一种铜镍合金薄膜热电偶的加工方法

摘要

本发明提供了一种铜镍合金薄膜热电偶的加工方法。本发明在特殊绝缘基材上进行铜镍合金薄膜化加工，将单个铜镍合金‑铜相连的金属模块测温用热电偶加工成连续化薄膜，并根据实际需求进行多层叠合。在同等温度测量条件下，将测得电势差成倍放大，可以实现精准检测微小温度差的结果。本发明还将修饰薄膜热电偶的绝缘基板多层互联，实现多个热电偶串联，实现微小温差检测，可用于要求更高灵敏度的温差检测。

权利要求

1.一种铜镍合金薄膜热电偶，其特征在于，所述铜镍合金薄膜热电偶设置在绝缘基材表面，由多个薄膜热电偶单元串联组成，高温端连接亮点为铜镍合金，低温端连接亮点为铜；所述单个薄膜热电偶单元由铜镍合金和铜薄膜化相连组成；所述铜镍合金中镍元素的原子分数为10～90。

2.根据权利要求1所述的铜镍合金薄膜热电偶，其特征在于，所述铜镍合金中镍元素的原子分数为44。

3.根据权利要求1所述的铜镍合金薄膜热电偶，其特征在于，所述绝缘基材为PET、PI、PTFE、陶瓷中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的铜镍合金薄膜热电偶，其特征在于，所述铜镍合金薄膜热电偶还包括多层基板互连构成，所述基板上修饰有多个串联的所述薄膜热电偶单元。

5.一种如权利要求1‑4任一项所述铜镍合金薄膜热电偶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在基板表面磁控溅射铜镍合金；

(2)在基板表面加工蚀刻线路；

(3)在基板表面选择性覆盖油墨，露出选定的铜镍合金区域；

(4)在基板表面露出的铜镍合金区域电镀铜；

(5)对基板进行去油墨处理，得到多个热电偶单元串联的铜镍合金薄膜热电偶。

6.根据权利要求5所述的一种铜镍合金薄膜热电偶的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，在基板表面磁控溅射铜镍合金，采用DPC薄膜电路工艺，将基板做前处理清洁，利用薄膜专业制造技术‑真空镀膜方式于基板上溅镀结合于铜镍合金层。

7.根据权利要求5所述的一种铜镍合金薄膜热电偶的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述铜镍合金中镍元素的原子分数为44。

8.根据权利要求5所述的一种铜镍合金薄膜热电偶的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中的线路图形加工方法采用光刻胶、干膜、感光油墨中的至少一种进行加工。

9.根据权利要求5所述的一种铜镍合金薄膜热电偶的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中，所述去油墨处理是使用化学腐蚀法去除基板上的油墨，所用的腐蚀液为碱液，所述碱液为氢氧化钾。

10.根据权利要求5所述的一种铜镍合金薄膜热电偶的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的油墨为阻焊油墨。

说明书

一种铜镍合金薄膜热电偶的加工方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体器件领域，涉及一种铜镍合金薄膜热电偶的加工方法，以及该薄膜热电偶在精密测温领域中的应用。

背景技术

[0002] 在工业生产、航空航天、电热仪器等多个领域，对温度的监视、调整与控制都是不可或缺的，其中通常利用热电现象进行温度检测。通常情况下，温度测量可采用与被测物质直接接触方式，在难以获得或不便获得的情况下，可使用非接触方式进行温度测量。热电偶因温度检测范围广、响应速度快、性价比高等优点，是接触式温度测量的主要手段。

[0003] 使用热电偶测温有如下优点：

[0004] (1)测温准确度较高。常用k分度热电偶的I级误差范围在±0.4％t左右，II级误差范围在±0.75％t。

[0005] (2)结构相对简单。组成元件包括电极、接线端子、绝缘子、护套等。

[0006] (3)动态响应速度快。在测温过程中不易产生过大的热惯性。

[0007] (4)信号可远距离传输。广泛与DCS系统配合应用，便于集中检测和自动控制。

[0008] (5)可局部测温。适用于精细元件测温。

[0009] 采用不同金属材料的热电偶的检测特性也不同，考虑到热电偶元件使用的广泛性，需要从成本、性能等多个方面考虑热电偶材料。

[0010] 铜‑铜镍合金热电偶可在低温下应用，温度测量范围为‑250～300℃，具有较好的稳定性与灵敏度，且成本低廉，机械强度高，耐压性好，在现有情况下可以被加工成细长状被广泛应用于工业等领域。其主要特性描述可见下表：

[0011]

[0012] 在热电偶实际应用中，因为需防止回路有过大电流通过，导致其它热电效应或热电偶元件及其导线IR下降，电压测量元件的输入阻抗要比热电偶元件及其延长线的电阻大。因此金属热电偶元件产生的电压不高，一般为10～80μV/℃，这就要求测量热电偶输出的元件要有足够高的分辨率。

[0013] 由于热电偶所产生的热电动势只有毫伏级，因此其对应测量元件需能测量小电压并分辨微小电压改变，对于测温系统或相应的温度控制系统来说，如能更精密的分辨微小电压的改变，就能够大幅提升检测结果的精准程度。

[0014] 对于需要检测微小温差的热电偶应用场景来说，一种可以精准检测细微温差的热电偶元件是必要的。例如航空航天领域中，飞机使用的热电偶测温元件，由温度差异与变化辨别飞机高度与气压数据；如体温检测领域，检测传感器使用的热电偶测温元件，由生物细微体温变化进行病理判断或数据收集；如高导热仪器，需要精确的温度变化数据作为实验数据等。

[0015] 综上所述，本领域需要一种可以精确检测细微温差且成本低、可量产的热电偶。

发明内容

[0016] 本发明的目的是提供一种可用于测量微小温差的高灵敏铜镍合金薄膜热电偶。

[0017] 热电偶测温的基本原理是根据热电效应，把两种不同的金属导体连接形成回路，当两端存在温度梯度时，回路中会产生电动势，进而形成电流，即热电偶测温两端存在电动势——热电动势，也就是贝塞克效应。

[0018] 将不同材质的A、B两种金属导体首尾相连形成闭合回路，如两个连接点(T1，T2)不同，则在回路中产生热电势E(t1，t2)，形成热电流。

[0019] 在两种金属的节点处，由于电子扩散的结果而产生接触电势差，其热端和冷端的总接触电势差为：

[0020]

[0021] 同一导体两端温度不同产生电势差，在热电偶回路中，两种金属总的汤姆逊电动势为：

[0022]

[0023] 热电偶产生的电动势是由两种导体的总接触电势和总汤姆逊电势所组成，即：

[0024]

[0025] 综上，在组成热电偶的材料确定之后，电动势和温差的关系可表现为如下形式：

[0026] EAB＝C(t2‑t1)+d(t2‑t1)2

[0027] 其中，t2是热端温度，t1是冷端温度，而C和d是电偶常数，其大小取决于热电偶材料。

[0028] 粗略测量时，可取一级近似：

[0029] EAB＝C(t2‑t1)

[0030] 其中，C为温差电系数(电偶常数)，只与组成热电偶的两种金属的性质有关，在数值上等于两接触点温差为1℃时所产生的温差电动势，单位为mV/℃。

[0031] 本专利将N组热电偶单元串联，在相同温差情况下，可测得温差电动势为：

[0032] E′AB＝C(t2‑t1)·N

[0033] 由此可见，单个热电偶单元在测量微小温差时，因为Δt太小，导致EAB数值也过小，易导致误差或影响器件灵敏度；本专利将热电偶单元串联修饰在同一基板上，且可实现多层基板互连，单元组数越大，可得E′AB也越大，可以清晰测得微小温差下的电动势，从而测得相应温差数值或保证器件灵敏度。

[0034]

[0035]

[0036] 本专利使用的铜‑铜镍合金热电偶，温度每改变10℃，温差电动势约变化40μV，使用本专利提供的薄膜化串联技术，可以将电动势变化从μV成倍提升至mV，即可将热电偶灵敏度成倍提升。

[0037] 本发明的另一目的在于提供一种铜镍合金薄膜热电偶的加工方法。

[0038] 本发明的铜镍合金薄膜热电偶的制备方法所采取的技术方案包括以下步骤：

[0039] (1)在基板表面磁控溅射铜镍合金；

[0040] (2)在基板表面加工蚀刻线路；

[0041] (3)在基板表面选择性覆盖油墨，露出选定的铜镍合金区域；

[0042] (4)在基板表面露出的铜镍合金区域电镀铜；

[0043] (5)对基板进行去油墨处理，得到多个热电偶单元串联的铜镍合金薄膜热电偶。

[0044] 本发明中的基板可使用PET、PI、PTFE、陶瓷作为基材，基材具有绝缘属性。

[0045] 本发明中的油墨可使用阻焊油墨。

[0046] 本发明步骤(1)中，在基板表面磁控溅射铜镍合金，采用DPC陶瓷薄膜电路工艺，将基板做前处理清洁，利用薄膜专业制造技术‑真空镀膜方式于基板上溅镀结合于铜镍合金层。

[0047] 本发明步骤(1)中，所述铜镍合金中镍元素的原子分数为10～90，优选44。

[0048] 本发明步骤(2)中，在基板表面加工蚀刻线路，采用曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成图形化线路制作。线路图形加工方法采用光刻胶、干膜、感光油墨中的至少一种进行加工。

[0049] 本发明步骤(4)中，所述镀铜是使用电镀、电刷镀方式镀铜。

[0050] 本发明步骤(5)中，所述去油墨处理是使用化学腐蚀法去除基板上的油墨，所用的腐蚀液为碱液，优选为氢氧化钾。

[0051] 本发明的有益效果是：

[0052] (1)薄膜热电偶与传统热电偶相比，具有时间常数小、反应速度快、热容量小等优点，可以更加快速准确地测量每时每刻的细微温度变化。

[0053] (2)采用薄膜连续化设计，实现多个热电偶单元串联，大幅提高了温度检测灵敏度。

[0054] (3)在绝缘基板上加工薄膜热电偶，成本低，易量产，可实现多层互联，减小了热电偶元件的体积，进一步简化其结构，可用于精密器件。

附图说明

[0055] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利的部分实施例方案，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关附图。

[0056] 图1是常规热电偶；

[0057] 图2是在基板表面磁控溅射铜镍合金，并蚀刻线路，去除线路范围外部的铜镍合金；

[0058] 图3是在基板表面选择性覆盖油墨，露出选定的铜镍合金区域；

[0059] 图4是在基板表面露出的铜镍合金区域电镀铜；

[0060] 图5是对基板进行去油墨处理，得到铜镍合金薄膜热电偶。

具体实施方式

[0061] 为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本发明可具有各种实施例，并且可在其中做出调整和改变。然而，应理解：不存在将本专利的各种实施例限于在此公开的特定实施例的意图，而是应将本专利理解为涵盖落入本专利的各种实施例的精神和范围内的所有调整、等同物和/或可选方案。

[0062] 一种铜镍合金薄膜热电偶的加工方法，包括以下步骤：

[0063] (1)在基板表面磁控溅射铜镍合金；

[0064] (2)在基板表面加工蚀刻线路；

[0065] (3)在基板表面选择性覆盖油墨，露出选定的铜镍合金区域；

[0066] (4)在基板表面露出的铜镍合金区域电镀铜；

[0067] (5)对基板进行去油墨处理，得到多个热电偶单元串联的铜镍合金薄膜热电偶。

[0068] 优选的，步骤(1)中，所述基板材质选用：PET、PI、PTFE、陶瓷等。

[0069] 优选的，步骤(1)中，所述铜镍合金中镍元素的原子分数为10～90；进一步优选的，所述铜镍合金中镍元素的原子分数为44。

[0070] 优选的，步骤(3)中，所述油墨材质选用阻焊油墨。

[0071] 优选的，步骤(4)中，所述镀铜是使用电镀、电刷镀方式镀铜；进一步优选的，所述镀铜使用电镀方式。

[0072] 步骤(5)中，所述去油墨处理是使用化学腐蚀法去除基板上的油墨，所用的腐蚀液为碱液。

[0073] 优选的，所述碱液为氢氧化钾。

[0074] 以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。

[0075] 实施例1

[0076] 飞机检测用热电偶的加工：

[0077] 如图2～图5所示，铜镍合金‑铜薄膜热电偶的制备过程为：

[0078] (1)在陶瓷基板表面磁控溅射铜镍合金(CuNi44)，采用DPC陶瓷薄膜电路工艺，将基板做前处理清洁，利用薄膜专业制造技术‑真空镀膜方式于基板上溅镀结合于铜镍合金层；

[0079] (2)在陶瓷基板表面加工蚀刻线路，采用曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成图形化线路制作；

[0080] (3)在陶瓷基板表面选择性覆盖阻焊油墨，露出选定的铜镍合金区域；

[0081] (4)在陶瓷基板表面露出的铜镍合金区域电镀铜；

[0082] (5)使用氢氧化钾溶液对对陶瓷基板进行去油墨处理，得到多个热电偶单元串联的铜镍合金薄膜热电偶。

[0083] 实施例2

[0084] 人体皮肤模拟热电偶的加工：

[0085] 如图2～图5所示，铜镍合金‑铜薄膜热电偶的制备过程为：

[0086] (1)在柔性PI基材表面磁控溅射铜镍合金(CuNi44)，采用DPC薄膜电路工艺，将基板做前处理清洁，利用薄膜专业制造技术‑真空镀膜方式于基板上溅镀结合于铜镍合金层；

[0087] (2)在柔性PI基材表面加工蚀刻线路，采用曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成图形化线路制作；

[0088] (3)在柔性PI基材表面选择性覆盖阻焊油墨，露出选定的铜镍合金区域；

[0089] (4)在柔性PI基材表面露出的铜镍合金区域电镀铜；

[0090] (5)使用氢氧化钾溶液对对柔性PI基材进行去油墨处理，得到多个热电偶单元串联的铜镍合金薄膜热电偶。

[0091] 实施例3

[0092] 差热分析仪DSC用热电偶的加工：

[0093] 如图2～图5所示，铜镍合金‑铜薄膜热电偶的制备过程为：

[0094] (1)在陶瓷基板表面磁控溅射铜镍合金(CuNi44)，采用DPC陶瓷薄膜电路工艺，将基板做前处理清洁，利用薄膜专业制造技术‑真空镀膜方式于基板上溅镀结合于铜镍合金层；

[0095] (2)在陶瓷基板表面加工蚀刻线路，采用曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成图形化线路制作；

[0096] (3)在陶瓷基板表面选择性覆盖阻焊油墨，露出选定的铜镍合金区域；

[0097] (4)在陶瓷基板表面露出的铜镍合金区域电镀铜；

[0098] (5)使用氢氧化钾溶液对对陶瓷基板进行去油墨处理，得到多个热电偶单元串联的铜镍合金薄膜热电偶。

[0099] (6)将加工好的单片铜镍合金薄膜热电偶基板使用引线相连，得到多层叠合的薄膜热电偶元件。

[0100] 实施例4

[0101] 热导仪检测用多层叠合热电偶的加工：

[0102] 如图2～图5所示，铜镍合金‑铜薄膜热电偶的制备过程为：

[0103] (1)在PI基材表面磁控溅射铜镍合金(CuNi44)，采用DPC薄膜电路工艺，将基板做前处理清洁，利用薄膜专业制造技术‑真空镀膜方式于基板上溅镀结合于铜镍合金层；

[0104] (2)在PI基材表面加工蚀刻线路，采用曝光、显影、蚀刻、去膜工艺完成图形化线路制作；

[0105] (3)在PI基材表面选择性覆盖阻焊油墨，露出选定的铜镍合金区域；

[0106] (4)在PI基材表面露出的铜镍合金区域电镀铜；

[0107] (5)使用氢氧化钾溶液对对PI基材进行去油墨处理，得到多个热电偶单元串联的铜镍合金薄膜热电偶。

[0108] (6)将加工好的单片铜镍合金薄膜热电偶基板使用引线相连，得到多层叠合的薄膜热电偶元件。

[0109] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经过适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。本发明中所未详细描述的技术细节，均可通过本领域中的任一现有技术实现。特别的，本发明中所有未详细描述的技术特点均可通过任一现有技术实现。