用于低温环境的铂电阻温度微传感器

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在深低温区域用于温度检测的材料中应用 比较广泛的是二极管、铂和掺杂的锗材料等。Mitin V F教授对掺杂的锗材料做了很多研究，他所研究的重掺杂高度补偿 的锗薄膜温度传感器具有较高的TCR、灵敏度以及稳定性，但是 ，重掺杂高度补偿的锗薄膜的加工工艺比较复杂，对加工仪器的要求比较高 。二极管材料由于其 自身的特性 ，在应用上也有-定的局限性。在所有的用于低温区域的敏感器材中，目前应用的最广的、技术最成熟的是铂电阻温度传感器。铂电阻温度传感器适用的温区广、稳定性好 、精度高，并且在较低电压下有较快的响应速度以及与温度的线性变化关系。研究表明，如果采用适当的工艺 ，铂电阻温度微传感器可以用于深低温的温度检测 。但是 ，目前研收稿日期：2012-10-23基金项目：上海市科委资助项日(11D12290203，11JC1405700)究的铂电阻温度传感器主要应用于 -200℃以上温区的温度检测，对于用于检测低于 -200℃温区的铂 电阻传感器的研究工作 比较有限。本文研制的通过 MEMS工艺加工的铂电阻微传感器能很好地适用于 -200℃以上温区的温度检测。

1 设计与加工工艺1.1 铂电阻温度微传感器设计图1所示为传感器的设计图形。传感器敏感元件采用对称的折回型设计。-方面，这种折回型设计可以有效地避免由于交流电流存在时产生的感抗；另-方面，这种设计可以减小敏感元件的体积，从而方便集成与批量生产。铂电阻温度微传感器在 0。C时的电阻设定为 100 n。由金属电阻的计算公式为：RpL/w6，(P为电阻率 ， 为长度 ，120 传 感 器 与 微 系 统 第32卷为宽度，6为厚度)，0℃时，P为9.8 X10 n ·m，敏感薄膜的宽度 w50 m，厚度6200 nm，计算得长度 5460I，zm可以满足 0 oC时电阻为 100 12。为了减小温度传感器的响应时间，提高响应速度 ，热传导系数高的硅被选作传感器敏感薄膜的衬底。

图 1 铂 电阻温度微传感器Fig 1 Pt resistance temperature microsensor1.2 微传感器加 工工艺流程铂电阻温度 微传感器 阵列的加工 工艺流程是 ：将500 m厚 、(100)晶向的硅片正反两面抛光、氧化生成2 m的氧化物，并用来做传感器的衬底。1)将硅片放在 180℃的烘箱 中烘 3 h；2)在硅 衬底 上旋 涂 3 m 厚 的正 胶(AZ5214)后 ，前烘 ；3)通过紫外光接触式曝光 40 S后 ，显影；4)在硅衬底上溅射 150 nm厚的 A1 0。薄膜；5)为了增加铂薄膜与衬底材料 的结合力，在 A1 0。薄膜层上溅射30 nnl的 cr，cr层溅射好后，接着在上面溅射 200 nm厚的Pt。上述的 3种溅射都采用直流磁控溅射 ；6)通过lifl-0f工艺得到最后的铂电阻温度微传感器的敏感元件。最后 ，通过在空气中退火后使铂电阻温度微传感器的敏感元件形成稳定的结构，并实现传感器稳定的性能。

2 结果与讨论2.1 传感器的阻抗测试为了验证设计的传感器能否满足避免交流电流产生额外阻抗的要求，不同频率下铂 电阻温度微传感器的阻抗和相位角采用阻抗测试仪测量得出，测试结果如表 l所示。

表1 阻抗、相位角与频率的关系Tab 1 Relation between resistance and phase angle and frequency频 率0 100 10 x102 10 x103 10 x104 10 xl05(Hz)阻抗值(il) 148 65 148 67 148 63 148.68 148 72 148 75相位角(。) 0 -0.007 -0 027 -0.005 -0.034 -0 036由LCR的测试结果可知，采用对称的折回型设计，可以有效地降低铂电阻温度微传感器 自身寄生的电感 ，从而能减小传感器在测量时的误差 ，得到更精确的测量结果，实现更好的稳定性。

2.2 传感器电阻与温度的变化关系及磁 阻测试为了研究温度传感器的稳定性，需要通过多次热循环测试得出电阻与温度的关系曲线的重合情况，为了确定所加工的温度传感器是否可以用在有磁场的环境中，需要通过磁阻测试来确定磁阻的大校本文采用美国量子公司的QD PPMS仪器测试传感 器的电阻与温度 的变 化关系。

图 2(a)为传感器测试样品台，将传感器的引线焊接在测试台的电极上，然后将整个测试台放人图2(b)所示的测试系统，编辑测试程序，控制测试流程和变温过程，系统进行 自动测试。

曩 (a)样 品测试台 (b)PPMS测试系统(a)sample test platform (b)PPMS test system图2 铂微传感器的测试系统Fig 2 Test system of Pt microsensor首先，测试的是没有外加磁场的情况下 ，测试系统的温度从 100 K均匀降温至 10 K，再从 10 K均匀升温 100 K，得出-个循环后电阻与温度的变化关系；接着，按照上述条件不变，循环测试 20次。循环测试 2O次后，测试仔在磁场时的电阻-温度变化关系，测试磁场强度取 3，4，5，6T4个值，分别测出磁场取不同值时电阻随温度的变化关系。其测试结果如图3(a)所示。图 3(b)所示传感器的温度J!lJ试范围是 10-300K，其测试步骤和述--样，只是测量的温更宽，所加的磁场值为 3T。从图中分析 u丁知，测试曲线蕈合度高，铂传感器稳定性好，对磁场的抗干扰能力强 分忻测试数据得出温度低于30 K时和高于3O K时电阻随温度的变化规律有所不同。在温度高于30 K时，通过数据拟合得到电阻和温度的关系为R(T)31.400.36TO.00067T . (1)拟合后的均方差为 0.035n，温度低于30K叫，电j干温度的关系为R(T)40.97-0.107 0.0055 2.53 X10 7 。

(2)拟合后的均方差为 0.0034Q。-般情况下，传感器的平均 TCR计算公式为TCR (R2-R1)/AT·R (3)其中，R ，R 分别为 7 与 时的电阻值，△717 -T1( > )，通过计算得出：当 T>30 K时，电阻随温度的变化基本上呈线性关系，取 T 35 K时测得的电阻 R ，R 45.O8 n和 100 K时测得的电阻 ，R 74.25 I1～温度和电阻值代人到 TCR的公式得出 T>30 K时，钔传感器的TCR为9980 X10 /K。当 T<30 K时，取 T 10 K叫测得的电阻R ，R 40.51 Q和 30 K时测得的电阻 ，R 43.50 Q～温度和电阻值代入剑 TCR的公式得出T<30 K时铂传感器的TCR为3 730 X10-/K。

(下转第 124页)l24 传 感 器 与 微 系 统 第 32卷m g点烂世0U时l司/min图6 CO2/水汽分析仪与TEL-7001测定 CO2浓度对比图Fig 6 Comparison diagram of CO2 concentration measuredby CO2/water vapor analyzer and TEL-7001窨吕 艇《图7 CO2/水汽分析仪与 HMP 155测定水汽浓度对比图Fig 7 Comparison diagram of water vapor concentrationmeasured by CO2/water vapor analyzer and HM P-155、 l， tP tP t， .； 、0 、0p 、0p ；(上接第 120页)8070量 60504030I701 50盟 9O脚 705O30