CN103698035A - 热电半导体温度传感片的单臂结构及制备工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热电半导体温度传感片的单臂结构及制备工艺，是针对解决现有同类产品因内部的热应力较大而出现热裂的技术问题。该热电半导体温度传感片的单臂结构包括热电半导体，及位于热电半导体两端的Cu导流片。热电半导体的两端与各自Cu导流片之间设有三个过渡层，分别为喷Ni层、镀Ni层、镀Sn95Ag5层，由热电半导体的端部至Cu导流片表面依次为喷Ni层、镀Ni层、镀Sn95Ag5层。通过设置上述过渡层，起到缓冲作用，减少热电半导体和Cu导流片之间由于热膨胀系数相差大所产生的热应力。这一单臂结构热稳定性好，解决了热电半导体温度传感器中热裂的问题，延长了温度传感器的寿命。适合作为各类热电半导体温度传感片的单臂结构使用。

Description

热电半导体温度传感片的单臂结构及制备工艺
技术领域
本发明涉及温度传感片，尤其是一种热电半导体温度传感片的单臂结构及制备工艺。
背景技术
温度传感器是一种可以把温度参量直接转换成电参量的变换装置。常见的温度传感器有热电阻、热电偶和半导体热敏器件等。采用热电半导体材料制成的温度传感器其工作原理有别于半导体热敏器件。由热电半导体材料制成的温度传感器具有灵敏度高，响应时间快、寿命长和安全可靠等优点，因此在民用领域具有更广阔的应用前景。
但热电半导体材料制成的温度传感片性能与其设计的结构及制作工艺有极大的关系。合理的结构和制作工艺可以减小半导体材料与过渡层之间、过渡层与Cu导流片之间的内应力，减小界面接触电阻，提高温度传感片的热加工稳定性和寿命，以及充分发挥热电半导体温度传感片的高灵敏度与快速响应等特点但现有的热电半导体温度传感器，其热电半导体与Cu导流片之间由于热膨胀系数相差大，因而会产生较大的热应力，导致热电半导体温度传感器易出现热裂的问题，影响使用寿命，且使用稳定性欠佳。故需要对现有产品进行改进。
发明内容
为克服上述不足，本发明的目的是向本领域提供一种热电半导体温度传感片的单臂结构及制备工艺，使其解决现有同类产品因内部的热应力较大而出现热裂的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现的。
该热电半导体温度传感片的单臂结构包括热电半导体，及位于热电半导体两端的Cu导流片。其结构要点在于所述热电半导体的两端与各自Cu导流片之间设有三个过渡层，分别为喷Ni层、镀Ni层、镀Sn95Ag5层，由热电半导体的端部至Cu导流片表面依次为喷Ni层、镀Ni层、镀Sn95Ag5层。通过设置上述过渡层，起到缓冲作用，减少热电半导体和Cu导流片之间由于热膨胀系数相差大所产生的热应力。这一单臂结构热稳定性好，解决了热电半导体温度传感器中热裂的问题，延长了温度传感器的寿命。
为降低界面接触电阻，提高过渡层与热电半导体或Cu导流片之间的结合力，该热电半导体温度传感片的单臂结构包括如下制备步骤：
步骤一：喷Ni层，先在200oC温度下采用YW-201水溶性助剂去除热电半导体两端面的表面氧化物，然后在热电半导体两端面喷Ni，喷Ni层的厚度控制在0.15～0.25微米，将喷Ni后的热电半导体在50oC～60oC的真空环境中烘烤9～11小时，确保热电半导体与喷Ni层具有良好的结合力及低热应力。
步骤二：镀Ni层，镀Ni前采用YW-201水溶性助剂去除喷Ni层表面的表面氧化物，然后采用射频磁控溅射法在喷Ni层表面镀Ni，镀Ni层厚度控制在0.15～0.25微米，镀Ni后在50oC～60oC的真空环境中进行4～6小时的退火热处理。
步骤三：镀Sn95Ag5层，采用热浸焊法将第二步得到的热电半导体浸在熔融的Sn95Ag5液体中，浸渍时间2～3秒，取出清洗后，在50oC～60oC的真空环境中烘烤9～11小时；
步骤四：钎焊：以Sn95Ag5作为焊剂，在第三步得到的热电半导体镀Sn95Ag5层的端面钎焊至Cu导流片上。
步骤五：将第四步制得的热电半导体单臂在50oC～60oC的真空环境中退火9～11小时。
通过上述步骤制备得到该热电半导体温度传感片的单臂结构。
上述制备工艺可以确保热电半导体与过渡层、过渡层之间或过渡层与Cu导流片之间具有较低的热应力和较高的结合力，同时具有较低的界面接触电阻，制成的温度传感片具有性能稳定、寿命长、温度感应灵敏的特点。
本发明的有益效果：热电半导体温度传感器中的热电半导体与Cu导流片之间不易产生较大的热应力，解决了热裂问题，延长了使用寿命。适合作为各类热电半导体温度传感片的单臂结构使用，或制备工艺的改进。
附图说明
图1是本发明的热电半导体温度传感片单臂结构示意图。
图2是本发明升温时热电半导体温度传感片冷热端的检测温度与瞬态环境温度的关系曲线，纵坐标和横坐标均是温度T / K。
图3是本发明热电半导体温度传感片升温时的输出电压与瞬态环境温度的关系曲线，其中纵坐标是输出电压V，横坐标是温度 T / K。
图4是本发明降温时热电半导体温度传感片冷热端的检测温度与瞬态环境温度的关系曲线，纵坐标和横坐标均是温度T / K。
图5是本发明热电半导体温度传感片降温时的输出电压与瞬态环境温度的关系曲线，其中纵坐标是输出电压V，横坐标是温度 T / K。
图中序号的名称为：1、喷Ni层，2、镀Ni层，3、镀Sn95Ag5层，4、Cu导流片。
具体实施方式
现结合附图1～5，以该热电半导体温度传感片的单臂结构的具体制备工艺为例对本发明作进一步描述。
步骤一：温度传感片热电半导体p-型材料采用(Cu4Te3)0.025- (Bi0.5Sb1.5Te3)0.975赝两元合金，该合金在170oC左右时，可以获得最佳热电性能(ZT=1.2)；温度传感片热电半导体n-型材料采用(Bi2Te3)0.9-(Bi1.9Cu0.1Se3)0.1赝两元合金，该合金在144oC左右时，获得最佳热电性能(ZT=0.98)。根据热电对的尺寸进行切割，p-型和n-型单臂材料的尺寸为2.2′1.4′1.4 mm3，其中2.2 mm为高度。
步骤二：每个热电半导体温度传感片共设计127对。每对热电半导体传感片的单臂两端面先喷Ni。具体是：先在200oC温度下采用YW-201水溶性助剂去除热点片两端面的表面氧化物，然后在热电片两端面喷Ni，喷Ni层1的厚度控制在0.15～0.25微米，将喷Ni后的热点片在50oC～60oC的真空环境中烘烤9～11小时。
步骤三：在喷Ni的基础上，采用多靶磁控溅射仪镀Ni。具体是：镀Ni前采用YW-201水溶性助剂去除喷Ni层表面的表面氧化物，然后采用射频磁控溅射法在喷Ni层表面镀Ni，镀Ni层2厚度控制在0.15～0.25微米，镀Ni后在50oC～60oC的真空环境中进行5小时的退火热处理。
步骤四：镀Sn95Ag5层3，将镀Ni后的热电半导体浸在熔融的Sn95Ag5液体中，浸渍时间2～3秒，取出后，在50oC～60oC的真空环境中烘烤9～11小时。
步骤五：烘烤后的热电半导体以Sn95Ag5作为焊剂，将热电半导体Sn95Ag5层的端面焊接至Cu导流片4上。完成焊接工艺后，再在50oC～60oC的真空环境中退火9～11小时。
步骤六：完成127对的单臂制造后，将127对p-型和n-型单臂串联，两端引出导线。然后再用导热胶将127对热电半导体的Cu导流片胶在同一块白瓷片上，四周也用导热胶封装。
步骤七：为了测试其温度传感功能，在温度传感片的另一面采用散热装置。这样，温度传感片的一面将感受来自高温热源的热流，另一面则安装散热装置进行散热，以此可以维持两面的温差。温度检测时，将半导体两面联到温度检测装置，再通过专用芯片联接到显示器。显示器不仅可以读取两端的瞬时电压差，也可以读取瞬时的温度数据。同时，当温度传感片一端感受到高温热源后，还可以通过编程软件在电脑上自动采集并计算每一个设定温度点时温度传感片两端面的10个温度测试数据及相应的电压差，用以精确计算平均测试温度及电压差。
步骤八：温度检测时，采用升温和降温两种方式进行数据采集，从室温开始检测，最高温度设定为90oC，设定检测温度间隔大约为5 oC。当环境温度升高或降低到设定温度后2秒内读取数据，作为瞬时测试数据。当时间延长后，由于热传导效应，两端面的温差将逐渐减小。

Claims (2)

1.一种热电半导体温度传感片的单臂结构，该单臂结构包括热电半导体，及位于热电半导体两端的Cu导流片（4），其特征在于所述热电半导体的两端与各自Cu导流片（4）之间设有三个过渡层，分别为喷Ni层（1）、镀Ni层（2）、镀Sn95Ag5层（3），由热电半导体的端部至Cu导流片表面依次为喷Ni层、镀Ni层、镀Sn95Ag5层。
2.一种如权利要求1所述的热电半导体温度传感片的单臂结构的制备工艺，其特征在于该制备工艺包括以下步骤：
步骤一：喷Ni层（1），先在200oC温度下采用YW-201水溶性助剂去除热电半导体两端面的表面氧化物，然后在热电半导体两端面喷Ni，喷Ni层的厚度控制在0.15～0.25微米，将喷Ni后的热电半导体在50oC～60oC的真空环境中烘烤9～11小时；
步骤二：镀Ni层（2），镀Ni前采用YW-201水溶性助剂去除喷Ni层表面的表面氧化物，然后采用射频磁控溅射法在喷Ni层表面镀Ni，镀Ni层厚度控制在0.15～0.25微米，镀Ni后在50oC～60oC的真空环境中进行4~6小时的退火热处理；
步骤三：镀Sn95Ag5层（3），采用热浸焊法将第二步得到的热电半导体浸在熔融的Sn95Ag5液体中，浸渍时间2～3秒，取出清洗后，在50oC～60oC的真空环境中烘烤9～11小时；
步骤四：钎焊：以Sn95Ag5作为焊剂，在第三步得到的热电半导体镀Sn95Ag5层的端面钎焊至Cu导流片（4）上；
步骤五：将第四步制得的热电半导体单臂在50oC～60oC的真空环境中退火9～11小时。
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