薄膜電阻溫度傳感器及其製造方法
2023-06-12 09:42:31
專利名稱：薄膜電阻溫度傳感器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種溫度傳感器及其製造方法，具體說是一種薄膜電阻溫度傳感器及其製造方法。
背景技術：
鉑電阻具有線性度高、熱響應時間小、穩定性好等優勢，廣泛於航天、化工、汽車等領域。圖1為薄膜式電阻溫度傳感器的結構示意圖，圖2為薄膜片式電阻傳感器結構圖，圖3為厚膜式電阻溫度傳感器的結構示意圖，圖4為厚膜片式電阻傳感器結構圖。圖中1是由陶瓷等材料組成的絕緣襯底，2是感溫電阻，3是玻璃包封層，4是引線電極，5是鉑絲引線，6是引線加固釉。
按照感溫電阻材料組成和製作工藝的不同，電阻可分為厚膜電阻和薄膜電阻兩類。厚膜電阻目前採用絲網印刷、燒結、雷射修正工藝製作，使用鉑粉型厚膜漿料，設備投資少，生產效率高，成本低，但膜層厚度一般為10um左右，方阻小，難以製作小型高阻值電阻體；厚膜電阻含有大量的玻璃成分，溫度係數調整困難，且不能刻蝕，最細線寬只能作到150um；且由於膜層厚度大，線條寬度大，熱容量大，熱響應時間長；需1200℃燒結，能耗大，設備要求高。薄膜電阻目前採用兩種技術製作(1)採用濺射等真空技術，光刻腐蝕、雷射修正工藝製作，設備投資大，生產效率低，鉑金屬利用率低，成本高；但金屬厚度一般只有0.8-2um，線條寬度可作到10um，熱容小，熱響應特性好，因此多用於快速測溫。(2)使用純液態的有機鉑漿料，純液態的有機鉑漿料是由未經加熱改性處理的有機鉑、大量的成膜樹脂和溶劑組成，採用絲網印刷等厚膜技術製作。但由於薄膜表面效應的影響，薄膜電阻厚度要達到0.8um左右才能得到接近塊狀材料的較大的溫度係數。但是純液態有機金屬漿料在燒結時易爆裂，每次印刷燒結厚度只能達到0.2-0.3um，要到達所需厚度的電阻，需重複印刷燒結3-4次，生產效率低，易產生針孔、灰塵等膜層缺陷，成品率低；溶解有機金屬漿料的溶劑及匹配的成膜樹脂材料選擇性小，漿料粘度較大，印刷時易產生氣泡、針孔等缺陷，印刷特性調整困難。
金雖然具有較大的電阻溫度係數，但由於電阻率較小，且原有製作金膜的工藝成本較高，因而一直未能作為測溫電阻材料應用到溫度傳感器。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是在現有上述厚、薄膜技術的基礎上，克服兩者缺點，綜合兩者的優勢，從而提供一種新型的低成本、高性能薄膜溫度傳感器以及高效率生產薄膜電阻的製造方法。
一種薄膜電阻溫度傳感器，其設有絕緣襯底，在絕緣襯底上設有薄膜電阻、連接電阻的電極、保護層，薄膜電阻的成分為含有少量金屬氧化物的鉑或者金，其厚度為0.02um-2um。
所述的金屬氧化物為銠、鉍、鉛、矽、鉻、銅、硼的氧化物的一種或幾種。
所述的薄膜電阻為彎曲的蛇型或網孔結構。
一種製造上述薄膜電阻溫度傳感器的方法，該方法包括以下步驟a將有機鉑化合物或有機金化合物150-190℃加熱15-30分鐘，得到由有機鉑或有機金化合物的微分解固化物、超細鉑粉或金粉、低分子量有機物、超細碳粉組成的混合物；將此混合物添加有機銠化合物、有機鉍化合物、有機鉛化合物、有機矽化合物、有機鉻化合物、有機銅化合物、有機硼化合物中的一種或二種以上，鉑或金與銠的比例(重量)控制在1∶0.0001～0.02，鉑或金與其他金屬的比例(重量)控制在1∶0.003～0.05之間，同時添加樹脂和溶劑，形成混合型鉑漿料或金漿料。
b將上述混合型漿料印刷於經過清洗的基板上，然後經過燒結、再經過電極製作，保護層製作，修阻形成所需圖形的電阻，測量，形成產品。
一種製造上述薄膜電阻溫度傳感器的方法，該方法包括以下步驟a將有機鉑化合物或有機金化合物150-190℃加熱15-30分鐘，得到由有機鉑或有機金化合物的微分解固化物、超細鉑粉或金粉、低分子量有機物、超細碳粉組成的混合物，將此混合物添加有機銠化合物、有機鉍化合物、有機鉛化合物、有機矽化合物、有機鉻化合物、有機銅化合物、有機硼化合物中的一種或二種以上，鉑或金與銠的比例(重量)控制在1∶0.0001～0.02，金或鉑與其他金屬的比例(重量)控制在1∶0.003～0.05之間，同時添加樹脂和溶劑，形成混合型鉑漿料或金漿料。
b採用絲網印刷、直描、噴塗、輥塗、旋塗、筆塗、刷塗其中之一的方法在基板上均勻塗覆所述混合型漿料，然後進行燒結、光刻、腐蝕，再經過電極製作、保護層製作，修阻後形成要求的電阻，測量，形成產品。
上述薄膜電阻溫度傳感器的方法，所述的有機鉑化合物是硫化松節油鉑、硫化萜烯鉑、硫化松油醇鉑、硫醇鉑、硫化松香酸鉑、硫化2-已基己烷酸鉑、硫化辛基酸鉑、硫化環烷、烴酸鉑的一種或兩種以上。
上述薄膜電阻溫度傳感器的方法，所述的有機金化合物是硫化松節油金、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、硫化環烷、烴酸金的一種或兩種以上。
上述製造薄膜鉑電阻溫度傳感器的方法，採用厚膜工藝形成所述電極和保護層。
上述製造薄膜鉑電阻溫度傳感器的方法，採用厚膜工藝形成所述電極和保護層。
本發明就是針對使用混合型鉑或金漿料製作溫度傳感器薄膜感溫部進行研究。適用於金屬材料的的阻值(R)隨溫度的變化如下R＝R0×T×EXP(E/kT)R0初期電阻值 T溫度 k玻爾滋曼常數 E活化能量有機鉑或有機金是金屬有機化合物的一種，是鉑原子或金原子通過硫原子、氧原子、氮原子等與有機物中的碳原子結合而成，採用硫化香脂法、硫醇鹽法、樹脂酸鹽法或他們的組合而製造。
有機鉑或有機金通過燒結分解為金屬鉑或金，在襯底上形成金屬膜，是製作導線和電阻的良好材料，但是未經熱改性處理的有機鉑或有機金在乾燥燒結時易爆裂，需在漿料內添加大量的成膜樹脂才能形成連續膜，導致漿料內金屬含量低，每次印刷燒結厚度只能達到0.2-0.3um，要到達所需厚度的電阻，需重複印刷燒結3-4次，生產效率低，易產生針孔、灰塵等膜層缺陷，成品率低；溶解有機金屬的溶劑及匹配的成膜樹脂選擇性小，漿料粘度較大，印刷時易產生氣泡、針孔等缺陷，印刷特性調整困難。
為解決上述問題，發明了一種低成本的薄膜電阻及高效率的生產工藝。為達到上述目的，我們將製作有機鉑或有機金化合物在150-190℃加熱15-30分鐘，使有機金屬微分解，成為有機鉑或有機金化合物的微分解固化物、超細鉑粉或金粉、低分子量有機物、超細碳粉等組成的混合體，將此混合體溶於有機溶劑，然後添加有機銠、有機鉍、有機鉛、有機鉻、有機銅、有機矽、成膜樹脂、溶劑等製成混合型漿料。由於漿料內含有無機鉑粉或金粉以及無機碳粉，漿料粘度的調整非常容易，尤其適合製作絲網印刷用漿料；由於含有無機鉑粉或金粉、無機碳粉，在乾燥成膜時，碳粉、鉑粉或金粉有效吸收乾燥成膜過程中產生的熱應力，防止純有機鉑或有機金漿料膜厚過大時爆裂的現象；作為混合型漿料主成分的有機鉑或有機金微分解固化物，燒結過程中分解平緩，防止了純液態有機鉑或有機金漿料膜厚過大燒結時爆裂的現象，單次印刷燒結膜厚可達0.8um，克服了純液態有機鉑或有機金漿料需多次印刷燒結的問題，極大地提高了生產性和成品率。燒結溫度低，膜層緻密均勻，膜層質量可與濺射膜媲美；鉑、金消耗量少，熱響應特性好；不需要薄膜製作中的退火處理，工藝簡單；不需要薄膜製作中的附著層，刻蝕工藝簡單；採用常規的絲網印刷、燒結成膜技術，生產效率高，結合光刻腐蝕技術可作作成彎曲狀的寬度10um的細線或作成網狀結構，可達到高阻化的目的，並使採用金作低成本感溫電阻成為可能。
燒結過程中有機鉑分解為金屬鉑、有機金分解為金，但鉑或金的附著力很差，且在高溫燒結時會產生顆粒凝聚現象。漿料內添加有機銠和其他賤金屬有機化合物，可有效解決上述問題。有機銠在燒結過程中分解氧化成為氧化銠，極微量的氧化銠就可避免鉑或金高溫燒結時的顆粒凝聚現象，提高燒結溫度而不影響鉑或金電阻的溫度係數，是最好的鉑或金的熔劑材料。與其他玻璃粘接劑不同，賤金屬有機化合物可與漿料的其他成分實現分子級的均勻攙雜，使用量很少就可達到有效附著的效果，對鉑或金的溫度係數影響小，在燒結過程中賤金屬有機化合物分解氧化成為賤金屬氧化物，這些賤金屬氧化物與襯底反應形成牢固的結合層，大大第提高了鉑或金電阻的可靠性。
圖1為薄膜式電阻溫度傳感器的結構示意圖；圖2為薄膜片式電阻傳感器結構示意圖；圖3為厚膜式電阻溫度傳感器的結構示意圖；圖4為厚膜片式電阻傳感器結構示意圖；圖5為彎曲蛇型鉑電阻感溫部結構示意圖；圖6為網孔狀鉑電阻感溫部結構示意圖。
圖7為本發明製造方法流程示意圖。
圖8為現有技術的流程示意圖。
具體實施例方式實施例1混合型鉑漿料與採用鉑粉、玻璃粉混合形成的厚膜鉑電阻漿料不同，因為利用了鉑的高分子結合技術，因而成膜性很好。技術上要求膜厚0.02um-2um，本發明採用混合型漿料製作感溫部。將邯鄲陶瓷研究所生產的43％的硫化松節油鉑在190℃加熱15分鐘、將分解產物與4.3％的硫化松節油銠、5.1％的松香酸鉍按鉑∶銠∶鉍＝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產的聚甲基丙希酸樹脂和5％重量溶纖素及10％重量松油醇等溶劑，攪拌混合均勻後得到所需的混合型鉑漿料，將此鉑漿料均勻地塗覆在上釉氧化鋁基板1上，810℃燒結30分鐘後得到鍍鉑基板，重複印刷、燒結得到感溫鉑電阻部2，印刷燒結引線電極3，塗覆、燒結玻璃包封層4，雷射修正得到所需電阻值，焊接鉑絲引線5，塗覆低溫加固釉6，加固鉑絲引線。
本發明的一個實施例中，得到膜厚為0.8um，阻值為100Ω，TCR達到3830ppm/℃，時間常數＜0.5s的高性能鉑電阻。
實施例2將邯鄲陶瓷研究所生產的43％的硫化松節油鉑、35％的硫化松油醇鉑按2∶1的比例混合，在190℃加熱15分鐘，將分解產物與4.3％的硫化松節油銠、3.8％的松香酸銅按鉑∶銠∶銅＝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產的聚甲基丙希酸樹脂和5％重量的溶纖素及10％重量的松油醇等溶劑，攪拌混合均勻後得到所需的混合型鉑漿料，將此鉑漿料均勻地塗覆在上釉氧化鋁基板1上，810℃燒結30分鐘後得到鍍鉑基板，重複印刷、燒結得到加厚的鍍鉑基板；通過光刻、等離子刻蝕形成所需要的圖形，得到感溫鉑電阻部2，印刷燒結引線電極3，塗覆、燒結玻璃包封層4，雷射修正得到所需電阻值，焊接鉑絲引線5，塗覆低溫加固釉6，加固鉑絲引線。
本發明的一個實施例中，得到膜厚為0.8um，阻值為1000Ω，TCR達到3760ppm/℃，時間常數＜0.5s的高性能鉑電阻。
實施例3將邯鄲陶瓷研究所生產的43％的硫化松節油鉑190℃加熱15分鐘、將分解產物與4.3％的硫化松節油銠、5.1％的松香酸鉍按鉑∶銠∶鉍＝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產的聚甲基丙希酸樹脂和5％重量的溶纖素及10％重量的松油醇等溶劑，攪拌混合均勻後得到所需的混合型鉑漿料，將此鉑漿料均勻地塗覆在上釉氧化鋁基板1上，850℃燒結30分鐘後得到鍍鉑基板，重複印刷、燒結得到加厚的鍍鉑基板；通過光刻、等離子刻蝕形成所需要的圖形，得到感溫鉑電阻部2，印刷燒結引線電極3，塗覆、燒結玻璃包封層4，雷射修正得到所需電阻值，切割封接端頭電極得到小型的片式薄膜電阻。
本發明的一個實施例中，得到膜厚為0.8um，阻值為500Ω，TCR達到35300ppm/℃，時間常數＜0.5s的高性能鉑電阻。
實施例4將邯鄲陶瓷研究所生產的38％的硫化松節油金在160℃加熱25分鐘，將分解產物、4.3％的硫化松節油銠、5.1％的松香酸鉍按金∶銠∶鉍＝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產的聚甲基丙希酸樹脂和5％重量的溶纖素及8％重量的松油醇等溶劑，攪拌混合均勻後得到所需的混合型金漿料，將此金漿料均勻地塗覆在上釉氧化鋁基板1上，810℃燒結30分鐘後得到鍍金基板，重複印刷、燒結得到感溫金電阻部2，印刷燒結引線電極3，塗覆、燒結玻璃包封層4，雷射修正得到所需電阻值，劃片後印刷燒結內電極，塗覆端頭電極得到片式溫度傳感器。
本發明的一個實施例中，得到膜厚為0.8um，阻值為100Ω，TCR達到3450ppm/℃，時間常數＜0.5s的高性能金電阻。
實施例5將邯鄲陶瓷研究所生產的38％的硫化松節油金在160℃加熱25分鐘、將分解產物與35％的硫化松油醇金按3∶1的比例混合後添加4.3％的硫化松節油銠、5.1％的松香酸鉍按金∶銠∶鉍＝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產的聚甲基丙希酸樹脂和3％重量溶纖素及8％重量松油醇等溶劑，攪拌混合均勻後得到所需的混合型金漿料，將此金漿料均勻地塗覆在上釉氧化鋁基板1上，810℃燒結30分鐘後得到鍍鉑基板，重複印刷、燒結得到加厚的鍍金基板；通過光刻、等離子刻蝕形成所需要的圖形，得到感溫金電阻部2，印刷燒結引線電極3，塗覆、燒結玻璃包封層4，雷射修正得到所需電阻值，焊接鉑絲引線5，塗覆低溫加固釉6，加固鉑絲引線。
本發明的一個實施例中，得到膜厚為0.8um，阻值為100Ω，TCR達到3380ppm/℃，時間常數＜0.35s的高性能金電阻。
實施例6將邯鄲陶瓷研究所生產的38％的硫化松節油金160℃加熱20分鐘、將分解產物與4.3％的硫化松節油銠、5.1％的松香酸鉍按金∶銠∶鉍＝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產的聚甲基丙希酸樹脂和3％重量的溶纖素及6％重量的松油醇等溶劑，攪拌混合均勻後得到所需的混合型金漿料，將此金漿料均勻地塗覆在上釉氧化鋁基板1上，850℃燒結30分鐘後得到鍍金基板，重複印刷、燒結得到加厚的鍍金基板；通過光刻、等離子刻蝕形成所需要的圖形，得到感溫金電阻部2，印刷燒結引線電極3，塗覆、燒結玻璃包封層4，雷射修正得到所需電阻值，劃片後印刷燒結內電極，塗覆端頭電極得到片式溫度傳感器。
本發明的一個實施例中，得到膜厚為0.8um，阻值為100Ω，TCR達到3100ppm/℃，時間常數＜0.35s的高性能金電阻。
實施例7下面說明感溫電阻部的構造，如圖5所示，為提高電阻值，提高熱分布的均勻性，減小自熱影響，電阻作成了彎曲的蛇型結構。
實施例8下面說明感溫鉑電阻部的另外構造例，如圖6所示，為提高電阻值，提高熱分布均勻性，減小自熱效應，電阻作成了網孔形狀或叫點陣結構，這種結構刻蝕後電阻值均勻性高。
實施例9圖7為本發明的製作方法流程圖。如圖7所示，本發明所用的方法是先清洗基板，再經過鉑漿印刷、燒結、塗膠、曝光、現象、刻蝕、電極印刷、電極燒結、玻璃印刷、玻璃燒結、雷射修阻、鉑絲焊接、鉑絲加固、測量後，形成產品。
圖8為現有技術的製作方法流程圖。如圖8所示，現有技術所用的方法是先清洗基板，再經過濺射鉑膜、塗膠、曝光、現象、刻蝕、電極印刷、電極燒結、玻璃印刷、玻璃燒結、雷射修阻、鉑絲焊接、鉑絲加固、測量後，形成產品。
如上所述，因為本發明的薄膜電阻溫度傳感器的電阻採用混合型鉑漿料或金漿料製作，並且作成了彎曲的蛇狀或網孔狀，所以具有以下效果1、膜層薄，熱響應特性好，適應於快速測溫。2、膜層內含有的賤金屬氧化物與襯底反應形成牢固的付著層，附著力大，可靠性高。3、鉑膜或金膜在810℃以上燒結而成，可在高溫下工作。4、用常規的厚膜技術或厚膜結合光刻技術製作，生產效率高、材料消耗少，成本低。5、混合型鉑漿料或金漿料製作簡單；各成分間可實現分子級攙雜，溫度係數可控性、重複性好。6、燒結溫度低，燒結膜層均勻緻密，不需進行退火處理，工藝簡單。7、混合型鉑或金漿料可在各種複雜形狀上進行塗覆，可製作各種形狀的傳感器。8、鉑膜或金膜直接燒結在襯底上，不需過渡金屬層，刻蝕工藝簡單。
本發明是關於快速溫度測控所用的薄膜電阻溫度傳感器，可廣泛用於航天、化工、汽車領域的測溫、溫度控制等。
權利要求
1.一種薄膜電阻溫度傳感器，其設有絕緣襯底，在絕緣襯底上設有薄膜電阻、連接電阻的電極、保護層，其特徵是薄膜電阻的成分為含有少量金屬氧化物的鉑或者金，其厚度為0.02um-2um。
2.根據權利要求1所述的薄膜電阻溫度傳感器，其特徵在於所述的金屬氧化物為銠、鉍、鉛、矽、鉻、銅、硼的氧化物的一種或幾種。
3.根據權利要求1或2所述的薄膜電阻溫度傳感器，其特徵在於所述的薄膜電阻為彎曲的蛇型或網孔結構。
4.一種製造如權利要求1所述的薄膜電阻溫度傳感器的方法，其特徵是該方法包括以下步驟a將有機鉑化合物或有機金化合物150-190℃加熱15-30分鐘，得到由有機鉑或有機金化合物的微分解固化物、超細鉑粉或金粉、低分子量有機物、超細碳粉組成的混合物；將此混合物添加有機銠化合物、有機鉍化合物、有機鉛化合物、有機矽化合物、有機鉻化合物、有機銅化合物、有機硼化合物中的一種或二種以上，鉑或金與銠的比例(重量)控制在1∶0.0001～0.02，鉑或金與其他金屬的比例(重量)控制在1∶0.003～0.05之間，同時添加樹脂和溶劑，形成混合型鉑漿料或金漿料。b將上述混合型漿料印刷於經過清洗的基板上，然後經過燒結、再經過電極製作，保護層製作，修阻形成所需圖形的電阻，測量，形成產品。
5.一種製造如權利要求1所述的薄膜電阻溫度傳感器的方法，其特徵是該方法包括以下步驟a將有機鉑化合物或有機金化合物150-190℃加熱15-30分鐘，得到由有機鉑或有機金化合物的微分解固化物、超細鉑粉或金粉、低分子量有機物、超細碳粉組成的混合物，將此混合物添加有機銠化合物、有機鉍化合物、有機鉛化合物、有機矽化合物、有機鉻化合物、有機銅化合物、有機硼化合物中的一種或二種以上，鉑或金與銠的比例(重量)控制在1∶0.0001～0.02，金或鉑與其他金屬的比例(重量)控制在1∶0.003～0.05之間，同時添加樹脂和溶劑，形成混合型鉑漿料或金漿料。b採用絲網印刷、直描、噴塗、輥塗、旋塗、筆塗、刷塗其中之一的方法在基板上均勻塗覆所述混合型漿料，然後進行燒結、光刻、腐蝕，再經過電極製作、保護層製作，修阻後形成要求的電阻，測量，形成產品。
6.根據權利要求4或5所述的製造如權利要求1所述的薄膜電阻溫度傳感器的方法，其特徵是所述的有機鉑化合物是硫化松節油鉑、硫化萜烯鉑、硫化松油醇鉑、硫醇鉑、硫化松香酸鉑、硫化2-已基己烷酸鉑、硫化辛基酸鉑、硫化環烷、烴酸鉑的一種或兩種以上。
7.根據權利要求4或5所述的製造如權利要求1所述的薄膜電阻溫度傳感器的方法，其特徵是所述的有機金化合物是硫化松節油金、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、硫化環烷、烴酸金的一種或兩種以上。
8.根據權利要求7所述的製造如權利要求1所述的薄膜鉑電阻溫度傳感器的方法，其特徵在於採用厚膜工藝形成所述電極和保護層。
9.根據權利要求8所述的製造如權利要求1所述的薄膜鉑電阻溫度傳感器的方法，其特徵在於採用厚膜工藝形成所述電極和保護層。
全文摘要
本發明涉及一種薄膜電阻溫度傳感器及其製造方法，其克服了現有技術高成本、製造複雜的缺點。該傳感器設有絕緣襯底，在絕緣襯底上設有薄膜電阻、連接電阻的電極、保護層，薄膜電阻的成分為含有少量金屬氧化物的鉑或者金，其厚度為0.02um－2um。製造方法包括以下步驟將有機鉑化合物或有機金化合物加熱，得到混合物，將混合物添加有機化合物，同時添加樹脂和溶劑，形成混合型鉑漿料或金漿料。將上述混合型漿料印刷於經過清洗的基板上，然後經過燒結等步驟，形成產品。或採用絲網印刷等方法在基板上均勻塗覆所述混合型漿料，然後進行燒結等步驟形成產品。本發明可廣泛用於航天、化工、汽車領域的測溫、溫度控制等。
文檔編號G01K7/16GK1432799SQ02109989
公開日2003年7月30日 申請日期2002年1月17日 優先權日2002年1月17日
發明者董述恂, 龍峰洲 申請人:董述恂