薄膜铂热电阻元件的应用及发展.doc

薄膜铂热电阻元件的应用及发展作者：广州德力权仪表有限公司 谭贵权 谭文佳摘 要：介绍国外在薄膜铂热电阻元件发展和应用状况的基础上，提出我过该国该产品发展方向。 关键词：元件测温 发展方向 0 引言 研究国外先进国家企业产品的发展历史，找出差距，对我国企业发展自己的产品有非常重要的作用。笔者与德国同行企业接触多年，几经考察，发现德国同行与我国同行企业之间存在着两个方面的明显不同。 发展领域的专一性 众多的德国企业，从发展起步阶段至今，一直都在从事专一领域的产品生产，并没有走多元化发展的道路。例如：德国Heraeus 传感技术有限公司，从1851 年至今，经历了100 多年的历史，仍然在生产铂热电阻元件这类产品，而且随着薄膜铂热电阻元件的推广应用，其年产量已突破4,000 万支，并以年增长超过40%的速度发展；德国Isabellehutte 公司，从1882 年起研制生产热电偶丝材与电发热丝材，至今超过100 年的历史，目前仍在此领域发展。我们无意反对企业的多元化发展，只是通过这些例子，说明专一领域发展的可持续性。 产品研发投入大量的人力、物力与财力 几乎每个被考察过的德国企业，均拥有自己的研发中心，即使是已使用了上百年的热电偶丝材，Isabellehutte 也建有自己的标准实验室，用以分析热电偶丝材的成份变化对其性能的影响，不断优化丝材的成份组合，因此，Isabellehutte 公司的检定结果，被德国国家标准局（GCA）认可；德国Heraeus 公司的研发中心更是颇具规模，拥有最先进的各类相关检测设备与分析设备，对各个工艺及材料的分析细致入微，对市场反馈的信息处理及时，并按年销售额的15%投入研发经费，使该企业的研发能紧跟市场发展的需要。反观国内同行的企业，在研发方面就相对落后得多。正是由于发展领域的专一使这些德国企业的研发有了明确的目标，反过来，不断研发出的成果又促进了专一领域的更深层次的发展，这，也许正是这些德国企业长盛不衰的原因。薄膜铂热电阻元件的发展也印证了这两方面的经验. 1 薄膜铂热电阻元件的发展现状 铂热电阻的发展，在很大程度上取决于其核心部件铂热电阻元件的发展。从传统的云母铂热电阻元件、陶瓷铂热电阻元件、玻璃铂热电阻元件到近年来出现的厚膜铂热电阻元件和薄膜铂热电阻元件，铂热电阻元件的发展方向已转移到膜式结构的产品上，尤其是薄膜铂热电阻元件。 从1974 年引入薄膜技术研发薄膜铂热电阻元件，成功解决铂热电阻元件的成本及应用问题起，至今已有30 多年的历史，随着照相平板印刷技术的日益发展，薄膜铂热电阻元件近几年的发展突飞猛进。据不完全统计，薄膜铂热电阻元件的生产大国德国，年产薄膜铂热电阻元件的数量已突破6,000 万支。 近几年，薄膜铂热电阻元件在欧美市场的需求量迅猛增长，美国市场从 2003 年起，年需求量增长均超过60%，德国年需求量超过40%，英国年需求量超过32%，法国、丹麦、韩国、日本、巴西等国的年需求量均超过25%。中国市场的年销售量已突破200 万支。 薄膜铂热电阻元件以其鲜明的优点，已成为铂热电阻元件的主体，其鲜明的优点体现如下： 体积细小 目前最小尺寸的薄膜铂热电阻元件，其宽度为3m，长度1.6mm，厚度为0.6mm； 响应时间快在0.5 的条件下，水流速V=0.2m/s 时仅为0.05s，空气流速V=1m/s 时仅为4s； 一致性好 自动化的生产和检测线，使元件具有良好的一致性； 机械性能好抗震、抗振动等机械性能明显优于绕丝类铂热电阻元件； 精度高 除常规的 B 级、A 级外，还可提供1/3B 级及1/10B 级精度的元件； 测温范围宽从-196到1000的薄膜铂热电阻元件已经出现并投入应用，最高温度达到1250的产品已在研发，不久将可面市； 结构多样化从传统的带引线结构，到无引线的SMD 产品以及适应于各种特殊领域的特殊结构的产品已经面市； 长期稳定性好在元件的极限温度工作超过1000 小时后，其电阻值的变化0.02%； 标称阻值多从 Pt6.8 到Pt10k 的产品均已投入市场； 价格便宜 由于元件用铂量大幅度减少并采用自动化生产，使得薄膜铂热电阻元件的价格逐步走低，A 级精度的元件价格将低于10 元/支； 11 易于加工装配适合于各种焊接方式的引线材质和结构的多样化为使用者提供了多种的选择。 随着薄膜铂热电阻元件的普及应用，传统的铂热电阻元件，诸如云母元件、陶瓷元件、玻璃元件和厚膜铂热电阻的使用量，逐步减少，在欧美等发达国家，这些元件已经或正逐步被淘汰出市场。 2 膜铂热电阻元件的应用领域 近几年，薄膜铂热电阻元件在欧美市场的应用日益广泛，新的应用领域不断被发现，并呈现出方兴未艾之势。 2.1 薄膜铂热电阻的主要应用领域 从各国应用薄膜铂热电阻元件的情况来看，除了电站、石油、化工、食品等行业的过程测量和控制外，还应用于以下的行业： 器械、器具行业诸如加热器具、医疗器械等； 分析仪器仪表 诸如气相析谱仪、酸度计等； 电子装配设备 诸如焊接设备、加热设备等； 制药设备 诸如控制箱、无菌清洗设备等； 家用电器 诸如烹调炉具、烘炉、电冰箱、供暖热表等； 汽车工业 诸如空气流量计、水温传感器、油质传感器等。 2.2 薄膜铂热电阻元件在欧美市场的新应用 在欧美市场，近几年来薄膜铂热电阻元件在汽车工业中的应用发展迅速，其主要应用在以下几个方面： 空气流量计以薄膜铂热电阻元件作为测温和补偿的线路板作为流量计的核心控制部件，实现废气的二次循环； 柴油发动机微粒过滤系统以薄膜铂热电阻测温控制烟气微粒的燃烧过程； 催化剂 薄膜铂热电阻通过测量放热过程的温度变化来控制和保护催化剂； 废气减少系统通过薄膜铂热电阻控制催化过程的温度，以符合相应的汽车尾气排放标准； 柴油发动机的涡轮装置通过薄膜铂热电阻监测其温度变化以保障涡轮装置开关的安全； 发动机系统中的油温测量带状结构的薄膜铂热电阻直接测量发动机的油温； 车辆的点火充电器由薄膜铂热电阻传感器监测温度保障充电器的正常工作； 高速电动机的温度监测包括主马达、车轮马达及电子差分马达的温度监测，以保护电动机的正常运行； 空气调节器通过薄膜铂热电阻传感器监测冷却剂的温度，以减少不必要的能耗； 车辆加热器薄膜铂热电阻传感器监控加热器的温度，防止加热器过热损坏。 另外，薄膜铂热电阻还在生命科学、电子装配、供热通风等领域都有了许多新的应用，这些都体现了薄膜铂热电阻元件作为铂热电阻元件的主体，具有旺盛的生命力。 3 我国铂热电阻的发展方向 在铂热电阻元件的应用方面，发达国家的过去也许就是我们的现在；发达国家的现在，也许就是我们的未来。因此，了解和研究发达国家在过去和现在的铂热电阻元件的应用情况，对于确定我们在铂热电阻方面的发展未来，具有极大的指导意义和现实意义。 3.1 国内外在铂热电阻元件应用方面的比较 目前，我国铂热电阻元件，包括陶瓷铂热电阻元件与薄膜、厚薄铂热电阻元件，几乎都应用在传统产品上，尤其是薄膜铂热电阻元件，主要应用在铠装产品与实体封装产品方面。在其他领域，除目前应用在汽车空气流量计中的Pt20 与Pt1000 薄膜铂热电阻元件及应用在热量计的Pt1000 薄膜铂热电阻元件外，更多的应用尚未出现。而在欧美市场，薄膜铂热电阻元件最大的应用领域则是汽车制造业、生命科学、电子装配设备（包括焊接设备与加热设备）以及供热、通风和空调等更现代的产业，这一方面反映出产业进步的差距，另一方面则反映出对薄膜铂热电阻元件性能的了解和相应的绝缘材料运用的差距。 3.2 薄膜铂热电阻元件与其他铂热电阻元件的优缺点比较 3.2.1 与陶瓷铂热电阻元件相比较的优势 从前述所列举的薄膜铂热电阻元件的鲜明优点，比较传统的目前在国内仍大量使用的陶瓷铂热电阻元件，我们可以看到两者之间有如下的差距： 外形尺寸 目前陶瓷铂热电阻元件最小的直径可做到1.2mm，最短的长度为 10mm，而薄膜铂热电阻元件最短的长度可达到1.6mm，宽度为3m，厚度为0.6mm； 响应时间 在同等条件下，薄膜铂热电阻元件的热响应时间比陶瓷铂热电阻元件快好几倍； 一致性 因陶瓷铂热电阻元件系手工制作，其一致性与制作者的工艺水平及心情有相当大的关系，而薄膜铂热电阻元件则是自动化生产，其一致性有充分的保障； 机械性能 因陶瓷铂热电阻元件采用绕丝式制作，丝材外径在0.020.03mm 范围，在受到撞击时较易脆断；薄膜铂热电阻元件采用膜式结构，其允许的振动阻抗达到10HZ2000HZ，冲击阻抗达到100g，8s 半正强波； 测温范围陶瓷铂热电阻元件的测温范围-200850（国产元件为-200+600），薄膜铂热电阻元件的测温范围达到-2001000，其中，温度达到1000的薄膜铂热电阻元件（Pt200）已被应用在高档汽车（例如奔驰、宝马）的发动机微粒过滤系统和废气减少排放系统中，而且，测温高达1250的薄膜铂热电阻元件已在研发，不久将可面市； 外形结构 陶瓷铂热电阻元件为单一的圆柱形，薄膜铂热电阻元件除传统的带引线片状结构外，无引线的SMD 片状结构、圆柱形结构以及适用于各种特殊领域的特殊结构的产品均已面市； 标称阻值 陶瓷铂热电阻元件的标称阻值受到元件体积的限制，尤其是高阻值的元件无法做到，而薄膜铂热电阻元件的标称阻值可按要求设计，目前从Pt6.8 到Pt10k 的产品均已投入市场； 价格 陶瓷铂热电阻元件的用铂量较薄膜铂热电阻元件大得多，因而其成本很难有大幅度的降低。薄膜铂热电阻元件的铂用量很少，而且是自动化生产，故其成本仍有不少下调空间； 长期稳定性长期运转或温度骤变都对传感器的精度和复现性产生负面的影响，这些负面影响将影响到传感器的寿命，因此，长期稳定性是传感器中最重要的指标。陶瓷铂热电阻元件的长期稳定性取决于铂丝的纯度与制作的工艺过程，要求铂丝纯度较高且在制作过程中不能受到污染。在250h、500h 和1000h 的型式试验中，薄膜铂热电阻元件表现出良好的稳定性，德国厂家的测试数据表明，薄膜铂热电阻元件在其极限温度工作超过1000h 后，其电阻值的变化0.02%；在200使用5 年后其电阻值的变化通常0.04%。 3.2.2 与陶瓷铀热电阻文件相比较的劣势 与陶瓷铂热电阻元件相比，薄膜铂热电阻元件也有其明显的缺点，表现在如下两个方面： 工作（采样）电流陶瓷铂热电阻元件的最大工作电流可达到5mA,而薄膜铂热电阻元件的工作电流虽没有下限，但其最大的工作电流有如下的限制： 自热影响 由于薄膜铂热电阻元件的工作电流较小，因此，由于工作电流而产生的偏差较陶瓷铂热电阻元件要大，其产生的温度偏差由下列公式给出： T=PS 式中：P能量损失=I2R； S自热系数，单位K/mW。 从上式中可以看到，工作电流的大小与产生的温度偏差成正比。 3.2.3 薄膜铂热电阻元件得到广泛应用的原因 那么，为什么薄膜铂热电阻元件存在上述的明显缺点，仍能在欧美市场得到广泛的应用呢？笔者认为，是基于如下的原因： 在欧美市场，二次仪表的智能化程度较高，包括测试设备和工作设备，其采样电流均很小，尤其是用于高精度测量的设备，其采样电流更能满足薄膜铂热电阻元件工作电流的要求，因此在实际应用中可成功避免由于工作电流而引起的温度偏差； 薄膜铂热电阻元件的众多优点是其他铂热电阻元件无法比拟的，在实际应用中更加方便。 3.3 我国铂热电阻（整机产品）的应用及发展方向 根据发达国家应用铂热电阻元件的情况，结合我国经济发展的要求，笔者认为，我国铂热电阻的未来发展，将会出现如下几方面的特征： 3.3.1 传统产品的竞争更加激烈，产品的性价比与服务质量成为竞争的焦点 传统的铂热电阻，包括装配式、铠装式、防爆式及实体封装式等结构形式的产品，由于生产装配的技术含量不高，工艺相对简单，入门门坎较低，因此必然导致更激烈的竞争，竞争的焦点将体现在产品的性价比和服务质量上，从而导致生产企业的成本增加，利润降低。如何规避竞争风险，开发新的产品，使企业得以继续生存和发展，是温度仪表生产企业必须予以重视的问题。 3.3.2 薄膜铂热电阻元件将作为铂热电阻元件的主体，被广泛使用在传统产品中 事实上，目前国内很多的温度仪表厂家在使用铂热电阻元件进行传统产品的生产装配过程中，大多数已采用了薄膜铂热电阻元件。随着薄膜铂热电阻元件性能的进一步完善和装配工艺的日渐成熟，薄膜铂热电阻元件将会更广泛地被温度仪表厂家使用在传统产品上。 3.3.3 汽车专用温度传感器将成为铂热电阻未来发展的一大新亮点，并将表现出持续旺盛的生命力。 众所周知，我国现已成为世界汽车的生产大国，据有关资料表明，我国目前汽车的年产量已超过500 万辆，而且在未来的十年，汽车制造业仍将是我国新发展的主要制造业之一，汽车零部件的国产化已成必然，这为铂热电阻的发展提供了广阔的空间。因此，如何开发好这个巨大的市场，生产出符合相关要求的铂热电阻，是每个有志于发展铂热电阻的企业都应当深思的问题。目前，应用薄膜铂热电阻元件生产的汽车空气流量计已在浙江、福建一带悄然崛起，市场需求旺盛，但产品质量总体欠佳，退货率高达25%或更高。 3.3.4 新兴行业的出现和发展为铂热电阻提供了新的市场 随着中国经济的深入发展和作为世界工厂的形成，众多新兴的产业或工厂转移到中国，带来了许多新的设备和新的产品，这为国内铂热电阻的发展拓开了新的空间：如供暖热量计的使用为铂热电阻开辟了一大片市场；新型的波峰焊机和回流焊机提供了另一个空间；新型的家用烹饪炉具为铂热电阻提供了新的用途。 4 结束语 综上所述，由于薄膜铂热电阻元件的应用领域不断拓广，使铂热电阻的发展越来越贴近时代的进步。如何深入了解薄膜铂热电阻元件的特性，不断研究其性能，寻找其新的应用领域，应该是铂热电阻未来发展的主方向。(end) 热工仪表培训教材112.5 热电阻温度计我们知道，在测量6001300温度范围内，热电偶是比较理想的，但是对于中低温的测量，热电偶则有一定的局限性，这是因为热电偶在中低温区域输出热电势很小，对配用的仪表质量要求较高，如铂铑-铂热电偶在10O温度时的热电势仅为0.64mV，这样小的热电势对电子电位差计的放大器和抗干扰要求都很高，仪表的维修也困难，此外，热电偶冷端温度补偿问题，在中低温范围内的影响比较突出，一方面要采取温度补偿必然增加工作上的不便，另一方面，冷端温度如果不能得到全补偿，其影响就较大，加之在低温时，热电特性的线性度较差，在进行温度调节时也须采取一定措施，这些都是热电偶在测温时的不足之处。因此，工业上在测量低温时通常采用另一种测量元件，即：热电阻。热电阻温度计的测量范围为-20O+850。热电阻温度计的最大优点是：测量精度高，无冷端补偿问题，特别适宜于低温测量，所以在工业上得到广泛应用。铂电阻温度计可测到-200；铟电阻温度可测测到3.4K的低温。它的缺点是：不能测量太高的温度；需外电源供电，因此使用受到限制；连接导线的电阻易受环境温度的影响，会产生测量误差。2.5.1 热电阻的测温原理从物理学中我们知道，导体(或半导体)的电阻值是随着温度的变化而变化的，一般说来，它们之间有如下关系，即通常用电阻温度系数来描述电阻值随着温度变化而变化这一特性，它的定义是：在某一温度间隔内，温度变化1时的电阻相对变化量，单位为1/。根据定义，可用下式表示：金属导体的电阻一般随温度升高而增大，为正值，称为正的电阻温度系数。用于测温的半导体材料的为负值，即具有负的电阻温度系数。各种材料的值并不相同，对纯金属而言，一般为0.380.68左右。它的大小与导体本身的纯度有关，越大，导体材料的纯度越高。通常用电阻比 来表示材料的纯度， 代表在1OO时的电阻值， 代表在0时的电阻值。而半导体的电阻值却随着温度的升高而减少，在2O左右，温度每变化1，其电阻值要变化-2-6%。若能设法测出电阻值的变化，就可相应地确定温度的变化，达到测温的目的。电阻温度计就是利用导体(或半导体)的电阻值随着温度变化这一特性来进行温度测量的。即把温度变化所引起导体电阻变化，通过测量桥路转换成电压信号，然后送入显示仪表以指示或记录被测温度。由上述可知，热电阻温度计和热电偶温度计的测量原理是不同的。热电偶温度计是把温度的变化通过测温元件热电偶转换为热电势的变化来测量温度的,而热电阻温度计则是把温度的变化通过测温元件热电阻转换为电阻值的变化来测量温度的。热电阻温度计适用于测量-200+850低温范围内液体、气体、蒸汽及固体表面温度，它和热电偶温度计一样，也具有远传、自动记录和多点测量等优点。此外，它的输出信号大，测量准确，所以在1990年国际温标(ITS-90)中规定：13.8033K961.78温区内以铂电阻温度计作为基准器。2.5.2 热电阻的材料和要求热电阻测温的机理是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的性质，但不是所有导体或半导体材料都可以作为测量元件，还得从其它方面的性能来考虑和选择，对热电阻材料的要求有：1.物理、化学性质稳定，测量精度高，抗腐蚀，使用寿命长。2.电阻温度系数要大，即灵敏度要高。3.电阻率要高，以使热电阻的体积较小，减小测温的时间常数。4.热容量要小，使电阻体热惰性小，反应较灵敏。5.线性好，即电阻与温度关系成线性或为平滑曲线。6.易于加工，价格便宜，降低制造成本。7.复现性好，便于成批生产和部件互换。2.5.3 常用热电阻最常用的金属热电阻有铂热电阻、铜热电阻和镍热电阻三种。1.铂热电阻（-200850）铂热电阻的特点是测量精度高，稳定性好、性能可靠，但是在还原性介质中，特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所玷污而变脆，并改变电阻与温度间关系。为了克服上述缺点使用时热电阻芯应装在保护套管中。电阻值与温度间的关系如下：在-2000范围内，铂电阻与温度的关系可用下式表示，在0850范围内，铂电阻与温度的关系可用下式表示，式中 ：温度为t时热电阻的电阻值； ：温度为O时热电阻的电阻值；A=3.908310-3/， B=-5.77510-7/2，C=-4.18310-12/4。铂的纯度目前技术水平已可达到 ，其相应铂的纯度为99.9995%。工业用铂电阻其纯度为 ，标准铂电阻其纯度为 。2.铜热电阻（-50150）工业上常用铜热电阻来测量-5O+15O范围的温度，铜容易提纯，价格比铂便宜很多，电阻温度系数大且关系是线性的，用公式 表示，其中 。但是铜的电阻率(比电阻) ，比铂的电阻率 约小5/6，所以制成一定电阻值的热电阻时，与铂相比，若电阻丝的长度相同时，则铜电阻丝就很细，机械强度降低，若线径相同，长度则增加许多倍，体积增大。此外，铜在1OO以上容易氧化，抗腐蚀性能又差，所以工作温度不超过15O。3.镍热电阻（-60180）镍热电阻的温度系数大，灵敏度比铂和铜的高，常用来测量-6O+18O范围的温度。镍热电阻的电阻比 。镍电阻与温度的关系可用下式表示：式中A=0.5485/， B=0.66510-3/2，C=2.80510-9/4。由于镍热电阻的制造工艺较复杂，很难获得相同的镍丝，因此它的测量准确度低于铂热电阻，我国目前规定的标准化热电阻的分度号有Ni100，Ni300，Ni500。4.半导体热敏电阻半导体点温计是利用锰、镍、铜和铁等金属氧化物配制成的热敏电阻作为测温元件，其形状有珠形、圆形、垫圈形和薄片形，常用的有61型珠形及微型珠形半导体热敏电阻。与一般热电阻不同之处在于它是负电阻温度系数，温度升高，电阻降低，变化幅度也大，电阻温度系数达-2-7%，较金属热电阻大10100倍，因此，可采用精度较低的显示仪表。其特性曲线如图所示。由于它具有良好的抗腐蚀性、灵敏度高、热惯性小、结构简单、寿命长、便于远距离测量等优点，可用于腐蚀性介质温度、表面温度及体温等的温度测量，缺点是测量范围小(-40-350)，互换性差，温度-电阻特性是非线性的。热敏电阻的温度系数与温度的平方成反比关系，即-（T2）热敏电阻的电阻值高。它的电阻值较铂热电阻高14个数量级，并且与温度的关系不是线性的，可用下列经验公式来表示：RT=AeB/T式中T温度，K；R-温度T时的电阻值，；e-自然对数的底；A、B决定于热敏电阻材料和结构的常数，A的量纲为电阻，B的量纲为温度。图示为半导体热敏电阻的阻值温度特性，它是一条指数曲线。热敏电阻的体积小，热惯性也小，结构简单，根据需要可制成各种形状，如珠形、片形、杆形、圆片形、薄膜形等，目前最小珠状热敏电阻可达0.2mm常用来测点温。热敏电阻的资源丰富、价格低廉。化学稳定性好，元件表面用玻璃等陶瓷材料封装，可用于环境较恶劣的场合。有效地利用这些特点，可研制出灵敏度高、响应速度快、使用方便的温度计。半导体热敏电阻常用的材料由铁、镍、锰、钴、钼、钛、镁等复合氧化物高温烧结而成。热敏电阻的主要缺点是其阻值与温度的关系呈非线性。元件的稳定性及互换性较差。而且，除高温热敏电阻外，不能用于350以上的高温。2.5.4 热电阻的结构、型号、主要规格及技术特性一、普通热电阻通常都由电阻体、绝缘子、保护套管和接线盒四个部分组成。除电阻体外，其余部分的结构和形状与热电偶的相应部分相同。铂电阻体是用很细的铂丝绕在云母、石英或陶瓷支架上做成的，形状有平板形、圆柱形及螺旋形等。常用的WZB型铂电阻体是由直径0.030.07mm的铂丝绕在云母片制成的平板形支架上。云母片的边缘上开有锯齿形的缺口，铂丝绕在齿缝内以防短路。铂丝绕成的绕组两面盖以云母片绝缘。为了改善热电阻的动态特性和增加机械强度。再在其两侧用金属薄片制成的夹持件将它们铆在一起。铂丝绕组的线端与 1银丝引出线相焊，并穿以瓷套管加以绝缘和保护。工业上还常用微型铂热电阻，它的体积小，热惯性小，气密性好。它的结构如图所示，是由刻有螺纹的圆柱形玻璃棒(高温铂电阻使用石英支架)上绕以 0.040.05已退火的铂丝(石英支架用螺旋形铂丝)，引出线用0.5mm的铂丝，外面套以 4.5mm的特殊玻璃管(或石英管)作为保护套管。从减少引出线和连接导线电阻因环境温度变化所引起的测量误差考虑，希望铂电阻初始值 越大越好，但 太大，将使电阻体体积增大，热惯性也增大。同时，流过热电阻的测量电流在热电阻上产生的热量也增大，从而造成附加的测量误差。我国常用的工业铂电阻分度号 取 ， 取 。铂热电阻分度特性参见分度表。铜电阻体是一个铜丝绕组(包括锰铜补偿部分)，它是由直径为0.lmm的高强度漆包铜线用双线无感绕法绕在圆柱形塑料支架上而成，如图所示。为了防止铜丝松散，加强机械固紧以及提高其导热性能，整个元件经过酚醛树脂(或环氧树脂)的浸渍处理，而后还必须进行烘干(同时也起老化作用)，烘干温度为120，保持24小时，然后冷却至常温，再把铜丝绕组的出线端子与镀银铜丝制成的引出线焊牢，并穿以绝缘套管，或直接用绝缘导线与其焊接。铜电阻的分度号有 取 ， 取 。分度特性见分度表。此外，对电阻体引出线也有一定的要求，一般要求引出线对金属热电阻丝及连接的铜导线不会产生很大的热电势，且化学稳定性好。标准或规范型仪表用金或铂作引出线。工业用热电阻的引出线，高温下用银，低温下用铜。热电阻的型号系采用汉语拼音字母来表示，第一字母W表示温度，第二字母Z表示热电阻，第三字母则分别表示热电阻的分度号，铂电阻为P，铜电阻为C，镍电阻为N。热阻的主要技术特性代号 分度号 0时电阻值（） 0时电阻允许误差（%） 电阻比（R100/R0） 测量范围（） 基本误差允许值（）WZP Pt10 10（0850） A级0.006B级0.012 1.3850.001 -200+850 t=(0.15+210-3t)Pt100 100（-200850） A级0.006B级0.012 t=(0.3+510-3t)WZC Cu50 50 0.05 1.4280.002 -50+150 t=(0.3+610-3t)Cu100 100 0.1WZN Ni100 100 0.1 1.670.003 -600 t= (0.2+210-2t)Ni300 300 0.30+180 t=(0.2+110-2t)Ni500 500 0.5二、特殊热电阻l.铠装热电阻铠装热电阻是将陶瓷骨架或玻璃骨架的感温元件装入细不锈钢管内，其周围用氧化镁牢固填充，保证它的3根引线与保护管之间，以及引线相互之间良好绝缘。充分干燥后，将其端头密封再经模具拉制成坚实的整体，称为铠装热电阻。铠装热电阻同普通热电阻相比具有如下优点：1）外径尺才小，套管内为实体，响应速度快；2）抗震，可挠，使用方便，适于安装在结构复杂的部位；3）感温元件不接触腐蚀性介质，使用寿命长。铠装热电阻的外径尺寸一般为似28mm，个别的可制成0.2mm。常用温度为-200600。2.薄膜铂热电阻薄膜铂电阻是利用真空镀膜法将纯铂直接蒸镀在绝缘的基板上而制成。它的测温范围是-50600。国产元件精度可达到德国标准中的B级，由于薄膜热容量小，导热系数大，因此薄膜铂热电阻能够快速准确地测出表面的真实温度。3.厚膜铂热电阻厚膜铂电阻是用高纯铂粉与玻璃粉混合，加有机载体调成糊状浆料，用丝网印刷在刚玉基片上，再烧结安装引线，调整电阻值。最后涂玻璃釉作为电绝缘保护层。厚膜铂电阻与线绕铂电阻的应用范围基本相同。在表面温度测量及在机械振动环境下应用明显优于线绕式热电阻。2.5.5 热电阻测温电路平衡电桥与不平衡电桥都是测量电阻变化量的仪表。当把它们应用于“自动检测”领域中时，根据所配用的电阻型敏感元件的（如热电阻、应变片等）不同，可以有各种不同的刻度。图为平衡电桥基本原理图，图中Rt为热电阻，阻值随温度而变化，R2、R3为固定电阻，R1为可变电阻，由这四个电阻组成桥路的四个桥臂。G为检流计，E为电源。当Rt值改变时，桥路平衡被破坏。检流计G偏转，这时改变R1值，使电桥重新达到平衡，检流什G指零，这时有由于R2、R3已知，所以Rt与R1成正比，只要沿R1敷设标尺，便可根据滑触点的位置读出被测电阻值，可知被测温度。使用电桥作测量仪表时，工业用铂电阻的引出线是三线制以减小连接导线电阻因环境温度变化所引起的测量误差。标准或规范型铂热电阻的引出线采用四线制，既可消除连接导线电阻的影响，又消除线路中寄生电势引起的测量误差，如图所示。2.5.6 热电阻的校验和故障1. 热电阻的校验将待校的热电阻及校验用设备按右图线路连接，测出O及lO0的热电阻值求出 和 ，符合技术要求即可。校验原理如下:被校的热电阻2和标准电阻5(一般用1或3)、加热恒温器1、标准温度计3、毫安表4、分压器6、双刀双掷开关7、电位差计8串接在一起形成回路。调节分压器6，使回路电流约为lmA。当热电阻2插入冰水或水沸腾器中，电流在标准电阻5被校热电阻2上产生了一定的电压降，电压降可以通过切换开关7输到电位差计8，由电位差计指示出读数。改变切换开关7的接点位置，可以顺序地把标准电阻5、被校热电阻2上的电压降输到电位差计去。被校热电阻的电阻值也可按 的公式求得，这样就可以测得 和 的数值。2. 热电阻的故障热电阻的故障常见的是断路，可先找出断线处重新焊好，即可继续使用。铂电阻断线可用电压68V电弧焊焊接。短路的故障也有时出现，可加绝缘衬垫或用漆片胶固即可，修理后的热电阻必要时应重新校验。2.6 非接触式温度测量仪表2.6.1 非接触式测温的优缺点非接触式测温仪表主要是基于热辐射机理的一种温度传感器，这类温度传感器的最大特点就是传感器的任何部分不与被测介质接触，它通过测量物体的辐射能或与辐射能有关的信号来实现温度测量。由于不必与被测介质接触，非接触式测温仪表具有以下优点：（1） 不存在因接触产生的传热而附加引起的测温传热误差；（2） 不破坏被测温度场，可以测量热容量较小的物体；（3） 理论上测温上限不受测温传感器材料的限制；（4） 动态性能好，响应速度快，可测量运动物体的温度；（5） 可以测出二维的温度分布。非接触测温仪表也存在有一些缺点：（1） 测量误差较大，仪表示值一般只代表表面外观温度；（2） 在辐射通道上介质吸收及反射光干扰将影响仪表示值；（3） 被测温度表面发射率变化会影响仪表的测量数值；（4） 结构较复杂，价格较昂贵。2.6.2 光学高温计光学高温计是基于光谱辐射原理的测温仪表，物体在高温状态下会发光，在可见光的波长范围(0.350.75 )内，高温物体的热辐射以光的形式表现出来，其辐射的强度与光的亮度之间有一定的关系。实际物体在某一波长下的光谱辐射亮度 和光谱辐射出射度 是成正比的，即对一个确定的物体(可近似认为 固定不变)，在可见光波长范围内的某一波长下，因为实际物体的光谱辐射出射度 与物体温度呈单值函数关系，所以光谱辐射亮度 必定与温度之间也呈现出单值对应关系。这就是光学高温计测温的基本原理。通过直接测量光谱辐射亮度来确定物体的温度比较困难，光学高温计则是采用亮度比对法，具体的实现原理为：光学高温计中装有一只亮度可调的灯泡，作为比较光源。测温时，在某一波长下用灯泡灯丝的光谱辐射亮度与被测物体的光谱辐射亮度进行比较，通过改变灯丝电流人工调整灯丝的亮度，使二者亮度相等，该灯泡亮度与其灯泡灯丝的电气参数(电流或电阻)之间有一一对应关系，因此测出其电气参数就测量出物体的亮度，从而测量出物体的温度值，最终实现非接触的温度测量。其结构示意和亮度比对示意如下图所示。光学高温计由光学系统与电气系统两部分组成。光学系统包括物镜、目镜、红色滤光片、灯泡、吸收玻璃等。物镜和目镜均可移动、调整，移动物镜可把被测物体的成像落在灯丝所在平面上。移动目镜是为了使人眼同时清晰地看到被测物体与灯丝的成像，以比较两者的亮度。红色滤光片的作用是与人眼构成“单色器”，以保证在一定波长(0.66 m左右)下比较两者的光谱辐射亮度。测量线路用来测量与灯丝亮度相应的灯丝的电流、电压降或电阻等电气参数，并最终显示温度示值。在图中采用的是测量灯丝两端的电流。不同型号的光学高温计的结构大同小异。灰色吸收玻璃的作用是吸收部分辐射能量，在防止灯丝升华的同时提高量程。在使用光学高温计测量温度时，人眼通过目镜看到的图像如图所示。在被测对象的背景上有一根灯丝，如看到的是暗的背景上亮的灯丝，则说明灯丝亮 进口的有美国Honeywell、德国Heraeus公司、德国UST公司、德国HST公司、日本林电工温度传感功能薄膜技术2007-1-30 来源： 中国制药机械设备网 公式(1) 图1 薄膜热电偶的静态标定 图2 不同阻值Ni薄膜温度传感器的电阻温度特性 图3 Pt薄膜的TCR与膜厚d的关系曲线 图4 对向靶溅射装置示意图 摘要: 随着科学技术的不断进步，人们对温度信息获得的手段提出了新的要求，对温度传感器超小型化的要求越来越迫切，薄膜传感器的出现满足这一要求。薄膜温度传感器由于其优异的性能，在工业生产中越来越得到广泛应用。本文介绍了薄膜温度传感器的特点、种类、应用、测温机理、膜系及其主要制备工艺等，并探讨了薄膜热敏电阻、薄膜热电偶的标定方法，最后论述了温度传感功能薄膜的国内外发展现状及其目前需要解决的关键技术。 关键词: 温度传感薄膜 功能薄膜 热电阻 热电偶 膜系 薄膜温度传感器是随着薄膜技术的成熟而发展起来的一种新型微传感器，具有体积小、热动态响应时间短、灵敏度高、便于集成等特点。它可以替代传统的温度传感器，而且更适用于物体表面快速和小间隙场所的温度测量。薄膜温度传感器所用的温度传感功能薄膜按传感机理可分为：热敏电阻传感薄膜和热电偶传感薄膜。1、 温度传感功能薄膜及特点1.1温度传感薄膜测温机理 薄膜热敏电阻是基于金属材料的电阻率随温度的升高而增加的原理来测量温度的，纯金属的电阻率在很宽的范围内可用布洛赫-格林爱森公式来描述： 式中，A为金属特性常数；M为被测金属材料的原子量；D为金属的德拜温度；T为被测器件的热力学温度；为材料的温度积分变量；(T)为被测金属材料在温度T时电阻率。 薄膜热电偶的测温原理是基于热电效应，通过测量由两种薄膜材料的组合而产生的热电动势里获得被测点的温度。 1.2传感薄膜的测温范围几特点 薄膜热敏电阻和薄膜热电偶的测温范围与其采用的敏感材料有关。一般来说，薄膜热电偶的测温范围比薄膜热敏电阻的测温范围大。如Ni薄膜热敏电阻工作温度范围可在-50C至300C；Pt薄膜热敏电阻工作范围在-250C至640C；而镍铬-镍硅薄膜热电偶工作温度可达1000C。 薄膜热敏电阻传感器稳态精度高，适于物体表面和小间隙场所的稳态温度和变化速率不是很高的瞬态温度的测量。薄膜热敏电阻还可以集成在其他传感器上制成多功能传感器实现温度补偿，如集成压力传感器，即能实现测温功能，又能对压力值进行温度补偿。 薄膜热电偶传感器的热偶结点为纳米或微米级的薄膜，因此具有动态响应能力好、体积小、便于安装等特点，其动态时间常数可达微妙量级，更适合于测温瞬态温度的变化。并且具有很高的耐磨、耐压、耐热冲击和较强的抗剥离性能，能应用于发动机壁面、枪炮膛内壁、相对运动器件表面、切割刀具等温度变化速率很高的瞬态温度测试。其缺点是动态标定精度要求较高，且冷端需要补偿。 1.3温度传感薄膜的膜系 根据薄膜基体的不同，热敏传感功能薄膜的膜系可分为三类：一类是以导电金属为基体如超耐热合金。为了加强基体与传感薄膜之间的结合力，首先在基体上沉积一定厚度的过渡合金底膜，接着沉积一层温度传感薄膜，再在其上沉积一层保护膜。 另一种基体材料是导电的陶瓷材料如碳化硅，该衬底遇热氧化，表面生成氧化硅，为获得必要的绝缘电阻，在其上面沉积一层厚度月5m的氧化铝，在氧化铝膜上沉积温度传感功能膜，最后一层为保护膜。 第三类基体衬底为电绝缘物质例如氮化硅、氧化铝等。这类膜系比较简单，传感功能薄膜直接沉积在衬底上，再在其上沉积一层保护膜。 通常作为保护膜的材料有碳化硅、氮化硅、氧化铝，而绝缘层常用氧化铝膜或氧化铝与氧化镁的复合膜。 薄膜热电偶的膜系应依据待测部件瞬态温度的变化范围和薄膜热电偶的测温环境来选用。热偶温度传感薄膜的膜材一般为：镍铬-镍硅、铁-镍、铂铑-铂、镍铬-康铜、铱-铑、镍-钼、钨-铼等。 2 传感薄膜的测试规定2.1热敏电阻薄的标定 热敏电阻薄膜的标定采用动态升温法。首先在0C下测量薄膜热电阻的阻值，然后将热敏电阻薄膜浸入到三甲基硅油液中，每当其温度达到某一预定值时便恒温20min，然后测取并记录薄膜的电阻值和油液的温度值，对各测点进行温度、电阻曲线拟合，即可得到热敏电阻薄膜的温度、阻值标定曲线。只要热敏电阻的灵敏度和所标定曲线的电阻率线性度和稳定性能满足设计要求，即可用于实际测量。 2.2 热电偶薄膜的标定2.2.1 静态标定 如图1所示，薄膜热电偶的静态标定在热电偶校验装置中进行。将薄膜热电偶放入管式炉中加热，炉温由标准Pt-Rh热电偶控制，热电偶冷端分别插入装有变压器油的试管中。试管置于有冰水混合物的冰瓶中，以保持冷端温度为0C，依次每隔一定的温度，测出该温度下的热电动势。根据测点标定温度-电动势曲线，只要所研究的薄膜热电偶所标定的热电势曲线线性度和稳定性能满足设计使用要求，就可用做实际应用的温度测量传感器。所以一般在对瞬态温度精度要求不高的应用场合，只对薄膜热电偶进行静态标定。 2.2.2动态标定 由于薄膜热电偶和丝式热电偶结构、制作方式的差异，因此丝式热电偶的标准电动势不能作为判断薄膜热电偶的唯一标准。在对瞬态温度精度要求特别高的场合，静态标定薄膜热电偶必将产生较大的相对误差，满足不了使用要求。通常用时间常数来评价薄膜热电偶的动态特性。定义为被测介质温度与热偶薄膜热结点温度之差除以热结点温度的变化率，数值上等于测量温度上升至整个阶跃的63%所需要的时间，它与热偶的结构及被测物体的状态有关。显然越小。则动态响应越快，测量误差越小。由于薄膜热电偶的时间常数很小(微妙量级)，用一般的温升法很难测定。传统的对普通热电偶进行动态标定的方法(阶跃信号法、脉冲信号法和斜坡信号法)由于很难产生与薄膜热电偶动态特性相适应的温度阶跃信号的前沿而不适用。迄今为止，对薄膜热电偶的动态标定尚没有统一的方法，目前常用的方法是将薄膜热电偶等效为一个一阶系统。由于激光可以在材料表面产生非常快的瞬时温升，所以目前不少研究者已将其用于薄膜热电偶的动态标定。由于激光束与材料的相互作用是极其复杂的瞬态过程，要使材料表面产生规则的温度波形是极其困难的。因此，若将薄膜热电偶等效为一阶系统，并从动态标定上直接获取时间常数时，存在着一定的误差。 3 温度传感功能薄膜的研究及展望3.1 温度传感功能薄膜的研究 在热电阻传感薄膜研究方面，国内近几年有了一定的进展，并越来越受到重视。热敏电阻薄膜的敏感材料大多数为金属，其中Al薄膜的制备工艺简单，热处理温度低(Al的再结晶温度为150C),可以直接作为内连线和压焊点。但是Al膜的灵敏度和电阻率低，耐腐蚀性差，这些都限制了它的使用。Ag的线性度比Al好，但Ag的电阻率比Al低，因此作为热敏电阻灵敏度低，而且Ag与保护膜的粘附性较差。Pt薄膜热电阻测温范围大，性能稳定，线性度好。 电子科技大学采用溅射法在氧化铝陶瓷和微晶玻璃基片上制备了Pt薄膜热敏电阻,并对二级直流溅射和磁控溅射两种制备工艺进行了研究比较,溅射的靶材采用99.9%的Pt片。普通二级直流溅射方法制备的薄膜电阻的电阻温度系数(TCR)最好只能达到3.610-3/C,而采用磁控溅射方法并对Pt薄膜进行温度为500C以上的热处理，制取的薄膜电阻的TCR可以达到3.8510-3/C以上。 研究结果表明磁控溅射工艺极大地提高了薄膜沉积速度，使成膜速度提高，改善了薄膜性能。对薄膜进行电子显微镜形貌图观察显示，次时薄膜密实，晶粒尺寸变大，使晶粒间界减少，膜面均匀一致，有利于减少薄膜电阻率，提高TCR。 由于金属薄膜的TCR与其电阻率的乘积为常数，因此降低电阻率就能提高金属薄膜的TCR。而薄膜的电阻率与其晶格点阵热振动和缺陷、杂质对自由电子的散射有关。降低电阻率的唯一途径是减少膜中的缺陷和杂质，消除表面影响。这就要求在制备薄膜时，选取适当的薄膜设备、镀膜和镀后热处理工艺，最大限度的降低薄膜中的杂质和缺陷。由于在磁控溅射时气体压力比直流溅射情况下减少了，使薄膜中嵌入的气体杂质减少，薄膜表面气孔减少，提高了薄膜的TCR。磁控溅射工艺也提高了Pt膜的附着力，在氧化铝上和在微晶玻璃片上的附着力都比二级溅射的膜要好。而采用镀后热处理工艺后基片温度提高到500C以上时，使Pt薄膜结构择优取向，结构改善，晶粒增大，应力减少，并释放出薄膜内的气体杂质，提高了薄膜的纯度，增强了Pt薄膜电阻的稳定性。但是由于Pt的价格昂贵，限制了它的应用。 近期的研究表明在金属材料中，Ni的电阻温度系数大，约为Pt电阻温度系数的1.7倍，作为温度传感器，Ni有较高的灵敏度，Ni的可焊性好，而价格远比Pt低，以上优点使Ni逐渐代替Pt成为优选的热敏薄膜材料。在Ni薄膜热敏电阻制备工艺方面，国内先后也有一些学者进行了有益的探讨。哈尔滨工业大学MEMS中心对Ni薄膜电阻作为多功能传感器的温度敏感元件进行了研究，他们应用蒸镀法制备了Ni传感薄膜，蒸镀材料选用纯度为5N的Ni丝，在1.3-3Pa真空度下蒸镀出厚度为400nm的Ni膜，经光刻工艺制备出电阻传感器后，在400C下退火2h。结果表明Ni传感膜在常温到350C范围内工作稳定，有较好的重复性，在薄膜的线性度较差，达到9.3%，需要进行非线性补偿。结果表明，真空蒸发的优点是速度快，但膜层不够致密，容易出现针孔，薄膜中的缺陷、晶界较多，膜层与基片的结合不够牢固。而膜层的致密度和缺陷等将影响金属薄膜热敏电阻的TCR的大小。 采用磁控溅射法制备温度传感薄膜与蒸发镀膜相比有一系列优点。用荷能粒子轰击靶材，使靶表面原子获得足够的能量从表面逸出，高能量的溅射原子沉积到基片上形成薄膜，可使薄膜与基片的附着力增强，膜层致密，不易出现针孔，膜层与基片结合牢固，工艺重复性好。 浙江大学对真空蒸发、平面磁控溅射与S枪磁控溅射等几种制备工艺进行比较，并采用正交试验法得到了S枪磁控溅射靶镀制的Ni薄膜的最佳工艺。将在最佳工艺条件下溅射在微晶玻璃上的Ni薄膜经光刻后制得具有一定阻值的薄膜温度传感器。图2表示了3种不同阻值 Ni薄膜温度传感器的电阻温度特性，其TCR值达到DIN-43670标准(德国国家工业标准)。当工作温度范围在-60C-180C时，TCR值(0至100C)为618010-6/C，非线性度小于0.7%，研究表明采用磁控溅射方法制备的Ni薄膜传感器的稳定性和精度要优于真空蒸发镀膜方法。而且由于镀膜设备上所采用的同轴结构的S枪靶的轴心处设置了一个能捕集二次电子的中心阳极，所以二次电子对基片的辐射损伤远比平面溅射靶和柱形溅射靶小，减少了薄膜中的缺陷及电阻率，因此可以获得较高精度的Ni传感薄膜。S枪磁控溅射靶还具有靶材利用率高，换靶容易等优点。 沈阳工业大学应用射频溅射法在聚酰亚胺软基底试制Ni薄膜热敏电阻，该传感器TCR的平均值为5.2510-3/C，测温范围-50C-200C。射频磁控溅射方法既可用于溅射导电的传感金属膜，又能溅射不导电的绝缘膜和介质膜。而且射频溅射方法对软基底的电子损伤小、膜在基底上的附着性好。 国外对薄膜电阻传感器的研究比较早，早在1917年就有人在玻璃棒上沉积薄膜电阻。近期Stankevic V研究了用于对压电晶片压力传感器进行温度补偿的Al电阻传感薄膜，他研制的Al传感薄膜厚度为1.2m，TCR值4.3310-3/C，使用温度0-125C；Dichl W研究Pt薄膜电阻的温度传感器，TCR达到了3.8510-3/C；Gruner H研究了溅射Pt热阻薄膜膜厚与TCR的关系。研究结果认为，由于磁控溅射薄膜沉积速率较高，对溅射条件及时间要严格控制。金属薄膜电阻来源于金属内部对自由电子的散射。散射源由两部分组成：一部分是晶格的热振动，另一部分是结构缺陷、薄膜表面散射和杂质。为了消除表面散射对薄膜电阻的影响，应用使薄膜具有一定的厚度。当薄膜厚度比金属材料的电子平均自由程大一个数量级左右时，表面散射引起的电阻率可以忽略，金属材料的电子平均自由程一般为(10-30)nm之间，所以薄膜厚度应大于300nm。图3为Pt薄膜TCR与膜厚的关系。 薄膜热电偶传感器是一种比较先进的瞬变温度测量传感器，其动态响应能力好，动态时间常数可达微妙量级，体积小，便于安装；适用于瞬态温度测试。 薄膜热电偶的原理是由德国人P Hackemann于一次世界大战期间提出，并将研制成的薄膜热电偶(其薄膜厚度为2m)用于测量枪膛在子弹射出后的壁温变化。1950年代初，美国人D Bendersky根据P Hackemann提出的原理制作的薄膜热电偶，其热接点Ni膜厚度为1m，用该薄膜热偶测出子弹发射所引起枪膛壁温的变化约427C/ms,1960年代，日本的小栗达、原正键等研究成夹板式薄膜热电偶，用于测定内燃机壁面的瞬变温度。1970年代，英国的Marshall等研究了Ni、Fe、Cu、康铜、镍铬、镍铝等材料的蒸镀膜，当时Ni-Fe薄膜热电偶已经能达到250C，并且误差在2C范围内，日本的Koike等研究了蒸镀Bi-Ag和Sb-Ag薄膜热电偶的热电动势与膜厚之间的关系，美国Pratt和Whitney等航空汽轮发动机公司研究用薄膜热电偶测量汽轮机-级叶片表面温度，由于其它方法都无法达到测量汽轮机叶片表面瞬态温度，因此薄膜热电偶在测量汽轮机叶片的表面瞬态温度上的应用，极大地推动美国薄膜热电偶研究工作的进展。 1982年