高精确度铂热电阻的修调技术探讨

曾繁中 吴再群 何越盛

【摘  要】热电阻（thermal resistor）是基于金属导体最常用的一种温度检测器，由于其电阻值随温度的增加而呈线性增加，所以常用来进行温度测量，并且测量精确度高，性能稳定，其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅被广泛应用于工业测温，并且常被制成校准的标准件。铂热电阻传感器适用于温度检测要求较高的场合，对薄膜铂热电阻元件的精密度修调技术开展研究，具有重要的战略意义，本文探讨在实际调阻工艺中，对铂薄膜热电阻器阻值精密度的影响，并且从铂电阻版图设计及激光刻蚀两方面控制铂电阻阻值的精确度，可以达到设计阻值精确度误差小于±0.05%的要求。

【关键词】热电阻;传感器;修调技术

引言

热电阻式传感器的原理是利用电阻随温度变化的特性，基于导电物体的电阻大小会随着周围环境温度变化而发生线性变化，通过对电阻阻值的检测，利用线性关系式推测得到当前对应的温度值。目前，热电阻主要由纯金属材料制成，电阻值随着温度的增加而增加，其中铂热电阻因测量精确度高，性能稳定，成为了测量温度的主要感测元件，封装后可用于-200℃～1200℃范围内温度测量，广泛应用在军事、工业、民用医疗、电器、石油、化工、食品等行业的过程测控中。随着薄膜铂电阻制作工艺的发展，薄膜铂电阻元件精确度可达 1/3B、1/10B 级，稳定性也相应提高。航天、航空、船舶等军事领域，越来越多选用高精度、高稳定、小结构的薄膜铂电阻元件进行温度测控。对薄膜铂电阻元件的精确度及稳定性开展研究，具有重要的战略意义。

1.铂热电阻原理

金属热电阻的电阻值和温度采用以下的温度电阻关系式来表示：

Rt是温度为t时对应的电阻值，Rt0是温度为t0（通常指t0=0℃）时对应的电阻值，α为金属热电阻的温度系数。金属电阻值会随温度的升高而增加，主要是在金属内部存在的自由电子，当温度升高时，每个自由电子的动能将增加，因而要使这些因为温度升高而更加杂乱的电子作定向运动，在一定的电场作用下，就会遇到更大的阻力，导致电阻值增加。由温度电阻关系式可以看出，Rt0的精度对温度为t时对应的电阻值Rt的精确度影响是很大的，也是本文研究的主要对象。

2.铂热电阻特点

本文研究的对象是铂（Pt）热电阻，如表1所列，其主要特性为化学稳定性佳，尤其是耐氧化能力很强，其温度与阻值有很好的线性关系，并且在很宽的温度范围内（1200℃以下）均可保持上述特性;其电阻率较高，可以制成极细的铂丝或极薄的铂箔，由于性能稳定、精度高，常作为标准测温校准装置。但也有其缺点，主要是电阻温度系数较小，电阻灵敏度不高，并且在还原介质中工作时易被沾污变脆，且由于价格较高，主要应用在工业领域。

3.铂热电阻工艺分析

铂金属、氧化铝陶瓷、硼硅玻璃的化学与热稳定性都非常好，封装后的铂电阻元件结构小，热响应快，耐受振动、冲击等机械性能好，所以本文采用片式层状结构的引线式薄膜铂电阻元件，其主要由高纯氧化铝陶瓷基底、高纯铂薄膜栅条电阻、纯金焊盘、合金引线、硼硅玻璃保护层构成。铂电阻元件采用绝缘材料烧结包封，绝缘性能与耐压性能很好，薄膜铂电阻、焊点与外部环境隔离，使用过程中不易氧化、污染、腐蚀，元件的测量精度与长期稳定性好。从结构与工艺上分析可知，不考虑封装应力与热传递偏差，薄膜铂电阻元件的测量精度与稳定性主要由薄膜栅条铂电阻决定。

本文采用99.999%纯铂靶，通过溅射、刻蚀方式制备薄膜栅条铂电阻，膜层均匀致密，杂质与缺陷少，厚度达到2μm～3μm 时，栅条电阻的阻值与温度系数重复性、稳定性好，与铂丝体材基本相同，理论上能达到二等标准铂电阻精度或更高。

4.铂热电阻阻值修调工艺

Rt0本身的精確度直接影响了线性补偿后对应温度的电阻值，一般制造时是利用线性特性通过Rt0校正室温25°C的初始电阻值R0，得到初始电阻值R0的目标值，因此控制初始电阻值R0的精确度也变得至关重要。本论文在铂电阻版图上设计了10个并联电阻作为阻值的调整点，通过激光划切开并联电阻，使得阻值增大，最大调整量为标称阻值的22%。每个调整点分别为标称阻值的10%，5%，3%，2%，1%，0.5%，0.3%，0.2%，0.1%，0.05%。比如经过刻蚀后的电阻为500 欧姆，需要增加100 欧姆才能达到600欧姆的终值。理论上调节10%、5%，3%、2%四个调整点就可以修调完成，但是为了控制精确度，我们分为两个阶段，第一阶段粗调19%，也就是调节10%、5%，3%、1%四个调整点，然后剩下的1%，利用0.5%，0.3%，0.1%和0.05%的档位进行细调，此时铂薄膜热电阻的阻值范围可以控制在与目标值误差0.1%内。注意每完成调节一个调整点，都需要测量待修调电阻的阻值，因为修调后的阻值会增加，增加后的阻值不超过目标阻值，才可以保证修调可以继续。

为了进一步提高铂薄膜热电阻精密度，本文通过激光调阻机对铂薄膜并联电阻的栅条电阻进行激光刻蚀，达到修调电阻的目的。由于铂薄膜热电阻的电阻率较小，需要较长的蛇型修调切割槽长度来得到一定的电阻阻值。本文实验执行激光刻蚀for...next循环次数，查看不同的刻蚀命令，对应不同for...next 循环次数条件下，得到电阻阻值的变化量，只要知道所需要调整的阻值范围，就可以推导出微调一定阻值所需的切割槽长度。实验结果如表2所示，电阻阻值的变化量随循环次数增加而增加，从而达到修调目的。

通过实验结果可知循环次数与电阻阻值大约呈线性，也就是每增加循环一次，阻值大约增加10Ω，从需要修调的阻值范围，可以得到所需要的蛇型微调切割槽的长度。需要留意循环次数过多，容易出现激光刻蚀路径跳跃到其它待修调电阻上，因而产生废品，但是循环次数不足，也会导致调阻结果无法达到目标值要求的精确度，无法完成微调。

从测试结果可以看到调试后电阻R0的精确度误差如图1，不论是有引线铂电阻或无引线铂电阻，从铂电阻器的栅条电阻版图设计及激光刻蚀的修调两方面控制铂电阻阻值的精确度，可以达到设计阻值精确度误差小于±0.05%的要求。

5.结语

铂材料的热电阻传感器适用于温度检测要求较高的场合，通过铂电阻版图上设计的并联电阻作为阻值的调整点，能够保证铂薄膜热电阻的阻值范围可以控制在与目标值误差0.1%内，而从铂电阻器的栅条电阻激光刻蚀的进一步修调，可以达到设计阻值精确度误差小于±0.05%的要求，随着温度传感器向高性能、高可靠、集成化发展，对热电阻的精确度要求越来越高，修调阻值技术在其中的作用将会更加显著，日后在工业领域的应用必将越来越广泛。

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基金项目：本文系2018—2020年广西本科高校特色专业及实验实训教学基地（中心）建设项目：百色学院 “电子信息工程”特色专业（批准文号：桂教高教〔2018〕52号;编号：119）成果之一。同时，也是2020年工程硕士专业学位授权点（电子信息）建设项目成果之一。

作者简介：曾繁中（1968-），男，博士，电子信息工程专业教研室主任，主要从事模拟电子技术与相关课程教学。