快速响应型薄膜温度传感器制备

刘坤林 彭 晨

（ 电子科技大学光电科学与工程学院，四川 成都610000）

1 概述

铂属于一种贵金属元素，单质俗称白金，化学符号为Pt[1]。铂金属具有银白色光泽，具有良好的延展性与导电性[1-2]，由于铂的化学性质极其稳定，不溶于任何酸碱溶液（除王水外），在空气中不氧化，因此铂的应用十分广泛，其中铂热电阻已经广泛应用于航天、工业加工等领域。氧化铝陶瓷是一种主体为氧化铝的陶瓷材料，根据氧化铝含量的不同，习惯上把它称为90瓷、95 瓷、99 瓷等[3]，具有机械强度高、导热性强、热膨胀系数小，重量轻的特点，同时氧化铝陶瓷还具有耐化学腐蚀的特性。由于其众多方面的优越性能，氧化铝陶瓷已经被应用于制造厚膜、薄膜电路基板、火花塞瓷体、电真空器件等。因此本文将在氧化铝陶瓷片基底上沉积金属铂薄膜，用以制作一种快速响应型薄膜温度传感器。

2 实验

本实验使用英菲讯光电科技公司制作的铂靶材，兴虹飞电子科技公司制作的4 英寸99%氧化铝陶瓷片。金属图形化过程中光刻使用的是锐材半导体有限公司的NR-3000 型负性光刻胶，瑞虹公司的负性显影液。整个制备工艺流程图如图1 所示。

图1 制备工艺流程图

2.1 传感器图案设计

为了能使制备的温度传感器响应速度快，本文计划将制备的传感器的体积缩小至毫米量级以降低传感器整体的热容，因此传感器图案面积需要尽可能传感器体积相匹配。为了能够了解蛇形图案的复杂程度是否会对制备的传感器的温敏性能和时间常数产生影响，本文设计了三种线宽的铂薄膜图案，分别为 50μm，25μm，20μm， 图 案 的 面 积 分 别 为 3.2 ×1.2mm2，3.13×1.425mm2，2.1×1.2mm2。图案设计图和光刻版实物图如图2 所示。

图2 图案设计图和光刻版实物图

2.2 金属薄膜图案制备

本文采用剥离法[4]制备铂金属薄膜图案，剥离法示意图如图3 所示。其中所涉及的过程包括：衬底的清洗；光刻工艺；溅射工艺等。铂薄膜作为温度传感器中的核心材料，其性能与每一道工艺流程紧密相关。

图3 剥离法制备铂金属薄膜图案流程图

首先先后使用丙酮、酒精和去离子水对氧化铝陶瓷片表面进行清洗，将陶瓷片放入烘箱以90℃烘烤15min 后妥善保存。然后在清洗后烘干的陶瓷片上进行光刻工艺，在陶瓷片上得到图形化的光刻胶薄膜。而后通过磁控直流溅射工艺在附有图形化光刻胶薄膜的陶瓷片上沉积了Pt/Ti 金属薄膜，其中钛薄膜是为了增强铂金属与陶瓷衬底之间的附着力。溅射完成后将带有金属薄膜的陶瓷片放置于装有丙酮溶液的培养皿中静置1～2h，然后使用超声清洗机去除剩余的残留光刻胶与金属碎屑，最后在陶瓷片表面就会出现带有图案的铂薄膜，结果如图4 所示。

图4 图案化铂薄膜制备结果

2.3 激光切割

将具有图案的铂薄膜制备于4 英寸陶瓷片表面后，还需要对陶瓷片进行切割。切割示意图如图5 所示，切割的目的是将带有完整铂薄膜图案的陶瓷片从4 英寸陶瓷片中切下。

图5 陶瓷片切割示意图

3 结果与讨论

3.1 温敏特性相关测试

实验对制备的三种不同图案的的铂薄膜温度传感器进行了静态特性测试，样品1 至样品3 的铂薄膜温度传感器分别对应 的 体 积 为：3.2×1.2×0.5mm3，3.13×1.425×0.5mm3，2.1×1.2×0.5mm3。

测试所得数据通过OriginPro 9.0 进行绘图，拟合直线使用最小二乘法进行处理所得，最终获得的电阻- 温度关系结果如图6 所示。三种器件在-15℃～75℃范围内均具有良好的线性度，其电阻温度系数分别为：0.0023475/℃，0.0023539 /℃，0.0023532/℃。

图6 样品1-3 的铂薄膜温度传感器测试所得到的电阻- 温度关系

重复性与迟滞测试可以衡量传感器的未来的实际应用前景。本论文将电阻温度系数测试中的样品3 放置于恒温油槽中进行了4 次-15～75℃的升温降温循环，在第1 次与第4 次循环时测试了传感器的升降温的电阻- 温度关系，结果如图7 所示。迟滞误差一般以量程内输出最大值的百分数表示。本文将在同一次升降温时的两组电阻- 温度数据中找到相同温度下最大电阻差值，通过此值计算迟滞误差。第1 次与第4 次升降温下迟滞误差分别为0.447%和0.568%。

图7 升降温电阻- 温度关系与拟合直线

图8 测试平台示意图

3.2 时间常数测试

温度传感器的时间常数表示温度传感器从初始温度上升至变化量的63.2%所需要的时间。本文搭建的测试平台示意简图如图8 所示。传感器通过步进电机滑轨上的夹具固定后，开启数据采集系统，步进电机将器件从室温高速移动至已经完成升温恒温水热釜中，通过改变传感器外界环境的方式完成测试。

图9 三种传感器的时间常数测试结果

考虑到本文制备的温度传感器体积小，响应速度快。因此本文最终将测试平台滑轨的移动速度设置为45cm/s，置入深度设置为1cm，产生温度阶跃所用时间约为22.2ms（从传感器接触水面至达到置入速度所用时间）。实验对样品1-3 的铂薄膜温度传感器进行了时间常数测试，测试中通过步进电机将传感器从室温（24℃左右）快速转移至80℃的去离子水中，测试结果如图9 所示。铂薄膜温度传感器在室温下通过步进电机快速转移至水热釜的水槽后，其阻值快速上升，样品1 的时间常数约为330ms，电阻阻值从开始变化到稳定耗时约2s；样品2 的时间常数约为390ms，电阻阻值从开始变化到稳定耗时约2.4s；样品3的时间常数约为230ms 左右，电阻阻值从开始变化至稳定耗时约1.8s。

4 结论

本文通过在氧化铝陶瓷基底上使用剥离法成功制备了图案面积分别为：3.2×1.2mm2，3.13×1.425mm2，2.1×1.2mm2的蛇形图案铂薄膜，最后通过激光切割方式将带有铂薄膜的陶瓷区域切下并在两端涂敷导电银浆，完成了传感器的制备过程。对制备完成的三种铂薄膜温度传感器进行温敏特性测试后发现，虽然铂薄膜温度传感器的蛇形图案复杂程度不同，但结果表明三者具有十分接近的电阻温度系数和线性度。在迟滞与重复性测试中，传感器经过4 次高低温循环过程测试后测试器件的电阻- 温度关系，其结果表明器件迟滞较小。采用所搭建的时间常数测试平台对三种铂薄膜温度传感器的时间常数进行了测试。实际测试结果表明，制备的铂薄膜温度传感器时间常数最低为230ms 左右，符合该薄膜温度传感器的快速响应特性，在未来的便携可穿戴设备中有较好的应用潜力。