鉑薄膜電阻溫度傳感器封裝研究

龐雅文， 張叢春， 雷 鵬 , 黃漫國, 梁曉波

(1.上海交通大學 微米/納米加工技術國家級重點實驗室，上海 200240;2.航空工業(yè)北京長城航空測控技術研究所，北京 101111)

電阻溫度傳感器是利用敏感材料的電阻值隨溫度單值變化制得的測溫元件。其中，鉑電阻具有靈敏度高、精度高、線性度好、測量溫區(qū)大、穩(wěn)定性好等特點，廣泛應用于溫度測控領域。鉑是貴金屬，早期的線繞型鉑電阻成本高，應用受限。隨著薄膜技術的發(fā)展，鉑薄膜電阻在保留線繞型鉑電阻優(yōu)勢的基礎上極大地降低了成本，該電阻體積小、響應速度快、一致性好、使用方便靈活，市場需求旺盛。鉑機械性能差，鉑薄膜電阻在生產應用過程中很容易發(fā)生機械損傷，且實際應用時電阻薄膜直接暴露于高溫環(huán)境下存在熱揮發(fā)和薄膜團聚等問題，影響電阻性能[1-2]，因此對薄膜電阻進行封裝保護非常有必要。鉑薄膜電阻技術由國外少數(shù)幾家公司壟斷，有著嚴格保密措施。我國鉑薄膜電阻幾乎全靠進口且供不應求，因此自主進行鉑薄膜電阻溫度傳感器封裝研究，對器件性能提升和鉑薄膜電阻國產化，以及我國傳感器技術水平提升均具有重要意義。

薄膜電阻封裝材料有塑料、金屬和陶瓷。商用碳膜電阻封裝材料為聚合樹脂或絕緣漆，封裝工藝簡單、價格低廉，材料絕緣性好，但密封性差，不耐高溫。金屬封裝材料有Al、Cu、Kovar合金等，材料熱傳導率高、機械強度高，但是金屬材料與Al2O3陶瓷襯底性能不匹配，導致封裝工藝復雜、可靠性低、性能較差[3]。Al2O3與陶瓷襯底性能匹配，是理想的封裝材料[4]，但是Al2O3脆性大，高溫環(huán)境下容易蠕變產生微裂紋從而失去保護作用[5]。Zhao等[6]以Al2O3/ZrBN-SiC/Al2O3復合薄膜封裝薄膜熱電偶(Thin-Film Thermocouple,TFTC)。1000 ℃保溫6 h后封裝材料內部生成Al2SiO5晶體，相比于Al2O3，Al2SiO5具有更高的抗蠕變性和抗氧化性，Al2O3/ZrBN-SiC/Al2O3復合薄膜封裝的TFTC在20～1000 ℃熱循環(huán)測試中展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和可靠性。Sch?ssler采用氧化硅(SiOx)膜對鉑薄膜電阻進行封裝，封裝后電阻在250 ℃保溫480 h后電阻變化率為-1000 ppm，表現(xiàn)出優(yōu)秀的穩(wěn)定性，但是Sch?ssler沒有研究電阻高溫性能，電阻溫度系數(shù)(Temperature Coefficient of Resistance,TCR)也較低，為2810 ppm/℃[7-8]。以上封裝保護層均為薄膜，商用鉑電阻多采用厚膜形式封裝以提升器件壽命和長期穩(wěn)定性。王守緒等[9]用玻璃釉料成功封裝鉑薄膜電阻，封裝層厚40～80 μm，由于采用低溫釉料，電阻應用溫度被限制在500 ℃以下。調整玻璃組分可制備高溫玻璃釉料，但是高溫玻璃釉料燒結溫度高，燒結溫區(qū)大，釉料熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)變化大，玻璃釉料與鉑薄膜CTE失配嚴重，燒結過程中釉料變形嚴重，導致鉑薄膜電阻斷路。高溫釉料封裝的另一個問題是高溫環(huán)境下玻璃釉料在測試電流通過時容易發(fā)生化學分解，影響鉑電阻性能[10]。上述問題可通過在玻璃釉料與鉑薄膜之間引入中間層來解決，中間層可以是PTF材料、玻璃、玻璃-陶瓷雙層結構或雙層陶瓷。褚家寶等[11]以Al2O3作為中間層，采用釉料/氧化鋁雙層結構封裝鉑薄膜電阻，電阻在0～1000 ℃時具有良好的線性。K·韋南德等[12]提出一種多層封裝結構，封裝材料為硅硼玻璃或鈦酸鎂，電阻在500 ℃以上具有良好的穩(wěn)定性。上述多層封裝研究均只展示了封裝結構，并未介紹封裝層具體成分和工藝參數(shù)，未研究封裝對電阻性能的影響。

本文旨在對鉑薄膜電阻溫度傳感器進行封裝，提升電阻綜合性能。采用玻璃釉料/高溫陶瓷膠/氧化鋁三層復合結構對鉑薄膜電阻溫度傳感器進行封裝，設計封裝結構，選擇封裝材料，根據加和性系數(shù)計算公式設計玻璃配方，制備玻璃釉料，優(yōu)化工藝參數(shù)，調整封裝流程，完成鉑薄膜電阻封裝。分析封裝層結構形貌，測量封裝前后電阻TCR、響應時間和高溫穩(wěn)定性，分析封裝對電阻的影響。實驗表明，封裝顯著提升了電阻TCR和高溫穩(wěn)定性。

1 鉑薄膜電阻封裝結構設計

鉑薄膜電阻如圖1所示，包括Al2O3陶瓷襯底，氧化鉑薄膜過渡層和鉑薄膜，電阻薄膜厚度為680 nm，電阻工作溫度范圍為-150～850 ℃。

圖1 鉑薄膜電阻

1.1 重要參數(shù)

為保證封裝結構穩(wěn)定，各層封裝材料之間、封裝材料與電阻之間CTE需匹配，封裝材料需具有良好的溫度穩(wěn)定性。

(1) CTE。

CTE是度量物體受熱膨脹的物理量，定義為溫度每變化 1 ℃被測物長度或體積的相對變化量，即線膨脹系數(shù)α或體膨脹系數(shù)β。工程實驗中通常采用線膨脹系數(shù)α：

(1)

式中,L為材料長度；T為材料溫度。

封裝結構需滿足上層材料 CTE 比下層材料小，以保證上層材料在降溫過程中受壓應力，避免材料開裂和脫落，建議兩層材料CTE相差應在10%內[11]。

高溫領域的封裝材料一般為玻璃釉料。玻璃CTE由各氧化物共同決定，可采用CTE加和性計算公式估算[13]：

(2)

式中,m，n分別為各氧化物加和性系數(shù)，可通過查表得到；pi為各氧化物的質量分數(shù)。

(2) 熔融溫度。

封裝材料應在電阻工作溫度范圍內性能穩(wěn)定，熔點高于電阻工作溫度上限。玻璃沒有固定熔點，隨著溫度升高玻璃逐漸軟化，黏度降低。生產實踐中一般將黏度為102dPa·s對應溫度作為玻璃熔融溫度。

玻璃熔融溫度根據俞氏加和性系數(shù)法估算[13]，計算公式如下：

TR=1400+∑CnPn

(3)

式中，TR為玻璃熔融溫度;Cn為各組分系數(shù)，可通過查表得到；Pn為各組分質量分數(shù)。

1.2 封裝結構設計

高溫器件封裝材料為玻璃釉料。由于玻璃釉料熔融燒結時形變嚴重，形變產生的應力容易導致鉑薄膜斷路，因此玻璃釉料與鉑薄膜不能直接接觸，需在兩者中插入中間層。Al2O3性能穩(wěn)定、熔點高(2054 ℃)，絕緣性好，CTE(7.3 ppm/℃)與鉑電阻匹配，因此選用Al2O3作為中間層。但是Al2O3脆性大，高溫下容易蠕變產生微裂紋，釉料通過微裂紋與鉑薄膜接觸，影響電阻性能。因此在Al2O3與玻璃釉料之間插入結構致密的隔離層，實驗選用高溫陶瓷膠，該材料高溫(<1500 ℃)穩(wěn)定性好、機械性能優(yōu)良，CTE(6.2 ppm/℃)小于Al2O3(7.3 ppm/℃)滿足設計要求。Al2O3和高溫陶瓷膠封裝層均只覆蓋電阻絲，漏出電阻引腳，方便測量電阻值。封裝釉料時，釉料燒結溫度很高，若電阻引腳直接暴露于高溫環(huán)境下引腳薄膜熱損耗非常嚴重，因此封裝釉料前先焊引線，以鉑漿料保護引腳。玻璃釉料則最后施加，包覆整個電阻。

鉑薄膜電阻溫度傳感器封裝結構包括玻璃釉料、高溫陶瓷膠和氧化鋁三層，如圖2所示。根據CTE匹配原則，玻璃釉料CTE為5.6～6.2 ppm/℃，實驗自行設計和制備玻璃釉料。各層材料CTE如表1所示。

圖2 電阻封裝結構示意圖

表1 各層材料CTE參數(shù)

2 玻璃釉料成分設計與制備

2.1 玻璃釉料成分設計

釉料按制備方法分為生料釉和熔塊釉。生料釉是將各氧化物直接混合，加載體(如水)調制而成。熔塊釉是先將原料混合燒結熔融成塊，再粉碎制成粉末，加水配制而成。相比于生料釉，熔塊釉各組分已熔融混合均勻，因此玻璃成分均一、穩(wěn)定性好，不會出現(xiàn)成分偏析。且由于原料已預熔成玻璃，釉料封裝時燒結溫度低，可降低薄膜電阻熱損耗[14]。實驗采用熔塊釉封裝電阻。施釉方式選用操作簡便、厚度可控的絲網印刷法。該方法要求釉料有一定的黏度，為不引入雜質，選用有機載體作為玻璃粉末的溶劑。

玻璃釉料由玻璃粉末與有機載體組成?，F(xiàn)分別對其進行成分設計。

(1) 玻璃成分設計。

玻璃由多種氧化物組成，如SiO2、Al2O3、CaO等，玻璃成分通常指玻璃各氧化物的質量分數(shù)。每種氧化物對玻璃多種性能均有影響，玻璃性能由各組分共同決定。玻璃目標性能為：CTE為5.6～6.2 ppm/℃，熔融溫度大于850 ℃，具有良好的機械性能、絕緣強度、合適的高溫黏度，此外玻璃成分與生產工藝應節(jié)能環(huán)保，符合標準化生產要求。

玻璃成分設計步驟為：選定玻璃體系；確定玻璃組分；選擇玻璃添加劑，完善玻璃配方。

玻璃體系有磷酸鹽玻璃、硫系玻璃、鹵化物玻璃、硅酸鹽玻璃等[15]。其中，磷酸鹽玻璃性能穩(wěn)定，常用作化學、醫(yī)療儀器；硫系玻璃常用作半導體材料；鹵化物玻璃具有獨特的光學性能，常用作光學材料；硅酸鹽主成分為SiO2，是最常見的玻璃，其性能優(yōu)良，性質穩(wěn)定，應用廣泛。本文選擇硅酸鹽玻璃中的 CaO-Al2O3-SiO2系玻璃。

玻璃成分應多元化且靠近相圖共熔點或相界線，這樣玻璃由于存在多種可能的析晶傾向，相互干擾反而可抑制玻璃析晶，降低燒結溫度[16]。生產過程中，為保證玻璃熔制、淬火等工藝順利進行，玻璃應具有合適的黏度。玻璃黏度通過助熔劑來調節(jié)，助熔劑選用BaO、MgO、Na2O等堿金屬氧化物。根據玻璃組分，由玻璃CTE和熔融溫度加和性系數(shù)計算公式計算玻璃配方。

實際制備過程中，為降低玻璃黏度，促進玻璃內部氣體排出，增加玻璃致密性和表面平整度，玻璃配方中需添加澄清劑。常用澄清劑有As2O3、Sb2O3、氟化物、CeO2、鹵素化合物等，由于前3種價格昂貴且有毒有害，故實驗選用CeO2和NaCl。

綜上所述，玻璃包括主成分SiO2、Al2O3、CaO，助熔劑 BaO、MgO、Na2O等，澄清劑為CeO2和NaCl。

(2) 有機載體成分設計。

有機載體包含有機溶劑和添加劑兩部分。有機溶劑為主要成分，用于分散和承載玻璃粉末。選取有機溶劑時主要考慮沸點和揮發(fā)性。沸點不能太低，否則玻璃釉料很容易由于有機載體揮發(fā)而變得黏稠，不易印刷。沸點也不能太高，否則玻璃釉料不易干燥，影響印刷圖案精度。通常選取多種不同沸點的有機溶劑混合配制有機載體，如松油醇(沸點 209 ℃)、丁基卡必醇(沸點 230 ℃)、檸檬酸三丁酯(沸點 343 ℃)，避免有機溶劑同時揮發(fā)影響釉料平整度。添加劑用于改善釉料性能，如增稠劑、觸變劑、表面活性劑等。增稠劑能夠提高釉料均勻性和穩(wěn)定性，避免釉料分層。觸變劑用于改善釉料黏度，提高可印刷性。表面活性劑用于改善釉料中分子間作用力，防止粉體聚集、結塊、沉積，提升釉料穩(wěn)定性。參考相關研究[17]確定有機載體配方如表2所示。

表2 有機載體配方

2.2 制備玻璃釉料

玻璃釉料制備方法為分別制備玻璃粉末和有機載體，將兩者按一定配比混合均勻。制備流程如圖3所示。

圖3 玻璃釉料制備流程

玻璃原料有礦物原料和化工原料，其中礦物原料成分復雜，能顯著降低玻璃燒結溫度?；ぴ铣煞謫我?，計算方便，實驗礦物原料和化工原料混合使用。按配方和原料純度計算用量，稱取原料，球磨混合均勻后烘干。將原料粉末放入剛玉坩堝，置于淬火爐中熔融煅燒，待玻璃熔化后快速取出，將玻璃液倒入冷水中淬火，得到玻璃塊。將玻璃塊粉碎制成直徑為80 μm的粉末。

根據有機載體配方按比例稱取各原料，將3種有機溶劑倒入燒杯中，90 ℃水浴加熱并攪拌均勻，再依次加入增稠劑、觸變劑和表面活性劑，水浴加熱攪拌至原料完全溶解。

將玻璃粉末和有機載體按一定比例混合均勻制成玻璃釉料。

2.3 玻璃粉末與有機載體配比優(yōu)化

用于絲網印刷的釉料需具有合適的黏度，保證釉料轉移到電阻表面時能夠快速流平，消除絲網痕跡，同時保證圖案精度。玻璃粉末與有機載體的配比影響釉料黏度，圖4為相同印刷條件下，玻璃粉與有機載體質量比對印刷效果的影響，設計比例為1.8∶1和1.5∶1。玻璃粉末∶有機載體=1.8∶1 制備的釉料黏度較大，絲網印刷釉料烘干后釉料表面有明顯網痕，絲網印刷最開始的地方，即圖4(a)電阻左側，釉料較厚。降低玻璃粉與有機載體比例至 1.5∶1，釉料黏度適中，印刷后釉料流平，烘干后釉料表面平整，如圖 4(b)所示。繼續(xù)降低玻璃粉與有機載體比例，發(fā)現(xiàn)釉料黏度較小，流動性大，印刷后釉料沿印刷方向洇出，影響印刷精度。此外釉料中玻璃粉末含量低，為達到相同厚度，需多次印刷，增加工藝復雜性。因此本實驗中玻璃粉與有機載體比例選擇 1.5∶1。

圖4 玻璃粉與有機載體配比對印刷效果的影響

3 玻璃釉料燒結曲線設計

3.1 玻璃釉料燒結溫度

燒結是釉料封裝過程中非常重要的一項工藝，燒結過程中，隨著溫度升高，釉料經歷有機載體揮發(fā)、玻璃軟化、熔化、澄清的過程，冷卻后玻璃粉末形成穩(wěn)定、致密的結構。合適的燒結程序可以促進玻璃致密化和平整化，減小缺陷。

對玻璃粉末進行熱分析，測試結果如圖5所示。可以看出，玻璃釉料在20～1300 ℃整個過程中有1.13%的質量損失。DSC曲線在40 ℃出現(xiàn)明顯吸熱峰，質量曲線在此處有明顯變化，對應玻璃中結合水、吸附水、自由水或吸附雜質的揮發(fā)。隨著溫度增加，DSC曲線趨于平緩。從695 ℃開始DSC曲線向吸熱方向移動，表明玻璃開始玻璃化轉變，由玻璃態(tài)轉變?yōu)楦邚棏B(tài)，玻璃逐漸軟化，表面張力增加。玻璃化轉變溫度范圍為 695～735 ℃。曲線在873 ℃出現(xiàn)吸熱峰，對應玻璃軟化溫度，此時玻璃黏度明顯降低。976 ℃處出現(xiàn)放熱峰，此為玻璃晶化溫度，玻璃在此溫度點析晶概率最大。1144 ℃處出現(xiàn)吸熱峰，此為玻璃熔化溫度，玻璃熔化后變得澄清透明。

圖5 玻璃粉末熱重曲線

為驗證玻璃各變化溫度點，取少量玻璃粉末放入馬弗爐中燒結，燒結溫度分別為480 ℃、800 ℃、1000 ℃、1150 ℃、1200 ℃，保溫30 min。燒結后玻璃形貌如圖6所示?？梢钥吹剑?80 ℃燒結的玻璃粉末未熔融連接成塊，可以直接刮下；800 ℃燒結的玻璃粉末已逐漸軟化形成黏滯流體，顆粒粉末相互連接形成塊體，玻璃與陶瓷基底有較強的附著性，但釉料表面仍有明顯顆粒，說明800 ℃溫度下玻璃粉末還未完全軟化；1000 ℃燒結后玻璃粉已完全軟化，但玻璃表面存在少量凹凸缺陷；1150 ℃燒結的玻璃呈半透明狀，燒結時玻璃黏度降低，玻璃液流平，玻璃表面平滑，釉面性能提高；1200 ℃燒結后玻璃表面光滑，結構致密，玻璃完全透明澄清。

圖6 不同溫度燒結的玻璃形貌

為降低薄膜熱揮發(fā)和團聚，鉑薄膜熱處理溫度通常不超過1000 ℃，因此釉料燒結溫度不能太高。同樣釉料燒結溫度也不能太低，否則玻璃粉末不能完全軟化，釉面平整度差。本實驗分別在1100 ℃和1000 ℃溫度下保溫30 min燒結釉料完成封裝。

實驗發(fā)現(xiàn)，1100 ℃燒結后電阻斷路，斷路部位如圖7所示。電阻薄膜斷開的原因可能是釉料透過高溫陶瓷膠缺陷和Al2O3裂紋與鉑薄膜接觸，燒結溫度高導致釉料形變嚴重，熱應力作用于鉑薄膜造成電阻斷路?？赏ㄟ^提高高溫陶瓷膠層致密性，同時在保證釉料軟化的基礎上盡量降低燒結溫度來解決。1000 ℃燒結釉料封裝的電阻完好，釉料表面平整度較好。

圖7 1100 ℃燒結釉料封裝后電阻斷路

3.2 燒結曲線

釉料燒結過程是有機載體揮發(fā)和玻璃釉軟化、流平的過程。有機載體揮發(fā)處于低溫區(qū)，如升溫速率太快，有機載體于同一時間段內集體揮發(fā)，容易造成揮發(fā)不完全，釉料內部存在大量氣泡，影響釉料平整性[17]。從節(jié)能環(huán)保角度考慮，燒結速率也不能過慢。因此燒結第1階段為20～500 ℃，升溫速率為2 ℃/min，目的是排除有機載體。隨著溫度繼續(xù)升高，釉料經歷玻璃化轉變、軟化過程，升溫速率可適當提高，因此第2階段為500～900 ℃，升溫速率為5 ℃/min。高溫熔化時，玻璃黏度降低，有助于排除氣體，因此第3階段為900～1000 ℃，升溫速率為2 ℃/min。玻璃在1000 ℃需保溫一段時間，促進玻璃流平，但保溫時間不能太長，否則物料揮發(fā)影響玻璃配方。第4階段為1000 ℃保溫30 min。釉料燒結曲線如圖8所示。

圖8 釉料燒結曲線

4 鉑薄膜電阻表征

4.1 鉑薄膜電阻封裝

電阻封裝流程如下：采用硬掩膜覆蓋電阻絲，露出引腳；采用雙離子束沉積系統(tǒng)在鉑薄膜電阻表面制備1.5～2.5 μm厚的氧化鋁薄膜，將薄膜電阻于800 ℃下退火2 h；接著采用絲網印刷法在電阻表面印刷高溫陶瓷膠并固化，高溫陶瓷膠厚度為60 μm；然后采用高溫燒結導電鉑漿的方法連接電阻引腳和鉑絲，實現(xiàn)電氣連接；最后采用絲網印刷法涂覆玻璃釉料，覆蓋整個電阻表面，燒結釉料，完成封裝。玻璃釉料厚度約為100～200 μm。

4.2 鉑薄膜電阻表征

(1) 電阻形貌。

使用超景深顯微系統(tǒng)、場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察電阻形貌。

(2) 電阻值。

數(shù)字萬用表測量電阻值。

(3) TCR。

TCR定義為溫度每變化1 ℃電阻值的相對變化量，它是衡量電阻溫度傳感器性能的重要指標。測量溫度較低時，TCR計算公式為

(4)

式中,ΔR/ΔT為電阻-溫度曲線(R-T曲線)斜率；RT1為20 ℃時的電阻值。R-T曲線由控溫油槽和萬用表測得，測試溫度范圍為20～150 ℃。

(4) 響應時間。

響應時間是當溫度出現(xiàn)階躍變化時，鉑薄膜電阻值變化相當于整個變化過程中的某個百分數(shù)所需的時間，一般以整個變化過程的50%所需的時間來表示，記為t0.5，也可以采用10%和90%所需的時間，即t0.1和t0.9[18]。響應時間用于衡量鉑薄膜電阻對溫度變化的敏感度。測試方法為將電阻從室溫環(huán)境(20 ℃)迅速放入100 ℃水中，并等待電阻值穩(wěn)定，記錄整個過程電阻值隨時間的變化，每個樣品測5次，實驗數(shù)據取平均值。為排除人為操作在電阻投入熱水時造成的時間延遲，更精確地表征電阻的響應時間，以t0.9與t0.1之差Δt表征電阻響應時間。

(5) 穩(wěn)定性。

溫度循環(huán)測試指鉑薄膜電阻按一定規(guī)律反復經受不同溫度的過程，實驗測試設備為數(shù)據采集卡和馬弗爐，測試溫度范圍是20～850 ℃，記錄R-T曲線，每個電阻測4次，以R-T曲線的重復性來表征鉑薄膜電阻穩(wěn)定性。

5 結果與討論

采用玻璃釉料/高溫陶瓷膠層/氧化鋁層復合結構對鉑薄膜電阻進行封裝，封裝后電阻未斷路。對電阻進行性能測試，探究封裝對電阻的影響。

(1) 電阻形貌。

封裝后的電阻如圖9所示，電阻表面平整度不高，存在凹坑等缺陷，但電阻焊點之間區(qū)域釉料平整光滑，呈半透明態(tài)。電阻表面粗糙是因為電阻絲由3層材料包覆，各層材料的缺陷共同導致電阻表面不平整。

圖9 玻璃釉料/高溫陶瓷膠層/氧化鋁層復合

將環(huán)氧樹脂和固化劑按比例混合均勻，澆注固化電阻，再用砂紙打磨出電阻截面，如圖10所示?？梢钥闯?層封裝材料分界面并不明顯，推測高溫陶瓷膠與玻璃釉料部分互熔。玻璃釉料內部含有直徑為 50～150 μm的孔洞，且越靠近封裝層與電阻界面處孔洞越多。圖10中的孔洞是氣泡。玻璃釉料并未完全熔融澄清，黏度較大，內部的氣泡無法全部排出。實際上，燒制的玻璃內部存在氣泡是無法避免的，工業(yè)生產中即使在玻璃燒結時定時攪拌、加入澄清劑也還是無法完全排除氣泡，只能通過提升燒結溫度，改進玻璃成分或優(yōu)化燒結曲線盡量減少氣泡。玻璃釉料施加在表面不平整的高溫陶瓷膠表面，陶瓷膠表面吸附的大量氣體是造成界面處氣泡多的原因之一。

封裝層與電阻結合緊密，封裝結構強度高，機械性能好。由圖10(b)氣泡截面形貌可以看出，玻璃釉料結構致密。

圖10 封裝后截面圖

(2) 電阻變化率。

電阻封裝過程中，電阻值不斷變化，如表3所示。

表3 封裝對電阻值的影響

隨著封裝流程的不斷推進，電阻值不斷增加，制備玻璃釉料后電阻值增幅最大，封裝后電阻值相比于退火后增加5.48%。電阻增大是因為封裝材料與電阻、封裝材料之間總是存在應力，應力使得電阻薄膜產生形變或裂紋，導致電阻值增大。釉料燒結過程中形變嚴重，產生的熱應力最大，因此燒結玻璃釉料后電阻值變化最大。

(3) TCR。

對比封裝后電阻和裸電阻的TCR，如表4所示。封裝導致電阻阻值增大，但封裝后電阻R-T斜率更大， TCR 更高，封裝后電阻具有更好的性能。

表4 封裝對電阻TCR的影響

(4) 響應時間。

圖11為裸電阻和封裝后電阻的響應時間曲線，響應時間t0.1，t0.5，t0.9和Δt見表5?？梢钥闯雎汶娮韬头庋b后電阻均具有10-1s級響應時間，兩種電阻對溫度均具有較高的靈敏度。封裝后電阻Δt更大，說明相比于裸電阻，封裝后電阻響應時間更長。裸電阻t0.1，t0.5，t0.9較長與電阻在階躍響應開始時R-T曲線斜率較小有關(圖11(a)中已圈出)，這是因為裸電阻對溫度更靈敏，在放入沸水的過程中受水蒸氣的影響更大。此外，相比于裸電阻，封裝后電阻在階躍曲線末端過沖現(xiàn)象更明顯，圖11(b)已圈出，說明其熱慣性較大。

表5 裸電阻和封裝后電阻響應時間 單位：s

(5) 高溫穩(wěn)定性。

圖12為裸電阻和封裝后電阻熱循環(huán)測試曲線，每個樣品測4次?？梢钥闯龇庋b后電阻R-T曲線重復性好，而裸電阻隨著測量次數(shù)增加電阻值不斷增大，曲線不斷上移，在高溫環(huán)境下曲線分離程度更大。以 850 ℃時電阻值方差定量分析R-T曲線重合情況，封裝后電阻方差為0.19，小于裸電阻的5.23，說明封裝后電阻值穩(wěn)定性更好，封裝顯著提升了電阻的穩(wěn)定性。

6 結束語

研究鉑薄膜電阻溫度傳感器封裝技術，設計玻璃釉料/高溫陶瓷膠/氧化鋁3層復合結構，優(yōu)化封裝結構，選擇封裝材料，調整封裝工藝，設計玻璃釉料成分和燒結曲線，完成鉑薄膜電阻封裝。封裝材料熱匹配好，溫度穩(wěn)定性高。封裝層結構致密，機械性能好。封裝后電阻TCR為3422 ppm/℃，高于裸電阻(3389 ppm/℃)，20～100 ℃響應時間為0.23 s，比裸電阻(0.16 s)略慢。20～850 ℃熱循環(huán)實驗顯示封裝后電阻R-T曲線重復性更高。封裝改善了鉑薄膜電阻高溫穩(wěn)定性，為Pt薄膜電阻的工業(yè)應用提供了解決方案。

圖11 響應時間曲線

圖12 熱循環(huán)測試