一種銅熱電阻薄膜溫度傳感器芯片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種溫度傳感器芯片及其制備方法，尤其涉及一種使用銅熱電阻作為測(cè)溫元件的溫度傳感器芯片及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]溫度傳感器是感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器，主要包括熱電阻溫度傳感器(resistance temperature sensor)、熱敏電阻溫度傳感器(thermistor temperaturesensor)、熱電偶溫度傳感器(thermocouple temperature sensor)及集成P-N結(jié)溫度傳感器。隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，紅外輻射傳感器、熱釋電探測(cè)器、MOS場(chǎng)效應(yīng)管光子紅外探測(cè)器、光纖溫度傳感器，也得到了越來越多的應(yīng)用。溫度傳感器雖然種類繁多，但各有優(yōu)劣，使用最多的是幾大類溫度傳感器一熱電阻、熱敏和熱電偶溫度傳感器，它們的應(yīng)用場(chǎng)合略有區(qū)別:熱敏電阻器通常由單晶、多晶半導(dǎo)體材料制成，其對(duì)溫度極度敏感，電阻值會(huì)隨溫度產(chǎn)生階躍性變化，通常是非線性的；熱電偶溫度傳感器非常適合于高溫測(cè)量，相反在負(fù)溫度區(qū)間其測(cè)量效果不佳，而且需對(duì)熱電偶冷端補(bǔ)償、基準(zhǔn)端溫控和超前補(bǔ)償做預(yù)防措施，使得其測(cè)量過程非常復(fù)雜；熱電阻溫度傳感器電阻值隨溫度呈良好的線性關(guān)系，并且具有很好的穩(wěn)定性，是中低溫區(qū)(-200°C?650°C)最常用的一種溫度檢測(cè)器。
[0003]目前熱電阻溫度傳感器大多使用金屬鉑作為熱電阻敏感材料，其主要優(yōu)點(diǎn)是:金屬鉑的電阻值隨溫度變化而變化，基本成線形關(guān)系，并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，測(cè)量精度高，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)(-200-650°C)最常用的一種溫度檢測(cè)器。另一種常用的熱電阻材料為鎳，其有著1.7倍于鉑的電阻溫度系數(shù)，具有更高的靈敏度，因此在精度要求不是太高的情況下，鎳熱電阻可以取代昂貴的鉑熱電阻。與前兩者相比，銅的線性度最好，具有高于鉑的電阻溫度系數(shù)。但銅的缺陷也相當(dāng)明顯:低電阻率導(dǎo)致靈敏度與精度低下，容易被氧化、腐蝕等。以上缺陷嚴(yán)重限制了其在溫度檢測(cè)方面的應(yīng)用，長(zhǎng)期未引起人們的重視。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為克服現(xiàn)有技術(shù)中的以上缺陷，本發(fā)明的銅熱電阻薄膜溫度傳感器芯片采用改良的薄膜工藝，降低了所沉積金屬膜內(nèi)雜質(zhì)與缺陷數(shù)量，大大提高了銅薄膜的電阻率，在傳感器的制造過程中加入了鈍化保護(hù)層，使銅薄膜避免被氧化腐蝕，提高了耐用度，保留了優(yōu)良線性度的優(yōu)點(diǎn)，具有高電阻、熱穩(wěn)定、低成本的優(yōu)點(diǎn)。通過在真空中的高溫?zé)崽幚?，使得銅薄膜內(nèi)微缺陷進(jìn)一步減少，并且還可控制調(diào)節(jié)溫敏薄膜的電阻溫度系數(shù)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種銅熱電阻薄膜溫度傳感器芯片，包括一基片、溫度傳感器、兩個(gè)電極板，其中所述溫度傳感器設(shè)置在所述基片上，所述溫度傳感器包含檢測(cè)電阻和調(diào)阻電路，所述檢測(cè)電阻和調(diào)阻電路分別由多個(gè)電連接的電阻元件構(gòu)成，所有所述電阻元件上覆蓋有一絕緣鈍化層，所述兩個(gè)電極板分別與調(diào)阻電路兩端的電阻元件連接。
[0006]所有所述電阻元件由溫敏薄膜圖形化形成，所述溫敏薄膜包括一銅熱電阻薄膜層和覆蓋于所述銅熱電阻薄膜層表面的一鈍化保護(hù)層，其中所述銅薄膜為熱敏感材料，具有納米微晶結(jié)構(gòu)，其微晶或缺陷的長(zhǎng)度不大于500納米。
[0007]進(jìn)一步地，所述溫敏薄膜還包括一種子層，所述種子層位于所述基片與所述銅熱電阻薄膜層之間，所述銅薄膜的納米結(jié)構(gòu)用于控制溫敏薄膜的電阻溫度系數(shù)，并可以通過所述種子層的材料的選擇和制造過程中的退火工藝得到進(jìn)一步的優(yōu)化。
[0008]進(jìn)一步地，整個(gè)芯片除連接電極板以外的其它部分覆蓋有一彈性保護(hù)層。
[0009]優(yōu)選地，所述鈍化保護(hù)層為高溫保護(hù)涂層，用以提高所述溫度傳感器的高溫耐受性。
[0010]優(yōu)選地，所述鈍化保護(hù)層由各類氧化物和氮化物組成，并不局限于某一特定材料。
[0011]優(yōu)選地，鈍化保護(hù)層的氧化物包括氧化鋁、氧化鎂、氧化硅、氧化鉭。
[0012]優(yōu)選地，鈍化保護(hù)層的氮化物包括氮化鈦、氮化鋁、氮化鉭、氮化硅。
[0013]優(yōu)選地，所述銅熱電阻薄膜層為銅薄膜或銅合金薄膜，所述銅合金薄膜為CuCr、CuN1、CuSn, CuNiFe 或 CuNiTi。
[0014]進(jìn)一步地，所述銅熱電阻薄膜層的厚度為200?50000埃。
[0015]優(yōu)選地，所述檢測(cè)電阻的形狀為蛇形或螺旋形，所述電極板的形狀為正方形、長(zhǎng)方形或圓形。
[0016]本發(fā)明還提供了一種銅熱電阻薄膜溫度傳感器芯片的制備方法，包括以下步驟:
[0017]S1.對(duì)一基片進(jìn)行表面清潔，在所述基片上沉積溫敏薄膜；
[0018]S2.將所述沉積后的溫敏薄膜進(jìn)行真空熱處理，真空熱處理的目的在于消除膜內(nèi)微缺陷和調(diào)節(jié)熱敏感層的電阻溫度系數(shù)(TCR);
[0019]S3.將所述經(jīng)過真空熱處理的溫敏薄膜圖形化形成溫度傳感器中的各電阻元件；
[0020]S4.在所述電阻元件的上方沉積一層絕緣鈍化層，將所述絕緣鈍化層開窗，露出熱敏感材料用于構(gòu)建連接電極；
[0021]S5.在絕緣鈍化層開窗處生長(zhǎng)電極，該電極可用于后道球線焊接或者直接貼片封裝；
[0022]S6.使用激光調(diào)整溫度傳感器芯片的電阻值至其規(guī)定值；
[0023]S7.在除連接電極外的其它部分沉積一層彈性保護(hù)層。
[0024]優(yōu)選地，所述步驟SI在基片上沉積溫敏薄膜包括:
[0025]S101.在所述基片上沉積一層種子層；
[0026]S102.在所述種子層上濺射一層銅熱電阻薄膜層作為熱敏感材料；
[0027]S103.在所述銅熱電阻薄膜層上濺射一層鈍化保護(hù)層。
[0028]優(yōu)選地，所述步驟SI在基片上沉積溫敏薄膜包括:
[0029]S111.在基片上濺射一層銅熱電阻薄膜層作為熱敏感材料；
[0030]SI 12.在所述銅熱電阻薄膜層上濺射一層鈍化保護(hù)層。
[0031]上述方法中，所述基片的材質(zhì)為硅、氧化鋁、藍(lán)寶石、氮化鋁、碳化硅、氮化硅或微晶玻璃；所述種子層應(yīng)當(dāng)根據(jù)熱敏感材料薄膜與基片之間的粘附性、產(chǎn)品對(duì)電阻溫度系數(shù)等要求來決定是否需要添加。所述種子層包括氧化鋁、氧化鎂、氧化鈦等金屬氧化物或氮化鋁、氮化鈦等金屬氮化物。所述鈍化保護(hù)層包括氮化鈦、氮化鋁、氮化鉭、氮化硅等金屬氮化物及氧化鋁、氧化鎂、氧化硅、氧化鉭等金屬氧化物。
[0032]優(yōu)選地，所述步驟S3中進(jìn)行真空熱處理的溫度為150?600攝氏度。
[0033]優(yōu)選地，所述銅熱電阻薄膜層為銅薄膜或銅合金薄膜，所述銅合金薄膜為CuCr、CuN1、CuSn, CuNiFe 或 CuNiTi。
[0034]優(yōu)選地，所述銅熱電阻薄膜層的厚度為200?50000埃。
[0035]進(jìn)一步地，所述步驟S3中，多個(gè)所述電阻元件電連接構(gòu)成溫度傳感器的檢測(cè)電阻和調(diào)阻電路，所述步驟S6中，通過調(diào)整調(diào)阻電路的電阻值來調(diào)整溫度傳感器芯片的電阻值至其規(guī)定值。
[0036]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:
[0037](I) 一次成膜，制備工藝簡(jiǎn)單；
[0038](2)與同類鉑、鎳熱電阻溫度傳感器相比具有更高的線性度；
[0039](3)所使用的金屬敏感材料超薄，使溫度傳感器芯片不僅具有高電阻的特性，并且具有優(yōu)良的溫度特性；
[0040](4)銅材料可以廣泛獲得，相比其它類金屬熱電阻溫度傳感器，成本大大降低。
【附圖說明】
[0041 ] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0042]圖1為本發(fā)明的一種銅熱電阻薄膜溫度傳感器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖2為本發(fā)明的的調(diào)阻電路圖；
[0044]圖3為本發(fā)明的螺旋形電阻元件示意圖；
[0045]圖4為本發(fā)明的蛇形電阻元件示意圖；
[0046]圖5為本發(fā)明的一種銅熱電阻薄膜溫度傳感器芯片的截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0047]下面將參考附圖并結(jié)合實(shí)施例，來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0048]實(shí)施例
[0049]圖1為本發(fā)明的一種銅熱電阻薄膜溫度傳感器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器芯片包括基片3以及集成在基片3上的溫度傳感器。溫度傳感器包含檢測(cè)電阻4和調(diào)阻電路5，所述檢測(cè)電阻4和調(diào)阻電路5分別由多個(gè)電阻元件連接構(gòu)成，所有所述電阻元件上覆蓋有一絕緣鈍化層9，電極板1、2與調(diào)阻電路5兩端的電阻元件連接；整個(gè)芯片除連接電極板以外的其它部分還沉積有一彈性保護(hù)層11。
[0050]所有所述電阻元件由溫敏薄膜圖形化形成，所述溫敏薄膜包括一種子層6、種子層上方的一銅熱電阻薄膜層7和銅熱電阻薄膜層之上的一鈍化保護(hù)層8，其中，所述銅熱電阻薄膜層7為熱敏感材料，具有納米微晶結(jié)構(gòu)，其微晶或缺陷的長(zhǎng)度不大于500納米。
[0051]所述銅熱電阻薄膜層7為銅薄膜或銅合金薄膜，所述銅合金薄膜為CuCr、CuNi,CuSn> CuNiFe或CuNiTi，所述銅合金薄膜具有提高耐腐蝕性、減少壓力引起的空隙、降低薄膜粗糙度等優(yōu)點(diǎn)。
[0052]參見圖3、圖4，所述檢測(cè)電阻4的形狀可以為蛇形或螺旋形，電極板1、2的形狀為正方形、長(zhǎng)方形或圓形，但不限