EN
Grundläggande begrepp för funktionaliteten hos tunnfilms-thermistorer
Temperaturmätningens noggrannhet på grund av NTC-resistiva egenskaper
Driften av NTC-termostater styrs av halvledarprinciperna. Vid höga temperaturer visar metalloxidtermostater, såsom de som innehåller mangan, kobolt, nickel eller syre, minskad elektrisk resistans. Det finns vissa temperaturområden där deras resistans minskar, vilket illustreras av en kurva. Denna egenskap gör att de kan upptäcka temperaturändringar på mindre än 0,1 grader Celsius. NTC-termostater överträffar standardtemperatursensorer genom att kunna upptäcka små temperaturändringar utan behov av elektronisk signalbehandling. Termostater med hög resistans är motståndskraftiga mot elektrisk och termisk chock, vilket beror på de stabila kristallstrukturerna som bildas vid högtemperaturbehandling (1000–1400 grader Celsius) av termostaterna. Tunnfilms-termostater kan klara cykling mellan ökad och minskad temperatur utan att avvika avsevärt. Med en kombination av lång livslängd, utmärkt motståndskraft mot termisk chock och snabba svarstider är tunnfilms-NTC-termostater idealiska för användning i känslomätta medicinska applikationer och fordonsapplikationer som kräver hög tillförlitlighet samt varierande miljöförhållanden.
Varför tunnfilmsarkitektur förbättrar TCR-stabilitet och svarstid
När man överväger keramiska eller trådlindade alternativ har tunnfilmsansatsen otvivelaktiga fördelar. Genom att använda tekniken sputtring applicerar tillverkare lagret av Mn-Co-Ni-O i en tjocklek på endast 50–250 ångström. Detta resulterar i stora förbättringar både vad gäller enhetlighet och minskning av problem relaterade till korngränserna hos de enskilda partiklarna. Detta leder till att temperaturkoefficienten för resistansen blir betydligt mer stabil, med en variation på ca 0,5 % under vanliga driftförhållanden. Filmerna är också mycket responsiva, med en typisk svarstid på < 100 ms, vilket beror på att tunnfilmslagren har en så liten termisk massa. Tillägget av isolerande, flexibla polyimidmaterial gör att dessa komponenter kan användas i applikationer som utsätts för konstant mekanisk vibration eller snabb termisk cykling. Detta är den pålitlighet som industrin kräver i krävande fabriksmiljöer eller i oförutsägbara förhållanden inom fordonsapplikationer.
Tillverkning av tunnfilms-termostat: Avsättnings- och mönsteringsförfaranden
Optimal adhesion: Underlagsval och ytförberedelse
När man överväger material är det troligast att man väljer aluminiumoxid- och safirunderlag, eftersom dessa är termiskt stabila, ger tillräcklig elektrisk isolering och är kompatibla med metalloxidfilmer. Innan någon avsättning sker är ytförberedelsen (i fallet med aluminiumoxidunderlag) av absolut betydelse. Ytan förbereds genom ultraljudsrengöring följt av etchning i sygenplasma, en procedur som uppnår en råhet på mindre än 5 nanometer. Detta är viktigt eftersom en av de många faktorerna som påverkar adhesionen är ytans råhet – ju slätare ytan är, desto bättre är adhesionen. Det har visats att den ovan beskrivna ytförberedelsesproceduren kan minska förekomsten av avskiljning (delaminering) på den förberedda ytan med 70 % under termisk cykling, en faktor av stor betydelse vid termisk cykling.
Sputtring som den föredragna metoden för avsättning av tunna filmer av Mn–Co–Ni–O-termistorer
Reaktiv magnetron-sputtring är den mest tillförlitliga metoden för att syntetisera tunna filmer av Mn-Co-Ni-O samtidigt som den önskade stökiometrin uppnås. Denna metod innebär en exakt kontroll av atmosfären i sputterkammaren med blandningar av argon- och syrgas, vilket gör att den tunna filmen kan bibehålla en stökiometrisk noggrannhet på cirka 1,5 %, samtidigt som depositionsgraderna uppgår till cirka 0,2 µm/min. När forskare optimerar avståndet mellan målmaterial och substratytan noterar de en minskning av det genomsnittliga antalet defekter samt en markant ökning av den konstanta temperaturkoefficienten för resistans (TCR) i filmen. I jämförelse är filmer som framställs via termisk förångning betydligt mindre täta och har sämre adhesion till substratet. Faktum är att oberoende tester har visat att tunna filmer som skapats via sputtring har upp till 40 % högre materialtäthet, vilket är en nyckelindikator för att hantera defekter och främjar användningen av sputtring för täta applikationer inom flera områden.
Precisionsmönstring av tunna filmtermistorer med fotolitografi och ätning
Högprecisionens fotolitografi möjliggör tillverkning av elektroder och känstrukturer i mikrometerstorlek, med detaljer ner till 10 mikrometer. När denna upplösningsnivå uppnås utför vi spin-coating av ett fotoresistlager, följt av fotolitografisk exponering genom krommasker och utveckling av fotoresistet. Nästa steg är våtätning med järnkloridlösning för att ta bort all termistormaterial som inte är skyddat av masken. Denna process uppnår en dimensionsnoggrannhet på ± 0,8 mikrometer. I de flesta fall krävs denna noggrannhetsnivå eftersom sensorernas resistansnivåer kan påverkas även av minsta variationer i täta sensorarrayer. Kvaliteten på sensormönstret avgör kvaliteten på sensorn samt hur sensorn reagerar på temperaturförändringar och variabiliteten i sensorresponsen under drift.
Elektrodintegration och gränsyteteknik för långsiktig tillförlitlighet
Ni–Cr- och Pt-elektroder: Förhindra diffusion och säkerställa ohmsk kontaktstabilitet
Rätt uppmärksamhet åt hur elektroder integreras spelar en avgörande roll för att minska gränsytanförslitning, en av de främsta orsakerna till långsiktiga driftproblem. Till exempel fungerar nickelkromlegeringar som effektiva diffusionsbarriärer eftersom de hindrar diffusionen av kationer från elektroderna in i oönskade områden av termistorskiktet. Dessutom är platinelektroder fördelaktiga på grund av sin låga resistans och kontakternas stabilitet, även efter många termiska cykler. Ett ingenjörsmässigt tillvägagångssätt för att förbättra gränsytans vidhäftning och minimera oönskade reaktioner är användningen av atomskaliga behandlingar, såsom kontrollerad oxidation och ytrening med jonstråle. Konstruktion av gränsytuskikt har visat sig minska kontaktpotentialens drift till under 0,5 ohm efter 10 000 termiska cykler samt minska gränsytsspänningen med 40 % jämfört med tidigare metallisering. Slutligen kommer allt detta att förbättra mättnoggrannheten från det ögonblick enheten sätts i drift tills den helt slits upp.
Tillverkning av tunnfilms-thermistorer med kvalitetssäkring och prestandaundersökning. Kvalitetssäkring och kvalitetskontrollmetoder som för närvarande används för tunnfilms-thermistorer har visat sig mycket effektiva och återkommande framgångsrika för att uppnå extremt höga nivåer av tillförlitlighet och noggrannhet. Vi utför termisk cykling från upp till 125 grader ned till 40 grader under mer än 1000 cykler för att utvärdera strukturell integritet och resistans. För långtidsskillnadsprov krävs accelererad åldring genom provexponering vid 85 grader och 85 procent luftfuktighet i mer än 1000 timmar för att garantera att skillnaden förblir under 1 procent. Vid elektriska tester utför vi en fullständig kartläggning av TCR-värden samt tester av elektromagnetisk störning (EMI) för att säkerställa att en noggrannhet på ±0,1 grader bibehålls över tid. Varje steg i vår produktionsprocess omfattas av strikt statistisk processkontroll för att övervaka variationer i filmtjocklek på 5 nanometer och justering av elektroder med hjälp av automatiserade optiska justeringsfunktioner. Vår realtids-termisk bildbehandling under lasertrimning registrerar mikroskopiska detaljer (i mikrometerområdet), och våra burn-in-tester eliminerar komponenter som kan misslyckas tidigt. All ovanstående testning och övervakning säkerställer att våra thermistorer uppnår en driftlivslängd på 100 000 timmar även under extrema prestandakrav utan fel.
Vanliga frågor
Vad är den främsta fördelen med NTC-thermistorer?
Termiska NTC-thermistorer är ganska enkla enheter, men deras fördelar är imponerande. Den främsta fördelen är att NTC-thermistorer uppvisar en betydlig grad av stabilitet under långa tidsperioder och kan kompenseras med en noggrannhet på 0,1 grader Celsius.
Vad är den främsta skillnaden mellan tunnfilms-thermistorer och andra typer?
Tunnfilms-thermistorer tillverkas med ett mycket tunt lager av Mn-Co-Ni-O och ger därför mycket bättre enhetlighet, snabbare tidssvar och i allmänhet en bättre ersättning för keramiska eller trådlindade material.
Vad är effekten av underlagets förberedelse i tillverkningsprocessen för thermistorer?
Riktig förberedelse av underlaget förbättrar adhesionen mellan metalloxiderna och underlaget, vilket minskar sannolikheten för skiktavskiljningar i samband med tester med cirka 70 %. Jämna skikt är mer motståndskraftiga mot testrelaterade avskiljningar.
Vilken effekt har Ni-Cr- och Pt-elektroder på thermistorer?
Ni-Cr- och Pt-elektroder avses inuti termistorerna eftersom Ni-Cr utgör en diffusionsspärr och Pt ger en stabil, låg-resistiv kontakt. Det är en kombination av de båda som minskar drift över tid och förbättrar kontaktstabiliteten vid upprepad cykling.
