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          1. 傳感項目
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            快速響應薄膜溫度傳感器研制方案報告

            發布時間:2019-7-20??????發布人:澤天傳感??????點擊:

            (一)項目概述

            國內外最常用的三種接觸式測溫元件是熱電偶、電阻溫度計(RTD)和NTC熱敏電阻。熱電偶的工作溫度范圍寬,但易受噪聲影響,漂移較高,500℃以下測量精度及穩定性較差。NTC熱敏電阻靈敏度高,但穩定性差、線性與互換性差,阻值偏差大。遠距離、非接觸式測溫中用得多的是紅外溫度傳感器,但它受水氣、煙霧、塵霧、塵埃等影響較大,這些都不適合環境惡劣的軍用傳感器性能要求。在低、中溫段,以電阻溫度計的線性最好,尤其是鉑熱敏電阻,憑借其上佳的線性和無與倫比的長期穩定性,確立了自己作為溫度參考傳遞國際標準的地位。所以,高精度、高穩定性的軍用傳感器基本都是采用的鉑熱電阻溫度傳感器。

            國外對高精度鉑熱敏電阻的研制主要集中在鉑膜熱敏電阻上。如瑞典的IRON公司、德國賀利氏(Heraeus)公司、美國霍尼韋爾公司,德國賀利氏的高精度鉑熱敏膜電阻的代表有L020、L420。國外對高精度產品的開發投入相當大,美國霍尼韋爾公司的固態傳感器發展中心每年用于設備投資就達5000萬美元,目前擁有包括計算機輔助設計、單晶生長、加工、圖形發生器,對步重復照像、自動涂膠和光刻、等離子刻蝕、濺射、擴散、外延、蒸鍍、離子注入、化學氣相沉積、掃描電鏡、封裝和屏蔽動態測試等最先進的成套設備和生產線,而且是大約每三年左右就要更新其中大部分儀器設備。

            通過先進的薄膜制備技術制作的薄膜鉑熱敏電阻是新型的高精度溫度敏感元件,國外軍事上普遍使用。它的主要工作原理是利用鉑熱敏電阻的阻值隨溫度變化而變化,并呈一定函數關系的特性來進行測溫,這種溫敏元件能直接測量-60℃~+600℃范圍內的液體、氣體介質以及固體表面的溫度。如日本產的CRZ鉑金薄膜鉑熱敏電阻芯片就是一個劃時代溫度傳感器發展的產物。這種薄膜鉑熱敏電阻元件采用的是最先進高科技方法,像激光噴鍍,顯微照相和平版印刷光刻技術,用陶瓷和鉑特制而成,而電阻值則以數字修整方式作出微調,因而能提供最精確的電阻值,產品精度達到了A級和B級。該電阻元件在高溫下能夠保持優良的穩定性,適合在-50℃~400℃的溫度下使用。鉑薄膜通過激光噴濺在陶瓷表層,因而鉑膜熱敏電阻元件具有良好的防振動和防沖擊性能,薄膜表面覆蓋以陶瓷,因此元件能夠承受高電壓并有良好的絕緣性。

            (二)研究目標

            國內鉑膜熱敏電阻的研究起步較晚,在電阻的準確性、穩定性、線性度等技術性能和可生產性方面,與國外同類型產品還有很大的差距。國內市場上絕大部分的高精度薄膜熱電阻傳感器都是采用國外的薄膜鉑電阻芯體組裝而成,如澤天傳感所生產的CWB系列溫度傳感器,其測試范圍為-50℃~4OO℃,但其耐壓25MPa。國內市場上絕大部分的高精度鉑膜熱敏電阻都依賴于進口,這對我國工業技術與國防事業的發展都很不利。本項目的研究目標是:通過對離子束濺射鍍膜、離子束刻蝕、高壓高導熱封裝等工藝技術進行研究,制造新型的高穩定、高精度鉑膜熱敏電阻傳感器,打破國外技術的封鎖,滿足高速飛機中液壓系統中機油溫度的快速測試需求,為我國軍事裝備的運用提供保障。

            1、向用戶提交鑒定樣品2只。

            2、向用戶提供產品20只。

            3、形成完整的研制報告和工藝技術文件,固化生產工藝。

            (三)技術指標

            傳感器主要技術指標如下:1、測量溫度范圍:-50~+300℃;2、貯存溫度范圍:-50~+400℃;3、外殼耐壓力:25MPa;4、響應時間:τ0.5小于1秒;5、阻值系列(0℃):100Ω;500Ω;1000Ω;2000Ω;6、溫度系數: 3850 PPM/℃;7、芯片電阻允許偏差: ClassC:±0.24%;ClassD:±0.48%;8、抗振動:10~2000Hz,40g;9、抗沖擊:100g ,8ms,半正弦波;10、絕緣電阻:100MΩ;11、芯片外形尺寸:2×10×0.65mm3

            (四)研究內容

            1、鉑膜版圖的設計;2、離子束濺射鉑電阻膜的工藝研究;3、薄膜鉑電阻的熱處理工藝研究;4、傳感器基底及熱保護管材料的研制。

            擬采取的研究技術路線及關鍵技術難點

            (一)技術路線

            鉑熱敏電阻的制作工藝一般采用的是絲式、箔式、厚膜式,薄膜鉑熱敏電阻還很少。絲式鉑熱敏電阻是在平板形式支架用直徑為0.03~0.07mm純鉑絲繞制而成,雖然精度高,但具有抗振動和抗沖擊性能差,可靠性低的缺點,并且體積大,不利于向微型化方向發展。箔式鉑熱敏電阻雖然抗振動沖擊性能有所改善,但具有耐濕性差,絕緣性能低的缺點。鉑膜熱敏電阻的優點主要體現在:穩定性好,抗振動,抗沖擊;體積小,重量輕,便于微型化;精度高,壽命長。金屬鉑熱敏電阻器是利用一鉑電阻隨溫度而變化的特性來測溫的。鉑電阻具有高的穩定性,制成標準電阻系列可以和儀表或電路接口直接連接,實現對溫度的自動測量、控制和調節,應用廣泛,成為中、低溫測量不可缺少的溫度敏感元件之一。

            鉑電阻阻值與溫度變化之間的關系可以近似用下式表示:在0~600℃溫度范圍內Rt= R0(1+At+Bt2)…………………………………(1)

            在-190℃~0℃溫度范圍內 Rt= R0(1+At+Bt2+C(t-100))t3 ……………………(2)

            式中R0,Rt 分別是0℃和℃時的電阻值;A —常數(3.96847×10-3/℃);B —常數(-5.847×10-7/℃);C —常數(-4.22×10-12/℃);

            金屬鉑電阻的阻值隨溫度的變化關系,在一定的溫區內,電阻阻值的變化量與溫度基本呈線性。

            本項目將利用金屬鉑的這種熱電阻制作成薄膜熱敏電阻。該薄膜熱敏電阻濺鍍在基底材料上,基底材料可以是金屬材料或者陶瓷。在基底材料上先鍍一層性能優良的絕緣膜,再在其上制作電阻膜。功能薄膜的分布圖第一層是基底材料,上面依次是絕緣膜、電阻膜、保護膜、引線膜。

            鉑膜熱敏電阻的溫度測量原理是:熱能-鉑膜電阻值變化。

            電阻器封裝采用耐溫材料,芯片與封裝體之間的電氣連接采用金絲球焊件。熱敏電阻一般選用陶瓷作為基底材料,由于本產品要求快速響應,采用導熱性好的金屬材料作基底,經拋光后,在基底材料上沉積一層絕緣膜,然后在絕緣層上濺射鉑電阻膜,經離子束刻蝕成柵條電阻,再在電阻膜層上濺射一層保護絕緣膜。每片基片上可制造10-20支電阻器,芯片制造工藝完成后再進行切片,內引線,封裝,檢測。

            (二)關鍵技術難點

            1、鉑熱電阻膜工藝研究

            鉑電阻溫度系數線性好,阻值穩定,適合制作高精度的薄膜熱電阻。每種材料的濺射速率是不一樣的,而且不同的濺射能量參數下,所獲得的薄膜的性能也有差異,所以,鍍不同材質的膜層時,所需的濺射能量參數不一樣。要獲得均勻、致密、性能優異的薄膜,必須對不同膜層的工藝參數進行工藝研究。

            對電阻膜性能的要求,主要集中在多厚的膜的材質最接近于體材的材質,有著穩定的溫度性能與電阻性能。從理論上分析,電阻膜的各項性能在工藝上主要受濺射靶材的性能、成膜的過程、成膜的厚度、電阻膜的柵條形狀及分布、薄膜的熱處理工藝等影響。為了保證膜層的均勻一致性,保證工藝的可重復性,必須對薄膜電阻的形狀、厚度和成膜速率進行研究。

            薄膜厚度不一樣,成膜的結晶過程不一樣,膜層的性能也就有差別。厚度太薄的膜,由于其缺陷多,穩定性差,工藝可控性不強,對傳感器的性能、制作工藝不利,適當提高薄膜的厚度,使其性能更接近于體材,有利于產品穩定性的提高和工藝中的控制。膜厚達到一定程度,濺射材料成分的細微變化、膜層雜質、光刻腐蝕過程中的差異等對電阻阻值的影響就會減小,這些都有利于薄膜電阻溫度系數的一致性與阻值的均勻性。通過大量的工藝實驗研究,找到最佳鍍膜參數與鍍膜時間,確定薄膜厚度,可以獲得高性能的電阻膜。

            2、激光調阻技術研究

            激光調阻技術是采用激光束對多層薄膜的中間層鉑膜電阻條阻值進行精確修正,使阻值精確符合100Ω,500Ω等標準系列。預先在薄膜電阻版圖上設計激光調阻區,在鍍膜完成后,利用激光束的能量,對鉑電阻進行熔斷或切削。主要研究內容包括:激光束能量的大小、束徑控制、定位系統和阻值精密監測系統。

            3、封裝

            研究解決耐高壓的高導熱的材料(如玻璃鋼)問題,研究封裝方法。本文源自澤天傳感,版權所有,轉載請保留出處。

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