快速測溫的微納米級鉑電阻溫度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種快速測溫的微納米級鉑電阻溫度傳感器，包括電源、精確電阻，以及感溫部件；感溫部件部分固定在固定部件上，固定部件為中間開孔的襯底片；感溫部件包括多個彎折的測溫鉑薄膜電阻塊，鉑薄膜電阻塊之間通過連接片連接，連接片部分固定在襯底片的中間孔邊緣，多個鉑薄膜電阻塊和連接片串聯(lián)形成環(huán)形懸于中間孔內(nèi)；環(huán)形的感溫部件的首尾通過導(dǎo)線與電源、精確電阻組成回路。本發(fā)明可以根據(jù)回路中感溫部件中鉑電阻隨溫度的變化來快速測量流體溫度。
【專利說明】快速測溫的微納米級鉑電阻溫度傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及溫度傳感器，尤其涉及一種快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器。
[0002]_

【背景技術(shù)】
[0003]溫度傳感器是用來測量溫度并感應(yīng)溫度變化使其轉(zhuǎn)化為輸出信號的儀器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)等部門。
[0004]目前，在溫度傳感器領(lǐng)域，因響應(yīng)速度較慢而不能及時反應(yīng)被測溫度的變化是一大缺陷，主要原因是傳感器內(nèi)部感溫介質(zhì)溫度傳遞速度太慢，特別是外部被測溫度通過感溫介質(zhì)傳遞到傳感器中心距離較長時。而傳統(tǒng)的熱電阻溫度傳感器由于測溫元件與被測物體要良好的熱接觸，進(jìn)行熱傳導(dǎo)和對流換熱而達(dá)到熱平衡，達(dá)到熱平衡時的顯示值即為被測物體的溫度值。這種測溫法精度較高，并可以測出物體內(nèi)部的溫度分布。但對于溫度變化非?？斓膱鏊?，現(xiàn)有的溫度傳感器在測溫響應(yīng)時間、精度等方面已無法滿足。因此隨著微電子技術(shù)、自動測試技術(shù)的發(fā)展，溫度測量越趨于微型化、自動化、快速化。
[0005]熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的變化而變化這一特性來進(jìn)行溫度測量的，故只需測出感溫?zé)犭娮璧淖柚底兓?，就可知對?yīng)的溫度值。應(yīng)用較多的熱電阻材料包括銅、鉬、鎳及鎳鐵合金，由于高純度鉬及其合金具有較高的電阻溫度系數(shù)、耐高溫、耐腐蝕、測溫范圍大及材料強(qiáng)度高等特性，而被廣泛用于溫度測量領(lǐng)域。
[0006]傳統(tǒng)的鉬電阻溫度傳感器的感溫元件一般是用較粗的鉬絲繞制成的，而感溫元件的骨架或基片常采用陶瓷、玻璃、云母等，鉬絲再與骨架或基片經(jīng)過復(fù)雜的工藝加工而成。由于感溫部件和骨架或基片的體積都比較大，因而整個傳感器具有較大的熱容量。這使得傳統(tǒng)的電阻測溫傳感器的時間常數(shù)都不能達(dá)到很小，因而限制了此種傳感器在快速測溫領(lǐng)域中的應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的發(fā)明目的，在于采用懸空布置的微納米級鉬(Pt)薄膜電阻作為感溫元件，該設(shè)計(jì)的感溫元件體積小，重量輕，熱容量小，具有極小的時間常數(shù)，能實(shí)現(xiàn)快速測溫。
[0008]本發(fā)明為達(dá)上述目的所采用的技術(shù)方案是:
提供一種快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器，包括電源、精確電阻，以及感溫部件；
感溫部件部分固定在固定部件上，固定部件為中間開孔的襯底片；
感溫部件包括多個彎折的測溫鉬薄膜電阻塊，鉬薄膜電阻塊之間通過連接片連接，連接片部分固定在襯底片的中間孔邊緣，多個鉬薄膜電阻塊和連接片串聯(lián)形成環(huán)形懸于中間孔內(nèi)；環(huán)形的感溫部件的首尾通過導(dǎo)線與電源、精確電阻組成回路。
[0009]本發(fā)明所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器中，彎折的鉬薄膜電阻塊為折線型。
[0010]本發(fā)明所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器中，彎折的鉬薄膜電阻塊為正弦波型、方波型或者三角波形。
[0011]本發(fā)明所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器中，連接片為與測溫鉬薄膜電阻塊采用同樣加工工藝實(shí)現(xiàn)的方塊形鉬薄膜塊。
[0012]本發(fā)明所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器中，連接片和鉬薄膜電阻塊的厚度相同。
[0013]本發(fā)明所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器中，連接片和鉬薄膜電阻塊均為采用鉬濺射和剝離工藝在硅片表面形成微納米圖形。
[0014]本發(fā)明所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器中，襯底片可為硅片、玻璃片或者陶瓷片。
[0015]本發(fā)明所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器中，中間孔的形狀可以是圓形，方形或其它形狀，該中間孔可為通孔或非通孔。
[0016]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明采用微米納米級別的感溫部件，并將感溫部件設(shè)計(jì)為環(huán)形，使串聯(lián)的感溫薄膜電阻的電阻值占回路中總電阻值的一個較大份額，而連接片電阻值很小，因此可以確保感溫部件在所測環(huán)境溫度變化時能及時響應(yīng)，產(chǎn)生明顯的電阻信號變化。從而可以根據(jù)回路中感溫部件的鉬電阻隨溫度的變化來快速測量流體溫度。
[0017]本發(fā)明的發(fā)明目的，在于采用懸空布置的微納米級鉬(Pt)薄膜電阻作為感溫元件，該設(shè)計(jì)的感溫元件體積小，重量輕，熱容量小，具有極小的時間常數(shù)，能實(shí)現(xiàn)快速測溫。
[0018]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
圖1是本發(fā)明實(shí)施例的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例懸空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的微納米尺度鉬電阻感溫部件結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例感溫部件與固定部件立體圖；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例固定部件的圓通孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)立體示意圖；
圖5是本發(fā)明實(shí)施例感溫部件中感溫電阻塊和連接片的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。
[0020]

【具體實(shí)施方式】
[0021]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0022]本發(fā)明解決了比如汽車發(fā)動機(jī)點(diǎn)火瞬間或往復(fù)式壓縮機(jī)周期運(yùn)動過程中，要求測溫響應(yīng)時間極短且變溫劇烈的場所的溫度測量問題，提供了一種可快速測溫的微納米級鉬電阻的溫度傳感器。
[0023]如圖1所示，該傳感器主要包括四個結(jié)構(gòu):感溫部件1，固定部件2，精確電阻3(精度較高的電阻)和電源4。感溫部件I的部分固定在固定部件2上，如圖4所示，固定部件2為中間開孔的襯底片；感溫部件I包括多個彎折的測溫鉬薄膜電阻塊6，鉬薄膜電阻塊6之間通過連接片5連接，連接片5的部分固定在襯底片的中間孔邊緣，多個鉬薄膜電阻塊6和連接片5串聯(lián)形成環(huán)形懸于中間孔內(nèi)，如圖3所示；環(huán)形的感溫部件I的首尾通過導(dǎo)線8與電源4、精確電阻3組成回路，如圖1所示。
[0024]如圖2所示，本發(fā)明的一個實(shí)施例中，感溫部件I是由懸空布置的感溫微納米鉬薄膜電阻塊6和鉬薄膜連接片5組成。如圖3和5所示，該感溫鉬薄膜電阻塊6為折線型，如方波型、三角波型、正余弦波型或其它折線形狀。連接片5部分固定在襯底片7上，部分伸出襯底片形成懸空結(jié)構(gòu)，該連接片的懸空結(jié)構(gòu)連接著各個懸空的串聯(lián)鉬薄膜電阻，這樣各組鉬薄膜電阻塊6通過連接片5串聯(lián)在一起，并圍成一個環(huán)形。鉬薄膜電阻塊6可為一條100微米長的電阻塊經(jīng)過彎折而成。
[0025]感溫部件I設(shè)計(jì)為環(huán)形，這樣做的目的是使串聯(lián)的方波型或其他折線形的感溫薄膜電阻6的電阻值占回路中總電阻值的一個較大份額，而連接片5是接近方形的幾何形狀，其電阻值很小。這種幾何尺寸和形狀的設(shè)計(jì)可以確保感溫部件I在所測環(huán)境溫度變化時能及時響應(yīng)，產(chǎn)生明顯的電阻信號變化。其中的鉬薄膜電阻塊6為一個彎折成方波型或其它折線形狀的長方體鉬電阻塊，長方體薄膜電阻可看作由許多個正方體薄膜電阻串聯(lián)而成。
由物體的電阻公式iT =##，對于正方體，長度L與橫截面A的比數(shù)值上等于厚度的倒數(shù)。

A
由此可知，正方體的電阻值的大小只與厚度有關(guān)。
[0026]連接片5為厚度與鉬薄膜電阻塊6的厚度相同的鉬薄膜片，兩者為采用相同加工工藝實(shí)現(xiàn)的方塊形鉬薄膜塊。均采用MEMS (Micro Electro Mechanical System,微機(jī)電系統(tǒng))濺射和剝離(lift-off)工藝完成。測溫時連接片5僅懸空部分與被測流體環(huán)境接觸，由于連接片5的電阻值遠(yuǎn)小于鉬薄膜電阻塊6的電阻值，這大大降低了連接片5的電阻值對感溫部件I總電阻因溫度變化快引起電阻率變化的影響。該設(shè)計(jì)使得溫度敏感部分主要集中在鉬薄膜電阻塊6，保證感溫部件I具有極小的時間常數(shù)。
[0027]固定部件2為一塊表面有一層氧化硅的很薄很寬中間有孔(孔的大小足夠容納鉬薄膜電阻塊6)的襯底片。連接片5可采用濺射的工藝部分固定在襯底片7的孔邊緣處，使鉬薄膜電阻塊6懸空(如圖3所示)，由此，主要感溫部分鉬薄膜電阻塊6的質(zhì)量和熱容量都大大減小，其感溫時間常數(shù)也大大減小。測溫時感溫部件I中的鉬薄膜電阻塊6與被檢測流體直接接觸，利用鉬薄膜電阻塊6能迅速隨著環(huán)境溫度的變化而發(fā)生自身電阻值的變化這一特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速測溫。
[0028]測溫電路的實(shí)現(xiàn)可通過在精確電阻3兩端接一個電壓表，用來讀取測溫過程中由于溫度而引起鉬薄膜電阻塊6電阻變化，進(jìn)而引起精確電阻3兩端的電壓變化信號。
[0029]該傳感器可采用MEMS加工工藝，工藝設(shè)計(jì)簡單，可靠性高。其中鉬薄膜電阻塊6和連接片5均采用標(biāo)準(zhǔn)的金屬濺射和剝離(lift-off)工藝，作為固定部件的襯底片7可選用娃片或者玻璃片。本發(fā)明的一個較佳實(shí)施例中選用娃片，可將娃襯底片先淀積一層二氧化娃，再采用DRIE (Deep reactive 1n etch,深度反應(yīng)離子刻蝕)工藝，刻蝕出一個通孔?；蛟谟薪饘俚囊幻嬉詷?biāo)準(zhǔn)腐蝕工藝刻蝕出一個凹坑，使金屬感溫部件懸空。
[0030]該傳感器的工作原理為:利用鉬的電阻率隨溫度變化而變化這一基本原理，測溫時感溫部件I中的鉬薄膜電阻塊6處于溫度場中感應(yīng)溫度變化，溫度引起鉬電阻率使電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化，再帶動回路中的電流發(fā)生相應(yīng)變化，最終加在精確電阻3兩端的電壓也變化，進(jìn)而根據(jù)電壓表讀取的變化信號，利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)公式表示出被測環(huán)境溫度引起電阻變化過程中的溫度與時間的關(guān)系式。
[0031]該快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器一個微加工過程的實(shí)例為:
I)采用雙面拋光硅片。硅片先用標(biāo)準(zhǔn)的清洗工藝清洗，然后采用淀積工藝在硅片的一個表面上生成一層二氧化娃(Si02)。
[0032]2)在生成二氧化硅(S12)的硅片表面，采用鉬(Pt)濺射和剝離(lift-off)工藝在硅片表面形成感溫部件和連接片的微納米圖形。
[0033]采用MEMS標(biāo)準(zhǔn)的深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)工藝，從無鉬薄膜的硅片表面刻蝕出硅圓通孔結(jié)構(gòu)，直到達(dá)到另一表面的鉬金屬結(jié)構(gòu)層，最終得到圖2、3的結(jié)構(gòu)。其中腐蝕的掩膜層可直接用光刻膠或氮化硅(Si3N4)薄層。
[0034]本發(fā)明實(shí)施例的傳感器具有以下特點(diǎn):1)該傳感器由于結(jié)構(gòu)緊奏，微型化較高，故其可應(yīng)用于溫度變化快的場所，如航空航天、汽車內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、冶金、電子、藥和石油化工等測溫要求快速、傳熱迅速場合。2)感溫部分設(shè)計(jì)為環(huán)形的懸空布置的微納米級鉬電阻，這樣既大大減小電阻塊質(zhì)量和熱容量，又不會影響到傳熱的快速進(jìn)行。3)該溫度傳感器具有非常小的時間常數(shù)，是一種根據(jù)回路中鉬電阻隨溫度變化來快速測量流體溫度的傳感器。
[0035]應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器，其特征在于，包括電源、精確電阻，以及微納米級的感溫部件； 感溫部件部分固定在固定部件上，固定部件為中間開孔的襯底片； 感溫部件包括多個彎折的測溫鉬薄膜電阻塊，鉬薄膜電阻塊之間通過連接片連接，連接片部分固定在襯底片的中間孔邊緣，多個鉬薄膜電阻塊和連接片串聯(lián)形成環(huán)形懸于中間孔內(nèi)；環(huán)形的感溫部件的首尾通過導(dǎo)線與電源、電阻組成回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器，其特征在于，彎折的鉬薄膜電阻塊為折線型。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器，其特征在于，彎折的鉬薄膜電阻塊為正弦波型、方波型或者三角波形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器，其特征在于，連接片為與測溫鉬薄膜電阻塊采用同樣加工工藝實(shí)現(xiàn)的方塊形鉬薄膜塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器，其特征在于，連接片和鉬薄膜電阻塊的厚度相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器，其特征在于，連接片和鉬薄膜電阻塊均為采用鉬濺射和剝離工藝在硅片表面形成微納米圖形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器，其特征在于，襯底片為硅片、玻璃片或者陶瓷片。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的快速測溫的微納米級鉬電阻溫度傳感器，其特征在于，中間孔的形狀為圓形或者方形，且該中間孔為通孔或非通孔。
【文檔編號】G01K7/18GK104132745SQ201410403064
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月15日
【發(fā)明者】鄧佩剛, 秦自強(qiáng), 梅弘斌 申請人:武漢工程大學(xué)