ТЕРМОМЕТР СОПРОТИВЛЕНИЯ

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано в приборостроении в технологии изготовления термометров сопротивления с заданным температурным коэффициентом сопротивления (α).

Известен чувствительный элемент термометра сопротивления (ЧЭ) (патент №2222790 RU, 27.01.2004 г.), который выполнен в виде многослойной структуры Сu-Сr-Сu с температурным коэффициентом сопротивления - 3,90 10^-3 1/гр.

Недостатком известного ЧЭ является температурный коэффициент сопротивления величиной только 3,90 10^-3 1/гр.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является термометр сопротивления с α=4,05 10^-3 1/гр. (патент №2158419 RU, 27.10.2000 г.), содержащий тонкопленочный, медный чувствительный элемент термометра сопротивления 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 токопроводяший слой, причем зона перекрытия токопроводяшего узла с терморезистором составляет 0,1-0,5 мм, а по остальному периметру контактной площадки - 15-20 мкм.

Недостатком известного термометра сопротивления является ограничение его применения в измерительных системах, где используются платиновые термометры сопротивления с α величиной (3,91±0,05) 10^-3 1/гр. и (3,85±0,05) 10^-3 1/гр.

Технический результат, создаваемый изобретением, состоит в получении хорошо воспроизводимого и стабильного значения α с величиной (3,91±0,05) 10^-3 1/гр. и (3,85±0,05) 10^-3 1/гр. и Ro, соответствующим значениям, указанным в ГОСТе для платины и замене платиновых термометров сопротивления, изготовленных из драгметалла, в диапазоне температур: -200°С до +200°С.

Указанный технический результат достигается тем, что в термометре сопротивления, содержащем тонкопленочный медный ЧЭ 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, ЧЭ выполнен в виде меди с добавкой никеля. Содержание никеля в зависимости от необходимого α - (3,91±0,05)·10^-3 1/гр. или (3,85±0,05)·10^-3 1/гр. колеблется от 0,01 до 0,2 мас.%.

Изобретение поясняется фиг.1, 2 и 3. На фиг.1 и 2 показан термометр сопротивления, вид сверху и сбоку соответственно.

Термометр сопротивления представляет собой подложку 1 из изоляционного материала (например, ситалл, сапфир, поликор), на которой на адгезионном слое 2 расположен ЧЭ 3, выполненный в виде меди с добавкой никеля в форме меандра 4, снабженный подстроечными шунтирующими перемычками 5, и контактные площадки 6. Сверху ЧЭ покрыт защитным слоем хрома 7 толщиной 0,09-0,1 мкм и слоем неорганического диэлектрика, диоксида кремния 8, в котором вскрыты "окна", куда нанесен проводящий слой никеля или золота для контактного узла.

В процессе изготовления на подложку 1 методом магнетронного распыления в вакууме наносят подслой хрома и резистивную смесь меди с никелем толщиной не менее 1,5 мкм, при этом концентрация никеля в меди в зависимости от необходимого α (3,91±0,05)·10^-3 1/гр. или (3,85±0,05)·10^-3 1/гр. колеблется от 0,01 до 0,2 мас.%. Методом контактной фотолитографии формируют терморезистор 3 и контактные площадки 6, проводят термостабилизирующий отжиг. Затем с помощью магнетронного распыления наносят защитный слой хрома 7 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 8 и методом фотолитографии формируют «окна» в области контактных площадок. Далее ионноплазменным распылением наносят проводящий слой никеля, методом фотолитографии формируют контактный узел и облуживают. Следующий этап включает подгонку в номинал ЧЭ с помощью лазера, разделение подложки на модули (кристаллы) путем механического скрайбирования и пайку токовыводов. После монтажа и подгонки на термометр сопротивления наносится слой органического покрытия для защиты его от воздействия окружающей среды.

На фиг.3 приведена зависимость температурного коэффициента сопротивления от концентрации никеля в меди для пленок, толщиной (1,5-2,5) мкм, на подложке из сапфира, полученная экспериментальным путем. Исходя из полученного результата, определили необходимую концентрацию никеля в меди (0,01-0,2) мас.%, соответствующей α - (3,96-3,8)·10^- 1/гр.

Проведенные исследования и испытания термометров сопротивления на основе меди с добавкой никеля показали, что разработанная конструкция позволяет получить хорошо воспроизводимые и стабильные значения α (3,91±0,05)·10^-3 1/гр. или (3,85±0,05)·10^-3 1/гр. и Ro, соответствующим значениям, указанным в ГОСТе. Температурное (100 ч при 180°С) воздействие на датчики не привело к изменениям значений Ro и α.

Изготовление разработанных термометров сопротивления может осуществляться серийно по групповой технологии при минимальных затратах ручного труда.

Термометры сопротивления могут быть использованы для измерения и регулирования температуры поверхности элементов конструкций, спокойных газов и потока жидкости в трубопроводах малого диаметра в диапазоне температур: -200°С до +200°С.