熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)及制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)及制備工藝，是針對解決現(xiàn)有同類產(chǎn)品因內(nèi)部的熱應(yīng)力較大而出現(xiàn)熱裂的技術(shù)問題。該熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)包括熱電半導(dǎo)體，及位于熱電半導(dǎo)體兩端的Cu導(dǎo)流片。熱電半導(dǎo)體的兩端與各自Cu導(dǎo)流片之間設(shè)有三個(gè)過渡層，分別為噴Ni層、鍍Ni層、鍍Sn95Ag5層，由熱電半導(dǎo)體的端部至Cu導(dǎo)流片表面依次為噴Ni層、鍍Ni層、鍍Sn95Ag5層。通過設(shè)置上述過渡層，起到緩沖作用，減少熱電半導(dǎo)體和Cu導(dǎo)流片之間由于熱膨脹系數(shù)相差大所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。這一單臂結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性好，解決了熱電半導(dǎo)體溫度傳感器中熱裂的問題，延長了溫度傳感器的壽命。適合作為各類熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)使用。
【專利說明】熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)及制備工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及溫度傳感片，尤其是一種熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)及制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]溫度傳感器是一種可以把溫度參量直接轉(zhuǎn)換成電參量的變換裝置。常見的溫度傳感器有熱電阻、熱電偶和半導(dǎo)體熱敏器件等。采用熱電半導(dǎo)體材料制成的溫度傳感器其工作原理有別于半導(dǎo)體熱敏器件。由熱電半導(dǎo)體材料制成的溫度傳感器具有靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快、壽命長和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此在民用領(lǐng)域具有更廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]但熱電半導(dǎo)體材料制成的溫度傳感片性能與其設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)及制作工藝有極大的關(guān)系。合理的結(jié)構(gòu)和制作工藝可以減小半導(dǎo)體材料與過渡層之間、過渡層與Cu導(dǎo)流片之間的內(nèi)應(yīng)力，減小界面接觸電阻，提高溫度傳感片的熱加工穩(wěn)定性和壽命，以及充分發(fā)揮熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的高靈敏度與快速響應(yīng)等特點(diǎn)但現(xiàn)有的熱電半導(dǎo)體溫度傳感器，其熱電半導(dǎo)體與Cu導(dǎo)流片之間由于熱膨脹系數(shù)相差大，因而會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致熱電半導(dǎo)體溫度傳感器易出現(xiàn)熱裂的問題，影響使用壽命，且使用穩(wěn)定性欠佳。故需要對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服上述不足，本發(fā)明的目的是向本領(lǐng)域提供一種熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)及制備工藝，使其解決現(xiàn)有同類產(chǎn)品因內(nèi)部的熱應(yīng)力較大而出現(xiàn)熱裂的技術(shù)問題。其目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0005]該熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)包括熱電半導(dǎo)體，及位于熱電半導(dǎo)體兩端的Cu導(dǎo)流片。其結(jié)構(gòu)要點(diǎn)在于所述熱電半導(dǎo)體的兩端與各自Cu導(dǎo)流片之間設(shè)有三個(gè)過渡層，分別為噴Ni層、鍍Ni層、鍍Sn95Ag5層，由熱電半導(dǎo)體的端部至Cu導(dǎo)流片表面依次為噴Ni層、鍍Ni層、鍍Sn95Ag5層。通過設(shè)置上述過渡層，起到緩沖作用，減少熱電半導(dǎo)體和Cu導(dǎo)流片之間由于熱膨脹系數(shù)相差大所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。這一單臂結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性好，解決了熱電半導(dǎo)體溫度傳感器中熱裂的問題，延長了溫度傳感器的壽命。
[0006]為降低界面接觸電阻，提高過渡層與熱電半導(dǎo)體或Cu導(dǎo)流片之間的結(jié)合力，該熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)包括如下制備步驟:
步驟一:噴Ni層，先在200°C溫度下采用YW-201水溶性助劑去除熱電半導(dǎo)體兩端面的表面氧化物，然后在熱電半導(dǎo)體兩端面噴Ni，噴Ni層的厚度控制在0.15?0.25微米，將噴Ni后的熱電半導(dǎo)體在50°C?60°C的真空環(huán)境中烘烤9?11小時(shí)，確保熱電半導(dǎo)體與噴Ni層具有良好的結(jié)合力及低熱應(yīng)力。
[0007]步驟二:鍍Ni層，鍍Ni前采用YW-201水溶性助劑去除噴Ni層表面的表面氧化物，然后采用射頻磁控濺射法在噴Ni層表面鍍Ni，鍍Ni層厚度控制在0.15?0.25微米，鍍Ni后在50°C?60°C的真空環(huán)境中進(jìn)行4?6小時(shí)的退火熱處理。[0008]步驟三:鍍Sn95Ag5層，采用熱浸焊法將第二步得到的熱電半導(dǎo)體浸在熔融的Sn95Ag5液體中，浸潰時(shí)間2?3秒，取出清洗后，在50°C?60°C的真空環(huán)境中烘烤9?11小時(shí)；
步驟四:釬焊:以Sn95AgJt為焊劑，在第三步得到的熱電半導(dǎo)體鍍Sn95Ag5層的端面釬焊至Cu導(dǎo)流片上。
[0009]步驟五:將第四步制得的熱電半導(dǎo)體單臂在50°C?60°C的真空環(huán)境中退火9?11小時(shí)。
[0010]通過上述步驟制備得到該熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)。
[0011]上述制備工藝可以確保熱電半導(dǎo)體與過渡層、過渡層之間或過渡層與Cu導(dǎo)流片之間具有較低的熱應(yīng)力和較高的結(jié)合力，同時(shí)具有較低的界面接觸電阻，制成的溫度傳感片具有性能穩(wěn)定、壽命長、溫度感應(yīng)靈敏的特點(diǎn)。
[0012]本發(fā)明的有益效果:熱電半導(dǎo)體溫度傳感器中的熱電半導(dǎo)體與Cu導(dǎo)流片之間不易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，解決了熱裂問題，延長了使用壽命。適合作為各類熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)使用，或制備工藝的改進(jìn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明的熱電半導(dǎo)體溫度傳感片單臂結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明升溫時(shí)熱電半導(dǎo)體溫度傳感片冷熱端的檢測溫度與瞬態(tài)環(huán)境溫度的關(guān)系曲線，縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)均是溫度r / K。
[0015]圖3是本發(fā)明熱電半導(dǎo)體溫度傳感片升溫時(shí)的輸出電壓與瞬態(tài)環(huán)境溫度的關(guān)系曲線，其中縱坐標(biāo)是輸出電壓K，橫坐標(biāo)是溫度T / K。
[0016]圖4是本發(fā)明降溫時(shí)熱電半導(dǎo)體溫度傳感片冷熱端的檢測溫度與瞬態(tài)環(huán)境溫度的關(guān)系曲線，縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)均是溫度r / K。
[0017]圖5是本發(fā)明熱電半導(dǎo)體溫度傳感片降溫時(shí)的輸出電壓與瞬態(tài)環(huán)境溫度的關(guān)系曲線，其中縱坐標(biāo)是輸出電壓K，橫坐標(biāo)是溫度T / K。
[0018]圖中序號的名稱為:1、噴Ni層，2、鍍Ni層，3、鍍Sn95Ag5層，4、Cu導(dǎo)流片。
【具體實(shí)施方式】
[0019]現(xiàn)結(jié)合附圖1?5，以該熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)的具體制備工藝為例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0020]步驟一:溫度傳感片熱電半導(dǎo)體p-型材料采用(Cu4Te3)aci25- (Bia5Sbh5Te3)a975贗兩元合金，該合金在170°C左右時(shí)，可以獲得最佳熱電性能(ZT=L 2);溫度傳感片熱電半導(dǎo)體η-型材料采用(Bi2Te3)a9-(Bih9CuaiSe3)ai贗兩元合金，該合金在144°C左右時(shí)，獲得最佳熱電性能(ZT=0.98)。根據(jù)熱電對的尺寸進(jìn)行切割，P-型和η-型單臂材料的尺寸為
2.1.Ar 1.4 mm3，其中 2.2 mm 為高度。
[0021]步驟二:每個(gè)熱電半導(dǎo)體溫度傳感片共設(shè)計(jì)127對。每對熱電半導(dǎo)體傳感片的單臂兩端面先噴Ni。具體是:先在200°C溫度下采用YW-201水溶性助劑去除熱點(diǎn)片兩端面的表面氧化物，然后在熱電片兩端面噴Ni，噴Ni層I的厚度控制在0.15?0.25微米，將噴Ni后的熱點(diǎn)片在50°C?60°C的真空環(huán)境中烘烤9?11小時(shí)。[0022]步驟三:在噴Ni的基礎(chǔ)上，采用多靶磁控濺射儀鍍Ni。具體是:鍍Ni前采用YW-201水溶性助劑去除噴Ni層表面的表面氧化物，然后采用射頻磁控濺射法在噴Ni層表面鍍Ni，鍍Ni層2厚度控制在0.15?0.25微米，鍍Ni后在50°C?60°C的真空環(huán)境中進(jìn)行5小時(shí)的退火熱處理。
[0023]步驟四:鍍Sn95Ag5層3,將鍍Ni后的熱電半導(dǎo)體浸在熔融的Sn95Ag5液體中，浸潰時(shí)間2?3秒，取出后，在50°C?60°C的真空環(huán)境中烘烤9?11小時(shí)。
[0024]步驟五:烘烤后的熱電半導(dǎo)體以Sn95Ag5作為焊劑，將熱電半導(dǎo)體Sn95Ag5層的端面焊接至Cu導(dǎo)流片4上。完成焊接工藝后，再在50°C?60V的真空環(huán)境中退火9?11小時(shí)。
[0025]步驟六:完成127對的單臂制造后，將127對P-型和η-型單臂串聯(lián)，兩端引出導(dǎo)線。然后再用導(dǎo)熱膠將127對熱電半導(dǎo)體的Cu導(dǎo)流片膠在同一塊白瓷片上，四周也用導(dǎo)熱膠封裝。
[0026]步驟七:為了測試其溫度傳感功能，在溫度傳感片的另一面采用散熱裝置。這樣，溫度傳感片的一面將感受來自高溫?zé)嵩吹臒崃?，另一面則安裝散熱裝置進(jìn)行散熱，以此可以維持兩面的溫差。溫度檢測時(shí)，將半導(dǎo)體兩面聯(lián)到溫度檢測裝置，再通過專用芯片聯(lián)接到顯示器。顯示器不僅可以讀取兩端的瞬時(shí)電壓差，也可以讀取瞬時(shí)的溫度數(shù)據(jù)。同時(shí)，當(dāng)溫度傳感片一端感受到高溫?zé)嵩春螅€可以通過編程軟件在電腦上自動(dòng)采集并計(jì)算每一個(gè)設(shè)定溫度點(diǎn)時(shí)溫度傳感片兩端面的10個(gè)溫度測試數(shù)據(jù)及相應(yīng)的電壓差，用以精確計(jì)算平均測試溫度及電壓差。
[0027]步驟八:溫度檢測時(shí)，采用升溫和降溫兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從室溫開始檢測，最高溫度設(shè)定為90°C，設(shè)定檢測溫度間隔大約為5 '當(dāng)環(huán)境溫度升高或降低到設(shè)定溫度后2秒內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，作為瞬時(shí)測試數(shù)據(jù)。當(dāng)時(shí)間延長后，由于熱傳導(dǎo)效應(yīng)，兩端面的溫差將逐漸減小。
【權(quán)利要求】
1.一種熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)，該單臂結(jié)構(gòu)包括熱電半導(dǎo)體，及位于熱電半導(dǎo)體兩端的Cu導(dǎo)流片(4)，其特征在于所述熱電半導(dǎo)體的兩端與各自Cu導(dǎo)流片(4)之間設(shè)有三個(gè)過渡層，分別為噴Ni層(I)、鍍Ni層(2)、鍍5119^&層(3)，由熱電半導(dǎo)體的端部至Cu導(dǎo)流片表面依次為噴Ni層、鍍Ni層、鍍Sn95Ag5層。
2.一種如權(quán)利要求1所述的熱電半導(dǎo)體溫度傳感片的單臂結(jié)構(gòu)的制備工藝，其特征在于該制備工藝包括以下步驟: 步驟一:噴Ni層(1)，先在200°C溫度下采用YW-201水溶性助劑去除熱電半導(dǎo)體兩端面的表面氧化物，然后在熱電半導(dǎo)體兩端面噴Ni，噴Ni層的厚度控制在0.15~0.25微米，將噴Ni后的熱電半導(dǎo)體在50°C~60°C的真空環(huán)境中烘烤9~11小時(shí)； 步驟二:鍍Ni層(2)，鍍Ni前采用YW-201水溶性助劑去除噴Ni層表面的表面氧化物，然后采用射頻磁控濺射法在噴Ni層表面鍍Ni，鍍Ni層厚度控制在0.15~0.25微米，鍍Ni后在50°C~60°C的真空環(huán)境中進(jìn)行4飛小時(shí)的退火熱處理； 步驟三:鍍Sn95Ag5層(3)，采用熱浸焊法將第二步得到的熱電半導(dǎo)體浸在熔融的Sn95Ag5液體中，浸潰時(shí)間2~3秒，取出清洗后，在50°C~60°C的真空環(huán)境中烘烤9~11小時(shí)； 步驟四:釬焊:以Sn95AgJt為焊劑，在第三步得到的熱電半導(dǎo)體鍍Sn95Ag5層的端面釬焊至Cu導(dǎo)流片(4)上； 步驟五:將第四步制得的熱電半導(dǎo)體單臂在50°C~60°C的真空環(huán)境中退火9~11小時(shí)。`
【文檔編號】G01K7/01GK103698035SQ201310652532
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】崔教林, 吳文昌 申請人:寧波工程學(xué)院