ТЕРМОМЕТР СОПРОТИВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01K7/16 

Изобретение относится к термометрии, а именно к датчикам температуры на основе пленок металлов, и предназначено для измерения температуры, а также в качестве чувствительного элемента в различных объектах техники, где требуется низкая тепловая инерционность датчика и стабильность его ТКС в широком диапазоне температур эксплуатации.

Известен термометр сопротивления (ТС) для осуществления контроля или управления нагревом продуктов питания в специальных бытовых устройствах, содержащий диэлектрическую основу, на которую намотана проволока, являющаяся собственно чувствительным элементом, из сплава, состоящего из 70% никеля и 30% железа [1] Недостатками подобных ТС являются большие размеры и высокая инерционность работы.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является ТС для измерения температуры жидкой среды, содержащий керамическую подложку с содержанием примесей 0,3 0,5 мас. и термочувствительный элемент из никеля толщиной , выполненный в виде меандра, и адгезионный слой никель-хрома толщиной , сформированный между ними [2]
Недостатком ТС [2] является использование в его конструкции в качестве адгезионного слоя никель-хрома, из-за чего в процессе изготовления ТС приходится проводить многостадийный процесс, включающий две раздельных операции термообработки. Завершающий отжиг, который осуществляют с целью стабилизации микроструктуры и химического состава пленки и повышения временной стабилизации терморезистора проводят в [2] при сравнительно низкой температуре (не выше 255^oC), но в течение длительного (порядка 2-х суток) времени. Ускорить процесс искусственного "старения" пленки Ni за счет повышения температуры отжига в [2] не представляется возможным, т.к. при более высоких температурах усиливается нежелательная диффузия посторонних атомов (Cr) из адгезионного слоя (NiCr) в пленку термочувствительного слоя (Ni), что может привести к снижению величины ТКС резистора. Эти же причины ограничивают и температурный диапазон эксплуатации ТС [2]
Техническим результатом, создаваемым изобретением, является повышение термостабильности термометра сопротивления.

Указанный результат достигается тем, что ТС содержит диэлектрическую подложку и термочувствительный тонкопленочный элемент в виде меандра из металла, обладающего высоким температурным коэффициентом сопротивления, и адгезионный слой толщиной между ними, который выполнен из нитрида титана TiN.

Нитрид титана является термодинамически устойчивым соединением, пленки которого, сформированные с использованием известных методов осаждения в вакууме, обладают высокой адгезией к диэлектрическим подложкам и являются эффективными диффузионно-барьерными материалами. Применение пленок TiN в ТС позволяет при увеличении температуры стабилизирующего отжига избежать снижения ТКС терморезистора, а за счет более глубокого искусственного "старения" пленки термочувствительного элемента (Ni или Pt) расширить температурно-временной диапазон эксплуатации ТС.

На фиг. 1 показан термометр сопротивления, поперечный разрез, на фиг. 2
конфигурация меандра, сформированного посредством фотолитографии.

Термометр сопротивления (фиг. 1) содержит диэлектрическую подложку 1 (например, из сапфира, ситалла, слюды, поликора, окисленной пластины кремния и др. ), на которую нанесены адгезионный слой 2 из TiN толщиной , термочувствительный слой никеля или платины 3 необходимой толщины в виде меандра. Меандр 4 (фиг. 2) снабжен контактными площадками 5 и шунтами 6 для настройки.

Термометр сопротивления изготавливается следующим образом.

С использованием метода реактивного ионно-плазменного распыления титановой мишени в среде Ar + Nz на диэлектрическую подложку осаждали пленку стехиометрически выдержанного нитрида титана TiN толщиной . Затем наносили пленку Ni или Рt необходимой толщины (порядка 2000 или , соответственно) с R 50 Ом и проводили высокотемпературный отжиг (650^oС, 30 мин.) в вакууме или в среде инертного газа. С помощью фотолитографии на подложке 1 формировали топологию термочувствительного элемента в виде меандра 4 и осуществляли его настройку до заданного сопротивления.

На фиг. 3 представлена зависимость температурного коэффициента сопротивления Ni-терморезистора () от толщины адгезионного слоя TiN. Как видно из фиг. 3, величина λ не имеет существенных изменений до толщины TiN слоя . В то же время, как показали эксперименты по оценке адгезии в системе Ni (TiN) подложка, проведенные с использованием методики нормального отрыва, адгезия возрастает от σ_min= 3 H/мм² (пленка Ni на SiO₂ без адгезионного слоя TiN/ до σ_max= 87 Н/мм² для TiN толщиной . По результатам испытаний с использованием этой методики оптимальной толщиной адгезионного слоя TiN является .

Исследования термической стабильности проводились в диапазоне температур 300 600^oC. В процессе исследований использовались повышенные температуры работы термометра сопротивления, чтобы ускорить его износ. Фиг. 4 показывает зависимость натурального логарифма времени работы никелевого термочувствительного элемента ln(t), за которое параметр сопротивления ΔR изменяется на 0,1% от температуры среды. Экстраполяция прямой до необходимой рабочей температуры позволяет оценить термическую стабильность ТС. Так, время, за которое уход сопротивления от номинала составляет 0,1% при температуре измеряемой среды 200^oС будет 605 часов (точка 1 на фиг. 4), при 50^oС - 7373 часа (точка 2 на фиг. 4).

Таким образом, предлагаемый термометр сопротивления обладает повышенной термической стабильностью.

Сущность изобретения: на диэлектрическую подложку последовательно нанесены адгезионный слой толщиной из нитрида титана и термочувствительный тонкопленочный элемент из металла с высоким ТКС. Термометр сопротивления обладает высокой термической стабильностью в процессе эксплуатации при повышенных температурах, а также хорошей линейностью выходной характеристики. 4 ил.

Термометр сопротивления, содержащий диэлектрическую подложку, термочувствительный тонкопленочный элемент в виде меандра из металла с высоким температурным коэффициентом сопротивления и адгезионный слой, расположенный между ними, отличающийся тем, что адгезионный слой толщиной выполнен из нитрида титана.