Senzory teploty realizované technologií tlustých vrstev

A

MÌØENÍ TEPLOTY

Senzory teploty realizované technologií tlustých vrstev Automobilový prùmysl, elektrospotøebièe, telekomunikaèní a výpoèetní technika, lékaøské a jiné aplikace s požadavkem na širokou integraci senzorù teploty vytváøejí tržní poptávku po pøimìøenì pøesných a vysoce spolehlivých snímaèích s miniaturními rozmìry a nízkou poøizovací cenou. Pøedevším ve støedních a menších výrobních sériích takové nároky splòuje implementace senzorù vytvoøených technologií tlustých vrstev, mimo jiné i díky velké flexibilitì geometrických rozmìrù a elektrických vlastností ve spojení s vysokou výkonovou zatížitelností.

vrstvy øádovì desetiny mikrometrù), nebo nanesení „pasty“ složené z funkèních, pojivových, vazebních a modifikaèních složek a její následné vytvrzení tepelným procesem (tlustovrstvá technologie, tlouška vrstvy øádovì jednotky až desítky mikrometrù). Pasta (vodivá, odporová nebo dielektrická) vzniká rozdrcením funkèního materiálu (napø. u termistorových past jsou to speciálnì pøipravené smìsi oxidù nìkterých kovù) na prášek a pøimícháním do pojivové matrice (polymery, rozpouštìdla), která obsahuje i další modifikaèní složky (aditiva pro úpravu vlastností

Michal Balos

3. Tlustovrstvé termistory Termistorové vrstvy tvoøí ètverce, popø. obdélníky, s délkami hran øádovì v milimetrech. Díky malým rozmìrùm bývají tyto snímaèe velmi rychlé a jsou vhodné pøedevším pro kontinuální mìøení teploty v rozsahu pøibližnì od –50 do +300 °C, vèetnì monitorování teplotních šokù a vibrací. Používají se i ve funkci teplotních pøevodníkù (napø. pro pøevod výkonu RF signálu na stejnosmìrné napìtí) a ve funkcích vestavìných teplotních atenuátorù. Na trhu jsou k dispozici termi-

1. Úvod těrka

Tlustovrstvé senzory teploty se používají jako dotykové teplomìry pro pøímé mìøení teploty, jako pøevodníky pøi teplotním mìøení jiných fyzikálních nebo chemických velièin a jako vestavìné kompenzaèní prvky elektronických obvodù. Technologie tlustých vrstev je vhodná pøedevším pro realizaci termistorù, odporových teplomìrù a termoelektrických èlánkù. Výhodou vrstvového provedení je skuteènost, že tepelnému pùsobení je vystavena celá plocha snímacího materiálu. Tlustovrstvé senzory teploty se vyznaèují jednoduchým principem, spolehlivostí a nenároènou a relativnì levnou výrobou. Nedosahují sice tak špièkových hodnot parametrù z hlediska šumu, pøesnosti mìøení atd., s jakými se lze setkat u tenkovrstvých a preciznì vyrobených diskrétních snímaèù teploty, nicménì pro širokou škálu aplikací v praxi je jejich pøesnost dostateèná. Pro svou vysokou mechanickou, chemickou i výkonovou odolnost se tlustovrstvé senzory teploty s oblibou používají pøedevším v automobilovém prùmyslu (u øídicí elektroniky, klimatizace, vyhøívání zrcátek a skel, pro teplotní pøevodníky chemických senzorù ve spalovacím systému atd.) a v telekomunikacích (jako pøevodníky hodnoty výkonu RF signálu na stejnosmìrné napìtí, teplotnì promìnné atenuátory atd.).

2. Princip technologie tlustých vrstev Principem vrstvových technologií je vytvoøení tenké vrstvy urèitého materiálu (v pøípadì senzoru teploty citlivého na teplotu) na vhodné nosné podložce, tzv. substrátu. Existují dva zásadní postupy vytvoøení vrstvy žádaného materiálu: její nanesení nìkterou z fyzikálních nebo chemických depozièních metod (tenkovrstvá technologie, tlouška 1)

síto s maskou

pasta

substrát

tisk vodičů, vývodů, zasušení

nanesení termistorové pasty, zasušení

výpal 1 (850 °C po 10 min)

nanesení ochranné vrstvy a zasušení

výpal 2 (tepl. špička 500 °C)

osazení SMD, zapouzdření atd.

Obr. 1. Tlustovrstvé pasty se na substrát nanášejí nejèastìji metodou sítotisku. Obvod lze doplnit dalšími pasivními a aktivními souèástkami a zapouzdøit. Blokové schéma dole znázoròuje zjednodušený postup výroby tlustovrstvého termistoru pasty) a složky pro vytvoøení vazby na substrát (nízkotavná skla, keramika, polymery). Tato smìs se na substrát nejèastìji nanáší metodou sítotisku, používá se však i mnoho jiných metod. Následuje vypálení s pøesnì definovaným èasovým prùbìhem. Z hlediska materiálu lze nanášené pasty rozdìlit na cermetové (popø. keramika-sklo) s teplotou žárového pásma pøibližnì mezi 500 a 1 000 °C a polymerní s vytvrzovací teplotou pøibližnì 150 až 250 °C. Substrátem pro cermetové vrstvy je obvykle (ale ne vždy) keramika, nejèastìji 96% Al2O3 a nebo LTCC1). Polymerní vrstvy lze díky nižší vytvrzovací teplotì nanášet i na organické materiály (Mylar, Kapton, FR4 apod.). Obvod je možné doplnit diskrétními aktivními a pasivními prvky (SMD) a celek opatøit vývody a zapouzdøit. Potom jde o tzv. hybridní integrovaný obvod (HIO, viz [15]). Pro tvorbu snímaèù teploty se využívají bìžné i speciální vodivé a odporové pasty, dielektrické materiály plní ochranné úèely.

storové pasty rùzných vlastností. Podaøilo se vyvinout materiály se záporným teplotním souèinitelem (NTC) i s kladným teplotním souèinitelem (PTC) s témìø lineární teplotní závislostí a srovnatelnou hodnotou nominálního odporu vrstvy Rv2) i teplotního souèinitele odporu α 3). To umožòuje vytváøet napø. vysoce citlivá a pøitom levná mùstková zapojení s vrstvami s NTC s α = –3·10–3 K–1 a vrstvami s PTC s α = 3·10–3 K–1 [16]. Pasty obvykle bývají uzpùsobeny standardnímu používanému teplotnímu prùbìhu výpalu termistor (odporová vrstva)

substrát (96% Al2O3)

vývody termistoru (vodivá vrstva)

Obr. 2. Tlustovrstvý termistor

LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics) – materiál pro vícevrstvé substráty tvoøený smìsí keramických a sklenìných èástic v polymerním pojivu. Substrát se vypaluje až souèasnì s natištìnými pastami. Touto technologií je možné vytváøet rùznì tvarované prostorové struktury. Viz [4].

AUTOMA

(2003) èíslo 1

11

A

MÌØENÍ TEPLOTY

(teplota žárového pásma 850 °C po dobu 10 min). Pozor je tøeba dávat pøi výbìru materiálu pro tvorbu pøívodù. Pøi volbì nesprávného typu vodivé pasty mùže dojít ke vzájemné interakci s termistorovou vrstvou a ke zmìnám parametrù termistoru.

rozsah pøibližnì od 0,05 do 300 K) – viz [14]. Jako nosný substrát uvedených cermetových vrstev s NTC se obvykle používá korundová keramika (96% Al2O3). Vysokoteplotní materiály používané pøi výrobì pasty s NTC se za teplot obvyklých

Tab. 1. Vlastnosti cermetových tlustovrstvých termistorù øady NTC-2100 firmy ESL [9], [16] Oznaèení pasty NTC-2131 NTC-2112 NTC-2113 NTC-2114 NTC-2115 NTC-2116

β *)

3)

4)

Doporuèený substrát

96% Al2O3

v rozsahu –55 až +125 °C, tolerance ±20 % pro rezistor 1 × 1 mm, suchou natištìnou vrstvu o tloušce 25 µm a teplotu 25 °C; doporuèený rozsah geometrie odporové vrstvy je od 1/10 ètverce do 10 ètvercù, tolerance ±20 % (u NTC-2115 a NTC-2116 je tolerance ±30 %)

pro zpracování bìžných tlustovrstvých past obtížnì sintrují, a proto je u nich pro zajištìní stability vyžadována ochranná vrstva proti nežádoucímu pùsobení nemìøených okolních velièin (zejména vlhkosti a nìkterých chemických látek, které mají vliv na vodivost snímací vrstvy). Používají se dielektrické sklenìné vrstvy, vyvinuté speciálnì pro tento úèel (obvyklá teplotní špièka výpalu 500 °C).

3.2 Tlustovrstvé termistory s kladným teplotním souèinitelem elektrického odporu (pozistory) Existují dvì základní skupiny tlustovrstvých cermetových pozistorù – termistorù s PTC (Positive Temperature Coefficient): s lineární závislostí odporu na teplotì a s prudkým nárùstem odporu pøi urèité teplotì. Materiály

Tab. 2. Vlastnosti cermetových tlustovrstvých termistorù øady PTC-2600 firmy ESL [10], [16]

Oznaèení pasty PTC-2650 PTC-2611 *)

C TC R (10-3 K-1) +4,0 ±0,5 +4,1 ±0,5

HTCR (10-3 K-1) +4,0 ±0,5 +4,1 ±0,5

Rv (Ω Ω)*) 5 ±10 % 10 ±10 %

Doporuèené vývod y

Doporuèený substrát

PtAu, PdAg

96% Al2O3

pro sílu vysušené natištìné vrstvy 22,5 ±2,5 µm a teplotu 25 °C → Rv (Ω)

3.1 Tlustovrstvé termistory s negativním teplotním souèinitelem elektrického odporu U cermetových termistorových past s negativním teplotním souèinitelem (NTC, Negative Temperature Coefficient) je funkèním materiálem polovodièová polykrystalická keramika na bázi pøesnì øízených smìsí nìkterých oxidù kovù (Mn, Co, Ni, Cu, Zn apod.) [2]. Tyto materiály vykazují silnou klesající exponenciální závislost mìrného odporu na teplotì, jehož prùbìh lze modifikací složení pasty výraznì mìnit. Na urèitém teplotním rozsahu je možné dosáhnout závislosti témìø lineární (napø. u tlustovrstvých termistorù firmy IRC s α = –2,5·10–3 K–1 je garantována prùmìrná odchylka linearity v rozsahu –10 až +130 °C pod 1 %, viz [19]). První typy tlustovrstvých termistorù s NTC vznikly vývojem standardních odporových past (ty obsahují napø. RuO2 nebo Ru2O7) s pùvodnì nežádoucí teplotní závislostí. Teplotní souèinitel odporu se u nich pohybuje kolem –0,5·10–3 K–1 a závislost odporu na teplotì má témìø lineární prùbìh [1]. Pro výrobu citlivìjších termistorù s NTC byla vyvinuta øada speciálních past s vysokoteplotním souèinitelem odporu (HTCR) mezi –2,5·10–3 K–1 a –9,5·10–3 K–1. Citlivìjší pasty se obecnì vyznaèují i vìtší nelinearitou a nízkoteplotní souèinitel odporu u nich mùže dosahovat hodnoty až –0,5 K–1 [16]. Nominální odpor vrstvy Rv tìchto materiálù bývá mezi 30 Ω a 1 MΩ, s rostoucím Rv roste citlivost, nelinearita i materiálová konstanta β 4) (od 300 do 3 100 K). Mimo to byly vyvinuty materiály pro nìkteré speciální aplikace, jako napø. ruthenium-oxidové a vizmut-rutheniové pasty s exponenciálnì klesající závislostí odporu na teplotì pro mìøení velmi nízkých teplot (mohou pokrýt 2)

Rv Doporuèené (Ω Ω)**) vývod y 30 100 1·103 PtAu, PdAg 10·103 3 100·10 1 000·103

(K) 300 725 1 700 2 125 2 500 3 100

1·10 8

1·10 7

1·10 6 NTC-2131 1,5

1·10 5

1·10

termistor

NTC-2112 NTC-2113

4

NTC-2114 1

**)

HTCR (10-3 K-1) –3 –5 –7,5 –8,3 –8,75 –9,2

1·10 3

NTC-2115 NTC-2116

0,5

*)

C TC R (10-3 K-1) –3 –10 –100 –160 –300 –550

Mimo cermetové pasty existují i polymerní pasty s NTC. Jde o materiály na bázi uhlíku. Klesající závislost odporu na teplotì je v rozsahu 20 až 200 °C mírnì exponenciální až témìø lineární, s prùmìrným teplotním koeficientem α pøibližnì –1,0·10–3 K–1 [17]. Jako pøíklad mùže posloužit série cermetových termistorových past NTC-2100 firmy ESL (tab. 1). Doporuèený teplotní prùbìh výpalu (teplota žárového pásma 850 °C po dobu 10 min) je charakteristický i pro vìtšinu bìžných vodivých a odporových past [9]. Celá série NTC-2100 je vzájemnì mísitelná s predikovatelnými hodnotami parametrù výsledné kompozice [16]. Pro stabilizaci vrstvy je pøedepsána speciální ochranná pasta ESL-4782. Použije-li se napø. kompozice NTC-2114 a uspoøádání podle obr. 3, pøi teplotì 25 °C bude mít navržený termistor odpor 10 kΩ a jeho teplotní závislost bude odpovídat pøíslušné køivce na tomtéž obrázku.

1·10 2 1

PdAg vývody

1·10 1 -50

-25

0

25

50

75

100 125 → T (°C)

Obr. 3. Pøíklad geometrického uspoøádání a teplotní závislosti termistorové vrstvy s NTC s rozmìry 1 × 1 mm a tlouškou natištìné zasušené vrstvy 25 µm (zpracováno podle [9]). Vhodný materiál pro vývody doporuèuje výrobce: v pøípadì NTC-2100 se volí pro bìžné aplikace pasta PdAg, v nároènìjších aplikacích se používají osmkrát dražší vývody PtAu

Nominální odpor vrstvy Rv je elektrický odpor nanesené vrstvy materiálu definované velikosti. Je garantován výrobcem pasty za odpovídajících podmínek (napø. pro tlouškou zasušené vrstvy 25 µm a jmenovitou teplotu 25 °C). Rv se udává v Ω. Používá se i znaèení Ω/sq. (pozn. red.: to ovšem není fyzikální jednotka, jde o nesprávné, matoucí oznaèení). α je teplotní souèinitel elektrického odporu (TCR, Temperature Coefficient of Resistance). Pro nízkoteplotní souèinitel odporu v rozmezí teplot –55 až +25 °C se používá oznaèení Cold TCR (CTCR), pro vysokoteplotní souèinitel odporu v rozmezí +25 až +125 °C se používá oznaèení Hot TCR (HTCR). β (resp. B) je materiálová konstanta, tzv. teplotní citlivost termistoru.

12

(2003) èíslo 1

AUTOMA

A

MÌØENÍ TEPLOTY

Tab. 3. Vlastnosti tlustovrstvé metal-organické platinové pasty ESL-5051 [12]

Poèet vrstev 1 2 3 4 5 6

*)

C TC R (10–3 K–1) 3,287 3,322 3,353 3,321 3,414 3,408

HTCR (10–3 K–1) 3,277 3,331 3,352 3,358 3,418 3,407

Rv (Ω Ω)*) 3,20 1,06 0,64 0,47 0,38 0,31

4. Tlustovrstvé odporové teplomìry

Tlouška vypálené Doporuèený vrstvy (µm) substrát 0,20 glazovaná 0,35 keramika, 0,60 glazovací vrstva 0,75 tvoøená pastou 0,88 ESL 129-C 1,08

Charakteristický tlustovrstvý odporový teplomìr (RTD) tvoøí dlouhá, tenká a rùznì tvarovaná linka z vodivé pasty. Ke své èinnosti odporové teplomìry využívají kladnou a pomìrnì lineární teplotní závislost elektrického odporu kovù na teplotì5). Pro výrobu odporových teplomìrù jsou urèeny pøedevším speciální cermetové platinové pasty (platina splòuje vysoké nároky na elektrické vlastnosti a souèasnì se vyznaèuje vysokou teplotou tavení a schopností odolávat korozi). V ménì nároèných aplikacích se uplatní i pasty na bázi niklu, popø. jiných kovù. Tyto teplotní snímaèe se mohou použít pro pøímé mìøení teploty v rozmezí pøibližnì od –50 do 500 °C. Podle velikosti mìøicího proudu je tøeba brát v úvahu i jev samozahøívání (snímaè udává vyšší hodnotu teploty, než je skuteèná). Naproti tomu díky vysoké výkonové zatížitelnosti mohou tlustovrstvé odporové teplomìry souèasnì plnit funkci topného prvku. Èasto se využívají jako pøevodníky pøi mìøení jiných velièin,

pro sílu vysušené natištìné vrstvy 5 až 8 µm a teplotu 25 °C

Tab. 4. Namìøené hodnoty termoelektrického napìtí generovaného tlustovrstvými termoèlánky vytvoøenými kombinacemi nìkolika rùzných vodivých a odporových past firem ESL a DuPont [1]

5)

→ Rv (Ω)

první skupiny využívají kladné teplotní závislosti elektrického odporu kovù a vznikly vývojem a modifikací standardních vodivých past. Vyznaèují se dobrou linearitou a stabilitou za bìžných i vysokých teplot a nebyla u nich pozorována v podstatì žádná hystereze. Na rozdíl od materiálù s NTC není nezbytnì nutné tyto pasty chránit pouzdrem a stabilizovat [16]. Teplotní souèinitel odporu se pohybuje v rozmezí pøibližnì 1·10–3 až 5·10–3 K–1 [1], nominální odpor vrstvy je od 5 Ω do 10 kΩ. Obecnì s rostoucím nominálním odporem vrstvy u tìchto past teplotní souèinitel odporu klesá, napø. pasta ESL PTC-2650 (Rv = 5 Ω) má souèinitel HTCR α = = 4,3·10–3 K–1, pasta ESL D-PTC-6232 (Rv = = 300 Ω) má HTCR α = 2,45·10–3 K–1 a pasta ESL D-PTC-2614A (Rv = 10 kΩ) má souèinitel HTCR α = 2,2·10–3 K–1 [16]. Materiály druhé skupiny pozistorových past, které se vyznaèují strmým nárùstem mìrného odporu pøi urèité teplotì, využívají teplotní závislosti elektrických vlastností hranic zrn legovaných piezoelektrických keramických materiálù (napø. BaTiO3) [2]. Cermetové pasty s PTC se vìtšinou nanášejí na keramické substráty (96% Al2O3, LTCC). Podobné èlenìní lze použít i u polymerních pozistorových materiálù. Do první skupiny patøí pasty vzniklé vývojem polymerních vodivých past plnìných èásticemi støíbra, které v teplotním rozsahu 20 až 200 °C vykazují pomìrnì lineární závislost odporu na teplotì se souèinitelem α kolem 3,8·10–3 K–1 [17]. Do druhé skupiny lze zaøadit materiály, které vyvinula firma DuPont pro výrobu lehkých a flexibilních samoèinnì se regulujících topných prvkù na polyesterových substrátech.

1

16

12 NTC-2611 NTC-2611 Ag vývody

8

4 0,5

ESL-9635/ESL-2812 (Rv = 100 Ω) ESL-6835A/ESL-2812 (Rv = 100 Ω) ESL-9635/ESL-2811 (Rv = 10 Ω) ESL-6835A/ESL-2811 (Rv = 10 Ω) ESL-6835A/Ag DP-6320 ESL-9635/Ag DP-6320

2

A gP d AuPd A gP d AuPd AuPd A gP d

Prùmìrné termoelektrické napìtí na jeden pár (µV/K) 18,9 16,2 15,2 13,3 9,4 8,0

2,5

Kombinace past

termistor

0 -50

-25

0 25

50

75

100 125 → T (°C)

Obr. 4. Teplotní závislost elektrického odporu cermetových termistorových past øady PTC-2600 (zpracováno podle [10]). Odpor termistoru lze mìnit pomìrem šíøky a délky, napø. pøi použití pasty PTC-2611 bude mít rezistor 2 × 1 mm pøi teplotì 25 °C odpor R = 20 Ω . Jeho charakteristika bude odpovídat závislosti vpravo vynásobené dvìma. Jde o speciální polymerní pasty s PTC na bázi uhlíku, které se vyznaèují prudkým nárùstem odporu pøi urèité teplotì [3]. Jako konkrétní pøíklad na trh dodávané termistorové pasty s PTC mùže posloužit cermetový systém øady PTC-2600 firmy ESL (tab. 4). Podle specifikace [10] je materiál jako teplotní senzor schopen poskytnout lineární odezvu až do teplot kolem 300 °C. Teplotní prùbìh výpalu je standardní (žárové pásmo 850 °C po 10 min). Pasty v této øadì jsou mísitelné navzájem a i se sériemi D-PTC-6200 a D-PTC-2600A, které mají vyšší hodnoty nominálního odporu vrstvy. Vypálená vrstva je, bez vlivu na stabilitu, trimovatelná laserem [16].

zejména u chemických senzorù. V nìkterých provedeních slouží žhavý povrch platinové vrstvy pøímo jako katalyzátor. Obvyklá hodnota teplotního souèinitele odporu je pro platinové vrstvy 3,5·10–3 K–1 a pro niklové vrstvy 6,8·10–3 K–1 [1]. Speciální metal-organické platinové pasty pro topné rezistory a RTD bez obsahu síry, olova a kadmia mají teplotní souèinitel odporu pøibližnì 3,3·10–3 K–1. Nominální odpor vrstvy platinových odporových teplomìrù se typicky pohybuje v rozmezí 0,05 až 0,5 Ω, ale v závislosti na tloušce vrstvy mùže být i vyšší – podle požadavkù pøíslušné aplikace. Pro vytvoøení rezistoru s hodnotou napø. 10 Ω (pøi referenèní teplotì) je pøi použití pasty s Rv = 0,5 Ω nutné nanést vrstvu pasty

Tlustovrstvé PTC termistorové pasty vzniklé vývojem z vodivých past (viz pøíklad ESL PTC-2600) využívají stejný princip èinnosti jako RTD a mìly by správnì patøit mezi odporové teplomìry. V tomto èlánku je dodržováno „marketingové“ èlenìní stanovené výrobci past.

AUTOMA

(2003) èíslo 1

13

A

MÌØENÍ TEPLOTY

temperovaný chemický senzor

né substráty a podle výrobce mùže nahradit nákladné vakuové nanášení tenkovrstvých platinových vrstev. Pasta se vypaluje bìžným postupem s teplotou žárového pásma 850 °C. Ve funkci topného prvku je tento materiál schopen za jednu minutu dosáhnout nárùstu nebo poklesu teploty o 60 až 100 °C [12].

platinový topný rezistor a RTD katalyzátor

platinový RTD 8 mm

substrát: 96% Al2O3

5. Tlustovrstvé termoelektrické èlánky

substrát ZrO2

Tlustovrstvé termoelektrické èlánky se vytváøejí nanesením dvou rùzných past (obvykle jako celá série termoelektrických párù). Z hlediska výroby je dùležité, že k realizaci nejsou vyžadovány žádné speciální materiály, používají se bìžné (tj. levné) vodivé a odporové pasty. Generované napìtí se stanovuje experimentálnì. Dobrých výsledkù bylo dosaženo u termoèlánkù s pøechodem mezi vodivou a odporovou pastou [1]. V tab. 4 jsou uvedeny nìkteré kombinace materiálù pro tvorbu termoèlánkù. Jde vesmìs o standardní, bìžnì dostupné komerèní produkty urèené pro nanášení sítotiskem na korundový substrát. Stanovit pøesnost mìøení tlustovrstvým termoelektrickým èlánkem je znaènì obtížné. Pøi mìøení se mohou rùznì kombinovat vlivy jednotlivých komponent, ze kterých jsou pasty tvoøeny. Výhodou kompozice je sice velká elektrická, mechanická a chemická odolnost, za to se však platí horšími vlastnostmi z hlediska šumu. Protože termoelektrické napìtí generované termoèlánkem je samo o sobì malé a navíc termoèlánek funguje i jako anténa, mùže být vliv šumu na pøesnost mìøení znaèný. Tlustovrstvé termoelektrické èlánky mají pro pøímé mìøení teploty (díky své nízké cenì a jednoduchosti) uplatnìní v ménì nároèných aplikacích nebo v jednoúèelových zaøízeních, kde je možné zajistit alespoò èásteènou kompenzaci nepøíznivých vlivù. Jako pøevodníky bývají v planárním uspoøádání èasto využívány u kalorimetrických chemických senzorù, kde jimi namìøená teplota je úmìrná koncentraci mìøené látky.

platinový topný rezistor a RTD

→ Rv (Ω)

Obr. 5. Ve srovnání s pøesnými tenkovrstvými a normovanými diskrétními odporovými teplomìry je tlustovrstvé provedení vhodné spíše pro ménì nároèná mìøení teplot. Èasto se však používá ve spoleèné funkci topných rezistorù a teplotních snímaèù pro temperování chemických senzorù (vlevo, zpracováno podle [1]) nebo pro pøevodníky u katalytických chemických senzorù (vpravo, zpracováno podle øešení používaného firmou Servomex)

4,50

n=1 3,00

n=2 n=3 n=4

substrát: 96% Al2O3

n=5 1,50

n=6

vývody 0,00 -50

-25

0

25

50

75

100 125 → T (°C)

Obr. 6. Teplotní charakteristiky pasty ESL-5051 pro rùzné poèty nanesených vrstev (zpracováno podle [12]) a další pøíklad možného provedení tlustovrstvého snímaèe teploty a topného rezistoru. Pasta pro vývody musí splòovat požadavky na co nejnižší teplotní závislost a odpor a zároveò musí být kompatibilní pro použití s platinovou pastou (ne všechny typy tlustovrstvých past lze volnì navazovat).

14

novou generaci metal-organických materiálù. Používá se pro snímaèe teploty, topné prvky a vývody chemických senzorù, u nichž mùže pøítomnost platiny s obsahem síry pùsobit nepøíznivì. Materiál je urèen k tisku na glazova→ US (mV)

stanovené tloušky s pomìrem délky k šíøce 20 : 1. Vzhledem k nízké rezistivitì je tøeba pøi volbì uspoøádání senzoru brát ohled i na teplotní zmìnu elektrického odporu pøívodù. Používá se mùstkové zapojení (dvouvodièové nebo tøívodièové), popø. zapojení s proudovým zdrojem (ètyøvodièové) [7]. Substrátem bývá 96% Al2O3, nìkdy i ocel s izolaèní vrstvou nebo sklo, popø. u chemických senzorù ZrO2. Jako pøíklad konkrétních tlustovrstvých materiálù pro odporové senzory teploty je možné uvést kompozice ESL-5544 a ESL-5051. V prvním pøípadì jde o cermetový platinový vodiè používaný jako senzor teploty i jako topný prvek. Teplotní zmìna odporu je podle výrobce lineární v rozsahu –50 až +500 °C. Nízkoteplotní i vysokoteplotní souèinitel odporu nanesené a vypálené vrstvy je udáván shodnì min. 3,3·10–3 K–1. Pasta se nanáší sítotiskem na substrát z 96% Al2O3. Tlouška vypálené vrstvy se pohybuje mezi 6 a 9 µm, nominální odpor vrstvy je max. 70 mΩ. Vypalování probíhá pøi teplotì žárového pásma v rozmezí mezi 980 a 1 300 °C [11]. Druhá kompozice, ESL-5051, zastupuje

10

substrát

reakční vrstva

prům. 19 µV/°C

8

prům. 15 µV/°C prům. 9 µV/°C

6

4

2

0 referenční termočlánky

snímací termočlánky

-2 -50 1

0

50

100

150

200

250

2

3

4

5

6

7

300

350 400 → T (°C) 8 9 10 → odezva senzoru t (s)

Obr. 7. Použití tlustovrstvého termoèlánku jako pøevodníku u kalorimetrického chemického senzoru (vlevo, zpracováno podle [2]). Ilustraèní charakteristiky vpravo byly zpracovány s ohledem na výsledky uvedené v tab. 4 podle údajù v [5]

(2003) èíslo 1

AUTOMA

A

MÌØENÍ TEPLOTY

Tab. 5. Shrnutí základních parametrù senzorù teploty realizovatelných tlustovrstvou technologií [1], [5], [6], [7], [8]

vhodná oblast využití

orientaèní rozsah mìøených teplot *) orientaèní rozlišení mìøené teploty **)

citlivost

výhody

Termistory bìžné mìøení okolní teploty, teplotní spínaèe, pøevodníky –50 až +150 °C (do max. 300 °C) ±0,2 °C

Odporové teplomìry Termoèlánky pøesnìjší mìøení mìøení v širokém teploty, pøevodníky, rozsahu teplot, topné prvky pøevodníky –50 až +500 °C

–50 až +650 °C

±0,1 °C

±10 °C

NTC pøibližnì (HTCR) –0,5·10–3 platinové pøibližnì až –10,0·10–3 K–1, 3,5·10–3 K–1 lineární PTC pøibližnì 1,0·10–3 a 5,0·10–3 K–1 – velká pøesnost – nízká cena – vysoká odolnost – rychlá odezva v agresivním – malé rozmìry prostøedí – robustnost – robustnost

nevýhody

– nelinearita (NTC) – relativnì užší teplotní rozsah

– pomalejší odezva – samozahøívání – vliv odporu pøívodù

orientaèní cenové relace***)

1 000 USD/50 g (pasty NTC i PTC)

1 000 až 2 000 USD/50 g (platinová pasta)

*)

**) ***)

prùmìrné generované napìtí 10 až 20 µV/K – široký teplotní rozsah – rychlá odezva – samonapájení – robustnost – nutná kompenzace teploty studeného konce – náchylné na šum – nelinearita – odporová pasta 500 USD/100 g, – vodivá pasta AgPd 500 USD/100 g

Údaje v tabulce jsou uvedeny pro senzory v tlustovrstvém provedení s pøihlédnutím na omezení daná vlastnostmi použitého materiálu a substrátu (napø. termoelektrickými èlánky lze obecnì mìøit teploty pøibližnì v trojnásobném rozsahu) a vycházejí z hodnot uvedených ve specifikaci komerènì nabízených past. Rozlišení senzorù s nelineární závislostí se s teplotou mìní. Rovnìž velmi záleží na kvalitì obvodù pro zpracování signálu. Pokrytí se pohybuje øádovì v desítkách cm2 na 1 g pasty, napø. u ESL-9635 (vodivá pasta AgPd zmínìná u termoelektrických èlánkù) je to pøibližnì 100 cm2/g [13].

6. Další využití tlustých vrstev pro mìøení teploty Mimo uvedené senzory jsou v literatuøe popsány i další techniky, jak využívat tlusté vrstvy k mìøení teploty. Pøíkladem je kombinace bimetalového pásku s tlustými vrstvami v podobì kapacitních [1] nebo piezorezistivních pøevodníkù. V pøípadì kapacitního senzoru tvoøí jednu elektrodu kondenzátoru bimetalový pásek a druhou vodivá vrstva natištìná na substrátu. Se zmìnou teploty dojde k prohnutí bimetalového proužku a tím i ke zmìnì kapacity kondenzátoru. U verze s piezorezistivním pøevodníkem se na bimetalový pásek pøes izolaèní vrstvu nanese piezorezistivní snímací vrstva, která úmìrnì s prùhybem mìní svùj elektrický odpor. Budeli senzor využíván v bìžném „biologickém“ rozsahu teplot, je možné namísto cermetových piezorezistivních materiálù použít polymerní.

které nevyžadují vysokou pøesnost, ale kde klíèovou roli hrají požadavky na miniaturní rozmìry, vysoký výkon, spolehlivost a nízkou cenu. Díky široké mísitelnosti materiálù a geometrické flexibilitì lze touto technologií snadno vytváøet snímaèe podle specifických požadavkù zákazníka, které by bylo možné jiným zpùsobem vytvoøit jen obtížnì nebo za velkých finanèních nákladù. Protože se jedná o jednoduchý a efektivní zpùsob realizace robustních elektronických obvodù, mnoho institucí investuje do vývoje tlustovrstvých materiálù (jak cermetových, tak polymerních), substrátù (LTCC) i nanášecích metod (napø. systém Microscreen firmy ERA, který posouvá hranice šíøky vodivých tras na 50 µm).

substrát LTCC

dielektrická izolační vrstva

piezorezistory

Vedle senzorù teploty se touto technologií realizují napø. senzory tlaku, vlhkosti a chemických látek, biosenzory a další. Tím se nabízí možnost na jednom substrátu stejnou technologií souèasnì vytvoøit nìkolik snímaèù rùzných fyzikálních a chemických velièin. Na obr. 9 je znázornìn návrh takového senzoru pro mìøení okolní teploty, atmosférického tlaku a relativní vlhkosti. Prostorová struktura tìlesa senzoru je vytvoøena technologií LTCC, uvnitø je zabudován kapacitní snímaè tlaku s tlustovrstvými elektrodami. Tlustovrstvé senzory teploty a vlhkosti (citlivá odporová vrstva je nanesena technologií polymerních tlustých vrstev) jsou vytvoøeny na povrchu tìlesa snímaèe. Literatura: [1] HASKARD, M. – PITT, K.: Thick Film Technology and Applications. Isle of Man, Electrochemical Publications, Ltd.,1997. ISBN 0-901150-35-5. [2] HARSANY, G.: Sensor Technologies and Applications. Budapest, TU of Budapest, Dept. of Electronics Technology, 1998. [3] DuPont de Nomours & Co.: Thick Film Materials for Sensors. DuPont Microcircuit Materials, 1999. Dostupné z: http://www.dupont.com/ mcm/product/tf4sensors.html. [4] DuPont de Nomours & Co.: Green TapeTM. DuPont Microcircuit Materials, 1999. Dostupné z: http://www.dupont.com/mcm/product/tape.html. [5] Temperature Sensors [online], 1996. Dostupné z: http://www.temperatures.com. [6] LAVENUTA, G.: Negative Temperature Coefficient Thermistors. Sensors Magazine [online]. 1998, December. Dostupné z: http:// www.sensorsmag.com/articles/0597/negtemp/ index.htm. [7] GARVEY, D.: So, What is an RTD? Sensors Magazine [online]. 1999, August. Dostupné z: http://www.sensorsmag.com/articles/0899/39/ main.shtml. [8] National Instruments, Co.: Required Signal Conditioning for Thermocouples. 1999. Dostupné z: http://www.ni.com. [9] Electro-Science Laboratories, Inc.: Thermistor Composition NTC - 2100 Series. Products, 1999. Dostupné z: http://www.electroscience.com/ pdf/NTC-2100%20Series.pdf. [10]Electro-Science Laboratories, Inc.: Cermet Thermistor System PTC – 2600. Products, 1999. Dostupné z: http://www.electroscience.com/ pdf/PTC-2600%20Series.pdf.

substrát

elektroda TLV

bimetalový proužek

7. Závìr a shrnutí Teplotní senzory tvoøené technologií tlustých vrstev se uplatní ve všech aplikacích,

AUTOMA

Obr. 8. Princip èinnosti kapacitního (zpracováno podle [1]) a piezorezistivního tlustovrstvého senzoru teploty s bimetalovým proužkem

(2003) èíslo 1

15

A

MÌØENÍ TEPLOTY 1 2 3 4 5

Obr. 9. Pøíklad návrhu multifunkèního senzoru pro mìøení základních parametrù životního prostøedí, kompletnì zhotoveného technologií tlustých vrstev Poøadí vrstev: 1 – ochranná vrstva vývodù, 2 – ochranná vrstva termistoru, 3 – termistor, 4 – vývody termistoru, 5 – substrát [11] Electro-Science Laboratories, Inc.: Cermet Platinum Conductor 5544. Products, 2001. Dostupné z: http://www.electroscience.com/ pdf/5544.pdf.

16

[12]Electro-Science Laboratories, Inc.: Platinum Metallo-Organic Conductor 5051. Products, 2001. Dostupné z: http://www.electroscience.com/pdf/5051.pdf. [13]Electro-Science Laboratories, Inc.: Cermet Palladium Silver Conductor 9635-H. Products, 2001. Dostupné z: http://www.electroscience.com/pdf/9635-H.pdf. [14]Lake Shore Cryotronics, Inc.: ROXTM Temperature Sensors. 1999. Dostupné z: http:// www.lakeshore.com/temp/sen/rrtd.html. [15]SZENDIUCH, I. Mikroelektronické montážní technologie. Brno, VUTIUM Publishing Company, TU Brno, 1997. ISBN 80-214-0901-0. [16]MAZZOCHETTE, J. a kol.: New microwave applications for thick film thermistors. IMAPS, 1998. Dostupné z: http://www.electroscience.com/publications/1997%20IMAPS.pdf. [17]USITT: Polymer Thick Film Sensors on Silicon. Southampton, USITT, Dept. of Electronics and

(2003) èíslo 1

Computer Science, 2002. Dostupné z: http:// www.usitt.ecs.soton.ac.uk/polymer.shtml. [18]BALOS, M.: Možnosti technologie tlustých vrstev pro tvorbu teplotních senzorù. In: Sborník z konference Mìøení a regulace teplot v teorii a praxi. Ostrava, Tanger, 2002. ISBN 80-85988-75-5. [19] IRC TT Electronics, Plc.: Thick Film Temperature Compensation Resistor. RGT series, CHPT series, 2000. Dostupné z: http://www.irctt.com/ pdf_files/rgt.pdf, http://www.irctt.com/pdf_files/chpt.pdf.

Ing. Michal Balos ([email protected]) Èlánek je redakènì upravenou verzí pøíspìvku uveøejnìného v internetovém èasopise Elektrorevue a je zveøejnìn se souhlasem jeho vydavatele.

AUTOMA