[发明专利]柔性薄膜Ni电阻传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快速响应的薄膜Ni电阻传感器及其制作方法。该传感器尤其适用于汽车进气热线式流量计和其他要求快速响应的热电阻测试系统中。

背景技术

热电阻传感器已有较长历史，但随着科技的发展，一方面不断提出一些新的特殊要求，另一方面又提供新的手段可以不断提高这类传感器的各项性能。从敏感材料说，铂电阻已有较长历史，它有着感温范围广、线性好、稳定性好等突出的优点，但它也有材料成本太高的重要局限，铜、铝、银等有着化学活动性强和熔点低导致工作温度低，耐腐蚀性差的缺点，另外它们的电阻率小，也给实用带来不便。镍电阻的温度系数比铂大1.7倍，灵敏度较高，熔点和化学稳定性较高，可焊性良好，价格比铂便宜3个数量级，因此是优选的热敏金属材料。

为了提高热电阻传感器的响应速度，必须要求器件轻小，薄膜技术被广泛关注，但一般薄膜器件的基片还是玻璃、陶瓷、硅片等，出于机械强度的考虑其厚度一般只能做到0.3-1mm。.使器件的热容量较大，时间响应快不了，所以采用薄膜基片就是自然的想法，耐热聚合物薄膜就进入了人们的视线。聚四氟乙烯较早出现，但其因表面亲和力太差，使它与功能薄膜的附着力太差，一直未采用，聚酰亚胺薄膜出现后，有报道用它作为薄膜传感器基片，它能长期耐受250℃短期承受350℃温度。但因薄膜基片的柔性对器件的稳定性和耐久性带来的负面影响，并未见有效的实用。

现有文献注重于研制N i膜的电阻温度系数尽可能接近块状材料的镍电阻，基片多用固体刚性材料，Ni膜厚度在400nm左右，成膜方法多采用濺射法(因为Ni是铁磁性材料，会屏蔽磁力线，故采用磁控濺射法时需采取特殊措施)。张承松等(《沈阳工业大学学报》Vol.20，No.1p23-26)曾报导在聚酰亚胺基底上研制Ni膜热敏电阻，但其包括保护层的总厚度在1mm量级，显然响应速度不快，而且电阻温度系数明显偏小又不一致。

传统的热电阻传感器都用陶瓷片、硅片或玻璃等固体基片作为载体，由于机械强度的原因，固体基体都不能做得太薄太细，一般至少有零点几毫米，因此限制了器件的热容量的下限，感温时间响应慢。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、性能好、响应速度快的柔基Ni膜电阻热传感器，用于汽车进气热线式空气流量计，也可用于其他热电阻传感场合，尤其要求响应速度快的热电阻测试系统，更能体现其优越性。

本发明提供的柔性基体薄膜镍电阻传感器，包括基片、附在基片上的电阻线、焊接盘，所述基片为耐高温聚酰亚胺柔性薄膜，厚度25～75um；基片上的电阻线为沉积在聚酰亚胺柔性薄膜基片上的厚度1.5～5um的镍薄膜，光刻成栅状的电阻线，电阻线条和焊接盘的边缘涂复聚合物保护层，仅露出焊点端头，使薄膜Ni电阻线条与大气隔绝防止氧化和玷污；薄膜镍电阻传感器电阻值取0℃时20～100Ω，器件的总厚度35～85um。

本发明所述栅状电阻线条的弯处及与焊接盘的结合处为弧线连接，以免应力集中在连接处，导致断裂。

本发明所述柔性薄膜Ni电阻传感膜片固定在三边折叠的开窗的金属片框，框三边折叠压住膜片，一边开放，便于膜片插入安装；开窗金属框解决了柔性薄膜基片的夹持问题，又让器件与介质有充分的热交换，用于气体或液体介质中。

本发明所述柔性薄膜Ni电阻传感膜片直接贴在待测固体表面，用于检测固体表面热参数。

本发明提供的柔性基体薄膜镍电阻传感器的制备方法是：

在耐高温聚酰亚胺薄膜基片上，用真空蒸发Ni膜的方法制得导电层后，采用电化学方法加厚Ni膜，再采用光刻方法制成电阻器图案，再次采用电化学方法调整阻值、涂覆保护层、固化和老化处理而成，制备步骤如下：

1.在聚酰亚胺薄膜基片上镀Ni：用真空蒸发Ni膜的方法，使聚酰亚胺薄膜表面沉积上Ni膜导电层；

2.电镀加厚Ni膜：将上述附有Ni导电层的聚酰亚胺薄膜放入电镀槽阴极，控制阴极电流密度0.8～1.5A/dm²，电镀液PH值3.8～4.4，温度15～55℃，所用阳极Ni为99.999％纯度，制得厚度为1.5～5微米的镍薄膜基片；

3.光刻电阻线条图案：将加厚后的Ni/聚酰亚胺薄膜基片，光刻栅状电阻线条图案，根据光刻母版的设计，一版可光刻几十上百只器件单元；

4.检查光刻后的膜片：在显微镜下逐个检查光刻后的膜片，在图案有缺陷的单元上打上记号，图案缺陷包括断线、搭线、线条毛糙或缺损、线条中有明显针孔，以便剔除；