纳米薄膜温度传感器的制备与性能研究

摘要

传感器广泛应用于工农业生产和日常生活的所有领域，并伴随着现代科学技术的进步而不断发展。薄膜传感器是随着薄膜技术的成熟而发展起来的一种新型微传感器。薄膜传感器在安装体积、动态响应、灵敏度等方面都有着十分明显的优点。 本文提出了新型的纳米薄膜温度传感器，给出了其具体结构设计以及敏感材料和封装材料的选择，最后对其工艺参数进行优化，最终在实验室制备出新型的薄膜温度传感器。使用测试系统进行静态温度标定，取得了比较理想的实验结果，其主要内容和结论归纳如下： 1．根据薄膜电子学理论，明确了薄膜电阻温度传感器的工作原理，选用了温度电阻系数比较大的材料：金属Ni，同时根据薄膜厚度对电阻的影响确定了最佳的薄膜厚度200nm-300nm。 2．设计了对应于不同基底材料的不同薄膜传感器结构和膜层结构。对于SiO<,2>基底，设计了4层薄膜的结构，由过渡层NiO、传感层Ni、导线层Cu、保护层Al<,2>O<,3>组成。根据理论计算和测试系统的要求确定了薄膜传感器的最佳电阻值，并根据最佳电阻值设计了掩模图案，同时利用薄不锈钢片制作掩模。 3．利用FJL560CI1超高真空磁控与离子束联合溅射镀膜机制备了多个Ni薄膜温度传感器样品，对工艺参数与传感器电阻值之间的关系进行了讨论。利用真空退火炉对样品进行了真空退火处理。利用温度测试系统对温度薄膜传感器样品进行了测试，对温度与传感器电阻值之间的关系进行了讨论与分析。用SSX-550 (SEM-EDS) 对薄膜的表面形貌进行了分析，特别是对退火前后的表面形貌进行了对比，发现退火后薄膜的晶粒之间的空洞变小、点缺陷和晶界减少，薄膜的致密性得到改善，同时薄膜电阻变小，温度电阻曲线的线性度变优。 4．利用FJL560CI1超高真空磁控与离子束联合溅射镀膜机的多个磁控靶同时工作，制备了Ni-Cu、Ni-Ti、Ni-Mn-Cu薄膜温度传感器，并对以上的薄膜传感器的温度电阻性能进行了测试和分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景

1.2传感器技术的发展趋势

1.3国内外薄膜温度传感器的发展情况

1.4课题的研究方法及主要工作

第二章薄膜传感器物理基础

2.1薄膜电子学基础

2.1.1块状电阻的成因

2.1.2连续薄膜的电阻

2.1.3厚度对连续薄膜电阻率的影响

第三章实验设备和方法

3.1实验设备简介

3.1.1FJL560CI1型超高真空磁控与离子束联合溅射镀膜机

3.1.2 JP250高真空退火炉

3.1.3扫描电子显微镜(SEM)和X射线能谱仪(EDS)

3.2薄膜制备方法简介

3.2.1溅射薄膜技术

3.2.2离子束溅射

第四章镍薄膜温度传感器实验室制备

4.1镍薄膜温度传感器材料选择与结构设计

4.1.1镍薄膜温度传感器的材料

4.1.2镍薄膜温度传感器的膜层与结构

4.1.3掩模图案的设计和制作

4.2纳米镍薄膜温度传感器的制作过程

4.2.1基片的清洗处理过程

4.2.2镀膜工艺和靶材的选择

4.2.3镀膜厚度的控制

4.2.4镀膜工艺流程

4.2.5退火

4.2.6温度薄膜传感器样品

4.2.7薄膜温度传感器的检测

4.3镍薄膜温度传感器工艺参数分析

4.3.1沉积时间对电阻值的影响

4.3.2电源功率对电阻的影响

4.3.3靶基距对电阻的影响

4.3.4励磁电源对电阻的影响

4.3.5退火对电阻的影响

4.4温度薄膜传感器的温度电阻性能测试数据分析

4.4.1镍薄膜温度传感器温度电阻关系

4.4.2镍薄膜温度传感器温度电阻系数曲线

4.5镍薄膜温度传感器的微观分析

4.5.1表面形貌的分析

4.5.2退火前后的表面形貌对比

第五章其他金属参杂温度传感薄膜研究

5.1镍-铜薄膜的制备及结果分析

5.1.1工艺参数分析

5.2镍-钛薄膜的制备及结果分析

5.3镍-锰-铜薄膜的制备及结果分析

第六章数据采集与处理系统理论设计

6.1数据采集系统概论

6.1.1单片机的选型

6.1.2电阻的四线制接法

6.1.3测温系统原理图

第七章结论与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文