一种高电阻温度系数铂薄膜及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铂薄膜，尤其涉及一种高电阻温度系数铂薄膜及其制备方法。

背景技术

铂具有良好的耐高温氧化性能，以及较宽温度范围内良好的电阻-温度线性关系，在电阻型温度传感器、电阻体、加热器、电极等方面具有广泛的应用。与传统的线绕型铂电阻温度传感器相比，薄膜型铂电阻温度传感器具有体积小、响应快、成本低、易集成等优点，已逐渐取代线绕型铂电阻温度传感器。但薄膜型铂电阻温度传感器通常面临电阻温度系数低、高温稳定性差等问题，与热电偶等其他高温温度传感器相比，目前高温铂薄膜电阻温度传感器的应用仍然有限，且国内高温铂薄膜电阻温度传感器芯片主要依赖进口。

电阻温度系数表示某一温度时，温度变化引起电阻的相对变化值，为材料自身性质，但受其微观结构、化学成分、形变状态与晶粒大小等多因素影响。其中，薄膜的表面、与衬底的界面对电子的散射，薄膜中的杂质、晶界、位错、孔洞等缺陷对电子的散射均会影响薄膜的电阻温度系数，造成其电阻温度系数下降或不稳定，影响铂薄膜电阻温度传感器的响应性能。

虽然铂具有较好的稳定性，但在高温下，铂薄膜往往发生严重的团聚行为，薄膜中将出现针孔，继续长大的针孔进而变为孔洞，将影响铂薄膜电阻温度传感器的响应性能，孔洞继续长大相互接触后甚至使薄膜完全破裂，导致铂薄膜电阻温度传感器失效。此外，铂薄膜电阻温度传感器的高温工作场景往往还伴随着振动，冷热循环等恶劣工况条件的出现，因此铂薄膜的高温稳定性对于铂薄膜电阻温度传感器的高温响应性能是至关重要。

因此，需要开发一种方法，制备具有高电阻温度系数和优良高温稳定性的铂薄膜。

发明内容

本发明旨在解决上述缺陷，提供一种具有高电阻温度系数，且高温下稳定的铂薄膜及其制备方法。该方法引入含氧铂薄膜作为粘附层和牺牲层，通过一次或多次薄膜沉积与热处理，将含氧铂薄膜的热分解、团聚、固态去湿与铂薄膜晶粒生长相结合，含氧铂薄膜热分解、团聚和固态去湿后形成孤岛状铂薄膜，其与陶瓷基底具有良好的结合强度，以金属铂层作为异质形核点可以促进后续沉积铂薄膜层的再结晶和晶粒生长，从而获得具有结构致密、缺陷可控的铂薄膜。本发明无需引入其他金属层或绝缘层作为粘附层或过渡层，仅通过对常规薄膜沉积与热处理工艺的调控，可实现具有高电阻温度系数和优良高温稳定性铂薄膜的制备。

为了克服背景技术中存在的缺陷，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高电阻温度系数铂薄膜，包括：

陶瓷基底；

在所述陶瓷基底上沉积的含氧铂薄膜层含氧铂薄膜层作为粘附层，使金属铂薄膜与陶瓷基底之间具有优异的结合力，且含氧铂薄膜层在后续热处理过程中将发生热分解，既能提高铂薄膜与基底之间的结合力，使铂薄膜层具有致密、缺陷少的结构，提升铂薄膜的高温稳定性，同时也不会降低铂薄膜层的电阻温度系数；

在所述含氧铂薄膜层上沉积的铂薄膜层。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述陶瓷基底为氧化铝陶瓷，氧化铝陶瓷的材料为96%~99%的多晶氧化铝或单晶氧化铝。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述含氧铂薄膜层包括一氧化铂和二氧化铂的任意一种或两种组合。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述含氧铂薄膜层包括铂、一氧化铂和二氧化铂的任意两种或三种组合。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述含氧铂薄膜层厚度为薄膜层总厚度的5%，含氧铂薄膜的厚度为含氧铂薄膜层与铂薄膜层总厚度的0%-25%。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述铂薄膜层纯度为99.99%及以上，铂薄膜层的厚度为100nm-3000 nm。

铂薄膜制备方法，包括以下步骤：

S1、在氧化铝基底上沉积一层含氧铂薄膜层；

S2、将所述含氧铂薄膜层进行热处理；

S3、在所述热处理后的含氧铂薄膜层上沉积一层铂薄膜层；

S4、将所述铂薄膜层进行热处理。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述步骤S1、S2可重复进行；所述步骤S3、S4可重复进行；所述步骤S1、S2、S3、S4可重复进行。

根据本发明的另一个实施例，进一步包括所述S2中含氧铂薄膜在热处理过程中发生热分解、团聚和固态去湿中任意一项或多项即可。

铂薄膜制备方法，包括以下步骤：

S1、在氧化铝基底上沉积一层含氧铂薄膜层；

S2、在所述含氧铂薄膜层上沉积一层铂薄膜层；

S3、将上述含氧铂薄膜层和铂薄膜层进行热处理；

所述步骤S3中含氧铂薄膜在热处理过程中发生热分解、团聚和固态去湿中的任意一项或多项即可。

本发明的有益效果是：

本发明制备的铂薄膜结构致密、缺陷可控，具有高的电阻温度系数，可达3.85×10-3/℃，可用于铂薄膜电阻温度传感器；

本发明制备的铂薄膜具有优良的高温稳定性。通过引入含氧铂薄膜层作为粘附层和牺牲层，本发明制备的铂薄膜与陶瓷基底有着优异的结合力，铂薄膜具有致密的、低缺陷的结构，有效减弱了铂薄膜在高温下的团聚效应。此外，经表面封装保护后，其高温稳定性还将进一步提升；

本发明制备的铂薄膜结构简单，在铂薄膜与陶瓷基底之间无需引入其他金属层作为粘附层，也无需引入其他绝缘层作为过渡层；

本发明制备的铂薄膜对基底要求低，可为多晶陶瓷基底，也可为单晶陶瓷基底；

本发明制备的铂薄膜工艺过程简单，制备含氧铂薄膜层和铂薄膜层可通过同一种薄膜制备方法完成，例如，所述含氧铂薄膜层和铂薄层均可通过磁控溅射方法制备；

综上，本发明是一种有效、经济和实用的方法。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例1中步骤S1的示意图；

图2是本发明实施例1中步骤S2的示意图；

图3是本发明实施例1中步骤S3的示意图；

图4是本发明实施例1提供的铂薄膜示意图；

图5是本发明实施例2中步骤S1的示意图；

图6是本发明实施例2中步骤S2的示意图；

图7是本发明实施例2提供的铂薄膜示意图；

图8是示意图2对应的低倍扫描电子显微镜图；

图9是示意图2对应的高倍扫描电子显微镜图；

图10是示意图4对应的低倍扫描电子显微镜图；

图11是示意图4对应的高倍扫描电子显微镜图；

图12是示意图7对应的低倍扫描电子显微镜图；

图13是示意图7对应的高倍扫描电子显微镜图。

其中：1是陶瓷基底，2是含氧铂薄膜层，3是由含氧铂薄膜层分解形成的铂薄膜层，4是继续沉积的铂薄膜层，5和6是本发明所制备的铂薄膜。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种铂薄膜，包含陶瓷基底，含氧铂薄膜层，铂薄膜层。

其中陶瓷基底为氧化铝陶瓷，可以是96%~99%多晶氧化铝，也可以是单晶氧化铝。

本发明中，含氧铂薄膜层作为粘附层，使金属铂薄膜与陶瓷基底之间具有优异的结合力，且含氧铂薄膜层在后续热处理过程中将发生热分解，既能提高铂薄膜与基底之间的结合力，使铂薄膜层具有致密、缺陷少的结构，提升铂薄膜的高温稳定性，同时也不会降低铂薄膜层的电阻温度系数。

优选地，所述含氧铂薄膜层为铂、一氧化铂和二氧化铂。

优选地，所述含氧铂薄膜为一氧化铂和二氧化铂。

优选地，所述含氧铂薄膜层为铂和一氧化铂。

优选地，所述含氧铂薄膜层为一氧化铂。

所述含氧铂薄膜层厚度为薄膜层总厚度的0% ~ 25%。

优选地，所述含氧铂薄膜层厚度为薄膜层总厚度的5%。

所述铂薄膜层纯度为99.99%及以上。

所述铂薄膜层厚度为100 nm ~ 3000 nm。

优选地，所述铂薄膜层厚度为1000 nm。

所述含氧铂薄膜层和铂薄膜层均可通过一般的薄膜沉积方法制备，例如，蒸镀、磁控溅射、化学气相沉积、原子层沉积等。

优选地，所述含氧铂薄膜层和铂薄膜层通过磁控溅射沉积。

另一方面，本发明提供一种上述铂薄膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供一个陶瓷基底，在所述陶瓷基底上沉积一层含氧铂薄膜。

S2、将上述薄膜进行热处理，使含氧铂薄膜发生热分解、团聚和固态去湿。

S3、在上述薄膜上继续沉积金属铂薄膜。

S4、将上述薄膜进行热处理，获得所需铂薄膜。

S5、上述S1和S2步骤可重复进行，S1、S2、S3和S4步骤可重复进行直至获得所需铂薄膜。

再一方面，本发明提供另一种上述铂薄膜的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供一个陶瓷基底，在所述陶瓷基底上沉积一层含氧铂薄膜。

S2、在上述含氧铂薄膜上沉积一层铂薄膜。

S3、将上述薄膜进行热处理，获得所需铂薄膜。

本发明中，含氧铂薄膜层一方面作为铂薄膜层与陶瓷基底之间的粘附层，在热处理过程中其发生热分解，使铂薄膜与陶瓷基底之间具有优异的结合力，同时也作为牺牲层，热处理后含氧铂薄膜热分解又将析出金属铂，不会对铂薄膜的电阻温度系数造成影响。

另一方面，含氧铂薄膜发生热分解时析出的金属铂，在热处理过程中还将发生团聚和固态去湿，固态去湿和团聚过程具有一定选择作用，与基底结合力强的铂将“吸收”与“合并”与基底结合力差的铂，最终形成与基底具有优异结合力的孤岛状铂。

再一方面，上述与基底有着优异结合力的岛状铂在后续的铂薄膜沉积中将作为形核点，促进后续沉积铂薄膜的再结晶和晶粒生长，经热处理后，可获得具有高电阻温度系数和优良高温稳定性的铂薄膜。

此外，也可将含氧铂薄膜的热分解、团聚、固态去湿与金属铂薄膜的生长结合起来，将含氧铂薄膜与金属铂薄膜一起进行热处理，通过一次热处理即可获得所需铂薄膜。

实施例1

本实施例提供一种具有高电阻温度系数和优良高温稳定性的铂薄膜制备方法，包括以下步骤：

S1、提供一陶瓷基底1，在所述陶瓷基底上沉积一层含氧铂薄膜2，如图1所示。

S2、将上述含氧铂薄2进行热处理，使含氧铂薄膜发生热分解、团聚和固态去湿，获得薄膜3，如图2所示。此步骤中，含氧铂薄膜发生热分解时析出的金属铂，在热处理过程中还将发生团聚和固态去湿，团聚和固体去湿过程具有一定选择作用，与基底结合力强的铂将“吸收”与“合并”与基底结合力差的铂，最终形成与基底具有优异结合力的岛状铂。

S3、在上述薄膜3上继续沉积金属铂薄膜4，如图3所示。此步骤中，上述与基底有着优异结合力的岛状铂在后续的铂薄膜沉积中将作为形核点，促进后续沉积铂薄膜的再结晶和晶粒生长，使最终获得的铂薄膜具有更致密和低缺陷的结构。

S4、将上述薄膜3和金属铂薄膜4进行热处理，即可获得具有高电阻温度系数和优良高温稳定性的铂薄膜，如图5所示。

实施例2

本实施例提供另一种具有高电阻温度系数和优良高温稳定性的铂薄膜制备方法，包括以下步骤：

S1、提供一陶瓷衬底1，在所述陶瓷衬底上沉积一层含氧铂薄膜2，如图5所示。

S2、在上述含氧铂薄膜2上沉积一层金属铂薄膜4，如图6所示。

S3、将上述含氧铂薄膜2和金属铂薄膜4进行热处理，即可获得具有高电阻温度系数和优良高温稳定性的铂薄膜，如图7所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。