薄膜快速响应温度传感器的国内外研究状况

国内外最常用的三种接触式测温元件是热电偶、电阻温度计(RTD)和NTC热敏电阻。热电偶的工作温度范围宽,但易受噪声影响,漂移较高,500℃以下测量精度及稳定性较差。NTC热敏电阻灵敏度高,但稳定性差、线性与互换性差,阻值偏差大。远距离、非接触式测温中用得多的是红外温度传感器,但它受水气、烟雾、尘雾、尘埃等影响较大,这些都不适合环境恶劣的军用传感器性能要求。在低、中温段,以电阻温度计的线性最好,尤其是铂热敏电阻,凭借其上佳的线性和无与伦比的长期稳定性,确立了自己作为温度参考传递国际标准的地位。所以,高精度、高稳定性的军用传感器基本都是采用的铂热电阻温度传感器。

铂热敏电阻的制作工艺一般采用的是丝式、箔式、厚膜式,薄膜铂热敏电阻还很少。丝式铂热敏电阻是在平板形式支架用直径为0.03~0.07mm纯铂丝绕制而成,虽然精度高,但具有抗振动和抗冲击性能差,可靠性低的缺点,并且体积大,不利于向微型化方向发展。箔式铂热敏电阻虽然抗振动冲击性能有所改善,但具有耐湿性差,绝缘性能低的缺点。铂膜热敏电阻的优点主要体现在:

1) 稳定性好,抗振动,抗冲击;

2)体积小,重量轻,便于微型化;

3)精度高,寿命长;

国外对高精度铂热敏电阻的研制主要集中在铂膜热敏电阻上。如瑞典的IRON公司、德国贺利氏(Heraeus)公司、美国霍尼韦尔公司,德国贺利氏的高精度铂热敏膜电阻的代表有L020、L420。国外对高精度产品的开发投入相当大,美国霍尼韦尔公司的固态传感器发展中心每年用于设备投资就达5000万美元,目前拥有包括计算机辅助设计、单晶生长、加工、图形发生器,对步重复照像、自动涂胶和光刻、等离子刻蚀、溅射、扩散、外延、蒸镀、离子注入、化学气相沉积、扫描电镜、封装和屏蔽动态测试等最先进的成套设备和生产线,而且是大约每三年左右就要更新其中大部分仪器设备。

通过先进的薄膜制备技术制作的薄膜铂热敏电阻是新型的高精度温度敏感元件,国外军事上普遍使用。它的主要工作原理是利用铂热敏电阻的阻值随温度变化而变化,并呈一定函数关系的特性来进行测温,这种温敏元件能直接测量-60℃~+600℃范围内的液体、气体介质以及固体表面的温度。如日本产的CRZ铂金薄膜铂热敏电阻芯片就是一个划时代温度传感器发展的产物。这种薄膜铂热敏电阻元件采用的是最先进高科技方法,像激光喷镀,显微照相和平版印刷光刻技术,用陶瓷和铂特制而成,而电阻值则以数字修整方式作出微调,因而能提供最精确的电阻值,产品精度达到了A级和B级。该电阻元件在高温下能够保持优良的稳定性,适合在-50℃~400℃的温度下使用。铂薄膜通过激光喷溅在陶瓷表层,因而铂膜热敏电阻元件具有良好的防振动和防冲击性能,薄膜表面覆盖以陶瓷,因此元件能够承受高电压并有良好的绝缘性。

国内铂膜热敏电阻的研究起步较晚,在电阻的准确性、稳定性、线性度等技术性能和可生产性方面,与国外同类型产品还有很大的差距。国内市场上绝大部分的高精度薄膜热电阻传感器都是采用国外的薄膜铂电阻芯体组装而成,如长沙泽天电子科技有限公司所生产的ZTM12x系列温度传感器,其测试范围为-50℃~4OO℃,但其耐压25MPa。国内市场上绝大部分的高精度铂膜热敏电阻都依赖于进口,这对我国工业技术与国防事业的发展都很不利。

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