國內(nèi)在熱電阻傳感薄膜研究方面，近幾年有了一定的進(jìn)展，并越來越受到重視。熱敏電阻薄膜的敏感材料大多數(shù)為金屬，其中Al薄膜的制備工藝簡單，熱處理溫度低（Al的再結(jié)晶溫度為150℃）,可以直接作為內(nèi)連線和壓焊點(diǎn)。但是Al膜的靈敏度和電阻率低，耐腐蝕性差，這些都限制了它的使用。Ag的線性度比Al好，但Ag的電阻率比Al低，因此作為熱敏電阻靈敏度低，而且Ag與保護(hù)膜的粘附性較差。Pt薄膜熱電阻測溫范圍大，性能穩(wěn)定，線性度好。

電子科技大學(xué)采用濺射法在氧化鋁陶瓷和微晶玻璃基片上制備了Pt薄膜熱敏電阻,并對(duì)二級(jí)直流濺射和磁控濺射兩種制備工藝進(jìn)行了研究比較，濺射的靶材采用99.9%的Pt片。普通二級(jí)直流濺射方法制備的薄膜電阻的電阻溫度系數(shù)（TCR）最好只能達(dá)到3.6×10-3/℃,而采用磁控濺射方法并對(duì)Pt薄膜進(jìn)行溫度為500℃以上的熱處理，制取的薄膜電阻的TCR可以達(dá)到3.85×10-3/℃以上。研究結(jié)果表明磁控濺射工藝極大地提高了薄膜沉積速度，使成膜速度提高，改善了薄膜性能。對(duì)薄膜進(jìn)行電子顯微鏡形貌圖觀察顯示薄膜密實(shí)，晶粒尺寸變大，使晶粒間界減少，膜面均勻一致，有利于減少薄膜電阻率，提高TCR。

由于金屬薄膜的TCR與其電阻率的乘積為常數(shù)，因此降低電阻率就能提高金屬薄膜的TCR。而薄膜的電阻率與其晶格點(diǎn)陣熱振動(dòng)和缺陷、雜質(zhì)對(duì)自由電子的散射有關(guān)。降低電阻率的唯一途徑是減少膜中的缺陷和雜質(zhì)，消除表面影響。這就要求在制備薄膜時(shí)，選取適當(dāng)?shù)谋∧ぴO(shè)備、鍍膜和鍍后熱處理工藝，最大限度的降低薄膜中的雜質(zhì)和缺陷。由于在磁控濺射時(shí)氣體壓力比直流濺射情況下減少，使薄膜中嵌入的氣體雜質(zhì)減少，薄膜表面氣孔減少，提高了薄膜的TCR。磁控濺射工藝也提高了Pt膜的附著力，在氧化鋁上和在微晶玻璃片上的附著力都比二級(jí)濺射的膜要好。而采用鍍后熱處理工藝后基片溫度提高到500℃以上時(shí)，使Pt薄膜結(jié)構(gòu)擇優(yōu)取向，結(jié)構(gòu)改善，晶粒增大，應(yīng)力減少，并釋放出薄膜內(nèi)的氣體雜質(zhì)，提高了薄膜的純度，增強(qiáng)了Pt薄膜電阻的穩(wěn)定性。但是由于Pt的價(jià)格昂貴，限制了它的應(yīng)用。

近期的研究表明在金屬材料中，Ni的電阻溫度系數(shù)大，約為Pt電阻溫度系數(shù)的1.7倍，作為溫度傳感器，Ni有較高的靈敏度，Ni的可焊性好，而價(jià)格遠(yuǎn)比Pt低，以上優(yōu)點(diǎn)使Ni逐漸代替Pt成為優(yōu)選的熱敏薄膜材料。在Ni薄膜熱敏電阻制備工藝方面，國內(nèi)先后也有一些學(xué)者進(jìn)行了有益的探討。哈爾濱工業(yè)大學(xué)MEMS中心對(duì)Ni薄膜電阻作為多功能傳感器的溫度敏感元件進(jìn)行了研究，他們應(yīng)用蒸鍍法制備了Ni傳感薄膜，蒸鍍材料選用純度為5N的Ni絲，在1.3×-3Pa真空度下蒸鍍出厚度為400nm的Ni膜，經(jīng)光刻工藝制備出電阻傳感器后，在400℃下退火2h。結(jié)果表明Ni傳感膜在常溫到350℃范圍內(nèi)工作穩(wěn)定，有較好的重復(fù)性，在薄膜的線性度較差，達(dá)到9.3%，需要進(jìn)行非線性補(bǔ)償。結(jié)果表明，真空蒸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)是速度快，但膜層不夠致密，容易出現(xiàn)針孔，薄膜中的缺陷、晶界較多，膜層與基片的結(jié)合不夠牢固。而膜層的致密度和缺陷等將影響金屬薄膜熱敏電阻的TCR的大小。

采用磁控濺射法制備溫度傳感薄膜與蒸發(fā)鍍膜相比有一系列優(yōu)點(diǎn)。用荷能粒子轟擊靶材，使靶表面原子獲得足夠的能量從表面逸出，高能量的濺射原子沉積到基片上形成薄膜，可使薄膜與基片的附著力增強(qiáng)，膜層致密，不易出現(xiàn)針孔，膜層與基片結(jié)合牢固，工藝重復(fù)性好。

浙江大學(xué)對(duì)真空蒸發(fā)、平面磁控濺射與S槍磁控濺射等幾種制備工藝進(jìn)行比較，并采用正交試驗(yàn)法得到了S槍磁控濺射靶鍍制的Ni薄膜的最佳工藝。將在最佳工藝條件下濺射在微晶玻璃上的Ni薄膜經(jīng)光刻后制得具有一定阻值的薄膜溫度傳感器。3種不同阻值 Ni薄膜溫度傳感器的電阻溫度特性，其TCR值達(dá)到DIN-43670標(biāo)準(zhǔn)（德國國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）。當(dāng)工作溫度范圍在-60℃---180℃時(shí)，TCR值（0至100℃）為6180×10-6/℃，非線性度小于0.7%，研究表明采用磁控濺射方法制備的Ni薄膜傳感器的穩(wěn)定性和精度要優(yōu)于真空蒸發(fā)鍍膜方法。而且由于鍍膜設(shè)備上所采用的同軸結(jié)構(gòu)的S槍靶的軸心處設(shè)置了一個(gè)能捕集二次電子的中心陽極，所以二次電子對(duì)基片的輻射損傷遠(yuǎn)比平面濺射靶和柱形濺射靶小，減少了薄膜中的缺陷及電阻率，因此可以獲得較高精度的Ni傳感薄膜。S槍磁控濺射靶還具有靶材利用率高，換靶容易等優(yōu)點(diǎn)。

沈陽工業(yè)大學(xué)應(yīng)用射頻濺射法在聚酰亞胺軟基底試制Ni薄膜熱敏電阻，該傳感器TCR的平均值為5.25×10-3/℃，測溫范圍-50~200℃。射頻磁控濺射方法既可用于濺射導(dǎo)電的傳感金屬膜，又能濺射不導(dǎo)電的絕緣膜和介質(zhì)膜。而且射頻濺射方法對(duì)軟基底的電子損傷小、膜在基底上的附著性好。

國外對(duì)薄膜電阻傳感器的研究比較早，早在1917年就有人在玻璃棒上沉積薄膜電阻。近期Stankevic V研究了用于對(duì)壓電晶片壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)腁l電阻傳感薄膜，他研制的Al傳感薄膜厚度為1.2μm，TCR值4.33×10-3/℃，使用溫度0~125℃；Dichl W研究Pt薄膜電阻的溫度傳感器，TCR達(dá)到了3.85×10-3/℃；Gruner H研究了濺射Pt熱阻薄膜膜厚與TCR的關(guān)系。研究結(jié)果認(rèn)為，由于磁控濺射薄膜沉積速率較高，對(duì)濺射條件及時(shí)間要嚴(yán)格控制。金屬薄膜電阻來源于金屬內(nèi)部對(duì)自由電子的散射。散射源由兩部分組成：一部分是晶格的熱振動(dòng)，另一部分是結(jié)構(gòu)缺陷、薄膜表面散射和雜質(zhì)。為了消除表面散射對(duì)薄膜電阻的影響，應(yīng)用使薄膜具有一定的厚度。當(dāng)薄膜厚度比金屬材料的電子平均自由程大一個(gè)數(shù)量級(jí)左右時(shí)，表面散射引起的電阻率可以忽略，金屬材料的電子平均自由程一般為（10~30）nm之間，所以薄膜厚度應(yīng)大于300nm。

薄膜熱電偶傳感器是一種比較先進(jìn)的瞬變溫度測量傳感器，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力好，動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)可達(dá)微妙量級(jí)，體積小，便于安裝；適用于瞬態(tài)溫度測試。薄膜熱電偶的原理是由德國人P Hackemann于一次世界大戰(zhàn)期間提出，并將研制成的薄膜熱電偶（其薄膜厚度為2μm）用于測量槍膛在子彈射出后的壁溫變化。1950年代初，美國人D Bendersky根據(jù)P Hackemann提出的原理制作的薄膜熱電偶，其熱接點(diǎn)Ni膜厚度為1μm，用該薄膜熱偶測出子彈發(fā)射所引起槍膛壁溫的變化約427℃/ms,1960年代，日本的小栗達(dá)、原正鍵等研究成夾板式薄膜熱電偶，用于測定內(nèi)燃機(jī)壁面的瞬變溫度。1970年代，英國的Marshall等研究了Ni、Fe、Cu、康銅、鎳鉻、鎳鋁等材料的蒸鍍膜，當(dāng)時(shí)Ni-Fe薄膜熱電偶已經(jīng)能達(dá)到250℃，并且誤差在2℃范圍內(nèi)，日本的Koike等研究了蒸鍍Bi-Ag和Sb-Ag薄膜熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與膜厚之間的關(guān)系，美國Pratt和Whitney等航空汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)公司研究用薄膜熱電偶測量汽輪機(jī)-級(jí)葉片表面溫度，由于其它方法都無法達(dá)到測量汽輪機(jī)葉片表面瞬態(tài)溫度，因此薄膜熱電偶在測量汽輪機(jī)葉片的表面瞬態(tài)溫度上的應(yīng)用，極大地推動(dòng)美國薄膜熱電偶研究工作的進(jìn)展。

1982年美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（NIST）開始進(jìn)行1000℃以上薄膜熱電偶與基體金屬間絕緣材料的制造工藝和性能方面的研究工作，旨在提高薄膜熱電偶與汽輪機(jī)一級(jí)葉片材料間氧化物的絕緣性能。NIST的第二個(gè)有關(guān)薄熱電偶的研究項(xiàng)目是研究如何利用薄膜熱電偶技術(shù)測量柴油機(jī)氣缸溫度，因?yàn)椴裼蜋C(jī)氣缸一般用鑄鐵制造，所以必須研究絕緣氧化物的情況，得到涂層合金為FeCrAlY具有良好的絕緣性能。近期NIST的Kreider K G研究了反應(yīng)濺射方法沉積透明導(dǎo)電的氧化銦錫（ITO）和氧化銻錫（ATO）熱偶薄膜的工藝參數(shù)對(duì)薄膜熱電偶性能的影響。透明薄膜熱電偶既可以進(jìn)行溫度監(jiān)控，又不影響玻璃基底材料的光學(xué)性能。通過控制制備工藝參數(shù)及薄膜的電阻率可得到具有不同熱電勢(shì)的薄膜熱電偶，當(dāng)薄膜的電阻率為（0.001~0.1）Ω-cm時(shí)，薄膜熱偶輸出的溫差熱電勢(shì)系數(shù)為（12-80）μV/℃。研究表明，基片溫度、濺射氣氛、濺射速率、沉積均勻性等鍍膜工藝參數(shù)和熱處理工藝，對(duì)控制薄膜的電阻率及熱電勢(shì)系數(shù)是非常重要的。

1997年Yoshiteru、Enomoto 等研究應(yīng)用薄膜熱電偶測量發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的熱流量。1998年，美國斯坦福大學(xué)的T Golnas等研究了用于設(shè)備在線監(jiān)測的薄膜熱電偶和薄膜應(yīng)變片的制備，該薄膜熱電偶以反應(yīng)濺射氧化鋁為絕緣層直接沉積在不銹鋼基體上。1999年，美國通用電氣公司應(yīng)用濺射鍍膜技術(shù)制備了響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為140μs Au-Pd薄膜熱電偶，研究了濺射薄膜熱電偶的工藝參數(shù)，并應(yīng)用該熱電偶測量激光束熱流量分布。

國內(nèi)也有不少學(xué)者對(duì)薄膜熱電偶進(jìn)行了研究。西北工業(yè)大學(xué)的研究人員用陶瓷片作為基體材料，采用射頻濺射技術(shù)制備了膜厚為700 nm的Ta薄膜便攜式熱電偶。薄膜熱偶的動(dòng)態(tài)標(biāo)定采用PLJ-Nd釹玻璃激光器脈沖補(bǔ)償方法，測得薄膜熱電偶的動(dòng)態(tài)時(shí)間響應(yīng)常數(shù)小于50μs；測量精度為0.5%，線性度良好，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面薄膜熱偶的熱穩(wěn)定性及抗熱沖擊性良好，測溫范圍0--1200℃，可以在1200℃下長期使用。他們還運(yùn)用射頻濺射法制備了鎳鉻-鎳硅薄膜熱電偶，并應(yīng)用該薄膜熱電偶對(duì)鍛壓模具和機(jī)械制造中的磨削加工時(shí)的瞬態(tài)溫度進(jìn)行了測試，取得了良好效果。以上研究結(jié)果表明：射頻濺射方法是制備多層絕緣與熱偶結(jié)點(diǎn)材料交叉復(fù)合式薄膜熱電偶的非常有效方法，該方法通過調(diào)整工藝，可以在同一臺(tái)鍍膜機(jī)一次分層鍍出性能穩(wěn)定的和較高測量精度的實(shí)用型薄膜熱電偶。

采用真空蒸發(fā)法沉積熱電偶合金薄膜時(shí)，由于合金中各種元素的蒸發(fā)能不同，分餾現(xiàn)象使熱偶薄膜的成分改變，所以用真空蒸發(fā)法很難制備出實(shí)用的熱偶傳感薄膜，而普通磁控濺射靶對(duì)于濺射像NiSi那樣的強(qiáng)磁材料的效率非常低。為了解決該問了NiCr-NiSi薄膜熱電偶。磁場垂直靶面，成膜基片放在兩靶相對(duì)空間之外。對(duì)向靶保留了磁控濺射技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，并且在濺射磁性材料時(shí)，與之正交的磁力線仍可以穿出靶面，在兩濺射靶間形成柱狀高密度等離子區(qū)。通過控制電場和磁場，可以獲得較高的沉積速率。同時(shí)在對(duì)向靶濺射中，由于成膜基片在等離子區(qū)域之外，避免了高能電子對(duì)基片的轟擊，減少了薄膜結(jié)構(gòu)中的缺陷，提高傳感薄膜的測量精度。

鍍膜時(shí)基片采用醫(yī)用載玻片，掩模板用不銹鋼薄膜刻制。濺射前的本底真空度為10-4Pa，濺射時(shí)的Ar工作壓力為10-1Pa，濺射功率為600W。對(duì)制備的薄膜厚度在（300-670）nn的不同熱電偶樣品進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)特性測定，結(jié)果膜與所用靶材的成分基本一致，有利于保證薄膜熱電偶的靈敏度。動(dòng)態(tài)特性測試結(jié)果表明薄膜熱電偶的時(shí)間常數(shù)隨膜厚變薄而減小。對(duì)測試對(duì)果分析后認(rèn)為：減少膜厚能夠降低薄膜熱電偶的熱慣性，從而減少由于熱慣性引起的熱電偶指示值與被測溫度之間的偏差。沈陽航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究所研制了應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片上的鉑銠-鉑熱電偶，并對(duì)熱電偶進(jìn)行了試驗(yàn)，測量結(jié)果表明，溫度在（400-900）℃范圍內(nèi)，薄膜熱電偶的誤差為±2%，而且薄膜熱電偶系統(tǒng)可以承受有氣流流過的情況下的反復(fù)冷熱循環(huán)試驗(yàn)而不損壞。本文由澤天傳感歸納整理，轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留出處。