高精確度鉑熱電阻的修調技術探討

曾繁中 吳再群 何越盛

【摘? 要】熱電阻（thermal resistor）是基于金屬導體最常用的一種溫度檢測器，由于其電阻值隨溫度的增加而呈線性增加，所以常用來進行溫度測量，并且測量精確度高，性能穩定，其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅被廣泛應用于工業測溫，并且常被制成校準的標準件。鉑熱電阻傳感器適用于溫度檢測要求較高的場合，對薄膜鉑熱電阻元件的精密度修調技術開展研究，具有重要的戰略意義，本文探討在實際調阻工藝中，對鉑薄膜熱電阻器阻值精密度的影響，并且從鉑電阻版圖設計及激光刻蝕兩方面控制鉑電阻阻值的精確度，可以達到設計阻值精確度誤差小于±0.05%的要求。

【關鍵詞】熱電阻;傳感器;修調技術

引言

熱電阻式傳感器的原理是利用電阻隨溫度變化的特性，基于導電物體的電阻大小會隨著周圍環境溫度變化而發生線性變化，通過對電阻阻值的檢測，利用線性關系式推測得到當前對應的溫度值。目前，熱電阻主要由純金屬材料制成，電阻值隨著溫度的增加而增加，其中鉑熱電阻因測量精確度高，性能穩定，成為了測量溫度的主要感測元件，封裝后可用于-200℃～1200℃范圍內溫度測量，廣泛應用在軍事、工業、民用醫療、電器、石油、化工、食品等行業的過程測控中。隨著薄膜鉑電阻制作工藝的發展，薄膜鉑電阻元件精確度可達 1/3B、1/10B 級，穩定性也相應提高。航天、航空、船舶等軍事領域，越來越多選用高精度、高穩定、小結構的薄膜鉑電阻元件進行溫度測控。對薄膜鉑電阻元件的精確度及穩定性開展研究，具有重要的戰略意義。

1.鉑熱電阻原理

金屬熱電阻的電阻值和溫度采用以下的溫度電阻關系式來表示：

Rt是溫度為t時對應的電阻值，Rt0是溫度為t0（通常指t0=0℃）時對應的電阻值，α為金屬熱電阻的溫度系數。金屬電阻值會隨溫度的升高而增加，主要是在金屬內部存在的自由電子，當溫度升高時，每個自由電子的動能將增加，因而要使這些因為溫度升高而更加雜亂的電子作定向運動，在一定的電場作用下，就會遇到更大的阻力，導致電阻值增加。由溫度電阻關系式可以看出，Rt0的精度對溫度為t時對應的電阻值Rt的精確度影響是很大的，也是本文研究的主要對象。

2.鉑熱電阻特點

本文研究的對象是鉑（Pt）熱電阻，如表1所列，其主要特性為化學穩定性佳，尤其是耐氧化能力很強，其溫度與阻值有很好的線性關系，并且在很寬的溫度范圍內（1200℃以下）均可保持上述特性;其電阻率較高，可以制成極細的鉑絲或極薄的鉑箔，由于性能穩定、精度高，常作為標準測溫校準裝置。但也有其缺點，主要是電阻溫度系數較小，電阻靈敏度不高，并且在還原介質中工作時易被沾污變脆，且由于價格較高，主要應用在工業領域。

3.鉑熱電阻工藝分析

鉑金屬、氧化鋁陶瓷、硼硅玻璃的化學與熱穩定性都非常好，封裝后的鉑電阻元件結構小，熱響應快，耐受振動、沖擊等機械性能好，所以本文采用片式層狀結構的引線式薄膜鉑電阻元件，其主要由高純氧化鋁陶瓷基底、高純鉑薄膜柵條電阻、純金焊盤、合金引線、硼硅玻璃保護層構成。鉑電阻元件采用絕緣材料燒結包封，絕緣性能與耐壓性能很好，薄膜鉑電阻、焊點與外部環境隔離，使用過程中不易氧化、污染、腐蝕，元件的測量精度與長期穩定性好。從結構與工藝上分析可知，不考慮封裝應力與熱傳遞偏差，薄膜鉑電阻元件的測量精度與穩定性主要由薄膜柵條鉑電阻決定。

本文采用99.999%純鉑靶，通過濺射、刻蝕方式制備薄膜柵條鉑電阻，膜層均勻致密，雜質與缺陷少，厚度達到2μm～3μm 時，柵條電阻的阻值與溫度系數重復性、穩定性好，與鉑絲體材基本相同，理論上能達到二等標準鉑電阻精度或更高。

4.鉑熱電阻阻值修調工藝

Rt0本身的精確度直接影響了線性補償后對應溫度的電阻值，一般制造時是利用線性特性通過Rt0校正室溫25°C的初始電阻值R0，得到初始電阻值R0的目標值，因此控制初始電阻值R0的精確度也變得至關重要。本論文在鉑電阻版圖上設計了10個并聯電阻作為阻值的調整點，通過激光劃切開并聯電阻，使得阻值增大，最大調整量為標稱阻值的22%。每個調整點分別為標稱阻值的10%，5%，3%，2%，1%，0.5%，0.3%，0.2%，0.1%，0.05%。比如經過刻蝕后的電阻為500 歐姆，需要增加100 歐姆才能達到600歐姆的終值。理論上調節10%、5%，3%、2%四個調整點就可以修調完成，但是為了控制精確度，我們分為兩個階段，第一階段粗調19%，也就是調節10%、5%，3%、1%四個調整點，然后剩下的1%，利用0.5%，0.3%，0.1%和0.05%的檔位進行細調，此時鉑薄膜熱電阻的阻值范圍可以控制在與目標值誤差0.1%內。注意每完成調節一個調整點，都需要測量待修調電阻的阻值，因為修調后的阻值會增加，增加后的阻值不超過目標阻值，才可以保證修調可以繼續。

為了進一步提高鉑薄膜熱電阻精密度，本文通過激光調阻機對鉑薄膜并聯電阻的柵條電阻進行激光刻蝕，達到修調電阻的目的。由于鉑薄膜熱電阻的電阻率較小，需要較長的蛇型修調切割槽長度來得到一定的電阻阻值。本文實驗執行激光刻蝕for...next循環次數，查看不同的刻蝕命令，對應不同for...next 循環次數條件下，得到電阻阻值的變化量，只要知道所需要調整的阻值范圍，就可以推導出微調一定阻值所需的切割槽長度。實驗結果如表2所示，電阻阻值的變化量隨循環次數增加而增加，從而達到修調目的。

通過實驗結果可知循環次數與電阻阻值大約呈線性，也就是每增加循環一次，阻值大約增加10Ω，從需要修調的阻值范圍，可以得到所需要的蛇型微調切割槽的長度。需要留意循環次數過多，容易出現激光刻蝕路徑跳躍到其它待修調電阻上，因而產生廢品，但是循環次數不足，也會導致調阻結果無法達到目標值要求的精確度，無法完成微調。

從測試結果可以看到調試后電阻R0的精確度誤差如圖1，不論是有引線鉑電阻或無引線鉑電阻，從鉑電阻器的柵條電阻版圖設計及激光刻蝕的修調兩方面控制鉑電阻阻值的精確度，可以達到設計阻值精確度誤差小于±0.05%的要求。

5.結語

鉑材料的熱電阻傳感器適用于溫度檢測要求較高的場合，通過鉑電阻版圖上設計的并聯電阻作為阻值的調整點，能夠保證鉑薄膜熱電阻的阻值范圍可以控制在與目標值誤差0.1%內，而從鉑電阻器的柵條電阻激光刻蝕的進一步修調，可以達到設計阻值精確度誤差小于±0.05%的要求，隨著溫度傳感器向高性能、高可靠、集成化發展，對熱電阻的精確度要求越來越高，修調阻值技術在其中的作用將會更加顯著，日后在工業領域的應用必將越來越廣泛。

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基金項目：本文系2018—2020年廣西本科高校特色專業及實驗實訓教學基地（中心）建設項目：百色學院 “電子信息工程”特色專業（批準文號：桂教高教〔2018〕52號;編號：119）成果之一。同時，也是2020年工程碩士專業學位授權點（電子信息）建設項目成果之一。

作者簡介：曾繁中（1968-），男，博士，電子信息工程專業教研室主任，主要從事模擬電子技術與相關課程教學。