專利名稱：一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，屬于測試技術領域。
背景技術：
在大量的科學研究和實際生產(chǎn)中，溫度是一個非常重要的測量物理量，其中對瞬變溫度的測量一直都是該研究領域的重點和難點。普通的測量方法如普通熱電偶或熱電阻溫度傳感器以及紅外測溫儀等都存在響應時間過長等缺陷，難以滿足快速變化條件的溫度測量。特別是在氣動系統(tǒng)中，由于氣體的熱容小，在充放氣過程中氣體的溫度隨著壓縮比的變化而快速改變，以上提出的測量方法都不具有可操作性，或是存在較大的測量誤差。
有熱容小、響應迅速等優(yōu)點，所以非常適合用來測量瞬變溫度。目前，對于薄膜熱電極的研究過程中發(fā)現(xiàn)存在以下問題薄膜熱電極的靈敏度偏低、以及薄膜熱電極與基底之間的結合力較小，在測溫過程容易出現(xiàn)薄膜熱電極脫離現(xiàn)象。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型為了解決上述的技術問題而提供了一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，該高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，不僅提高了薄膜熱電極傳感器的靈敏度，而且還有效解決了薄膜熱電極結合力偏小，在測溫過程容易出現(xiàn)薄膜熱電極脫離的技術問題。本實用新型的技術方案一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，包括單晶硅基底、兩根溫度補償導線、Cu薄膜熱電極和CuNi薄膜熱電極，另外還包括一層SiO2薄膜阻擋層，其厚度優(yōu)選為80 IOOnm ；所述的SiO2薄膜阻擋層即采用磁控濺射法鍍制于單晶硅基底的上表面，SiO2薄膜阻擋層除了起到絕緣的作用外，還可以提高Cu薄膜熱電極和CuNi薄膜熱電極與單晶硅基底間的結合強度，進而避免了 Cu薄膜熱電極和CuNi薄膜熱電極薄膜脫落的現(xiàn)象；所述的Cu薄膜熱電極和CuNi薄膜熱電極分別采用磁控濺射法鍍制在SiO2薄膜阻擋層上，且在SiO2薄膜阻擋層上搭接形成一個熱結點塊，其面積優(yōu)選為3-8mm2 ；所述的兩根溫度補償導線分別用導電銀膠與Cu薄膜熱電極、CuNi薄膜熱電極相連；所述的Cu薄膜熱電極和CuNi薄膜熱電極的厚度優(yōu)選均為O. 5_2um。上述的一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器的制作方法，包括以下步驟(I)、用丙酮和去離子水對單晶硅基底各清洗10_20min，烘干后，再用丙酮和去離子水進行反濺清洗10-20min ；(2)、將步驟(I)清洗后所得的單晶硅基底的上表面采用磁控濺射法鍍制一層SiO2薄膜阻擋層；即首先裝上Φ75πιπι的SiO2靶材，調(diào)節(jié)靶間距為40_70mm，然后將清洗好的單晶硅基底裝卡在不銹鋼夾具上并送入濺射室內(nèi)的基片架上，關閉濺射室抽真空，控制本底真空度為O. 5 X IO-3 I. O X IO-3Pa,然后充入充入工作氣體Ar，其中Ar氣流量為30_40sccm，壓力為I. 5-2. 5pa,濺射時間控制在10-20min，鍍制完畢后取出待用；(3)、將步驟(2)中所得的鍍有SiO2薄膜阻擋層的單晶硅基底裝卡在不銹鋼夾具，并且蓋上一層鋁箔所制的掩膜，使待鍍Cu薄膜電極的部位裸露而其他部位全部被所述的鋁箔所制的掩膜所遮蓋，送入濺射室內(nèi)的基片架上，裝上Φ75πιπι的純銅靶，調(diào)節(jié)靶間距為40_70mm ;把濺射室抽成真空，控制背底真空度O. 5X 10_3 I. OX 10_3Pa，充入工作氣體Ar，其中Ar氣流量為10-20sccm，壓力為O. 8-1. 2pa ；啟動濺射電源，調(diào)整濺射功率到50W，根據(jù)沉積速率為5-15nm/min，調(diào)整沉積時間為100-140min，并對單晶硅基底加熱溫度約為40°C，制作出Cu薄膜熱電極；(4)、將步驟(3)鍍制的具有Cu薄膜熱電極的單晶硅基底隨爐冷卻10_20min后， 取出不銹鋼夾具，更換另一片鋁箔所制的掩膜，使單晶硅基底上的待鍍CuNi薄膜電極的部位裸露出來，而其他部位則全部用所述的另一片鋁箔所制的掩膜遮蓋，然后再重新裝卡在不銹鋼夾具上；(5)、將步驟(4)裝卡在不銹鋼夾具上的鍍制有Cu薄膜熱電極的單晶硅基底及不銹鋼夾具一起送入濺射室中，裝上Φ75πιπι的CuNi祀，調(diào)節(jié)靶間距為40-70mm ；把濺射室抽成真空，控制背底真空度O. 5X 10_3 I. OX 10_3Pa，充入工作氣體Ar，其中Ar氣流量為30-40sccm，壓力為O. 4-0. 8pa ；啟動濺射電源，調(diào)整濺射功率到40W，根據(jù)沉積速率為8-12nm/min，調(diào)整沉積時間為80-125min，并對單晶硅基底加熱溫度約為40°C，制作出CuNi薄膜熱電極，并且保證鍍制而成的CuNi薄膜熱電極和步驟(3)鍍制而成的Cu薄膜熱電極搭接形成一個熱結點塊；(6)、將步驟(3)鍍制的Cu薄膜熱電極和步驟(5)鍍制的CuNi薄膜熱電極上分別用導電銀膠連接一根溫度補償導線，即得一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器。本實用新型的有益效果本實用新型的一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，由于采用磁控濺射法在單晶硅基底上鍍制了 Cu和CuNi薄膜熱電極，并在單晶硅基底與Cu和CuNi薄膜熱電極之間鍍有SiO2薄膜阻擋層，因此可實現(xiàn)對瞬變溫度的測量，還進一步提高了薄膜熱電極的靈敏度，其靈敏度可達46. 67μν/Τ\另外，本實用新型的一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，由于鍍制有SiO2薄膜阻擋層，并且在鍍制Cu和CuNi薄膜熱電極過程中對單晶硅基底加熱，提高了 Cu和CuNi薄膜熱電極與單晶硅基底之間的結合強度，采用蘭州中科凱華公司研制的WS-2005型薄膜附著力自動劃痕儀，通過聲發(fā)射檢測Cu和CuNi薄膜熱電極與單晶硅基底之間的結合強度可達18. 15Ν，而沒有鍍制SiO2阻擋層的情況下，其結合強度僅為10. 75Ν,因此，本實用新型的一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器解決了 Cu和CuNi薄膜熱電極容易從單晶硅基底上脫落的問題，從而具有很大的實際應用價值。

圖1，本實用新型的一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器結構示意圖，圖中I為Cu薄膜熱電極，2為熱結點塊，3為CuNi薄膜熱電極，41、42分別為補償導線，5為單晶硅基底，6為SiO2薄膜阻擋層。
具體實施方式
下面通過實施例并結合附圖對本實用新型進一步闡述，但并不限制本實用新型。實施例I一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，其結構示意圖如圖所示，其中I為Cu薄膜熱電極，2為熱結點塊，3為CuNi薄膜熱電極，41、42分別為溫度補償導線，5為單晶硅基底，6為SiO2薄膜阻擋層；所述的SiO2薄膜阻擋層6采用磁控濺射法鍍制于單晶硅基底5的上表面，厚度為80 IOOnm ； 所述的Cu薄膜熱電極I和CuNi薄膜熱電極2采用磁控濺射法鍍制在SiO2薄膜阻擋層6上，且所述的Cu薄膜熱電極I和CuNi薄膜熱電極2在SiO2薄膜阻擋層上搭接形成一個熱結點塊2,其面積為3-8 mm2 ；所述的兩根溫度補償導線分別用導電銀膠與Cu薄膜熱電極、CuNi薄膜熱電極相連；所述的Cu薄膜熱電極和CuNi薄膜熱電極的厚度為O. 5_2um。上述的一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器的制備方法，包括如下步驟(I)、用丙酮和去離子水對單晶硅基底5各清洗10_20min，烘干后，再用丙酮和去離子水進行反濺清洗10-20min ；(2)、將步驟(I)清洗后所得的單晶硅基底5的上表面采用磁控濺射法鍍制一層厚度為8(Tl00nm的SiO2薄膜阻擋層6 ；即首先裝上Φ75πιπι的SiO2靶材，調(diào)節(jié)靶間距為40_70mm，然后將清洗好的單晶硅基底5裝卡在不銹鋼夾具上并送入濺射室內(nèi)的基片架上，關閉濺射室抽真空，控制本底真空度為O. 5 X 1(Γ3 I. O X 10 ,然后充入充入工作氣體Ar，其中Ar氣流量為30_40sccm，壓力為I. 5-2. 5pa,濺射時間控制在10-20min，鍍制完畢后取出待用；(3)、將步驟(2)中所得的鍍有SiO2薄膜阻擋層6的單晶硅基底5裝卡在不銹鋼夾具，并且在鍍有SiO2薄膜阻擋層的基底上蓋上一層鋁箔所制的掩膜，使待鍍Cu薄膜電極的部位裸露而其他部位全部被所述的鋁箔所制的掩膜所遮蓋，送入濺射室內(nèi)的基片架上，裝上C>75mm的純銅祀，調(diào)節(jié)祀間距為40_70mm ；把濺射室抽成真空，背底真空度0.5 X 10_3 1.0 X 10_3Pa，充入工作氣體Ar，其中Ar 氣流量為 10_20sccm,壓力為 O. 8_1· 2 pa;啟動濺射電源，調(diào)整濺射功率到50W，根據(jù)沉積速率為5-15nm/min，調(diào)整沉積時間為100-140min，并對單晶硅基底加熱溫度約為40°C，制作出厚度為O. 5_2um的Cu薄膜熱電極I ;(4)、將步驟(3)所得的鍍制有Cu薄膜熱電極I的單晶硅基底5隨爐冷卻10_20min后，取出不銹鋼夾具，更換另外一片鋁箔所制的掩膜，使單晶硅基底5上除了需要鍍制CuNi薄膜熱電極3的部位裸露以外，其他部位全部被所述的另外一片鋁箔所制的掩膜所遮蓋，然后再重新裝卡在不銹鋼夾具上；[0042](5)、將步驟(4)裝卡在不銹鋼夾具上的鍍制有Cu薄膜熱電極I的單晶硅基底5及不銹鋼夾具一起送入濺射室中，裝上Φ75πιπι的CuNi靶，調(diào)節(jié)靶間距為40-70mm ；把濺射室抽成真空，背底真空度O. 5X10_3 I. 0X10_3Pa，充入工作氣體Ar，其中Ar 氣流量為 30_40sccm,壓力為 O. 4-0. 8pa ；啟動濺射電源，調(diào)整濺射功率到40W，根據(jù)沉積速率為8_12nm/min，調(diào)整沉積時間為80-125min，并對單晶硅基底加熱溫度約為40°C，制作出厚度為O. 5_2um的CuNi薄膜熱電極3，并且保證本步驟鍍制而成的CuNi薄膜熱電極3和步驟(3)鍍制而成的Cu薄膜熱電極I搭接形成一個面積為3-8 2的熱結點塊2 ；(6)、將步驟(3)鍍制的Cu薄膜熱電極I和步驟(5)鍍制的CuNi薄膜熱電極3上 分別用導電銀膠連接好溫度補償導線41及溫度補償導線42，最終得一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器。上述所制備的高頻響薄膜熱電極溫度傳感器經(jīng)過靜態(tài)標定實驗獲得其靈敏度，SP將所制備的高頻響薄膜熱電極溫度傳感器放入BPG-9200AH型恒溫箱內(nèi)，其補償導線引出連接在Keithley 2000型多功能數(shù)字萬用表的接線端，通過調(diào)節(jié)YLD-2000型智能數(shù)字溫控儀，每隔10°C記錄萬用表所現(xiàn)實上的電壓值，采用線性回歸方法對測量結果進行數(shù)據(jù)處理，得到了其靈敏度，并與國家標準GB/T 2903-1998所規(guī)定的普通Cu/CuNi熱電偶的靈敏度進行對比，結果見表I。表I、兩種熱電偶靈敏度對比
熱電偶種類 I高頻響薄膜熱電極溫度傳感器 I普通Cu/CiNi型熱電偶靈敏度(μν/Γ ) |46· 47丨39從表I中可以看出本例中所制備的高頻響薄膜熱電極溫度傳感器的靈敏度為46. 47μν/°0，相比較國家標準GB/T 2903-1998所規(guī)定的普通的Cu/CuNi熱電偶的靈敏度39μν/ 有較大的提高，由此表明了本實用新型的一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器具有非常高的測量精度。上述所得的一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，采用蘭州中科凱華公司研制的WS-2005型薄膜附著力自動劃痕儀，通過聲發(fā)射檢測Cu和CuNi薄膜熱電極與單晶硅基底之間的結合強度可達18. 15Ν，而沒有鍍制SiO2情況下，其結合強度僅為10. 75Ν,由此表明了本實用新型的一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器解決了 Cu和CuNi薄膜熱電極容易從單晶硅基底上脫落的問題。以上所述內(nèi)容僅為本實用新型構思下的基本說明，而依據(jù)本實用新型的技術方案所作的任何等效變換，均應屬于本實用新型的保護范圍。
權利要求1.一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，包括單晶硅基底、兩根溫度補償導線、Cu薄膜熱電極和CuNi薄膜熱電極，其特征在于還包括SiO2薄膜阻擋層； 所述SiO2薄膜阻擋層濺射于單晶硅基底的上表面； 所述的Cu薄膜熱電極、CuNi薄膜熱電極濺射在SiO2薄膜阻擋層上，且所述的Cu薄膜熱電極、CuNi薄膜熱電極在SiO2薄膜阻擋層上搭接形成一個熱結點塊； 所述的兩根溫度補償導線分別用導電銀膠與Cu薄膜熱電極、CuNi薄膜熱電極相連。
2.如權利要求I所述的一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，其特征在于所述的Cu薄膜熱電極和CuNi薄膜熱電極的厚度均為O. 5-2um。
3.如權利要求2所述的一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，其特征在于所述的SiO2薄膜阻擋層的厚度為8(Tl00nm。
4.如權利要求2所述的一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，其特征在于所述的熱結點塊的面積為3-8 mm2 ο
專利摘要本實用新型公開一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，所述的高頻響薄膜熱電極溫度傳感器，包括單晶硅基底、兩根溫度補償導線、Cu薄膜熱電極和CuNi薄膜熱電極，另外還包括鍍制于單晶硅基底表面上的SiO2薄膜阻擋層；所述的Cu薄膜熱電極、CuNi薄膜熱電極濺射在SiO2薄膜阻擋層上，且所述的Cu薄膜熱電極、CuNi薄膜熱電極濺射在SiO2薄膜阻擋層上搭接形成一個熱結點塊；兩根溫度補償導線分別用導電銀膠與Cu薄膜熱電極、CuNi薄膜熱電極相連。本實用新型的一種高頻響薄膜熱電極溫度傳感器靈敏度高，同時避免了Cu和CuNi薄膜熱電極在高溫測試過程中發(fā)生脫落。
文檔編號G01K7/00GK202562646SQ201220169880
公開日2012年11月28日 申請日期2012年4月20日 優(yōu)先權日2012年4月20日
發(fā)明者楊麗紅, 趙源深, 陳皓帆, 孫騫, 孫金祥, 周華, 徐敏, 關超 申請人:上海理工大學