专利名称：一种高频响薄膜热电极温度传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高频响薄膜热电极温度传感器及其制备方法，属于测试技术领域。
背景技术：
在大量的科学研究和实际生产中，温度是一个非常重要的测量物理量，其中对瞬变温度的测量一直都是该研究领域的重点和难点。普通的测量方法如普通热电偶或热电阻温度传感器以及红外测温仪等都存在响应时间过长等缺陷，难以满足快速变化条件的温度测量。特别是在气动系统中，由于气体的热容小，在充放气过程中气体的温度随着压缩比的变化而快速改变，以上提出的测量方法都不具有可操作性，或是存在较大的测量误差。随着低维材料技术的发展，一种基于赛贝克效应的薄膜热电极应运而生。由于具有热容小、响应迅速等优点，所以非常适合用来测量瞬变温度。目前，对于薄膜热电极的研究过程中发现存在以下问题薄膜热电极的灵敏度偏低、以及薄膜热电极与基底之间的结合力较小，在测温过程容易出现薄膜热电极脱离现象。

发明内容
本发明为了解决上述的技术问题而提供了一种高频响薄膜热电极温度传感器，该高频响薄膜热电极温度传感器，不仅提高了薄膜热电极传感器的灵敏度，而且还有效解决了薄膜热电极结合力偏小，在测温过程容易出现薄膜热电极脱离的技术问题。本发明的目的之二是提供上述的一种高频响薄膜热电极温度传感器的制备方法。本发明的技术方案
一种高频响薄膜热电极温度传感器，包括单晶硅基底、两根温度补偿导线、Cu薄膜热电极和CuNi薄膜热电极，另外还包括一层SiO2薄膜阻挡层，其厚度优选为80 IOOnm ；所述的SiO2薄膜阻挡层是采用磁控溅射法镀制于单晶硅基底的上表面，SiO2薄膜阻挡层除了起到绝缘的作用外，还可以提高Cu薄膜热电极和CuNi薄膜热电极与单晶硅基底间的结合强度，进而避免了 Cu薄膜热电极和CuNi薄膜热电极薄膜脱落的现象；
所述的Cu薄膜热电极和CuNi薄膜热电极分别采用磁控溅射法镀制在SiO2薄膜阻挡层上，且所述的Cu薄膜热电极和CuNi薄膜热电极在SiO2薄膜阻挡层上搭接形成一个热结点块，其面积优选为3_8mm"；
所述的两根温度补偿导线分别用导电银胶与Cu薄膜热电极、CuNi薄膜热电极相连； 所述的Cu薄膜热电极和CuNi薄膜热电极的厚度优选均为O. 5-2um。上述的一种高频响薄膜热电极温度传感器的制作方法，包括以下步骤
(1)、用丙酮和去离子水对单晶硅基底各清洗10_20min，烘干后，再用丙酮和去离子水进行反派清洗10-20min ；
(2)、将步骤(I)清洗后所得的单晶硅基底的上表面采用磁控溅射法镀制一层SiO2薄膜阻挡层；即首先装上Φ75πιπι的SiO2靶材，调节靶间距为40-70mm，然后将清洗好的单晶硅基底装卡在不锈钢夹具上并送入溅射室内的基片架上，关闭溅射室抽真空，控制本底真空度为
0.5 X Kr3 I. O X l(T3Pa，然后充入充入工作气体Ar，其中Ar气流量为30_40sccm，压力为
1.5-2. 5pa,溅射时间控制在10-20min，镀制完毕后取出待用；
(3)、将步骤(2)中所得的镀有SiO2薄膜阻挡层的单晶硅基底装卡在不锈钢夹具，并且盖上一层铝箔所制的掩膜，使待镀Cu薄膜电极的部位裸露而其他部位全部被所述的铝箔所制的掩膜所遮盖，送入溅射室内的基片架上，装上Φ75πιπι的纯铜靶，调节靶间距为40-70mm ;
把溅射室抽成真空，控制背底真空度O. 5X10_3 I. 0X10_3Pa，充入工作气体Ar，其中Ar 气流量为 10_20sccm,压力为 O. 8-1. 2pa ；
启动溅射电源，调整溅射功率到50W，根据沉积速率为5-15nm/min，调整沉积时间为100-140min，并对单晶硅基底加热温度约为40°C，制作出Cu薄膜热电极；
(4)、将步骤(3)镀制的具有Cu薄膜热电极的单晶硅基底随炉冷却10-20min后，取出不锈钢夹具，更换另一片铝箔所制的掩膜，使单晶硅基底上的待镀CuNi薄膜电极的部位裸露出来，而其他部位则全部用所述的另一片铝箔所制的掩膜遮盖，然后再重新装卡在不锈钢夹具上；
(5)、将步骤(4)装卡在不锈钢夹具上的镀制有Cu薄膜热电极的单晶硅基底及不锈钢夹具一起送入溅射室中，装上0 75mm的CuNi靶，调节靶间距为40_70mm ；
把溅射室抽成真空，控制背底真空度O. 5X10_3 I. 0X10_3Pa，充入工作气体Ar，其中Ar 气流量为 30_40sccm,压力为 O. 4-0. 8pa ；
启动溅射电源，调整溅射功率到40W，根据沉积速率为8-12nm/min，调整沉积时间为80-125min，并对单晶硅基底加热温度约为40°C，制作出CuNi薄膜热电极，并且保证镀制而成的CuNi薄膜热电极和步骤(3)镀制而成的Cu薄膜热电极搭接形成一个热结点块；
(6)、将步骤(3)镀制的Cu薄膜热电极和步骤(5)镀制的CuNi薄膜热电极上分别用导电银胶连接一根温度补偿导线，即得一种高频响薄膜热电极温度传感器。本发明的有益效果
本发明的一种高频响薄膜热电极温度传感器，由于制备过程中采用磁控溅射法在单晶硅基底上镀制了 Cu和CuNi薄膜热电极，并在单晶硅基底与Cu和CuNi薄膜热电极之间镀有SiO2薄膜阻挡层，因此可实现对瞬变温度的测量，还进一步提高了薄膜热电极的灵敏度，其灵敏度可达46. 67μν/νο另外，本发明的一种高频响薄膜热电极温度传感器，由于镀制有SiO2薄膜阻挡层，并且在镀制Cu和CuNi薄膜热电极过程中对单晶硅基底加热，提高了 Cu和CuNi薄膜热电极与单晶硅基底之间的结合强度，采用兰州中科凯华公司研制的WS-2005型薄膜附着力自动划痕仪，通过声发射检测Cu和CuNi薄膜热电极与单晶硅基底之间的结合强度可达18. 15Ν,而没有镀制SiO2情况下，其结合强度仅为10. 75Ν,因此，本发明的一种高频响薄膜热电极温度传感器解决了 Cu和CuNi薄膜热电极容易从单晶硅基底上脱落的问题，从而具有很大的实际应用价值。


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图1，本发明的一种高频响薄膜热电极温度传感器结构示意图，图中I为Cu薄膜热电极，2为热结点块，3为CuNi薄膜热电极，41、42分别为补偿导线，5为单晶硅基底，6为SiO2薄膜阻挡层。
具体实施例方式下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。实施例I
一种高频响薄膜热电极温度传感器，其结构示意图如图所示，其中I为Cu薄膜热电极，2为热结点块，3为CuNi薄膜热电极，41、42分别为温度补偿导线，5为单晶硅基底，6为SiO2薄膜阻挡层；
所述的SiO2薄膜阻挡层6采用磁控溅射法镀制于单晶硅基底5的上表面，厚度为80 IOOnm ；
所述的Cu薄膜热电极I和CuNi薄膜热电极2采用磁控溅射法镀制在SiO2薄膜阻挡层6上，且所述的Cu薄膜热电极I和CuNi薄膜热电极2在SiO2薄膜阻挡层上搭接形成一个热结点块2，其面积为3-8 mm2 ；
所述的两根温度补偿导线分别用导电银胶与Cu薄膜热电极、CuNi薄膜热电极相连； 所述的Cu薄膜热电极和CuNi薄膜热电极的厚度为O. 5-2um。上述的一种高频响薄膜热电极温度传感器的制备方法，包括如下步骤
(1)、用丙酮和去离子水对单晶硅基底5各清洗10-20min，烘干后，再用丙酮和去离子水进行反派清洗10-20min ；
(2)、将步骤(I)清洗后所得的单晶硅基底5的上表面采用磁控溅射法镀制一层厚度为8(Tl00nm的SiO2薄膜阻挡层6 ；
即首先装上Φ75πιπι的SiO2靶材，调节靶间距为40_70mm，然后将清洗好的单晶硅基底5装卡在不锈钢夹具上并送入溅射室内的基片架上，关闭溅射室抽真空，控制本底真空度为
0.5 X 1(Γ3 I. O X 10 ,然后充入充入工作气体Ar，其中Ar气流量为30_40sccm，压力为
1.5-2. 5pa,溅射时间控制在10-20min，镀制完毕后取出待用；
(3)、将步骤(2)中所得的镀有SiO2薄膜阻挡层6的单晶硅基底5装卡在不锈钢夹具，并且在镀有SiO2薄膜阻挡层的基底上盖上一层铝箔所制的掩膜，使待镀Cu薄膜电极的部位裸露而其他部位全部被所述的铝箔所制的掩膜所遮盖，送入溅射室内的基片架上，装上Φ 75mm的纯铜祀，调节祀间距为40_70mm ；
把溅射室抽成真空，背底真空度O. 5X10_3 I. 0X10_3Pa，充入工作气体Ar，其中Ar气流量为10_20sccm,压力为O. 8-1. 2 pa ；
启动溅射电源，调整溅射功率到50W，根据沉积速率为5-15nm/min，调整沉积时间为100-140min，并对单晶硅基底加热温度约为40°C，制作出厚度为O. 5_2um的Cu薄膜热电极I ;
(4)、将步骤(3)所得的镀制有Cu薄膜热电极I的单晶硅基底5随炉冷却10-20min后， 取出不锈钢夹具，更换另外一片铝箔所制的掩膜，使单晶硅基底5上除了需要镀制CuNi薄膜热电极3的部位裸露以外，其他部位全部被所述的另外一片铝箔所制的掩膜所遮盖，然后再重新装卡在不锈钢夹具上；(5)、将步骤(4)装卡在 不锈钢夹具 上的镀制有Cu薄膜热电极I的单晶硅基底5及不锈钢夹具一起送入溅射室中，装上Φ75πιπι的CuNi祀，调节靶间距为40-70mm ；
把溅射室抽成真空，背底真空度O. 5X10—3 I. O X10_3Pa，充入工作气体Ar，其中Ar气流量为30_40sccm,压力为O. 4-0. 8pa ；
启动溅射电源，调整溅射功率到40W，根据沉积速率为8-12nm/min，调整沉积时间为80-125min,并对单晶硅基底加热温度约为40°C，制作出厚度为O. 5_2um的CuNi薄膜热电极3，并且保证镀制而成的CuNi薄膜热电极3和步骤(3)镀制而成的Cu薄膜热电极I搭接形成一个面积为3-8 #2 2的热结点块2 ；
(6)、将步骤(3)镀制的Cu薄膜热电极I和步骤(5)镀制的CuNi薄膜热电极3上分别用导电银胶连接好温度补偿导线41及温度补偿导线42，最终得一种高频响薄膜热电极温度传感器。上述所制备的高频响薄膜热电极温度传感器经过静态标定实验获得其灵敏度，SP将所制备的高频响薄膜热电极温度传感器放入BPG-9200AH型恒温箱内，其补偿导线引出连接在Keithley 2000型多功能数字万用表的接线端，通过调节YLD-2000型智能数字温控仪，每隔10°C记录万用表所现实上的电压值，采用线性回归方法对测量结果进行数据处理，得到了其灵敏度，并与国家标准GB/T 2903-1998所规定的普通Cu/CuNi热电偶的灵敏度进行对比，结果见表I。表I、两种热电偶灵敏度对比__
权利要求
1.一种高频响薄膜热电极温度传感器，包括单晶硅基底、两根温度补偿导线、采用磁控溅射法镀制而成的Cu薄膜热电极和CuNi薄膜热电极，其特征在于还包括SiO2薄膜阻挡层； 所述SiO2薄膜阻挡层采用磁控溅射法镀制于单晶硅基底的上表面； 所述的Cu薄膜热电极、CuNi薄膜热电极溅射在SiO2薄膜阻挡层上，且所述的Cu薄膜热电极、CuNi薄膜热电极在SiO2薄膜阻挡层上搭接形成一个热结点块； 所述的两根温度补偿导线分别用导电银胶与Cu薄膜热电极、CuNi薄膜热电极相连。
2.如权利要求I所述的一种高频响薄膜热电极温度传感器，其特征在于所述的Cu薄膜热电极和CuNi薄膜热电极的厚度均为O. 5-2um。
3.如权利要求2所述的一种高频响薄膜热电极温度传感器，其特征在于所述的SiO2薄膜阻挡层的厚度为8(Tl00nm。
4.如权利要求2所述的一种高频响薄膜热电极温度传感器，其特征在于所述的热结点块的面积为3_8mm2。
5.如权利要求1、2、3或4所述的一种高频响薄膜热电极温度传感器的制作方法，其特征在于包括以下步骤 (1)、用丙酮和去离子水对单晶硅基底各清洗10_20min，烘干后，再用丙酮和去离子水进行反派清洗10-20min ； (2)、将步骤(I)清洗后所得的单晶硅基底的上表面采用磁控溅射法镀制SiO2阻挡层； 即首先装上Φ75πιπι的SiO2靶材，调节靶间距为40_70mm，然后将清洗好的单晶硅基底装卡在不锈钢夹具上并送入溅射室内的基片架上，关闭溅射室抽真空，控制本底真空度为0.5 X 1(Γ3 I. O X 10 ,然后充入充入工作气体Ar，其中Ar气流量为30_40sccm，压力为1.5-2. 5pa,溅射时间控制在10-20min，镀制完毕后取出待用； (3)、将步骤(2)中所得的镀有SiO2薄膜阻挡层的单晶硅基底装卡在不锈钢夹具，并且盖上一层铝箔所制的掩膜，使待镀Cu薄膜电极的部位裸露而其他部位全部被所述的铝箔所制的掩膜所遮盖，送入溅射室内的基片架上，装上Φ75πιπι的纯铜靶，调节靶间距为40_70mm ; 把溅射室抽成真空，控制背底真空度O. 5X10_3 I. 0X10_3Pa，充入工作气体Ar，其中Ar 气流量为 10_20sccm,压力为 O. 8-1. 2pa ； 启动溅射电源，调整溅射功率到50W，根据沉积速率为5-15nm/min，调整沉积时间为100-140min，并对单晶硅基底加热温度约为40°C，制作出Cu薄膜热电极； (4)、将步骤(3)镀制的具有Cu薄膜热电极的单晶硅基底随炉冷却10-20min后，取出不锈钢夹具，更换另一片铝箔所制的掩膜，使单晶硅基底上的待镀CuNi薄膜电极的部位裸露出来，而其他部位则全部用所述的另一片铝箔所制的掩膜遮盖，然后再重新装卡在不锈钢夹具上； (5)、将步骤(4)装卡在不锈钢夹具上的镀制有Cu薄膜热电极的单晶硅基底及不锈钢夹具一起送入溅射室中，装上Φ75πιπι的CuNi靶，调节靶间距为40-70mm ； 把溅射室抽成真空，控制背底真空度O. 5X10_3 I. 0X10_3Pa，充入工作气体Ar，其中Ar 气流量为 30_40sccm,压力为 O. 4-0. 8pa ； 启动溅射电源，调整溅射功率到40W，根据沉积速率为8-12nm/min，调整沉积时间为80-125min，并对单晶硅基底加热温度约为40°C，制作出CuNi薄膜热电极，并且保证镀制而成的CuNi薄膜热电极和步骤(3)镀制而成的Cu薄膜热电极搭接形成一个热结点块； (6)、将步骤(3)镀制的Cu薄膜热电极和步骤(5)镀制的CuNi薄膜热电极上分别用导电银胶连接一根温度补偿导线，即得一种高频响薄膜热电极温度传感器。
全文摘要
本发明公开一种高频响薄膜热电极温度传感器及其制备方法，所述的高频响薄膜热电极温度传感器，包括单晶硅基底、两根温度补偿导线、采用磁控溅射法镀制而成的Cu薄膜热电极和CuNi薄膜热电极，另外还包括镀制于单晶硅基底表面上的SiO2薄膜阻挡层；所述的Cu薄膜热电极、CuNi薄膜热电极溅射在SiO2薄膜阻挡层上，且所述的Cu薄膜热电极、CuNi薄膜热电极在SiO2薄膜阻挡层上搭接形成一个热结点块；两根温度补偿导线分别用导电银胶与Cu薄膜热电极、CuNi薄膜热电极相连。本发明的一种高频响薄膜热电极温度传感器灵敏度高，同时避免了Cu和CuNi薄膜热电极在高温测试过程中发生脱落。
文档编号G01K7/04GK102636282SQ20121011750
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月20日 优先权日2012年4月20日
发明者关超, 周华, 孙金祥, 孙骞, 徐敏, 杨丽红, 赵源深, 陈皓帆 申请人:上海理工大学