Тонкопленочный терморезистор

 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в производстве тонкопленочных терморезисторов - датчиков температуры. Тонкопленочный терморезистор содержит диэлектрическую подложку, на которой сформирована тонкопленочная структура из двух покрытых защитным материалом резисторов - основного и дополнительного, соединенных с контактными площадками. Одна площадка является общей для основного и дополнительного резисторов, выполненных в виде меандра из материалов с различной величиной удельного сопротивления, и не менее чем одной секции подгонки. Металлические выводы терморезистора расположены с одной стороны подложки и жестко соединенные пайкой или сваркой по меньшей мере с двумя контактными площадками. Общая для основного и дополнительного резисторов площадка образована жестким соединением пайкой расположенных в непосредственной близости контактных площадок основного и дополнительного резисторов. Технический результат от изобретения - повышение точности и стабильности параметров терморезистора. 3 ил.

Изобретение относится к изделиям электронной техники и может быть использовано в качестве прецизионного первичного преобразователя температуры в измерительной аппаратуре, медицине, бытовой технике и других областях народного хозяйства.

Известны различные типы терморезисторов, выпускаемых отечественной промышленностью: КМТ, ММТ, СТ1-СТ10, ТР и др. (см., например, Справочник разработчика и конструктора РЭА. Элементная база, книга II, М., 1993, с.300, типография ИТАР-ТАСС, с. 240-243). Однако, известные терморезисторы обладают значительной нелинейностью ВАХ, имеют существенный разброс температурного коэффициента чувствительности и большую тепловую инерционность. Кроме того, многие терморезисторы перечисленных типов достаточно сложны в изготовлении и имеют в своем составе драгметаллы, существенно повышающие их стоимость.

Известен резистивный датчик температуры (см. пат. США N 5197804, H 01 C 7/00, G 01 K 7/18, ИСМ N 10-12, 1994), содержащий диэлектрическую подложку с расположенным на ней тонкопленочным терморезистором, выполненным в виде меандра и расположенным по всей длине подложки, две контактные площадки терморезистора, соединенные между собой проволочными перемычками.

Недостатком такой конструкции является то, что в составе материала проволочных перемычек является обязательное присутствие драгоценных металлов, стойких к процессу окисления под воздействием изменяемых температур.

Кроме того, конструкция датчика температуры не может обеспечить высокой точности воспроизведения основного изменяемого параметра преобразователя из-за отсутствия подгоночных секций в топологии пленочного резистора.

Известен тонкопленочный температурный датчик (см. патент Японии N 63-37481, H 01 C 7/02, G 01 K 7/18, ИСМ N 6, 1989), содержащий диэлектрическую подложку с расположенным на ней пленочным платиновым резистором, контактные площадки которого удалены от края подложки и соединены с проволочными биметаллическими выводами датчика, выполненными из неблагородного металла и покрытые платиновой пленкой, причем поверхность кристалла покрыты защитной диэлектрической пленкой.

Основным недостатком известной конструкции термодатчика является наличие в его составе драгоценных металлов и, как следствие, высокая его стоимость, а также его невысокое омическое сопротивление.

Известен тонкопленочный терморезистор (см. патент Японии N 2-14761, H 01 C 7/04, 1/14 ИСМ N 2, 1991), содержащий керамический изолятор, в котором жестко закреплены промежуточные части двух пластинчатых наружных выводов с пазами, направленными навстречу друг другу внутри конструкции, в которые помещена диэлектрическая подложка с тонкопленочным терморезистором, контактные площадки которого электрически соединены с пластинчатыми выводами.

Недостатком данного технического решения является высокая сложность механической обработки, связанная с необходимостью обеспечения надежного и стабильного контакта пластинчатых контактов с контактными площадками тонкопленочного элемента в диапазоне измеряемых температур.

Известно техническое решение (см. патент США N 4929923, H 01 C 1/012, B 23 K 26/00, ИСМ N 12, 1991), в котором тонкопленочный резистор расположен на диэлектрической подложке и сформирован из 2-х участков с разной величиной удельного сопротивления, причем величина удельного сопротивления второго дополнительного участка значительно меньше, чем первого, а второй дополнительный участок является областью подгонки в номинал тонкопленочного резистора, и имеет три контактные площадки, одна из которых расположена в месте соединения первого и второго тонкопленочных участков, а две другие во взаимноперпендикулярных направлениях от первой, четвертая же контактная площадка является токовыводящей тонкопленочного участка с высокой величиной удельного сопротивления.

Несмотря на то, что по своему назначению указанный тонкопленочный резистор может отличаться от предлагаемого, т.е. иметь параметры, не позволяющие его использование в датчиках температуры, его конструкция имеет ряд существенных признаков, близких к заявляемому техническому решению.

Поэтому известная конструкция (патент США N 4929923) может быть использована, по нашему мнению, в качестве прототипа.

Последнее техническое решение, как наиболее близкое по совокупности существенных признаков к предлагаемому, имеет следующие недостатки.

Использование дополнительных контактных площадок на дополнительном участке тонкопленочной структуры с низким удельным сопротивлением приводит к усложнению конструкции в целом, к сложности формирования выводов с одной стороны подложки для удобства монтажа конструкции. Кроме того, топология подгоночной секции не позволяет обеспечить линейность подгонки резистора в номинал, а тем более его ТКС, т.к. геометрия поверхности прохождения тока будет меняться нелинейно при указанной в патенте США N 4929923 геометрии реза подгоночным инструментом.

Следующими недостатками известного технического решения являются незначительный диапазон возможного изменения совокупного сопротивления структуры при подгонке в номинал из-за низкого сопротивления дополнительной подгоночной секции, а также необходимость использования в качестве материала дополнительной подгоночной секции материал с низким удельным сопротивлением. Последнее существенно ограничивает использование известного технического решения для разработки тонкопленочных термометров сопротивления, обладающих дешевизной и высокими метрологическими параметрами.

Основной технический результат, достигаемый предложенным техническим решением, это повышение точности и стабильности двух основных параметров терморезистора: его сопротивления при номинальной температуре и ТКС в диапазоне измеряемых температур от -60 до 200^oC.

Технический результат достигается за счет того, что в конструкции тонкопленочного терморезистора, содержащего диэлектрическую подложку, на которой сформирована тонкопленочная структура из двух, покрытых защитным материалом, резисторов - основного и дополнительного, соединенных с контактными площадками, одна из которых является общей для основного и дополнительного резисторов, выполненных в виде меандра из материалов с различной величиной удельного сопротивления, и не менее, чем одной секции подгонки, и механические выводы терморезистора, расположенные с одной стороны подложки и жестко соединенные пайкой или сваркой по меньшей мере с двумя контактными площадками; общая для основного и дополнительного резисторов площадка образована жестким соединением пайкой расположенных в непосредственной близости контактных площадок основного и дополнительного резисторов.

Дополнительный технический результат в предложенной конструкции терморезистора - это широкий диапазон реализации возможных значений сопротивления в процессе подгонки, благодаря тому, что топология дополнительного резистора выполнена таким образом, что представляет собой широкую полосу тонкопленочного резистивного материала, соединяющую контактные площадки дополнительного резистора, одна грань которой соединена с меандром ячеистой структуры.

Общими признаками предлагаемой конструкции и прототипа является то, что тонкопленочный терморезистор, содержащий диэлектрическую подложку, на которой сформирована тонкопленочная структура из двух покрытых защитным материалом резисторов - основного и дополнительного, соединенных с контактными площадками, одна из которых является общей для основного и дополнительного резисторов, выполненных в виде меандра из материалов с различной величиной удельного сопротивления, и не менее, чем одной секции подгонки, и металлические выводы терморезистора, расположенные с одной стороны подложки и жестко соединенные пайкой или сваркой по меньшей мере с двумя контактными площадками.

Отличительными признаками является то, что общая для основного и дополнительного резисторов площадка образована жестким соединением пайкой расположенных в непосредственной близости контактных площадок основного и дополнительного резисторов.

На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 представлены элементы конструкции тонкопленочного терморезистора, обозначенные следующими позициями: 1 - диэлектрическая подложка, 2,3 - контактные площадки терморезистора, 4 - дополнительная контактная площадка, используемая в процессе подгонки, 5 - первый основной тонкопленочный резистор, 6 - второй дополнительный тонкопленочный резистор, 7 - первый подгоночные перемычки, 8 - вторые подгоночные перемычки и зона точной подгонки, 9 - защитное покрытие, 10 - металлические выводы терморезистора, 11 - добавочный металлический вывод, 12 - корпус, 13 - теплопроводный диэлектрик-наполнитель, 14 - компаунд (эпоксидная заливка), 15 - пайка, 16 - место расположения на контактной площадке измерительного (подгоночного) вывода, 17 - линия оптимальной подгонки дополнительного резистора.

Добавочный металлический вывод 11 используется в процессе подгонки в номинал терморезистора и значения его ТКС, после чего удаляется, что отражено на его реальной конструкции, фиг. 2 с действительными габаритными размерами, а дополнительная контактная площадка 4 замыкается с контактной площадкой первого основного тонкопленочного резистора 2, образуя параллельное соединение обоих резисторов. Материалом первого основного резистора 5 является никель с ТКС (0,0045 - 0,005) 1/^oC. Топология никелевого резистора предусматривает подгонку его в номинал в широком диапазоне сопротивления (до 200%) при помощи удаления подгоночных перемычек грубой и точной подгонки.

В качестве материала второго дополнительного резистора применяется кермет К30С с ТКС = (-0,0004 - +0,0002) 1/^oC и удельным сопротивлением существенно большим, чем удельное сопротивление никеля.

В зависимости от степени корректировки (подгонки) первоначального ТКС терморезистора, сопротивление дополнительного терморезистора можно менять на два порядка от первоначального значения.

Первая контактная площадка находится в непосредственной близости от дополнительной контактной площадки с таким расчетом, чтобы сразу после подгонки к требуемому значению сопротивления терморезистора и его ТКС, осуществить путем пайки 15 надежное электрическое соединение первой и дополнительной контактной площадок, обеспечивающее минимальное переходное сопротивление.

Данная конструкция позволяет осуществить такое соединение пайкой, без использования дополнительной металлической перемычки, что определенно упрощает технологический процесс изготовления.

При перерезании первых подгоночных перемычек основного и дополнительного резисторов их сопротивления увеличиваются большими шагами, хотя линейность характеристики остается высокой, что обусловлено отсутствием деформации линий протекающего через резистор тока.

Точная подгонка в номинал сопротивления терморезистора и его ТКС производится перерезанием вторых подгоночных перемычек основного и дополнительного резисторов.

С целью подтверждения технологического эффекта выведем соотношения позволяющие уточнить достижение новых свойств в сравнении со свойствами принятого прототипа.

Известно, что наибольшее сопротивление тонкопленочной структуры на ограниченной площади диэлектрической подложки при заданном удельном сопротивлении материала можно достичь, выбрав его топологию в форме меандра.

В свою очередь, сравнительно высокое сопротивление датчика позволяет использование его в измерительных устройствах без дополнительного согласования, например, в мостовых схемах.

Для получения заданных значений ТКС и сопротивления терморезистора в предложенном техническом решении тонкопленочная структура, состоящая из двух резисторов, после подгонки соединенная беспроводной пайкой благодаря близкорасположенным первой и дополнительной контактным площадкам, образует параллельное соединение: где R₀ - сопротивление термодатчика; R₁ - сопротивление первого (основного) резистора; R₂ - сопротивление второго (дополнительного) резистора.

Причем где α₀ - ТКС термодатчика; α₁ - ТКС первого резистора;
α₂ - ТКС второго резистора.

Выполнив алгебраические преобразования, получим:

Преобразуем выражение (3), сократив члены исходя из равенства R₀R₁+R₀R₂= R₁R₂, получаемого из (1) и получим:

Находим из (1)

и подставляем в (4), получим:

Здесь t - диапазон измеряемых температур.

Аналогично находим:

Пренебрегая в (4) членами второго порядка, можно получить упрощенные формулы расчета:


Из (7) и (8) видно, что требуемые значения сопротивления и ТКС терморезистора соответствуют вполне определенным значениям R₁ и R₂.

Таким образом, предложенная конструкция терморезистора позволяет одновременно произвести подгонку значения ТКС и полного сопротивления терморезистора. При этом на установке измерения относительной разности сопротивления и ТКС - 4ИЭ.НРЭ-110-044 измеряют значения α₁ и α₂ , используя при этом добавочный вывод 11 терморезистора.

Используя соотношение (7)-(8), производят расчет и подгонку R₁ и R₂, разрезая подгоночным инструментом соответствующие подгоночные перемычки 7-8, тем самым обеспечивая необходимые значения ТКС и сопротивления терморезисторов. При этом в предлагаемой конструкции в качестве корректирующего резистора можно выбрать структуру из высокоомного недорого материала типа, например, кермета К30С, что является положительным свойством, в отличие от прототипа.

Добавочный вывод устанавливается на позиции 16 (фиг. 3), является технологическим и служит для измерения в процессе подгонки по линии 17 оптимального реза.

После удаления добавочного вывода терморезистор помещается в металлический корпус 12 с габаритными размерами, указанными на фиг. 2 и заполняется теплопроводным диэлектриком - порошком нитрида бора, после чего заливается компаундом (эпоксидная заливка ЭП-730).

Предлагаемое изделие ТРП-1 выполнено в ходе НИР, прошло технологические испытания и обладает в сравнении с изделиями данного класса меньшими габаритами, высокими метрологическими характеристиками, а именно отклонение сопротивления от требуемого номинального значения при заданной температуре не более 0,2%, отклонение ТКС от заданного значения не более 2·10^-5 1/^oC в диапазоне температур от -60 до 200^oC.

Таким образом, приведенный сравнительный анализ и экспериментальные результаты подтверждают достижение технического эффекта, а именно, повышение точности и стабильности ТКС и сопротивления при номинальной температуре, также предложенная конструкция по сравнению с прототипом имеет ряд преимуществ, и преимущества перед другими техническими изделиями подобного класса и назначения, а именно: отсутствие драгметаллов, малые габариты, высокая линейность характеристики преобразования, наличие односторонних выводов, возможность функциональной подгонки двух основных параметров термодатчика (его номинального сопротивления и ТКС).

Следовательно, предлагаемая конструкция тонкопленочного терморезистора позволяет достичь технический эффект, обладает высокой технологичностью и отвечает всем предъявляемым к данному классу изделий требованиям. Ее опытный вариант реализован в НИОКР и соответствует тематике предприятия НИИЭМП.

Формула изобретения

Тонкопленочный терморезистор, содержащий диэлектрическую, подложку, сформированную на ней тонкопленочную структуру, которая представляет собой два покрытых защитным материалом основного и дополнительного тонкопленочных резистора, три контактные площадки, одна из которых является общей для основного и дополнительного тонкопленочных резисторов, выполненных в виде меандров с секциями подгоночных перемычек, металлические выводы, расположенные с одной стороны диэлектрической подложки и жестко сцепленные пайкой или сваркой с контактными площадками, отличающийся тем, что тонкопленочная структура дополнительного тонкопленочного резистора выполнена из материала с удельным сопротивлением, превышающим удельное сопротивление тонкопленочной структуры основного тонкопленочного резистора, причем первая контактная площадка основного тонкопленочного резистора расположена в непосредственной близости к дополнительной контактной площадке дополнительного тонкопленочного резистора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3