛇形弯折结构之间的间隙距离相等。

在一实施例中，所述蛇形弯折结构包括纵向部以及横向部；所述纵向部沿远离所述铂薄膜电阻线的首端的方向延伸，所述横向部与所述纵向部延伸方向交叉设置；每一所述蛇形弯折结构的横向部长度相等，且每一所述蛇形弯折结构的纵向部的长度相等。

在一实施例中，所述横向部的长度为(1～2)um，且所述铂薄膜电阻线的厚度为800～850nm。

在一实施例中，所述基底的材质为绝缘材料；或，所述基底上接触铂薄膜电阻线的表面设置有绝缘层。

在一实施例中，所述基底为氧化铝陶瓷基底，所述保护层为微米级二氧化硅保护层。

在一实施例中，所述保护层的厚度为1～1.2μm。

在一实施例中，所述铂薄膜电阻线为纳米级溅射铂薄膜。

在一实施例中，连接所述铂薄膜电阻线首端的焊盘结构与连接所述铂薄膜电阻线尾端的焊盘结构呈轴对称分布。

基于上述，与现有技术相比，本实用新型提供的基于四线制薄膜铂电阻温度传感器，具有以下有益效果：

本实用新型提供的温度传感器，能够有效消除引线误差，实现高准确度温度测量，其具有尺寸小、易集成、精度高等优点。

本实用新型的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；在下面描述中附图所述的位置关系，若无特别指明，皆是图示中组件绘示的方向为基准。

图1为本实用新型的一实施例提供的温度传感器的结构示意图一；

图2为本实用新型的一实施例提供的温度传感器的结构示意图二；

图3为图1中A-A剖面图；

图4为本实用新型的一实施例提供的温度传感器的局部放大图。

图5为铂薄膜电阻线的尾端沿整体宽度方向呈蛇形延伸布设的温度传感器的结构示意图。

附图标记：

100基底 200铂薄膜电阻线 300焊盘结构

400保护层 210蛇形弯折结构 211纵向部

212横向部

310第一焊盘320第二焊盘330第三焊盘

340第四焊盘

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本实用新型不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，本实用新型所使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义，不能理解为对本实用新型的限制；应进一步理解，本实用新型所使用的术语应被理解为具有与这些术语在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于正式的意义来理解，除本实用新型中明确如此定义之外。

本实用新型提供如图1-4所示的一种基于四线制薄膜铂电阻温度传感器，其方案如下：

其包括基底100、形成于所述基底100上的铂薄膜电阻线200和焊盘结构300、覆盖于所述铂薄膜电阻线200上的保护层400；所述铂薄膜电阻线200的尾端沿远离其首端的方向呈蛇形延伸布设，且其尾端回环至与其首端位于同一侧，所述铂薄膜电阻线200的首端和尾端均引出有至少两焊盘结构300；所述焊盘结构300位于所述保护层400的覆盖区域外，其用于通过导线与后端处理电路连接。焊盘结构300分别为如图2所示的第一焊盘310、第二焊盘320、第三焊盘330和第四焊盘340。

该温度传感器的实际测量过程，具体为：第一焊盘310和第二焊盘320中的其中一个通过引线施加恒定激励电流，另一个通过引线输入到后端电压测量电路，第三焊盘330和第四焊盘340中的其中一个通过引线施加恒定激励电流，另一个通过引线输入到后端电压测量电路。电压测量端所测量到的电压是由在其环路内恒定电流经过电阻产生的，采用本实施例上述结构设计的温度传感器进行测量，在实际测量中由于电压测量端输入阻抗极高，电压测量端引线上几乎没有电流流过，根据上述原理则可消除引线误差，实现高精度测量。

其中，相比如图5所示的铂薄膜电阻线200的尾端沿其整体宽度方向呈蛇形延伸布设的方案，本申请能够不断改变铂丝的长度和宽度以达到想要的电阻值，同时，不需要改变两端焊盘之间的距离，为后续引线封装、测试带来便捷。不会因为焊盘距离过宽，而不断调整后续的引线封装，传感器尺寸问题。

本实用新型通过电阻线材料选择、温度传感器本身结构设计使其具有尺寸小、精度高等优点：采用铂作为电阻线材质，铂质电阻的电阻值与温度之间有着很好的线性关系，使得温度传感器的性能稳定、重复性好、测温范围广；温度传感器采取四线制封装测量电阻，其铂薄膜的结构设计使其可以有效消除引线误差，实现高准确度电阻测量，进而实现高准确度温度测量；其铂薄膜的延伸布设结构设计与四线制封装测量电阻设计配合，使其具有高精度的同时，兼具尺寸小、易集成等特点；综上，该薄膜式结构的温度传感器，具有尺寸小、精度高、热惯性较小、耐受震动冲击、耐高压、热响应时间短等优点。

此外，本实用新型还提供一种采用上述实施例提供的温度传感器测量海水温度的优选方法，具体包括以下步骤：

(1)将外侧两个焊盘(即第一焊盘310和第四焊盘340)通过引线施加直流激励电流，内测两个焊盘(即第三焊盘330和第二焊盘320)通过引线输入到后端电压测量电路；

(2)将温度传感器放置在高稳定性恒温槽，使用超级测温电桥测量一等标准铂电阻温度计的示值作为标准温度，取若干个温度点对原始值和温度进行拟合，得到三次多项式拟合公式；

其中，拟合公式为T＝Ax²+B x²+Cx+D,x表示仪器原始值(即温度传感器的电路测得的原始值)，A,B,C,D为标定得到的系数，T表示温度；

(3)将温度传感器放置在真实海水中，将电路测量得到的原始值带入拟合公式即可得到真实温度。

为验证本实施例的效果，采用上述测量方法进行验证试验，本实用新型提供的温度传感器的精度能达到±0.002℃以上(本申请提供的温度传感器通过该方法得到的精度经过国家海洋计量中心认定)。

对于铂薄膜电阻线200布设：

优选地，所述铂薄膜电阻线200的拐角处采用平滑弧线过渡。优选地，所述铂薄膜电阻线200的尾端沿其长度方向呈蛇形延伸，以使其形成若干蛇形弯折结构210，相邻的蛇形弯折结构210之间具有间隙，且相邻的蛇形弯折结构210之间的间隙距离相等。

优选地，所述蛇形弯折结构210包括纵向部211以及横向部212；所述纵向部211沿远离所述铂薄膜电阻线200的首端的方向延伸，所述横向部212与所述纵向部211延伸方向交叉设置；每一所述蛇形弯折结构210的横向部212长度相等，且每一所述蛇形弯折结构210的纵向部211的长度相等。进一步优选地，所述横向部212的长度为(1～2)um，且所述铂薄膜电阻线200的厚度为800～850nm。

铂薄膜电阻线200采用如上尺寸设计，有利于在减小铂丝长度和宽度的同时获得最优阻值，有利于减小温度传感器尺寸大小，有利于匹配后续电路的精密电阻获得更高精度。

优选地，所述铂薄膜电阻线200为纳米级溅射铂薄膜。进一步优选经退火处理形成的纳米级溅射铂薄膜。

溅射后的铂薄膜的固体晶格结构不完整，选用退火处理的纳米级溅射铂薄膜，其具有晶格缺陷消除、结构紧密和较高的温度系数的优点，铂薄膜经过退火热处理(例如高温800℃、2小时)之后，可以改善其膜层结构，消除晶格缺陷，使其形成紧密的结构，得到较高的温度系数。另外，铂薄膜电阻线200可采取不同功率分段溅射形成，使其具有较好的黏附性和致密性。

需要说明的是，经过大量测试验证之后，铂薄膜退火条件和采取的不同溅射功率均为适于该薄膜的最优条件，本申请采用的铂薄膜电阻线200有着温度-阻值间的线性关系，其为制作温度传感器最优材料。另外需要说明的是，退火热处理为现有的铂薄膜处理工艺，经高温800℃、2小时退火处理获得的铂薄膜也是现有材料。

对于基底100：

优选地，所述基底100的材质为绝缘材料；或，所述基底100上接触铂薄膜电阻线200的表面设置有绝缘层。进一步优选地，所述基底100为氧化铝陶瓷基底100。

采用氧化铝陶瓷基底100，有利于匹配铂丝的膨胀系数，有利于增加铂金属(即铂薄膜电阻线200)和陶瓷基底100之间的黏附性，从而减少芯片(即温度传感器)黏附层结构，实现工艺优化。

对于保护层400：

优选地，所述保护层400为微米级二氧化硅保护层400。所述的二氧化硅保护层400可采用离子束分段刻蚀形成。

采用微米级二氧化硅保护层400，由于微米级二氧化硅保护层400和铂薄膜电阻线200二者膨胀系数相近，有利于在退火条件下保护铂丝，减少二者之间的应力。

进一步优选地，所述保护层400的厚度为1～1.2μm。

保护层400厚度采用如上设计，有利于匹配厚度800～850nm的铂丝(即铂薄膜电阻线200)，少于该厚度不能够有效保护铂丝结构，而多于该厚度会导致后续封装易于脱落。

对于焊盘结构300：

优选地，连接所述铂薄膜电阻线200首端的焊盘结构300与连接所述铂薄膜电阻线200尾端的焊盘结构300呈轴对称分布。优选地，第一焊盘310、第二焊盘320、第三焊盘330和第四焊盘340的形状大小均相同。优选地，所述第一焊盘310、第二焊盘320、第三焊盘330和第四焊盘340之间等间距排布。

焊盘结构300采用如上设计，有利于后续引线焊接，圆盘结构为后续引线留下足够空间，有利于隔离焊锡，避免焊锡相接造成的短路。此外，焊盘结构300间的距离固定，有利于固定后续封装出口的大小，为封装带来便捷。

本实用新型还提供一种可以制备上述实施例提供的温度传感器的制作方法：

在氧化铝陶瓷基底100的表面溅射一层铂薄膜(即铂薄膜电阻线200)，铂薄膜呈蛇形环绕延伸，在铂薄膜电阻线200的首尾端各引出两个焊盘结构300，构成四线制引线结构。最后，在铂薄膜电阻线200表面覆盖了一层二氧化硅薄膜(即保护层400)，且焊盘结构300暴露在二氧化硅薄膜外，使得焊盘结构300可通过导线焊接与后端处理电路连接，如此，即完成制作。

综上所述，与现有技术相比，本实用新型实施例提供的温度传感器，具有以下有益效果：

采用铂薄膜电阻线200，铂质电阻的电阻值与温度之间有着很好的线性关系，使得温度传感器的性能稳定、重复性好、测温范围广；温度传感器采取四线制封装测量电阻，其铂薄膜电阻线200的结构设计使其可以有效消除引线误差，实现高准确度电阻测量，即高准确度温度测量。其铂薄膜电阻线200的延伸布设结构设计与四线制封装测量电阻设计配合，使其具有高精度的同时，兼具尺寸小、易集成等特点；综上，薄膜式结构设计的该温度传感器的，具有尺寸小、精度高、热惯性较小、耐受震动冲击、耐高压、热响应时间短等优点。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本实用新型的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

尽管本文中较多的使用了诸如铂薄膜电阻线、焊盘结构等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的；本实用新型实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于四线制薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于：包括基底（100）、形成于所述基底（100）上的铂薄膜电阻线（200）和焊盘结构（300）、覆盖于所述铂薄膜电阻线（200）上的保护层（400）；

所述铂薄膜电阻线（200）的尾端沿远离其首端的方向呈蛇形延伸布设，且其尾端回环至与其首端位于同一侧，所述铂薄膜电阻线（200）的首端和尾端均引出有至少两焊盘结构（300）；

所述焊盘结构（300）位于所述保护层（400）的覆盖区域外，其用于通过导线与后端处理电路连接。

2.根据权利要求1所述的基于四线制薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于：所述铂薄膜电阻线（200）的拐角处采用平滑弧线过渡。

3.根据权利要求1所述的基于四线制薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于：所述铂薄膜电阻线（200）的尾端沿其长度方向呈蛇形延伸，以使其形成若干蛇形弯折结构（210），相邻的所述蛇形弯折结构（210）之间具有间隙，且相邻的所述蛇形弯折结构（210）之间的间隙距离相等。

4.根据权利要求3所述的基于四线制薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于：所述蛇形弯折结构（210）包括纵向部（211）以及横向部（212）；所述纵向部（211）沿远离所述铂薄膜电阻线（200）的首端的方向延伸，所述横向部（212）与所述纵向部（211）延伸方向交叉设置；

每一所述蛇形弯折结构（210）的横向部（212）的长度相等，且每一所述蛇形弯折结构（210）的纵向部（211）的长度相等。

5.根据权利要求4所述的基于四线制薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于：所述横向部（212）的长度为1～2um，且所述铂薄膜电阻线（200）的厚度为800～850nm。

6.根据权利要求1所述的基于四线制薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于：所述基底（100）的材质为绝缘材料；

或，所述基底（100）上接触铂薄膜电阻线（200）的表面设置有绝缘层。

7.根据权利要求1所述的基于四线制薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于：所述基底（100）为氧化铝陶瓷基底（100）；所述保护层（400）为微米级二氧化硅保护层（400）。

8.根据权利要求7所述的基于四线制薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于：所述保护层（400）的厚度为1～1.2μm。

9.根据权利要求1所述的基于四线制薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于：所述铂薄膜电阻线（200）为纳米级溅射铂薄膜。

10.根据权利要求1所述的基于四线制薄膜铂电阻温度传感器，其特征在于：连接所述铂薄膜电阻线（200）首端的焊盘结构（300）与连接所述铂薄膜电阻线（200）尾端的焊盘结构（300）呈轴对称分布。