CN102419217A - 一种金属薄膜微米尺度热电偶器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属薄膜微米尺度热电偶器件，该热电偶器件包括绝缘基片，在绝缘基片上附着有一金属薄膜热电偶或多个金属薄膜热电偶构成的热电偶阵列，其中金属薄膜热电偶为单种金属的两条对折薄膜，其中，窄条带的宽度小于20微米，另一条宽条带的宽度大于100微米。与现有技术相比，本发明是一种制备简易，能够实现对微米尺度的局域温度进行测量的热电偶器件。并通过组合成阵列形式使用，可以实现对与热电偶阵列所接触的平面上的温度分布进行表征。

Description

一种金属薄膜微米尺度热电偶器件

技术领域

本发明属于温度测量技术领域，具体涉及一种单层金属薄膜构成的微米尺度热电偶及阵列。

背景技术

热电偶作为温度测量的有效手段，具有高精度、响应速度快等优点，在与温度相关的各个领域都得到了广泛的应用。热电偶的主要工作原理在于利用Seebeck效应，即将两种不同的导体/半导体一端连接作为热端，两导体的另一端则置于恒温区作为冷端，因为这两种材料的热电系数(即导体/半导体两端电压与温差的比值)不同，所以热端和冷端间的温差会转化为电压信号，则通过对电压信号的读取就可以反向求得温度。

而薄膜热电偶则是将两种导体/半导体材料都制备成薄膜的形式，如将两种薄膜沉积到一个绝缘基底上。相比普通热电偶，由于薄膜热电偶体积较小而且易于制备，并与现有微纳加工工艺兼容，可以集成于芯片，所以更多地应用于局域温度测量方面如芯片温度测量等。

然而，对于热电偶或者薄膜热电偶，为了实现测温，必须使用两种热电系数不同的材料进行测量，而对于块体材料，热电系数基本保持恒定。因此在制备过程需要对两种材料进行焊接等处理使其在一端接合。对于薄膜热电偶，如利用光刻镀膜等方式进行制备，则需要分两次分别完成不同材料薄膜的沉积。由于需要对两种材料进行接合，在制备过程中难免会引入各种界面效应，如杂质、不同材料间的热应力及寄生电阻抗等，这些都会对热电偶的稳定性和精确性造成影响；而对于薄膜热电偶，双层材料不但需要双重工艺，而且在薄膜接合部分薄膜厚度叠加也会对测试平面的平整度造成影响。

发明内容

本发明提供一种制备简易，能够实现对微米尺度的局域温度进行测量的热电偶器件。

本发明热电偶器件包括但不仅限于绝缘基片一块，通过微纳米加工工艺制备、沉积于基片上的金属薄膜热电偶或热电偶阵列，其特征在于，所述金属薄膜热电偶为单种金属的两条对折薄膜，其中，窄条带的宽度为小于20微米，另一条宽条带的宽度为大于100微米。

热电偶及热电偶阵列器件直接附着于探针基底表面，使用性质稳定而且热电系数较大的金属导体材料，如Cr，Ni，Pd，Sc，Ta，Ti，Zr，Bi等金属。每个热电偶的条带为厚度相同，宽度不同的矩形金属薄膜，两条薄膜窄条的折点称为热端，端部则统称为冷端。

热电偶的示意图及实物的扫描电子显微镜照片如图1所示。

本发明可以实现对与热电偶阵列所接触的平面上的温度分布进行表征。该器件具备的功能包括：(1)将该热电偶器件连接至高精度电压表，可以对微米尺度的局域范围的温度进行实时定点测量；(2)该热电偶器件所组成的阵列通过多路选通电路连接至高精度电压表，可以实现对于与整个热电偶阵列所接触的整个平面上若干点的实时，精确测温，并可以通过计算机处理得到整个平面的温度分布以及变化趋势。

与现有技术相比，该热电偶器件及热电偶阵列器件相对于其他的微米尺度温度手段具有如下优点：

(1)接触式无源测温，测量比较准确，可以给出微米尺度下的局域范围内的温度变化，测温方式简单易行，器件稳定性高；

(2)阵列器件，结合计算机处理，可以对被测物体的表面的温度变化进行实时监测；

(3)相对于薄膜热电偶器件，制备工艺大大简化，成本低廉，并避免了不同材料界面处可能会存在各种效应，提高了测量的精准度和稳定性。

附图说明

图1为热电偶实物的扫描电子显微镜照片；

图2为热电偶所测量的电压与实际温度的关系示意图；

图3为热电偶阵列所测量的整个被测平面的温度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实例一

1.设计并加工制备具有单种金属薄膜热电偶的掩模版，热电偶两臂的宽度分别为1.5微米与200微米；

2.基片选择玻璃，通过切割打磨等加工工艺得到一块直径2英寸，厚度0.6毫米的圆形基片。基片用丙酮、酒精、去离子水分别在超声清洗机中清晰5分钟以保证表面清洁；

3.基片清洁完毕后，选择微电子工艺中常用的5350型号光刻胶(德国ALLRESIST公司)，经过匀胶机4000rpm转速下匀胶1分钟使光刻胶均匀附着在表面1μm，并在105摄氏度下烘烤30分钟。之后，利用掩模版通过紫外光曝光工艺，使用SUSS MicroTec公司的MJB4光刻机，在300W汞灯功率强度下，曝光2.5s，再使用AR300-26显影液(德国ALLRESIST公司)与去离子水1∶7组成的稀释液进行显影60秒。在Kurt J.Lesker公司生产的PVD75磁控溅射镀膜仪中，溅射厚度为100nm的Ti薄膜，其中，背景真空为8E-7Torr，溅射气体Ar气，气压3mTorr，直流溅射功率为120W，溅射时间为16分钟，再在丙酮中放置15分钟左右进行剥离，即完成Ti材料薄膜热电偶的制备。

4.使用时，可以将所用的热电偶电极与精密电压表相连接(如Keithley公司2182A纳伏表)。通过用计算机编程(如LabVIEW程序)对热电偶进行读数。实际测量温度可以通过标准(商用)测温方法，如T型热电偶或Pt100/Pt1000测温电阻进行校准，所测量的电压与实际温度的关系如图2所示。

实例二

1.设计并加工制备具有单种金属薄膜热电偶阵列的掩模版，该阵列由多个热电偶组成，每个热电偶两臂的宽度分别为3微米与100微米；

2.基片选择玻璃，通过切割打磨等加工工艺得到一块直径2英寸，厚度0.6毫米的圆形基片。基片用丙酮、酒精、去离子水分别在超声清洗机中清晰5分钟以保证表面清洁；

3.基片清洁完毕后，选择微电子工艺中常用的5350型号光刻胶(德国ALLRESIST公司)，经过匀胶机4000rpm转速下匀胶1分钟使光刻胶均匀附着在表面1μm，并在105摄氏度下烘烤30分钟。之后，利用掩模版通过紫外光曝光工艺，使用SUSS MicroTec公司的MJB4光刻机，在300W汞灯功率强度下，曝光2.5s，再使用AR300-26显影液(德国ALLRESIST公司)与去离子水1∶7组成的稀释液进行显影60秒。在Kurt J.Lesker公司生产的PVD75磁控溅射镀膜仪中，溅射厚度为100nm的Ni薄膜，其中，背景真空为8E-7Torr，溅射气体Ar气，气压4.5mTorr，直流溅射功率为120W，溅射时间为15分钟，再在丙酮中放置15分钟左右进行剥离，即完成Ni材料薄膜热电偶阵列的制备。

4.使用时，可以将热电偶阵列的电极同引入一个自制的多路选通器或商业的多路选通器(如Keithley公司7001，多路选通器用于控制某一路信号为通)，再由多路选通器与精密电压表相连接(如Keithley公司2182A纳伏表)。通过用计算机控制(如LabVIEW程序)多路选通器依次选通热电偶阵列中的每一个热电偶，对热电偶进行读数。通过这种循环选通读数的方法即可实时地获得每一个热电偶所测量的温度，并进一步利用数据插值等处理方法获得整个被测平面的温度分布图(如图3)。

上述实施例中，热电偶或热电偶阵列采用的金属导体材料，除Ni和Ti外，还可以是Cr，，Pd，Sc，Ta，，Zr，Bi等金属。

以上通过优选实施例详细描述了本发明，本领域的技术人员应当理解，以上所述仅为本发明的优选实施例，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明的器件结构做一定的变形或修改，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种热电偶器件，包括绝缘基片，在绝缘基片上附着有金属薄膜热电偶或多个金属薄膜热电偶构成的热电偶阵列，其特征在于，所述金属薄膜热电偶为单种金属的两条对折薄膜，其中，窄条带的宽度小于20微米，另一条宽条带的宽度大于100微米。

2.如权利要求1所述的热电偶器件，其特征在于，所述金属薄膜的材料为Cr，Ni，Pd，Sc，Ta，Ti，Zr，Bi中的一种。

3.如权利要求1所述的热电偶器件，其特征在于，由N个热电偶组合而成的热电偶阵列中，每个热电偶引出两路信号，通过2N个电路引线分别引至电压表。

4.如权利要求1所述的热电偶器件，其特征在于，所述由N个热电偶组合而成的热电偶阵列中，每个热电偶的一端共同连接作为地线，通过N+1个电路引线分别引至电压表。

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