一種快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器的製作方法

2023-06-29 22:48:56 2

專利名稱：一種快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及薄膜式熱電偶溫度傳感器，具體是一種用於測量瞬變溫度的快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器及其製造方法。
背景技術：
傳統的高溫溫度測量方式，是利用兩種不同材料將其中一端焊接在一起做成熱電偶後在溫度場下焊接結點(熱結點)處產生電動勢實現溫度的測量，如S型、R型、和K型等絲狀鎧裝熱電偶溫度傳感器。傳統熱電偶溫度傳感器由於受材料的線徑大小限制，已難以進一步減小熱結點的大小，而熱結點的大小直接影響傳感器的響應時間快慢。薄膜熱電偶溫度傳感器(Thin Film Thermo Couple, TFTC)是一種先進的測量瞬變溫度的測溫傳感器。由於薄膜熱電偶溫度傳感器的熱結點多為微米級的薄膜，它具有熱容量小、響應迅速、耐腐蝕等特點，能夠快速而準確地測量瞬態溫度的變化，適合於高速飛行器表面、高溫工業爐窯和化工等領域的溫度測量。此外，由於薄膜熱電偶溫度傳感器對原有溫場影響小，抗幹擾能力強，能夠抗高振動衝擊，可靠性高等優點，在這種極端條件下，傳統的溫度傳感器根本無法相比。快速響應薄膜溫度傳感器的研製成功將填補國內快速響應高溫測量領域的空白，不斷縮小與國外先進技術的差距，為我國的高溫測試應用提供強有力的保障。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器，提高熱電偶溫度傳感器的耐腐蝕性和可靠性，減少對溫度場的影響，實現溫度場的快速響應和測量。為解決上述技術問題，本實用新型所採用的技術方案是一種快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器，陶瓷襯底(11)的上表面沉積有AlN緩衝層(1 ，AlN緩衝層(1 上沉積有功能薄膜(1 ，功能薄膜(1 包括Pt薄膜和Ptl hl3薄膜，Pt薄膜和Ptl hl3薄膜重疊搭接處有熱結點(14)，功能薄膜(13)靠近熱結點(14)的一端和熱結點(14)上有Al2O3絕緣保護膜(15)，功能薄膜(13)遠離熱結點(14)的一端為引線區域(19)，引線區域(19)上設有引線(16)，Al2O3絕緣保護膜(15)遠離熱結點(14) 一端的表面上有由Pt漿料組成的導電膠層(17)，導電膠層(17)將引線區域(19)與引線(16)連接起來，導電膠層(17)上覆蓋有Al2O3釉料層(18)；所述陶瓷襯底(11)材料為Al2O315一種快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器的製造方法，該方法為1)在陶瓷襯底的主表面上沉積一層AlN緩衝層，利用光刻技術在AlN緩衝層表面均勻塗敷一層光刻膠；2)通過對光刻膠進行圖形曝光與顯影，得到Ptl hl3薄膜沉積之前所需形狀的圖形；3)在陶瓷襯底上表面沉積一層0. 5um IOum厚的Ptl hl3薄膜，並用剝離法去除圖形以外的光刻膠和Ptl hl3薄膜；4)利用光刻技術在AlN緩衝層表面均勻塗敷一層光刻膠，通過對光刻膠進行圖形曝光與顯影，得到Pt薄膜沉積之前所需形狀的圖形；5)在光刻膠圖形表面沉積一層0. 1 IOum厚的Pt薄膜，並用剝離法去除圖形以外的光刻膠和Pt薄膜，Pt薄膜的光刻膠圖形與Ptl hl3薄膜之間的重疊搭接區域稱為熱結佔.6)利用薄膜沉積技術，至少在熱結點處，但不包括引線區域，沉積一層Al2O3絕緣薄膜，厚度為0. 5um IOum ；7)利用高溫燒結Pt漿料的方法將引線區域的兩個連接點分別與引線連接起來， 並對引線區域的Pt漿料導電膠層用釉料燒結形成Al2O3釉料層，Pt漿料燒結的溫度為 11000°C 14000°C，燒結時間為30 60分鐘，釉料燒結溫度為11000°C 13000°C，燒結時間為1 3小時。薄膜沉積技術為物理氣相沉積技術。所述物理氣相沉積技術為濺射沉積技術。本實用新型中的緩衝層12主要用於緩衝功能薄膜13與Al2O3陶瓷襯底11之間的熱失配和晶格失配，減輕它們的界面熱應力和內應力，使功能薄膜13牢固地粘附在Al2O3陶瓷襯底11上。本實用新型中的光刻技術主要是為了形成功能薄膜並由此形成熱結點所採取的輔助手段，通過光刻膠的曝光與顯影，獲得沉積功能薄膜和熱結點所需的圖形，以及絕緣保護膜的沉積圖形。本實用新型中的剝離法是指通過去除光刻膠，達到剝離圖形以外的薄膜的目的。 例如，通過光刻技術在緩衝層表面得到Ptl hl3薄膜的光刻膠圖形，在沉積Ptl hl3薄膜後， 因圖形內沒有光刻膠，而圖形以外的緩衝層表面塗敷了有一層光刻膠。利用剝離法將光刻膠去除後，同時也把光刻膠表面的Ptl hl3薄膜剝離掉，而圖形內因沒有光刻膠，PtRhl3薄膜不會受到剝離的影響，仍然粘附在緩衝層表面，實現Ptl hl3薄膜的圖形沉積。本實用新型中的Al2O3絕緣薄膜用於保護熱結點和功能薄膜不受熱流的衝刷和腐蝕，但覆蓋在熱結點上面的Al2O3絕緣薄膜不宜太厚，否則影響傳感器的熱響應速度。本實用新型中的導電膠層用Pt漿料進行燒結實現，分別將功能薄膜和通過引線區域和與弓I線連接起來，實現傳感器電動勢信號的傳輸。本實用新型中的釉料層用於導電膠層的加固和防護。本實用新型解決了傳統絲狀熱電偶溫度傳感器在實際應用上的不足，利用本實用新型方法製造的熱電偶溫度傳感器，具有體積小、耐腐蝕、可靠性高等優點，減少了對溫度場的影響，實現了溫度場的快速響應和測量。

圖1為本實用新型一實施例快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器結構示意圖；圖2為本實用新型快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器製造流程示意圖；圖3為熱響應測試階躍曲線圖。其中[0027]11 陶瓷襯底；12 =AlN緩衝層；13 :Pt-PtRhl3功能薄膜；13a =Pt薄膜或 Pt-PtRh 13薄膜；13b :Pt-PtRhl3薄膜或Pt薄膜；14 熱結點；15 =Al2O3保護層；16 引線； 17 =Pt漿料層；18 釉料層；19 引線區域；19a =Pt薄膜或Pt_PtRhl3薄膜引線區域；19b Pt-PtRhl3薄膜或Pt薄膜引線區域。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
做詳細說明。本實用新型給出快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器，它具有一個陶瓷襯底11及一個沉積在陶瓷襯底的主表面上的AlN緩衝層12，並在緩衝層12表面沉積了 Pt-Ptl hl3功能薄膜13及由此搭接形成的熱結點14。一個保護膜絕緣層15至少在陶瓷襯底的主表面上的熱結點14區域中完整的沉積覆蓋，但除了用於引線連接的焊盤區域以外。一個Pt漿料燒結層17被用於功能薄膜13與引線16的連接，實現電動勢信號的輸出和檢測。一個保護釉層18至少在陶瓷襯底的主表面上的鉬漿料燒結層17上完整覆蓋，但不包括熱結點14區域。本實用新型的快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器結構如圖1所示。在本實用新型中，快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器的製造方法如下在陶瓷襯底11的主表面上沉積緩衝層12，利用光刻技術在緩衝層12表面均勻塗敷一層光刻膠，通過對光刻膠進行圖形曝光與顯影，得到Ptl hl3薄膜13a沉積之前所需的圖形，如圖2(b)所示。然後在陶瓷襯底11主表面沉積一層0. 1 IOum厚的Ptl hl3薄膜， 並用剝離法去除圖形以外的光刻膠和Ptl hl3薄膜，得到Ptl hl3薄膜13a圖形，如圖2 (c)所示。再次利用光刻技術在緩衝層12表面均勻塗敷一層光刻膠，通過對光刻膠進行圖形曝光與顯影，得到Pt薄膜1 沉積之前所需的圖形，此時，Pt薄膜13b的光刻膠圖形與Ptl hl3 薄膜I3a有一個接觸區域，該接觸區域即熱結點14。如圖2(d)所示。然後在光刻膠圖形表面沉積一層0. 1 IOum厚的Pt薄膜，並用剝離法去除圖形以外的光刻膠和Pt薄膜，完成 Pt薄膜13b的圖形沉積和熱結點14的形成，如圖2(e)所示。為了保護傳感器圖形，但又不至於影響溫度傳感器的響應時間，再次利用薄膜沉積技術，至少在熱結點14處，但不包括引線區域19，即圖2(f)所示的虛線框19a和19b，沉積一層耐高溫、耐衝刷的Al2O3絕緣薄膜15，厚度在0. 5um lOum，如。利用Pt漿料的燒結將傳感器引線區域19的兩個連接點 19a和19b分別與引線16連接起來，實現傳感器電動勢信號的傳輸，並對引線區域19的Pt 漿料導電膠層17用釉料燒結形成釉料層18進行加固和防護，如圖2 (g)所示，其中Pt薄膜 13a和Ptl hl3薄膜13b的沉積位置和次序可以互換，薄膜沉積技術為物理氣相沉積技術中的濺射沉積技術。本實用新型中的緩衝層12主要用於緩衝功能薄膜13與Al2O3陶瓷襯底11之間的熱失配和晶格失配，減輕它們的界面熱應力和內應力，使功能薄膜13牢固地粘附在Al2O3陶瓷襯底11上。本實用新型中的光刻技術主要是為了形成功能薄膜13並由此形成熱結點所採取的輔助手段，通過光刻膠的曝光與顯影，獲得沉積功能薄膜13和熱結點14所需的圖形，以及絕緣保護膜15的沉積圖形。本實用新型中的剝離法是指通過去除光刻膠，達到剝離圖形以外的薄膜的目的。 例如，通過光刻技術在緩衝層12表面得到Ptl hl3薄膜13a的光刻膠圖形，在沉積Ptl hl3薄膜後，因圖形內沒有光刻膠，而圖形以外的緩衝層表面塗敷了有一層光刻膠。利用剝離法將光刻膠去除後，同時也把光刻膠表面的Ptl hl3薄膜剝離掉，而圖形內因沒有光刻膠， PtRhl3薄膜13a不會受到剝離的影響，仍然粘附在緩衝層表面，實現Ptl hl3薄膜13a的圖形沉積。本實用新型中的Al2O3絕緣薄膜15用於保護熱結點14和功能薄膜13不受熱流的衝刷和腐蝕，但覆蓋在熱結點14上面的Al2O3絕緣薄膜15不宜太厚，否則影響傳感器的熱響應速度。本實用新型中的導電膠層17用Pt漿料進行燒結實現，分別將功能薄膜13a和13b 通過引線區域19a和19b與引線16連接起來，實現傳感器電動勢信號的傳輸。本實用新型中的釉料層18用於導電膠層17的加固和防護。由於現有的熱電偶溫度傳感器存在體積較大、響應速度較慢等問題，為了能夠實現高靈敏度、快速響應的測量，在5. 6mmX 3. 4mm的陶瓷襯底主表面11沉積一層0. 5um厚的 AlN緩衝層12。然後，在緩衝層12表面塗敷一層光刻膠，通過光刻技術形成圖形。接著在陶瓷襯底主表面沉積一層2um厚的Ptl hl3薄膜13a，利用剝離技術去除光刻膠及其表面的 PtRhl3薄膜13a，完成Ptl hl3薄膜13a的圖形製作。再次在緩衝層12表面塗敷一層光刻膠，通過光刻技術形成圖形，在陶瓷襯底主表面沉積一層2um厚的Pt薄膜13b，利用剝離技術去除光刻膠及其表面的Pt薄膜13b，完成Pt薄膜1 和熱結點14的圖形製作。最後在熱結點和功能薄膜13表面沉積一層Ium厚的保護膜，並通過Pt漿料和釉料的燒結引出和固化導線。樣品經過測試，響應時間τ 0. 632 ( ans，如圖3所示。
權利要求1.一種快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器，其特徵在於，陶瓷襯底(11)的上表面沉積有 AlN緩衝層(12)，AlN緩衝層(1 上沉積有功能薄膜(13)，功能薄膜(1 包括Pt薄膜和 PtI^hl3薄膜，Pt薄膜和PtI^hl3薄膜重疊搭接處有熱結點(14)，功能薄膜(1 靠近熱結點 (14)的一端和熱結點(14)上有Al2O3絕緣保護膜(15)，功能薄膜(13)遠離熱結點(14)的一端為引線區域(19)，引線區域(19)上設有引線(16) ,Al2O3絕緣保護膜(15)遠離熱結點 (14) 一端的表面上有由Pt漿料組成的導電膠層(17)，導電膠層(17)將引線區域(19)與引線(16)連接起來，導電膠層(17)上覆蓋有Al2O3釉料層(18)。
2.根據權利要求1所述的快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器，其特徵在於，所述陶瓷襯底(11)材料為ai2O3。
專利摘要本實用新型公開了一種快速響應薄膜熱電偶溫度傳感器，它具有一個陶瓷襯底及一個沉積在陶瓷襯底(11)的主表面上的AlN緩衝層(12)，並在緩衝層表面沉積有Pt-PtRh13功能薄膜(13)及由此搭接形成的熱結點(14)，一個絕緣保護膜(15)至少在陶瓷襯底(11)的主表面上的熱結點(14)中完整的沉積覆蓋，但除了用於引線連接的引線區域(19)以外，一個Pt漿料燒結層(17)被用於功能薄膜(13)與引線(16)的連接，實現電動勢信號的輸出和檢測，一個保護釉層(18)至少在陶瓷襯底(11)的主表面上的鉑漿料層上完整覆蓋，但不包括熱結點(14)，利用本實用新型方法製造的熱電偶溫度傳感器，具有體積小、耐腐蝕、可靠性高的優點。
文檔編號G01K7/02GK202305042SQ20112036385
公開日2012年7月4日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者何峰, 張建國, 肖友文, 藍鎮立, 謝貴久 申請人:中國電子科技集團公司第四十八研究所