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            溫度傳感功能薄膜的國內外研究進展狀況

            發布時間:2014-3-29??????發布人:澤天公司??????點擊:

            國內在熱電阻傳感薄膜研究方面,近幾年有了一定的進展,并越來越受到重視。熱敏電阻薄膜的敏感材料大多數為金屬,其中Al薄膜的制備工藝簡單,熱處理溫度低(Al的再結晶溫度為150℃),可以直接作為內連線和壓焊點。但是Al膜的靈敏度和電阻率低,耐腐蝕性差,這些都限制了它的使用。Ag的線性度比Al好,但Ag的電阻率比Al低,因此作為熱敏電阻靈敏度低,而且Ag與保護膜的粘附性較差。Pt薄膜熱電阻測溫范圍大,性能穩定,線性度好。

            電子科技大學采用濺射法在氧化鋁陶瓷和微晶玻璃基片上制備了Pt薄膜熱敏電阻,并對二級直流濺射和磁控濺射兩種制備工藝進行了研究比較,濺射的靶材采用99.9%的Pt片。普通二級直流濺射方法制備的薄膜電阻的電阻溫度系數(TCR)最好只能達到3.6×10-3/℃,而采用磁控濺射方法并對Pt薄膜進行溫度為500℃以上的熱處理,制取的薄膜電阻的TCR可以達到3.85×10-3/℃以上。研究結果表明磁控濺射工藝極大地提高了薄膜沉積速度,使成膜速度提高,改善了薄膜性能。對薄膜進行電子顯微鏡形貌圖觀察顯示薄膜密實,晶粒尺寸變大,使晶粒間界減少,膜面均勻一致,有利于減少薄膜電阻率,提高TCR。

            由于金屬薄膜的TCR與其電阻率的乘積為常數,因此降低電阻率就能提高金屬薄膜的TCR。而薄膜的電阻率與其晶格點陣熱振動和缺陷、雜質對自由電子的散射有關。降低電阻率的唯一途徑是減少膜中的缺陷和雜質,消除表面影響。這就要求在制備薄膜時,選取適當的薄膜設備、鍍膜和鍍后熱處理工藝,最大限度的降低薄膜中的雜質和缺陷。由于在磁控濺射時氣體壓力比直流濺射情況下減少,使薄膜中嵌入的氣體雜質減少,薄膜表面氣孔減少,提高了薄膜的TCR。磁控濺射工藝也提高了Pt膜的附著力,在氧化鋁上和在微晶玻璃片上的附著力都比二級濺射的膜要好。而采用鍍后熱處理工藝后基片溫度提高到500℃以上時,使Pt薄膜結構擇優取向,結構改善,晶粒增大,應力減少,并釋放出薄膜內的氣體雜質,提高了薄膜的純度,增強了Pt薄膜電阻的穩定性。但是由于Pt的價格昂貴,限制了它的應用。

            近期的研究表明在金屬材料中,Ni的電阻溫度系數大,約為Pt電阻溫度系數的1.7倍,作為溫度傳感器,Ni有較高的靈敏度,Ni的可焊性好,而價格遠比Pt低,以上優點使Ni逐漸代替Pt成為優選的熱敏薄膜材料。在Ni薄膜熱敏電阻制備工藝方面,國內先后也有一些學者進行了有益的探討。哈爾濱工業大學MEMS中心對Ni薄膜電阻作為多功能傳感器的溫度敏感元件進行了研究,他們應用蒸鍍法制備了Ni傳感薄膜,蒸鍍材料選用純度為5N的Ni絲,在1.3×-3Pa真空度下蒸鍍出厚度為400nm的Ni膜,經光刻工藝制備出電阻傳感器后,在400℃下退火2h。結果表明Ni傳感膜在常溫到350℃范圍內工作穩定,有較好的重復性,在薄膜的線性度較差,達到9.3%,需要進行非線性補償。結果表明,真空蒸發的優點是速度快,但膜層不夠致密,容易出現針孔,薄膜中的缺陷、晶界較多,膜層與基片的結合不夠牢固。而膜層的致密度和缺陷等將影響金屬薄膜熱敏電阻的TCR的大小。

            采用磁控濺射法制備溫度傳感薄膜與蒸發鍍膜相比有一系列優點。用荷能粒子轟擊靶材,使靶表面原子獲得足夠的能量從表面逸出,高能量的濺射原子沉積到基片上形成薄膜,可使薄膜與基片的附著力增強,膜層致密,不易出現針孔,膜層與基片結合牢固,工藝重復性好。

            浙江大學對真空蒸發、平面磁控濺射與S槍磁控濺射等幾種制備工藝進行比較,并采用正交試驗法得到了S槍磁控濺射靶鍍制的Ni薄膜的最佳工藝。將在最佳工藝條件下濺射在微晶玻璃上的Ni薄膜經光刻后制得具有一定阻值的薄膜溫度傳感器。3種不同阻值 Ni薄膜溫度傳感器的電阻溫度特性,其TCR值達到DIN-43670標準(德國國家工業標準)。當工作溫度范圍在-60℃---180℃時,TCR值(0至100℃)為6180×10-6/℃,非線性度小于0.7%,研究表明采用磁控濺射方法制備的Ni薄膜傳感器的穩定性和精度要優于真空蒸發鍍膜方法。而且由于鍍膜設備上所采用的同軸結構的S槍靶的軸心處設置了一個能捕集二次電子的中心陽極,所以二次電子對基片的輻射損傷遠比平面濺射靶和柱形濺射靶小,減少了薄膜中的缺陷及電阻率,因此可以獲得較高精度的Ni傳感薄膜。S槍磁控濺射靶還具有靶材利用率高,換靶容易等優點。

            沈陽工業大學應用射頻濺射法在聚酰亞胺軟基底試制Ni薄膜熱敏電阻,該傳感器TCR的平均值為5.25×10-3/℃,測溫范圍-50~200℃。射頻磁控濺射方法既可用于濺射導電的傳感金屬膜,又能濺射不導電的絕緣膜和介質膜。而且射頻濺射方法對軟基底的電子損傷小、膜在基底上的附著性好。

            國外對薄膜電阻傳感器的研究比較早,早在1917年就有人在玻璃棒上沉積薄膜電阻。近期Stankevic V研究了用于對壓電晶片壓力傳感器進行溫度補償的Al電阻傳感薄膜,他研制的Al傳感薄膜厚度為1.2μm,TCR值4.33×10-3/℃,使用溫度0~125℃;Dichl W研究Pt薄膜電阻的溫度傳感器,TCR達到了3.85×10-3/℃;Gruner H研究了濺射Pt熱阻薄膜膜厚與TCR的關系。研究結果認為,由于磁控濺射薄膜沉積速率較高,對濺射條件及時間要嚴格控制。金屬薄膜電阻來源于金屬內部對自由電子的散射。散射源由兩部分組成:一部分是晶格的熱振動,另一部分是結構缺陷、薄膜表面散射和雜質。為了消除表面散射對薄膜電阻的影響,應用使薄膜具有一定的厚度。當薄膜厚度比金屬材料的電子平均自由程大一個數量級左右時,表面散射引起的電阻率可以忽略,金屬材料的電子平均自由程一般為(10~30)nm之間,所以薄膜厚度應大于300nm。

            薄膜熱電偶傳感器是一種比較先進的瞬變溫度測量傳感器,其動態響應能力好,動態時間常數可達微妙量級,體積小,便于安裝;適用于瞬態溫度測試。薄膜熱電偶的原理是由德國人P Hackemann于一次世界大戰期間提出,并將研制成的薄膜熱電偶(其薄膜厚度為2μm)用于測量槍膛在子彈射出后的壁溫變化。1950年代初,美國人D Bendersky根據P Hackemann提出的原理制作的薄膜熱電偶,其熱接點Ni膜厚度為1μm,用該薄膜熱偶測出子彈發射所引起槍膛壁溫的變化約427℃/ms,1960年代,日本的小栗達、原正鍵等研究成夾板式薄膜熱電偶,用于測定內燃機壁面的瞬變溫度。1970年代,英國的Marshall等研究了Ni、Fe、Cu、康銅、鎳鉻、鎳鋁等材料的蒸鍍膜,當時Ni-Fe薄膜熱電偶已經能達到250℃,并且誤差在2℃范圍內,日本的Koike等研究了蒸鍍Bi-Ag和Sb-Ag薄膜熱電偶的熱電動勢與膜厚之間的關系,美國Pratt和Whitney等航空汽輪發動機公司研究用薄膜熱電偶測量汽輪機-級葉片表面溫度,由于其它方法都無法達到測量汽輪機葉片表面瞬態溫度,因此薄膜熱電偶在測量汽輪機葉片的表面瞬態溫度上的應用,極大地推動美國薄膜熱電偶研究工作的進展。

            1982年美國國家標準和技術研究所(NIST)開始進行1000℃以上薄膜熱電偶與基體金屬間絕緣材料的制造工藝和性能方面的研究工作,旨在提高薄膜熱電偶與汽輪機一級葉片材料間氧化物的絕緣性能。NIST的第二個有關薄熱電偶的研究項目是研究如何利用薄膜熱電偶技術測量柴油機氣缸溫度,因為柴油機氣缸一般用鑄鐵制造,所以必須研究絕緣氧化物的情況,得到涂層合金為FeCrAlY具有良好的絕緣性能。近期NIST的Kreider K G研究了反應濺射方法沉積透明導電的氧化銦錫(ITO)和氧化銻錫(ATO)熱偶薄膜的工藝參數對薄膜熱電偶性能的影響。透明薄膜熱電偶既可以進行溫度監控,又不影響玻璃基底材料的光學性能。通過控制制備工藝參數及薄膜的電阻率可得到具有不同熱電勢的薄膜熱電偶,當薄膜的電阻率為(0.001~0.1)Ω-cm時,薄膜熱偶輸出的溫差熱電勢系數為(12-80)μV/℃。研究表明,基片溫度、濺射氣氛、濺射速率、沉積均勻性等鍍膜工藝參數和熱處理工藝,對控制薄膜的電阻率及熱電勢系數是非常重要的。

            1997年Yoshiteru、Enomoto 等研究應用薄膜熱電偶測量發動機燃燒室的熱流量。1998年,美國斯坦福大學的T Golnas等研究了用于設備在線監測的薄膜熱電偶和薄膜應變片的制備,該薄膜熱電偶以反應濺射氧化鋁為絕緣層直接沉積在不銹鋼基體上。1999年,美國通用電氣公司應用濺射鍍膜技術制備了響應時間常數為140μs Au-Pd薄膜熱電偶,研究了濺射薄膜熱電偶的工藝參數,并應用該熱電偶測量激光束熱流量分布。

            國內也有不少學者對薄膜熱電偶進行了研究。西北工業大學的研究人員用陶瓷片作為基體材料,采用射頻濺射技術制備了膜厚為700 nm的Ta薄膜便攜式熱電偶。薄膜熱偶的動態標定采用PLJ-Nd釹玻璃激光器脈沖補償方法,測得薄膜熱電偶的動態時間響應常數小于50μs;測量精度為0.5%,線性度良好,實驗結果表面薄膜熱偶的熱穩定性及抗熱沖擊性良好,測溫范圍0--1200℃,可以在1200℃下長期使用。他們還運用射頻濺射法制備了鎳鉻-鎳硅薄膜熱電偶,并應用該薄膜熱電偶對鍛壓模具和機械制造中的磨削加工時的瞬態溫度進行了測試,取得了良好效果。以上研究結果表明:射頻濺射方法是制備多層絕緣與熱偶結點材料交叉復合式薄膜熱電偶的非常有效方法,該方法通過調整工藝,可以在同一臺鍍膜機一次分層鍍出性能穩定的和較高測量精度的實用型薄膜熱電偶。

            采用真空蒸發法沉積熱電偶合金薄膜時,由于合金中各種元素的蒸發能不同,分餾現象使熱偶薄膜的成分改變,所以用真空蒸發法很難制備出實用的熱偶傳感薄膜,而普通磁控濺射靶對于濺射像NiSi那樣的強磁材料的效率非常低。為了解決該問了NiCr-NiSi薄膜熱電偶。磁場垂直靶面,成膜基片放在兩靶相對空間之外。對向靶保留了磁控濺射技術的優點,并且在濺射磁性材料時,與之正交的磁力線仍可以穿出靶面,在兩濺射靶間形成柱狀高密度等離子區。通過控制電場和磁場,可以獲得較高的沉積速率。同時在對向靶濺射中,由于成膜基片在等離子區域之外,避免了高能電子對基片的轟擊,減少了薄膜結構中的缺陷,提高傳感薄膜的測量精度。

            鍍膜時基片采用醫用載玻片,掩模板用不銹鋼薄膜刻制。濺射前的本底真空度為10-4Pa,濺射時的Ar工作壓力為10-1Pa,濺射功率為600W。對制備的薄膜厚度在(300-670)nn的不同熱電偶樣品進行了靜、動態特性測定,結果膜與所用靶材的成分基本一致,有利于保證薄膜熱電偶的靈敏度。動態特性測試結果表明薄膜熱電偶的時間常數隨膜厚變薄而減小。對測試對果分析后認為:減少膜厚能夠降低薄膜熱電偶的熱慣性,從而減少由于熱慣性引起的熱電偶指示值與被測溫度之間的偏差。沈陽航空發動機研究所研制了應用在航空發動機渦輪葉片上的鉑銠-鉑熱電偶,并對熱電偶進行了試驗,測量結果表明,溫度在(400-900)℃范圍內,薄膜熱電偶的誤差為±2%,而且薄膜熱電偶系統可以承受有氣流流過的情況下的反復冷熱循環試驗而不損壞。本文由澤天傳感歸納整理,轉載請保留出處。

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