一种薄膜电阻结构、其制备方法及应用
阅读说明：本技术 一种薄膜电阻结构、其制备方法及应用 (Thin film resistor structure, and preparation method and application thereof ) 是由 仲锐方 范亚明 吕伟明 李淑君 梁哲珲 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种薄膜电阻结构、其制备方法及应用。所述薄膜电阻结构包括两个图形化薄膜电阻,两个所述图形化薄膜电阻相互配合形成嵌套结构,并且两个图形化薄膜电阻之间无电性连接,各自构成一个独立的温度敏感单元。采用本发明中的薄膜电阻结构制备而成的薄膜温度传感器可靠性和稳定性好,精度高。(The invention discloses a thin film resistor structure, a preparation method and application thereof. The film resistor structure comprises two imaging film resistors, the two imaging film resistors are matched with each other to form a nested structure, and the two imaging film resistors are not electrically connected and respectively form an independent temperature sensitive unit. The film temperature sensor prepared by adopting the film resistor structure has good reliability and stability and high precision.)
技术领域
本发明属于温度测控技术领域，具体涉及一种薄膜电阻结构、其制备方法及应用。
背景技术
电阻温度传感器是利用敏感材料的电阻值随温度单值变化制得的测温元件。其中，铂电阻具有灵敏度高、精度高、线性度好、测量温区大、稳定性好等特点，广泛应用于温度测控领域。
随着薄膜技术的发展，铂薄膜电阻在保留线绕型铂电阻优势的基础上极大地降低了成本，该电阻体积小、响应速度快、一致性好、使用方便灵活，市场需求旺盛。但铂机械性能差，铂薄膜电阻在生产应用过程中很容易发生机械损伤，且实际应用时电阻薄膜直接暴露于高温环境下存在热挥发和薄膜团聚等问题，影响电阻性能，因此对薄膜电阻进行封装保护非常有必要。
现有封装技术中低温釉料封装保护研究有一定成果，但铂薄膜电阻应用于高温环境时，高温釉料封装具有一定的缺陷，其主要问题是高温釉料烧结温度高，烧结温区大，釉料热膨胀系数(CTE)变化大，釉料与铂薄膜CTE失配严重，烧结过程中釉料变形严重，导致铂薄膜电阻断路。高温釉料封装的另一个问题是高温环境下釉料在测试电流通过时容易发生化学分解，影响铂电阻性能。同时，现有的铂薄膜电阻结构也存在一定的缺陷，其主要问题是内部采用单一测温单元结构，发生损坏后无法继续进行测温，可靠性及稳定性差。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种薄膜电阻结构、其制备方法及应用，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例的一个方面提供了一种薄膜电阻结构，其包括两个图形化薄膜电阻，两个所述图形化薄膜电阻相互配合形成嵌套结构，并且两个图形化薄膜电阻之间无电性连接；其中两个所述图形化薄膜电阻上的激励电流方向相反。
本发明实施例的另一个方面提供了一种上述薄膜电阻结构的制备方法。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种采用上述薄膜电阻结构制备而成的薄膜温度传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)提供的薄膜电阻结构，通过设计成嵌套结构，每个感温铂薄膜电阻构成一个独立的温度敏感单元，当其中一个单元结构失效时，另一个可继续完成测温工作，使用该薄膜电阻结构制备而成的薄膜温度传感器，可靠性和稳定性高。
(2)通过将测温薄膜电阻设计成嵌套结构，在施加相反激励电流时，能够消除电磁场，提高测温薄膜电阻的抗电磁干扰能力，拓宽其在高温高磁环境场所的应用。
(3)通过在釉料封装保护层与铂薄膜电阻之间引入氧化铝保护层和高温陶瓷胶隔离层，实现了保护釉层与铂薄膜电阻热膨胀系数匹配的同时，可防止保护釉层直接与铂薄膜电阻接触，解决了铂薄膜电阻高温环境的测试稳定性问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中一种薄膜电阻结构的具体结构示意图；
图2是本发明实施例中一种薄膜电阻结构的整体结构示意图；
图3是本发明实施例中一种薄膜电阻结构的的剖面结构示意图。
附图标记说明：1-陶瓷衬底；2-图形化铂薄膜电阻；3-引线；4-铂浆；5-氧化铝保护层；6-隔离层；7-保护釉层；8-引线焊盘；9-电阻线；10-第一电流；11-第二电流。
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，通过合理设置封装材料以及设计电阻结构，实现高温下温度测试的可靠性及稳定性。下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例的一个方面提供了一种薄膜电阻结构，其包括两个图形化薄膜电阻，两个所述图形化薄膜电阻相互配合形成嵌套结构，并且两个图形化薄膜电阻之间无电性连接，各自构成一个独立的温度敏感单元，且两个所述图形化薄膜电阻上的激励电流方向相反。
进一步的，所述薄膜电阻结构具体包括：
形成于衬底表面的图形化铂薄膜电阻；
形成于图形化铂薄膜电阻上的氧化铝保护层；
形成于氧化铝保护层上的隔离层；以及
保护釉层，其完全覆盖所述图形化铂薄膜电阻、氧化铝保护层及隔离层。
进一步的，所述图形化铂薄膜电阻形成于衬底表面的第一区域，所述衬底表面的第二区域还设置有与所述图形化铂薄膜电阻配合的引线焊盘和引线，所述引线焊盘与引线通过铂浆电连接。
其中，所述隔离层的材质为高温陶瓷胶，氧化铝保护层、隔离层仅覆盖铂薄膜电阻的电阻线部分，露出引线焊盘及引线，方便测量电阻值。
本发明实施例的另一个方面提供了一种上述薄膜电阻结构的制备方法，其包括：
在衬底表面形成铂薄膜，并将所述铂薄膜加工成两个图形化铂薄膜电阻，其中两个图形化铂薄膜电阻相互配合形成嵌套结构，并且两个图形化铂薄膜电阻之间无电性连接；
在所述图形化铂薄膜电阻上依次形成氧化铝保护层、隔离层；
在隔离层上形成保护釉层，并使所述图形化铂薄膜电阻、氧化铝保护层及隔离层被完全包埋于所述保护釉层内；
以及在衬底表面设置引线焊盘，并在所述引线焊盘上涂覆铂浆，使引线焊盘与引线电性结合，并使所述引线焊盘亦被包埋于所述保护釉层内。
进一步的，制备所述薄膜电阻结构的方法具体包括：
对所述衬底进行抛光处理，降低其表面粗糙度；
在所述衬底上形成铂薄膜，并将所述铂薄膜在1000～1300℃下退火1～2h；
在Cl2/Ar气氛下，以40～60nm/min的刻蚀速率在所述铂薄膜上刻蚀出至少两根电阻线，形成所述图形化铂薄膜电阻。
在一些较为优选的实施方式中，所述铂薄膜的厚度为300～600nm。
在一些较为优选的实施方式中，可以采用磁控溅射法形成所述铂薄膜，以及采用等离子刻蚀法刻蚀形成所述电阻线。
进一步的，所述制备方法具体还包括：
采用粒子束沉积法形成所述氧化铝保护层，并在1000～1300℃的温度下退火处理2～3h；
采用丝网印刷法形成所护隔离层，并在1250～1450℃的温度下进行固化处理；
通过高温烧结导电铂浆的方式使所述引线焊盘与引线电性结合，其中烧结温度为850～1000℃；
以及采用丝网印刷法形成所述保护釉层，并在1250～1450℃的温度下烧结处理。
在一些较为优选的实施方式中，所述氧化铝保护层的厚度为1～1.5μm。
在一些较为优选的实施方式中，所述隔离层的厚度为40～60μm，所述隔离层的材料包括高温陶瓷胶，所述高温陶瓷胶的主要成分为无机硅铝酸盐。
在一些较为优选的实施方式中，所述保护釉层的厚度为100～150μm，所述保护釉层的材料包括SiO2、Al2O3、CaO中的任意一种或多种的组合，且不限于此。
此外，制备所述保护釉层的材料还包括助熔剂、澄清剂及有机载体。
其中，所述助熔剂包括BaO、MgO、Na2O等，所述澄清剂包括CeO2、NaCl等。
在一些较为优选的实施方式中，所述衬底采用陶瓷衬底。
具体的，由于高温器件封装材料通常为玻璃釉料，而玻璃釉料熔融烧结时形变严重，形变产生的应力容易导致铂薄膜电阻断路，因此玻璃釉料与铂薄膜电阻不能直接接触，需在两者中插入中间层。Al2O3性能稳定、熔点高(2054℃)，绝缘性好，热膨胀系数与铂薄膜电阻匹配，因此选用Al2O3作为保护层。但是Al2O3脆性大，高温下容易蠕变产生微裂纹，釉料通过微裂纹与铂薄膜电阻接触，会影响电阻性能。因此在Al2O3与玻璃釉料之间插入结构致密的隔离层，该隔离层选用高温陶瓷胶，其主要为无机硅铝酸盐材料，该材料在低于1400℃的高温环境中稳定性好、机械性能优良，且热膨胀系数(6.2ppm/℃)小于Al2O3(7.8ppm/℃)，满足设计要求。最后通过釉料保护层(CTE5.8ppm/℃)，覆盖整个薄膜电阻结构表面。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种薄膜温度传感器，其采用上述的薄膜电阻结构制备而成。
本发明中的薄膜温度传感器采用嵌套式薄膜电阻结构，每根感温铂薄膜电阻线与对应的引线焊盘及引线构成一个独立的温度敏感单元结构；两个温度敏感单元结构可同时和/或各自独立完成测温工作，当其中一个单元结构失效时，另一个可继续完成测温工作，使其测温可靠性及稳定性得到提高；同时嵌入式结构的设计，施加相反方向激励电流，可以消除电磁场，提高测温电阻的抗电磁干扰能力，拓宽其在高温环境场所的应用。
本发明中的薄膜温度传感器，通过在封装保护釉层与铂薄膜电阻结构之间引入氧化铝保护层和高温陶瓷胶隔离层，实现了封装保护釉层与铂薄膜电阻结构热膨胀系数匹配的同时，可防止封装保护釉层直接与铂薄膜电阻结构接触，解决了铂薄膜电阻在高温环境的测试稳定性问题。
下面将结合具体实施例及附图对本发明的技术方案做进一步详细说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3，一种嵌套式薄膜电阻结构，其中，图1为该嵌套式薄膜电阻的具体结构图，图2为该嵌套式薄膜电阻的整体结构图，图3为该嵌套式薄膜电阻的剖面图。
具体的，该嵌套式薄膜电阻结构包括陶瓷衬底1、形成于陶瓷衬底1表面的图形化铂薄膜电阻2、形成于图形化铂薄膜电阻2上的氧化铝保护层5、形成于氧化铝保护层5上的隔离层6，以及保护釉层7，其中，保护釉层7完全覆盖图形化铂薄膜电阻2、氧化铝保护层5以隔离层6，而氧化铝保护层5、隔离层6仅覆盖铂薄膜电阻2的电阻线部分，露出引线焊盘8及引线3，方便测量电阻值。
具体的，图形化铂薄膜电阻2由铂电阻线9构成，两根铂电阻线9配合形成嵌套式薄膜电阻结构；其中，每一铂电阻线9的两端分别设置有一引线焊盘8，每一引线焊盘8通过铂浆4与引线3电性结合，每一铂电阻线9与相应的引线焊盘8、引线3构成一个独立的温度敏感单元，可以使流过两根铂电阻线9的第一电流10和第二电流11的方向相反，以消除电磁场，提高该嵌套式薄膜电阻结构制备而成的薄膜温度传感器的抗电磁干扰能力。
进一步的，本实施例还提供了上述嵌套式薄膜电阻结构的制备方法，其包括：
步骤一、提供一陶瓷衬底1，并对其进行抛光处理，降低其表面粗糙度；
步骤二、通过磁控溅射工艺在陶瓷衬底1上形成厚度为500nm的铂薄膜，并在1100℃的温度下退火处理1h；
步骤三、采用等离子体刻蚀工艺，在Cl2/Ar气氛下，以50nm/min的刻蚀速率在上述的铂薄膜上刻蚀出两根铂电阻线9，形成图形化铂薄膜电阻2并配合形成嵌套式结构；
步骤四、采用粒子束沉积法在上述图形化铂薄膜电阻2的表面除焊盘8之外的区域形成厚度为1μm的氧化铝保护层5，并在1100℃的温度下退火处理2h；
步骤五、采用丝网印刷法在氧化铝保护层5上形成厚度为50μm的高温陶瓷胶隔离层6，并在1350℃的温度下进行固化处理；
步骤六、采用高温烧结导电铂浆4的方法实现引线焊盘8和引丝3电连接，其中烧结温度约为850℃；
步骤七、采用丝网印刷法在高温陶瓷胶隔离层6上涂敷厚度为120μm的保护釉层7，并使保护釉层7覆盖住图形化铂薄膜电阻2的整体区域；
步骤八、将整个嵌套式薄膜电阻结构在1350℃的温度下烧结处理。
应当理解，本发明的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落于本发明的保护范围之内。
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