高精確度鉑熱電阻的修調(diào)技術(shù)探討

曾繁中 吳再群 何越盛

【摘? 要】熱電阻（thermal resistor）是基于金屬導(dǎo)體最常用的一種溫度檢測器，由于其電阻值隨溫度的增加而呈線性增加，所以常用來進(jìn)行溫度測量，并且測量精確度高，性能穩(wěn)定，其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅被廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，并且常被制成校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件。鉑熱電阻傳感器適用于溫度檢測要求較高的場合，對薄膜鉑熱電阻元件的精密度修調(diào)技術(shù)開展研究，具有重要的戰(zhàn)略意義，本文探討在實(shí)際調(diào)阻工藝中，對鉑薄膜熱電阻器阻值精密度的影響，并且從鉑電阻版圖設(shè)計(jì)及激光刻蝕兩方面控制鉑電阻阻值的精確度，可以達(dá)到設(shè)計(jì)阻值精確度誤差小于±0.05%的要求。

【關(guān)鍵詞】熱電阻;傳感器;修調(diào)技術(shù)

引言

熱電阻式傳感器的原理是利用電阻隨溫度變化的特性，基于導(dǎo)電物體的電阻大小會隨著周圍環(huán)境溫度變化而發(fā)生線性變化，通過對電阻阻值的檢測，利用線性關(guān)系式推測得到當(dāng)前對應(yīng)的溫度值。目前，熱電阻主要由純金屬材料制成，電阻值隨著溫度的增加而增加，其中鉑熱電阻因測量精確度高，性能穩(wěn)定，成為了測量溫度的主要感測元件，封裝后可用于-200℃～1200℃范圍內(nèi)溫度測量，廣泛應(yīng)用在軍事、工業(yè)、民用醫(yī)療、電器、石油、化工、食品等行業(yè)的過程測控中。隨著薄膜鉑電阻制作工藝的發(fā)展，薄膜鉑電阻元件精確度可達(dá) 1/3B、1/10B 級，穩(wěn)定性也相應(yīng)提高。航天、航空、船舶等軍事領(lǐng)域，越來越多選用高精度、高穩(wěn)定、小結(jié)構(gòu)的薄膜鉑電阻元件進(jìn)行溫度測控。對薄膜鉑電阻元件的精確度及穩(wěn)定性開展研究，具有重要的戰(zhàn)略意義。

1.鉑熱電阻原理

金屬熱電阻的電阻值和溫度采用以下的溫度電阻關(guān)系式來表示：

Rt是溫度為t時對應(yīng)的電阻值，Rt0是溫度為t0（通常指t0=0℃）時對應(yīng)的電阻值，α為金屬熱電阻的溫度系數(shù)。金屬電阻值會隨溫度的升高而增加，主要是在金屬內(nèi)部存在的自由電子，當(dāng)溫度升高時，每個自由電子的動能將增加，因而要使這些因?yàn)闇囟壬叨与s亂的電子作定向運(yùn)動，在一定的電場作用下，就會遇到更大的阻力，導(dǎo)致電阻值增加。由溫度電阻關(guān)系式可以看出，Rt0的精度對溫度為t時對應(yīng)的電阻值Rt的精確度影響是很大的，也是本文研究的主要對象。

2.鉑熱電阻特點(diǎn)

本文研究的對象是鉑（Pt）熱電阻，如表1所列，其主要特性為化學(xué)穩(wěn)定性佳，尤其是耐氧化能力很強(qiáng)，其溫度與阻值有很好的線性關(guān)系，并且在很寬的溫度范圍內(nèi)（1200℃以下）均可保持上述特性;其電阻率較高，可以制成極細(xì)的鉑絲或極薄的鉑箔，由于性能穩(wěn)定、精度高，常作為標(biāo)準(zhǔn)測溫校準(zhǔn)裝置。但也有其缺點(diǎn)，主要是電阻溫度系數(shù)較小，電阻靈敏度不高，并且在還原介質(zhì)中工作時易被沾污變脆，且由于價格較高，主要應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。

3.鉑熱電阻工藝分析

鉑金屬、氧化鋁陶瓷、硼硅玻璃的化學(xué)與熱穩(wěn)定性都非常好，封裝后的鉑電阻元件結(jié)構(gòu)小，熱響應(yīng)快，耐受振動、沖擊等機(jī)械性能好，所以本文采用片式層狀結(jié)構(gòu)的引線式薄膜鉑電阻元件，其主要由高純氧化鋁陶瓷基底、高純鉑薄膜柵條電阻、純金焊盤、合金引線、硼硅玻璃保護(hù)層構(gòu)成。鉑電阻元件采用絕緣材料燒結(jié)包封，絕緣性能與耐壓性能很好，薄膜鉑電阻、焊點(diǎn)與外部環(huán)境隔離，使用過程中不易氧化、污染、腐蝕，元件的測量精度與長期穩(wěn)定性好。從結(jié)構(gòu)與工藝上分析可知，不考慮封裝應(yīng)力與熱傳遞偏差，薄膜鉑電阻元件的測量精度與穩(wěn)定性主要由薄膜柵條鉑電阻決定。

本文采用99.999%純鉑靶，通過濺射、刻蝕方式制備薄膜柵條鉑電阻，膜層均勻致密，雜質(zhì)與缺陷少，厚度達(dá)到2μm～3μm 時，柵條電阻的阻值與溫度系數(shù)重復(fù)性、穩(wěn)定性好，與鉑絲體材基本相同，理論上能達(dá)到二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻精度或更高。

4.鉑熱電阻阻值修調(diào)工藝

Rt0本身的精確度直接影響了線性補(bǔ)償后對應(yīng)溫度的電阻值，一般制造時是利用線性特性通過Rt0校正室溫25°C的初始電阻值R0，得到初始電阻值R0的目標(biāo)值，因此控制初始電阻值R0的精確度也變得至關(guān)重要。本論文在鉑電阻版圖上設(shè)計(jì)了10個并聯(lián)電阻作為阻值的調(diào)整點(diǎn)，通過激光劃切開并聯(lián)電阻，使得阻值增大，最大調(diào)整量為標(biāo)稱阻值的22%。每個調(diào)整點(diǎn)分別為標(biāo)稱阻值的10%，5%，3%，2%，1%，0.5%，0.3%，0.2%，0.1%，0.05%。比如經(jīng)過刻蝕后的電阻為500 歐姆，需要增加100 歐姆才能達(dá)到600歐姆的終值。理論上調(diào)節(jié)10%、5%，3%、2%四個調(diào)整點(diǎn)就可以修調(diào)完成，但是為了控制精確度，我們分為兩個階段，第一階段粗調(diào)19%，也就是調(diào)節(jié)10%、5%，3%、1%四個調(diào)整點(diǎn)，然后剩下的1%，利用0.5%，0.3%，0.1%和0.05%的檔位進(jìn)行細(xì)調(diào)，此時鉑薄膜熱電阻的阻值范圍可以控制在與目標(biāo)值誤差0.1%內(nèi)。注意每完成調(diào)節(jié)一個調(diào)整點(diǎn)，都需要測量待修調(diào)電阻的阻值，因?yàn)樾拚{(diào)后的阻值會增加，增加后的阻值不超過目標(biāo)阻值，才可以保證修調(diào)可以繼續(xù)。

為了進(jìn)一步提高鉑薄膜熱電阻精密度，本文通過激光調(diào)阻機(jī)對鉑薄膜并聯(lián)電阻的柵條電阻進(jìn)行激光刻蝕，達(dá)到修調(diào)電阻的目的。由于鉑薄膜熱電阻的電阻率較小，需要較長的蛇型修調(diào)切割槽長度來得到一定的電阻阻值。本文實(shí)驗(yàn)執(zhí)行激光刻蝕for...next循環(huán)次數(shù)，查看不同的刻蝕命令，對應(yīng)不同for...next 循環(huán)次數(shù)條件下，得到電阻阻值的變化量，只要知道所需要調(diào)整的阻值范圍，就可以推導(dǎo)出微調(diào)一定阻值所需的切割槽長度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，電阻阻值的變化量隨循環(huán)次數(shù)增加而增加，從而達(dá)到修調(diào)目的。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知循環(huán)次數(shù)與電阻阻值大約呈線性，也就是每增加循環(huán)一次，阻值大約增加10Ω，從需要修調(diào)的阻值范圍，可以得到所需要的蛇型微調(diào)切割槽的長度。需要留意循環(huán)次數(shù)過多，容易出現(xiàn)激光刻蝕路徑跳躍到其它待修調(diào)電阻上，因而產(chǎn)生廢品，但是循環(huán)次數(shù)不足，也會導(dǎo)致調(diào)阻結(jié)果無法達(dá)到目標(biāo)值要求的精確度，無法完成微調(diào)。

從測試結(jié)果可以看到調(diào)試后電阻R0的精確度誤差如圖1，不論是有引線鉑電阻或無引線鉑電阻，從鉑電阻器的柵條電阻版圖設(shè)計(jì)及激光刻蝕的修調(diào)兩方面控制鉑電阻阻值的精確度，可以達(dá)到設(shè)計(jì)阻值精確度誤差小于±0.05%的要求。

5.結(jié)語

鉑材料的熱電阻傳感器適用于溫度檢測要求較高的場合，通過鉑電阻版圖上設(shè)計(jì)的并聯(lián)電阻作為阻值的調(diào)整點(diǎn)，能夠保證鉑薄膜熱電阻的阻值范圍可以控制在與目標(biāo)值誤差0.1%內(nèi)，而從鉑電阻器的柵條電阻激光刻蝕的進(jìn)一步修調(diào)，可以達(dá)到設(shè)計(jì)阻值精確度誤差小于±0.05%的要求，隨著溫度傳感器向高性能、高可靠、集成化發(fā)展，對熱電阻的精確度要求越來越高，修調(diào)阻值技術(shù)在其中的作用將會更加顯著，日后在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用必將越來越廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1] 童敏明，唐守鋒，董海波.傳感器原理與檢測技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2014.

[2] 崔金婷.航空關(guān)鍵部件一體化集成薄膜熱電阻傳感器.電子科技大學(xué)，2020，08期.

[3] 王相虎，李榮斌.空穴載流子在多晶p-ZnO薄膜中的輸運(yùn)特性研究[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報，2010， （02）： 13-16.

[4] 譚李貴. 薄膜鉑電阻元件的應(yīng)用和檢測[J]. 中國功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇，2009，40（增刊）：65-67.

[5] .王卓.半導(dǎo)體熱敏電阻阻值的探討[J].豫西農(nóng)專學(xué)報，2018，（01）： 111.

[6] 馬毅，張宏宇. 薄膜鉑熱電阻特性分析[J]. 計(jì)量與測試技術(shù)，2012，39（8）：7-8.

[7] 溫宇峰，祖光裕，胡明，等. Pt 薄膜熱敏電阻工藝研究[J]. 電子元件與材料，2002，21（9）：9-10.

[8] 吳承汕. 鉑電阻溫度計(jì)長期穩(wěn)定性的試驗(yàn)研究[J]. 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量，2015（1）：38-39.

[9] 王金鵬，周晨飛，梁軍生，等. 退火工藝對薄膜型鉑電阻熱阻特性的影響探究[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2019，48（8）：26-28.

[10] 楊平，李志斌.常用熱電阻的溫度-阻值變換的解析計(jì)算[J].傳感器與微系統(tǒng)，2002，21（1）： 38-41.

[11] 姜國光，王震，張洪泉，等. 高靈敏度熱電阻器精細(xì)刻蝕技術(shù)研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2013， 32（3）：53-55.

[12] 彭少華，呂彩虹.熱電阻和熱電偶測溫原理與誤差分析[C]. 2016年海南機(jī)械科技學(xué)術(shù)年會，2016， 249-255.

基金項(xiàng)目：本文系2018—2020年廣西本科高校特色專業(yè)及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)基地（中心）建設(shè)項(xiàng)目：百色學(xué)院 “電子信息工程”特色專業(yè)（批準(zhǔn)文號：桂教高教〔2018〕52號;編號：119）成果之一。同時，也是2020年工程碩士專業(yè)學(xué)位授權(quán)點(diǎn)（電子信息）建設(shè)項(xiàng)目成果之一。

作者簡介：曾繁中（1968-），男，博士，電子信息工程專業(yè)教研室主任，主要從事模擬電子技術(shù)與相關(guān)課程教學(xué)。