EN
Фундаментални концепции за функционирането на тънкопленъчни термистори
Точност на измерването на температурата поради резистивните свойства на NTC
Работата на NTC термисторите се регулира от принципите на полупроводниците. При високи температури металоксидните термистори, като например тези, съдържащи манган, кобалт, никел или кислород, проявяват намалено електрическо съпротивление. Съществуват определени температурни диапазони, при които техните съпротивления намаляват, както е показано на кривата. Тази характеристика им позволява да регистрират температурни промени по-малки от 0,1 градуса по Целзий. NTC термисторите надминават стандартните температурни сензори, тъй като могат да засичат малки температурни промени без нужда от електронна обработка на сигнала. Термисторите с високо съпротивление са устойчиви на електрически и термични удари, което е резултат от стабилните кристални структури, формирани при високотемпературната (1000–1400 °C) обработка на термисторите. Тънкопленъчните термистори могат да издържат цикли на повишаване и понижаване на температурата, без да се отклоняват значително. Благодарение на комбинацията от дълъг срок на служба, превъзходна устойчивост на термични удари и бързи времена на отговор, тънкопленъчните NTC термистори са идеални за използване в чувствителни медицински приложения и автомобилни приложения, които изискват висока надеждност и променливи експлоатационни условия.
Защо архитектурата с тънки филми подобрява стабилността на TCR и времето на отговор
При разглеждане на керамични или жици с намотка варианти тънкопленъчният подход има неоспорими предимства. Чрез технологията, известна като напръскване (sputtering), производителите нанасят слой от Mn-Co-Ni-O с дебелина само 50–250 ангстрьома. Това води до значително подобряване както на еднородността, така и на намаляването на проблемите, свързани с границите между зърната на отделните частици. В резултат на това температурният коефициент на съпротивлението става далеч по-стабилен и варира в рамките на около 0,5 % при типичните работни условия. Тънките филми също са изключително бързо реагиращи, като типичното време на реакция е < 100 мс, което се дължи на много малката топлинна маса на тънкопленъчните слоеве. Добавянето на изолиращи, гъвкави полиимидни материали позволява на тези устройства да функционират в приложения, изложени на постоянната механична вибрация или бързи термични цикли. Това е надеждността, която промишлеността изисква за трудни заводски среди или за непредвидими условия в автомобилните приложения.
Производство на термистори с тънки филми: депозиция и структуриране
Оптимална адхезия: избор на субстрат и подготвяне на повърхността
При избора на материали най-вероятно ще бъдат разгледани субстрати от алумина и сапфир, тъй като те притежават термична стабилност, осигуряват достатъчна електрическа изолация и са съвместими с филми от метални оксиди. Преди всяка депозиция повърхностната подготовка (в случая с алуминиеви субстрати) е от първостепенно значение. Повърхността се подготвя чрез ултразвуково почистване, последвано от травене с кислородна плазма — процедура, която постига шерохватост по-малка от 5 нанометра. Това е важно, тъй като един от многобройните фактори, влияещи върху адхезията, е шерохватостта на повърхността; колкото по-гладка е повърхността, толкова по-добра е адхезията. Доказано е, че описаната по-горе процедура за повърхностна подготовка може да намали честотата на делиминиране на подготвената повърхност с 70 % по време на термично циклиране — фактор от голямо значение при термичното циклиране.
Нанасяне чрез разпрашаване като предпочитан метод за депозиране на тънки филми от термистори от Mn–Co–Ni–O
Реактивното магнетронно напръскване е най-надеждният метод за синтезиране на тънки филми от Mn-Co-Ni-O, при който се постига желаната стехиометрия. Този метод включва прецизен контрол върху атмосферата в напръскващата камера чрез смеси от аргон и кислород, което позволява на тънкия филм да запази точност на стехиометрията около 1,5 %, едновременно постигайки скорости на утаяване от приблизително 0,2 µm/мин. Когато изследователите оптимизират разстоянието между целевия материал и повърхността на субстрата, те регистрират намаляване на средния брой дефекти и забележимо увеличение на постоянния температурен коефициент на съпротивление (TCR) на филма. В сравнение с тези, получени чрез термично изпаряване, филмите са значително по-малко плътни и имат по-ниска адхезия към субстрата. Всъщност независими изпитания показват, че тънките филми, създадени чрез напръскване, имат до 40 % по-висока плътност на материала — ключов показател за намаляване на дефектите, който насърчава използването на напръскването за плътни приложения в множество области.
Точно оформяне на тънкопленъчни термистори чрез фотолитография и травиране
Високоточната фотолитография позволява производството на електроди и сензорни структури в микрометров мащаб с детайли до 10 микрона. След постигане на този ниво на резолюция извършваме спрей-нанасяне на фоторезист, последвано от фотолитографско облъчване през хромови маски и разработване на фоторезиста. Следващата стъпка е мокро травиране с разтвор на желязен хлорид, за да се премахне целият материал на термистора, който не е защитен от маската. Този процес осигурява размерна точност от ±0,8 микрона. В повечето случаи такава точност е задължителна, тъй като дори най-малките вариации в плътни сензорни масиви могат да повлияят върху нивата на сензорното съпротивление. Качеството на сензорния модел определя качеството на сензора, начина, по който той реагира на термични промени, както и вариабилността на сензорната реакция по време на експлоатация.
Интеграция на електроди и инженерство на интерфейса за дългосрочна надеждност
Ni–Cr и Pt електроди: предотвратяване на дифузията и осигуряване на стабилност на омичния контакт
Правилното внимание към начина, по който се интегрират електродите, играе решаваща роля за намаляване на интерфейсната деградация — една от основните причини за проблемите с дългосрочното отклонение. Например сплавите на никел и хром се използват като ефективни бариери срещу дифузия, тъй като забавят дифузията на катиони от електродите в нежелателните области на слоя на термистора. Освен това платиновите електроди са предимство поради ниското им съпротивление и стабилността на контактите им дори след многократно термично циклиране. Инженерен подход за подобряване на адхезията по интерфейса и минимизиране на нежелателните реакции е прилагането на атомарно мащабни обработки, като контролирана оксидация и почистване на повърхността чрез йонен лъч. Доказано е, че проектирането на интерфейсни слоеве намалява дрейфа на контактния потенциал под 0,5 ома след 10 000 термични цикъла и намалява интерфейсното напрежение с 40 % спрямо предишната метализация. В крайна сметка всичко това ще подобри точността на измерванията от самото начало до пълното износване на устройството.
Производство на тънкопленъчни термистори с гаранция за качество и оценка на производителността. Гаранция за качество. Методите за контрол на качеството, използвани в момента за тънкопленъчни термистори, са доказали изключителен и многократно потвърден успех при постигане на изключително високо ниво на надеждност и точност. Провеждаме термично циклиране при температури до 125 °C и до -40 °C повече от 1000 цикъла, за да се оцени структурната цялост и съпротивлението. При тестовете за дългосрочна дрейф-стабилност ускореното стареене изисква излагане на пробите при 85 °C и 85 % относителна влажност в продължение на повече от 1000 часа, за да се гарантира, че дрейфът остава под 1 %. При електрическите изпитания извършваме пълно картиране на стойностите на температурния коефициент на съпротивление (TCR) и изпитания за електромагнитни смущения, за да се осигури поддържане на точност ±0,1 °C в течение на времето. Всеки от нашите производствени процеси е подложен на строг статистически контрол на процеса, за да се следи вариацията в дебелината на филма до 5 нанометра и подравняването на електродите чрез автоматизирани оптични функции за подравняване. Нашето реалновременно термично визуализиране по време на лазерно подрязване засича микроскопични (в микроновия диапазон) особености, а тестовете за „приработване“ (burn-in) елиминират компонентите с ранни откази. Всички горепосочени изпитания и мониторинг гарантират, че нашите термистори постигат експлоатационен срок от 100 000 часа при екстремни условия на експлоатационна нагрузка без отказ.
Често задавани въпроси
Каква е основната предимство на NTC термисторите?
Топлинните NTC термистори са сравнително прости устройства, но предимствата им са забележителни. Основното предимство е, че NTC термисторите проявяват значителна степен на стабилност в продължение на дълги периоди от време и могат да бъдат компенсирани с точност от 0,1 градуса по Целзий.
Каква е основната разлика между тънкопленъчните термистори и другите?
Тънкопленъчните термистори се произвеждат с много тънък слой от Mn-Co-Ni-O и затова осигуряват значително по-добра хомогенност, по-бързо време на отговор и като цяло представляват по-добър заместител на керамични или намотани с жица материали.
Какъв е ефектът от подготовката на подложката в процеса на производство на термистори?
Правилната подготовка на подложката подобрява адхезията на металните оксиди към подложката, като по този начин намалява вероятността от отделяне на слоевете по време на изпитания с около 70 %. Гладките слоеве по-добре устояват на отделянето по време на изпитания.
Какъв ефект оказват никел-хромовите и платиновите електроди върху термисторите?
Електродите от Ni-Cr и Pt се споменават вътре в термисторите, тъй като Ni-Cr осигурява бариера срещу дифузията, а Pt осигурява стабилен контакт с ниско съпротивление. Това е комбинация от двете, която намалява дрейфа с течение на времето и подобрява стабилността на контакта при многократни цикли.
