EN
Grundlæggende begreber for funktionaliteten af tyndfilms-thermistorer
Nøjagtighed af temperaturmåling på grund af NTC-modstandsegenskaber
Driften af NTC-thermistorer styres af halvlederprincipperne. Ved høje temperaturer viser metaloxid-thermistorer, såsom dem, der indeholder mangan, kobalt, nikkel eller oxygen, en reduceret elektrisk modstand. Der findes bestemte temperaturområder, hvor deres modstand falder, som vist på en kurve. Denne egenskab gør det muligt for dem at registrere temperaturændringer på mindre end 0,1 grad Celsius. NTC-thermistorer yder bedre end almindelige temperatursensorer, idet de kan registrere små temperaturændringer uden behov for elektronisk signalbehandling. Thermistorer med høj modstand er modstandsdygtige over for elektrisk og termisk stød, hvilket skyldes de stabile krystalstrukturer, der dannes ved den høje temperatur (1000–1400 grader Celsius) under fremstillingen af thermistorerne. Tynfilms-thermistorer kan klare cyklisk udsættelse for stigende og faldende temperatur uden væsentlig drift. Med en kombination af lang levetid, fremragende modstandsevne over for termisk stød og hurtige responstider er tynfilms-NTC-thermistorer ideelle til brug i følsomme medicinske applikationer og automobilapplikationer, der kræver høj pålidelighed og varierende miljøforhold.
Hvorfor forbedrer tyndfilm-arkitekturen TCR-stabiliteten og responsiden?
Når man overvejer keramiske eller trådviklede muligheder, har tyndfilmsmetoden ubestridelige fordele. Ved hjælp af teknikken kaldet sputtering påfører producenter laget af Mn-Co-Ni-O i en tykkelse på blot 50 til 250 ångstrøm. Dette resulterer i betydelige forbedringer både med hensyn til ensartethed og reduktion af problemer relateret til korngrænserne for de enkelte partikler. Dette fører til, at temperaturkoefficienten for modstanden bliver langt mere stabil og ligger i området ±0,5 % variation under typiske driftsbetingelser. Filmene er også meget responsiv, med en typisk respons tid på < 100 ms, forårsaget af, at tyndfilmslagene har så lille termisk masse. Tilføjelsen af isolerende, fleksible polyimidmaterialer gør det muligt for disse komponenter at fungere i applikationer, der udsættes for konstant mekanisk vibration eller hurtig termisk cyklus. Dette er den pålidelighed, som industrier kræver i krævende fabriksmiljøer eller i uforudsigelige forhold i automobilapplikationer.
Fremstilling af tyndfilm-termistorer: Afsætning og strukturering
Optimal klæbning: Valg af underlag og overfladebehandling
Når man overvejer materialer, vil man typisk tage alumina- og safirunderlag i betragtning, da disse er termisk stabile, giver tilstrækkelig elektrisk isolation og er kompatible med metaloxidfilm. Før der udføres nogen afsætning, er overfladebehandlingen (i tilfælde af alumina-underlag) af afgørende betydning. Overfladen rengøres ultralydsmæssigt og efterfølges af ætsning i oxygenplasma, hvilket resulterer i en ruhed på under 5 nanometer. Dette er vigtigt, da overfladeruheden er en af de mange faktorer, der påvirker klæbningen – jo glattere overfladen er, jo bedre er klæbningen. Det er vist, at den beskrevne overfladebehandlingsproces kan reducere forekomsten af delaminering på den behandlede overflade med 70 % under termisk cyklus, hvilket er en faktor af stor betydning ved termisk cyklus.
Sputtering som den foretrukne metode til aflejring af Mn–Co–Ni–O tyndfilmstermistorer
Reaktiv magnetron-sputtering er den mest pålidelige metode til fremstilling af tynde Mn-Co-Ni-O-film, samtidig med at den ønskede støkiometri opnås. Denne metode indebærer præcis kontrol af atmosfæren i sputterkammeret ved hjælp af blanding af argon- og iltgasser, hvilket gør det muligt for den tynde film at opretholde en støkiometrisk nøjagtighed på ca. 1,5 %, mens der samtidig opnås afsætningshastigheder på ca. 0,2 µm/min. Når forskere optimerer afstanden mellem målmaterialen og substratets overflade, registreres en reduktion i det gennemsnitlige antal fejl samt en bemærkelsesværdig stigning i den ensartede temperaturkoefficient for modstanden (TCR) i filmen. I sammenligning hermed er filmbelægninger fremstillet ved termisk fordampning betydeligt mindre tætte og har ringere adhæsion til substratet. Faktisk har uafhængige tests vist, at tynde film fremstillet ved sputtering har op til 40 % større materiale densitet, hvilket er en afgørende indikator for fejlminimering og understøtter anvendelsen af sputtering til tætte applikationer inden for mange områder.
Præcist mønsterudformning af tyndfilms-thermistorer ved hjælp af fotolitografi og ætsning
Højpræcist fotolitografi gør det muligt at fremstille elektroder og følestrukturer i mikrometerstørrelse med detaljer ned til 10 mikrometer. Når denne opløsningsgrad er opnået, udfører vi spin-coating af et fotoresist, efterfulgt af fotolitografisk belystning gennem krommasker og udvikling af fotoresistet. Det efterfølgende trin er vådætsning med jern(III)chloridopløsning for at fjerne al thermistormateriale, der ikke er dækket af masken. Denne proces opnår en dimensionsnøjagtighed på ± 0,8 mikrometer. I de fleste tilfælde kræves denne nøjagtighedsniveau, fordi sensorers modstandsniveauer kan påvirkes af selv de mindste variationer i tætte sensorarrays. Kvaliteten af sensorernes mønster bestemmer kvaliteten af sensoren samt hvordan sensoren reagerer på termiske ændringer og variabiliteten i sensorresponsen under driften.
Elektrodeintegration og grænseflade-teknik til langvarig pålidelighed
Ni–Cr- og Pt-elektroder: Forebyggelse af diffusion og sikring af ohmsk kontaktstabilitet
Korrekt opmærksomhed på, hvordan elektroder integreres, spiller en afgørende rolle for at mindske grænsefladedegradation, en af de primære årsager til langvarige driftsproblemer. For eksempel fungerer nikkel-krom-legeringer som effektive diffusionsbarrierer, fordi de hæmmer diffusionen af kationer fra elektroderne ind i uønskede områder af termistorslaget. Desuden er platineelektroder fordelagtige på grund af deres lave modstand og stabilitet af deres kontakter, selv efter mange termiske cyklusser. En ingeniørmæssig fremgangsmåde til at forbedre grænsefladeadhæsion og minimere uønskede reaktioner er anvendelsen af atomskala-behandlinger såsom kontrolleret oxidation og overfladerensning med ionstråle. Det har vist sig, at teknisk udformning af grænsefladelag kan reducere kontaktspændingsdrift til under 0,5 ohm efter 10.000 termiske cyklusser og mindske grænsefladespænding med 40 % i forhold til den tidligere metallisering. Til sidst vil alt dette forbedre målenøjagtigheden fra det første øjeblik indtil enheden er fuldstændig slidt.
Fremstilling af tyndfilmstermistorer med kvalitetssikring og ydeevalevurering. Kvalitetssikring og kvalitetskontrolmetoder, der i dag anvendes til tyndfilmstermistorer, har vist sig at være yderst og gentagne gange succesfulde i opfyldelse af ekstreme krav til pålidelighed og nøjagtighed. Vi udfører termisk cykling fra op til 125 grader og ned til 40 grader i mere end 1.000 cyklusser for at vurdere strukturel integritet og modstand. Ved langtidsdriftstests kræver accelereret aldring, at prøver udsættes for 85 grader og 85 pct. luftfugtighed i over 1.000 timer for at sikre, at drift forbliver under 1 pct. Ved elektrisk testning udfører vi en komplet kortlægning af TCR-værdier samt testning af elektromagnetisk interferens for at sikre, at nøjagtigheden på +/− 0,1 grad opretholdes over tid. Hver enkelt af vores produktionsprocesser er underlagt streng statistisk proceskontrol til overvågning af filmtykkelsesvariationer på 5 nanometer samt justering af elektroder ved hjælp af automatiserede optiske justeringsfunktioner. Vores realtids termiske billeddannelse under lasertrimning registrerer mikroskopiske (i mikrometer-området) variationer, og vores burn-in-tests eliminerer komponenter med tidlig fejl. Alle ovennævnte tests og overvågningsforanstaltninger sikrer, at vores termistorer opnår en driftslevetid på 100.000 timer under ekstreme krav til ydeevne uden fejl.
Ofte stillede spørgsmål
Hvad er den primære fordel ved NTC-thermistorer?
Termiske NTC-thermistorer er ret enkle enheder, men deres fordele er bemærkelsesværdige. Den primære fordel er, at NTC-thermistorer udviser en betydelig grad af stabilitet over længere tidsperioder og kan kompenseres med en præcision på 0,1 grad Celsius.
Hvad er den primære forskel mellem tyndfilms-thermistorer og andre typer?
Tyndfilms-thermistorer fremstilles med et meget tyndt lag af Mn-Co-Ni-O og giver derfor en langt bedre ensartethed, en hurtigere tidssvar og generelt en bedre erstatning for keramiske eller trådviklede materialer.
Hvad er indflydelsen af substratforberedelse i fremstillingsprocessen af thermistorer?
Korrekt substratforberedelse forbedrer tilhæftningen af metaloxiderne til substratet og reducerer dermed sandsynligheden for lagadskillelser under tests med ca. 70 %. Jævne lag er mere i stand til at modstå testrelaterede adskillelser.
Hvilken effekt har Ni-Cr- og Pt-elektroder på thermistorer?
Ni-Cr- og Pt-elektroder henvises til inden i termistorer, fordi Ni-Cr udgør en diffusionsspærre, mens Pt sikrer en stabil, lavmodstandskontakt. Det er kombinationen af de to, der reducerer drift over tid og forbedrer kontaktstabiliteten ved gentagne cyklusser.
