Датчик температуры

 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в приборостроении. Тонкопленочный медный термометр с защитными слоями из тугоплавкого материала и неорганического покрытия сформирован на адгезионном слое изолирующей подложки. Терморезистор выполнен в виде многослойной структуры Cr-Cu-Cr в форме меандра. Толщина слоя хрома составляет 0,05-0,06 мкм. Технический результат: получение хорошо воспроизводимого и стабильного значения температурного коэффициента сопротивления. 2 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в приборостроении в технологии изготовления термопреобразователей сопротивления с заданным температурным коэффициентом сопротивления.

Известен датчик температуры, содержащий тонкопленочный медныт тензорезистор с защитным слоем, снабженный контактами из меди в виде пленочных площадок и расположенный на поверхности изолирующей подложки [1].

Недостатком известного датчика является изменение параметров резистора при длительной эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является датчик температуры, содержащий тонкопленочный медный термометр с защитными слоями, снабженный контактами из меди и расположенный на поверхности изолирующей подложки, у которого терморезистор и контактные площадки расположены на адгезионном слое из тугоплавкого металла, защита терморезистора и контактных площадок выполнена из тугоплавкого металла толщиной 0,09-0,1 мкм с областью перекрытия 2-6 мкм по периметру элементов и из слоя неорганического диэлектрика, в котором в области контактных площадок сформированы "окна" для контактных узлов, куда нанесен токопроводящий слой, причем зона перекрытия токопроводящего узла с терморезистором составляет 0,1-0,5 мм, а по остальному периметру контактной площадки - 15-20 мкм [2].

Недостатком известного датчика является ограничение его применения в измерительных системах, где используются платиновые термометры сопротивления.

Технический результат, создаваемый изобретением, состоит в получении дешевого, технологичного (тонкопленочного) датчика температуры, имеющего воспроизводимый и стабильный термический коэффициент сопротивления величиной (3,90±0,05)•10^-3 1/град, соответствующий платине по ГОСТ.

Указанный технический результат достигается тем, что в датчике температуры, содержащем тонкопленочный медный термометр с защитными слоями, снабженный контактами из меди и расположенный на поверхности изолирующей подложки, у которого терморезистор и контактные плошадки расположены на адгезионном слое из тугоплавкого металла, защита терморезистора и контактных площадок выполнена из тугоплавкого металла толщиной 0,09-0,1 мкм с областью перекрытия 2-6 мкм по периметру элементов и из слоя неорганического диэлектрика, в котором в области контактных площадок сформированы "окна" для контактных узлов, куда нанесен токопроводящий слой, причем зона перекрытия токопроводящего узла с терморезистором составляет 0,1-0,5 мм, а по остальному периметру контактной площадки - 15-20 мкм, достигается выполнением терморезистора в виде многослойной структуры Cu-Cr-Cu в форме меандра, причем толщина слоя хрома составляет 0,05-0,06 мкм.

Изобретение поясняется фиг.1 и 2, на которых показан датчик температуры, вид спереди и сверху соответственно.

Датчик температуры представляет собой подложку (1) из изоляционного материала (ситалла, сапфира, поликора), на которой на адгезионном слое (2) расположены термочувствительный резистор (3), выполненный в виде многослойной структуры Сu (4) - Сr (5) - Сu (6) в форме меандра, снабженный подстроечными шунтирующими перемычками (7), и контактные площадки (8). Сверху терморезистор покрыт защитным слоем хрома (9) толщиной 0,09-0,1 мкм и слоем неорганического диэлектрика диоксида кремния (10), в котором вскрыты "окна" (11), куда нанесен проводящий никеля или золота (12) для контактного узла.

В процессе изготовления на подложку (1) методом магнетронного распыления в вакууме наносят подслой хрома и резистивную многослойную структуру Cu-Cr-Cu, при этом толщина первого медного слоя (4) в этой многослойной структуре составляет 0,4-0,6 мкм, хромового слоя (5) - 0,05-0,06 мкм и второго медного слоя - 1,0-1,2 мкм с целью обеспечения ТКС (3,90±0,05)•10^-31/град. Методом контактной фотолитографии формируют терморезистор (3) и контактные площадки (8), проводят термостабилизирующий отжиг. Затем с помощью магнетронного распыления наносят защитный слой хрома (9) толщиной 0,09-1,0 мкм и методом фотолитографии формируют меандр и контактные площадки с перекрытием 2-6 мкм по периметру элементов. После этого наносят слой неорганического диэлектрика - диоксида кремния (10) и методом фотолитографии формируют "окна" (11) в области контактных площадок. Далее ионноплазменным распылением наносят проводящий слой никеля (12), методом фотолитографии формируют контактный узел и обслуживают. Следующий этап включает подгонку в номинал терморезистора с помощью лазера, разделение подложки на модули (кристаллы) путем механического скрайбирования и пайку токовыводов. После монтажа и подгонки на датчик температуры наносится слой органического покрытия для защиты его от воздействия окружающей среды.

Проведенные исследования и испытания датчиков температуры на основе многослойной структуры Cu-Cr-Cu показали, что разработанная конструкция позволяет получить хорошо воспроизводимые и стабильные значения ТКС (3,90±0,05)•10^-3 1/град и R₀, соответствующим значениям, указанным в ГОСТе на платину. Термоциклические и механические воздействия на датчик не приводят к изменениям значений R₀ и ТКС. Гарантийная наработка датчика 100 000 ч.

Изготовление разработанных датчиков температуры может осуществляться серийно по групповой технологии при минимальных затратах ручного труда.

Датчики температуры могут быть использованы для измерения и регулирования температуры поверхности элементов конструкций, спокойных газов и потока жидкости в трубопроводах малого диаметра в диапазоне температур (-200)÷(+200)^oС.

Литература 1. Патент РФ 2065143, МКИ G 01 K 7/18, 1993 г.

2. Патент РФ 2158419, МКИ G 01 K 7/18, 2000 г.

Формула изобретения

Датчик температуры, содержащий тонкопленочный медный термометр с защитными слоями, снабженный контактами из меди и расположенный на поверхности изолирующей подложки, у которого терморезистор и контактные площадки расположены на адгезионном слое из тугоплавкого металла, защита терморезистора и контактных площадок выполнена из тугоплавкого металла толщиной 0,09-0,1 мкм с областью перекрытия 2-6 мкм по периметру элементов и из слоя неорганического диэлектрика, в котором в области контактных площадок сформированы "окна" для контактных узлов, куда нанесен токопроводящий слой, причем зона перекрытия токопроводящего узла с терморезистором составляет 0,1-0,5 мм, а по остальному периметру контактной площадки – 15-20 мкм, отличающийся тем, что терморезистор выполнен в виде многослойной структуры Cu-Сr-Сu в форме меандра, причем толщина слоя хрома составляет 0,05-0,06 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2