一種微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片及其制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于微型溫度傳感器芯片技術領域，特別涉及一種微型鎢錸薄膜熱電偶溫 度傳感器芯片及其制作方法。
【背景技術】
[0002] 早期的熱電偶發(fā)明于1821年，在那之后熱電偶溫度傳感器在蒸汽溫度測量、對爆 炸產物的熱響應、供暖、測高溫物體表面溫度等領域中取得了很大的成功。它的結構簡單、 制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等優(yōu)點，使其成為標準化的測 量設備。在這些傳感器中，高溫溫度傳感器在測量惡劣工況下的溫度中具有重要地位，這 種傳感器在很多不同傳感器配置中都取得了成就。然而，要針對特殊工況，將其微型化，現(xiàn) 在還沒有成熟的辦法，而基于MEMS技術的新型熱電偶結構，是一個解決此問題的新發(fā)展方 向。最近有基于這種結構特性提升的研宄成果，例如使用鎳鉻合金薄膜和陶瓷的結合結構。 雖然這些提議有一定效果，但仍舊沒有解決在長時間高溫下的溫度測量問題。
[0003] 傳統(tǒng)的熱電偶溫度傳感器一般以電偶絲為核心工作部件，工作溫度高，但體積較 大，難于應用于特別的工業(yè)需求之下。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供一種能耐高溫的微型鎢錸薄膜熱電偶溫度 傳感器芯片及其制作方法，該芯片在滿足了長時間高溫下溫度測量的同時，還兼具了微型 化的特點，解決了現(xiàn)有技術中存在的問題一一如實現(xiàn)了大塞貝克系數材料的溫度傳感器并 使熱應力匹配，且可以達到防氧化的效果。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：
[0006] 一種微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片，包括碳化硅質基底以及鍵合在碳化硅 質基底正面的薄膜熱電偶，薄膜熱電偶由鎢錸電偶薄膜正極和鎢錸電偶薄膜負極組成；鎢 錸電偶薄膜正極和鎢錸電偶薄膜負極分別與延長性補償線正極（5)和延長性補償線負極 相連。
[0007] 所述延長性補償線正極和延長性補償線負極上涂覆有導電銀粉保護膠。
[0008] 所述延長性補償線正極和延長性補償線負極的長度和厚度均相同。
[0009] 所述碳化硅質基底和鎢錸電偶薄膜正極及鎢錸電偶薄膜負極的上表面覆蓋有碳 化硅薄膜。
[0010] 所述鎢錸電偶薄膜正極及鎢錸電偶薄膜負極的長度和厚度均相同。
[0011] 所述鎢錸電偶薄膜正極和鎢錸電偶薄膜負極厚度大于延長性補償線正極和延長 性補償線負極。
[0012] 所述的鎢錸電偶薄膜正極和鎢錸電偶薄膜負極由不同成分的合金組成。
[0013] 所述延長性補償線正極和延長性補償線負極采用鎢錸合金金屬引線。
[0014] 一種微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片的制作方法，包括以下步驟：
[0015]a)無氧燒結壓制碳化硅質基底，并將表面拋光至微米級，得到碳化硅基片；
[0016] b)使用丙酮溶液清洗碳化硅基片，再用超純水清洗，并脫水烘干；
[0017] c)采用EPG533正膠，使用掩膜版進行光刻，光刻后濺射鍍鎢錸合金薄膜，得到鍵 合在碳化硅質基底上的鎢錸電偶薄膜正極和鎢錸電偶薄膜負極；
[0018] d)剝離多余膠水層，再使用丙酮溶液洗滌，洗滌后濺射鍍碳化硅保護膜；
[0019]e)將鎢錸電偶薄膜正極和鎢錸電偶薄膜負極組成的薄膜熱電偶整體制作電器連 接，引出鎢錸合金導線。
[0020] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0021] 本發(fā)明基于熱電效應，采用鎢錸合金這一耐高溫的高塞貝克系數的材料，能在高 溫工況下，將溫度以電信號的形式輸出，并通過溫度與輸出電壓的關系，實現(xiàn)溫度的測量。 另外其利用表面成膜技術，將結構微型化，并添加了碳化硅膜作為保護層，有效的防止了高 溫下的變質失效。通過結構與材料的綜合匹配設計，克服了以往微結構因熱應力不均勻造 成卷曲斷裂的問題。本發(fā)明實現(xiàn)了大塞貝克系數材料的溫度傳感器，能耐高溫長時間運行， 并可以達到防氧化的效果，同時解決了熱應力匹配的問題。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明芯片的結構示意圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明芯片的正面視圖；
[0024] 圖3為延長性補償線正極5和延長性補償線負極6上的導電銀粉保護膠7涂覆方 式不意圖，其中圖3_1為剖視圖，圖3-2為圖3_1中A-A方向的不意圖；
[0025] 圖4為本發(fā)明芯片的工作示意圖。
[0026] 其中，1為碳化硅質基底；2為鎢錸電偶薄膜正極；3為鎢錸電偶薄膜負極；4為碳 化硅薄膜；5為延長性補償線正極；6為延長性補償線負極；7為導電銀粉保護膠。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進行詳細說明。
[0028] 參見圖1，本發(fā)明微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片，包括碳化硅質基底1，碳 化硅質基底1的正面與鎢錸電偶薄膜正極2和鎢錸電偶薄膜負極3鍵合，碳化硅質基底1 和鎢錸電偶薄膜正極2及鎢錸電偶薄膜負極3的上表面覆蓋有碳化硅薄膜4。鎢錸電偶薄 膜正極2及鎢錸電偶薄膜負極3尾部分別與延長性補償線正極5和延長性補償線負極6相 連接。延長性補償線正極5和延長性補償線負極6相連接亦被被碳化娃薄膜包裹。
[0029] 如圖2所示，本發(fā)明微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片為膜層結構，其中鎢錸 電偶薄膜正極2、鎢錸電偶薄膜負極3、延長性補償線正極5和延長性補償線負極6這四組 膜均覆蓋在碳化硅質基底1上。鎢錸電偶薄膜正極2和鎢錸電偶薄膜負極3長度、厚度相 同，而延長性補償線正極5和延長性補償線負極6長度、厚度相同。鎢錸電偶薄膜正極2和 鎢錸電偶薄膜負極3厚度大于延長性補償線正極5和延長性補償線負極6。延長性補償線 正極5和延長性補償線負極6采用鎢錸合金。
[0030] 如圖3所示，延長性補償線正極5和延長性補償線負極6被導電銀粉保護膠7涂 覆，延長性補償線正極5,延長性補償線負極6和導電銀粉保護膠7均被碳化硅薄膜4涂覆。
[0031] 本發(fā)明的工作原理為：
[0032] 如圖4所示，采用鎢錸合金材料的塞貝克效應作為敏感原理，塞貝克效應是指在 兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在回路中將出現(xiàn)電流，稱 為熱電流。相應的電動勢稱為熱電勢，其方向取決于溫度梯度的方向。
[0033] 塞貝克效應的實質在于兩種金屬接觸時會產生接觸電勢差（電壓），該電勢差取 決于兩種金屬中的電子溢出功不同及兩種金屬中電子濃度不同造成的。
[0034] 產生金屬塞貝克效應的機理較為復雜，主要在兩個方面：
[0035] ①電子從熱端向冷端的擴散。然而這里的擴散不是濃度梯度（因為金屬中的電子 濃度與溫度無關）所引起的，而是熱端的電子具有更高的能量和速度所造成的。顯然，如果 這種作用是主要的，則這樣產生的Seebeck效應的系數應該為負。
[0036] ②電子自由程的影響。因為金屬中雖然存在許多自由電子，但對導電有貢獻的卻 主要是Fermi能級附近2kT范圍內的所謂傳導電子。而這些電子的平均自由程與遭受散射 (聲子散射、雜質和缺陷散射）的狀況和能態(tài)密度隨能量的變化情況有關。
[0037] 如果熱端電子的平均自由程是隨著電子能量的增加而增大的話，那么熱端的電子 將由于一方面具有較大的能量，另一方面又具有較大的平均自由程，則熱端電子向冷端的 輸運則是主要的過程，從而將產生塞貝克效應；金屬Al、Mg、PcUPt等即如此。
[0038] 相反，如果熱端電子的平均自由程是隨著電子能量的增加而減小的話，那么熱端 的電子雖然具有較大的能量，但是它們的平均自由程卻很小，因此電子的輸運將主要是從 冷端向熱端的輸運，從而將產生塞貝克效應；金屬Cu、Au、Li等即如此。塞貝克效應電勢 差的計算公式：
【主權項】
1. 一種微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片，其特征在于：包括碳化硅質基底（1)以 及鍵合在碳化硅質基底（1)正面的薄膜熱電偶，薄膜熱電偶由鎢錸電偶薄膜正極（2)和鎢 錸電偶薄膜負極（3)組成；鎢錸電偶薄膜正極（2)和鎢錸電偶薄膜負極（3)分別與延長性 補償線正極（5)和延長性補償線負極（6)相連。
2. 根據權利要求1所述的微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片，其特征在于：所述延 長性補償線正極（5)和延長性補償線負極（6)上涂覆有導電銀粉保護膠（7)。
3. 根據權利要求1或2所述的微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片，其特征在于：所 述延長性補償線正極（5)和延長性補償線負極（6)的長度和厚度均相同。
4. 根據權利要求1或2所述的微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片，其特征在于：所 述碳化硅質基底（1)和鎢錸電偶薄膜正極（2)及鎢錸電偶薄膜負極（3)的上表面覆蓋有碳 化硅薄膜（4)。
5. 根據權利要求1或2所述的微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片，其特征在于：所 述鎢錸電偶薄膜正極（2)及鎢錸電偶薄膜負極（3)的長度和厚度均相同。
6. 根據權利要求1或2所述的微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片，其特征在于：所 述鎢錸電偶薄膜正極（2)和鎢錸電偶薄膜負極（3)厚度大于延長性補償線正極（5)和延長 性補償線負極（6)。
7. 根據權利要求1或2所述的微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片，其特征在于：所 述的鎢錸電偶薄膜正極（2)和鎢錸電偶薄膜負極（3)由不同成分的合金組成。
8. 根據權利要求1所述的微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片，其特征在于：所述延 長性補償線正極（5)和延長性補償線負極（6)采用鎢錸合金金屬引線。
9. 一種微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片的制作方法，其特性在于，包括以下步 驟： a) 無氧燒結壓制碳化硅質基底（1)，并將表面拋光至微米級，得到碳化硅基片； b) 使用丙酮溶液清洗碳化硅基片，再用超純水清洗，并脫水烘干； c) 采用EPG533正膠，使用掩膜版進行光刻，光刻后濺射鍍鎢錸合金薄膜，得到鍵合在 碳化硅質基底（1)上的鎢錸電偶薄膜正極（2)和鎢錸電偶薄膜負極（3); d) 剝離多余膠水層，再使用丙酮溶液洗滌，洗滌后濺射鍍碳化硅保護膜； e) 將鎢錸電偶薄膜正極（2)和鎢錸電偶薄膜負極（3)組成的薄膜熱電偶整體制作電器 連接，引出鎢錸合金導線。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種微型鎢錸薄膜熱電偶溫度傳感器芯片及其制作方法，包括碳化硅質基底以及鍵合在碳化硅質基底正面的薄膜熱電偶，薄膜熱電偶由鎢錸電偶薄膜正極和鎢錸電偶薄膜負極組成；鎢錸電偶薄膜正極和鎢錸電偶薄膜負極分別與延長性補償線正極和延長性補償線負極相連。本發(fā)明基于熱電效應，能在高溫工況下，將溫度以電信號的形式輸出，并通過溫度與輸出電壓的關系，實現(xiàn)溫度的測量。通過結構與材料的綜合匹配設計，克服了以往微結構因熱應力不均勻造成卷曲斷裂的問題。本發(fā)明實現(xiàn)了大塞貝克系數材料的溫度傳感器，能耐高溫長時間運行，并可以達到防氧化的效果，同時解決了熱應力匹配的問題。
【IPC分類】G01K7-04, G01K7-10
【公開號】CN104655306
【申請?zhí)枴緾N201510077226
【發(fā)明人】田邊, 張仲愷, 鄭晨, 蔣莊德
【申請人】西安交通大學
【公開日】2015年5月27日
【申請日】2015年2月12日