CN109443600A - 在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法，属于半导体测量技术领域，基于高低温探针台，步骤为：将片薄膜铂电阻温度传感器放置于控温平台；使每两根直流探针压于一个PAD压点；将四根直流探针分别连接数字多用表的两个Hi插孔和两个Lo插孔；调整高低温探针台的设定温度，通过数字多用表读取电阻值；根据公式计算电阻温度系数，再利用公式，即可计算实际温度。本发明提供的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法，在片薄膜铂电阻温度传感器在微室内，受外界环境影响小，能够实现高低温环境下电阻值的精确提取，利用不同温度范围的电阻温度值分别计算电阻温度系数，提高在片薄膜铂电阻温度传感器的测温准确度。

Description

在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法

技术领域

本发明属于半导体测量技术领域，更具体地说，是涉及一种在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法。

背景技术

在半导体中，薄膜铂电阻的阻值在常温附近的范围内与它的温度具有线性关系，这也就是半导体测试中薄膜铂电阻经常被用来作为温度传感器的原因。半导体中需要对薄膜电阻的温度特性进行标定，即确定电阻温度系数来表征传感器的阻值和它的温度之间的关系。电阻温度系数表示单位温度改变时，电阻值(电阻率)的相对变化。如公式(1)所示

实际上为了应用方便，通常使用平均电阻温度系数的概念，如下定义：

式中，R1是温度为T1时所测电阻值；R2是温度为T2时所测电阻值。

对于应用于温度测量的铂电阻温度传感器来说，电阻温度系数通常定义为：

由公式(3)可知，只要对其0℃和100℃的电阻值进行测量即可得出电阻温度系数，在以后的温度测量中利用该电阻温度系数进行电阻与温度之间的换算。

从公式中(1)和公式(2)我们可以发现，电阻温度系数并不恒定而是一个随着温度而变化的值。随着温度的增加，电阻温度系数变小。因此，通常所说的电阻温度系数都是针对特定的温度的。

由于在片薄膜铂电阻属于在片形式的温度传感器，需要利用探针将其电阻信号引出，而传统的四探针技术一般在室温下对薄膜电阻进行标定，把温度作为误差进行分析，而对高低温环境下的薄膜测试束手无策。

近年来，国外在硅晶圆片上制作不同材料的薄膜温度传感器并对传感器特性进行研究，采用管式炉作为恒温设备，但是，使用管式炉作为恒温设备只能实现室温以上温度的标定，且需要在在片薄膜铂电阻上焊接测试引线方可实现数据的测量，操作过程复杂。国内，在在片薄膜电阻的标定方面，采用加热炉、真空泵、自制四探针、Keithley 2400源表、智能温度控制器以及必备夹具等设计一套定标装置，该装置温度区间在室温～550℃，同样无法实现低温状态下对在片薄膜铂电阻的定标，且操作过程复杂，影响因素众多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法，以解决现有技术中存在的对高低温在片薄膜铂电阻无法进行准确标定的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法，基于高低温探针台，包括以下步骤：

将片薄膜铂电阻温度传感器放置于控温平台中心位置的真空吸附孔，对在片薄膜铂电阻温度传感器进行吸附固定；

将控温平台推进微室，粗调四根直流探针的位置，使每两根直流探针压于一个PAD压点；

通过显微镜观察直流探针的位置并进行微调，使直流探针与PAD压点接触良好；

将与一个PAD压点接触的两根直流探针的测试引线分别连接至数字多用表的两个Hi插孔，另外两根直流探针的测试引线分别连接至数字多用表的两个Lo插孔；

打开数字多用表及高低温探针台的电源，进行预热；

将高低温探针台调整至设定温度，通过数字多用表读取在片薄膜铂电阻温度传感器在该温度环境条件下的电阻值；

调整高低温探针台的设定温度，根据公式计算不同温度条件下的片薄膜铂电阻温度传感器的电阻温度系数，所述公式为：

根据计算的电阻温度系数，利用公式(2)，即可计算该在片薄膜铂电阻温度传感器对应设定温度的实际温度。

进一步地，所述设定温度范围为-55℃-150℃，在该设定温度范围内，按照一定的间隔，选取若干不同的设定温度，测量对应的电阻值，然后将相邻的两个设定温度值及对应的电阻值代入公式(2)，即可计算相邻的两个设定温度范围的电阻温度系数，然后将计算得到的电阻温度系数、测量的两个电阻值及其中的一个设定温度代入公式(2)，即可计算在片薄膜铂电阻温度传感器另一个设定温度的实际温度。

进一步地，所述选取若干不同的设定温度，相邻的设定温度之间相差25℃或30℃，测量对应区间的两端的设定温度对应的电阻值，代入公式(2)，求得该区间对应的电阻温度系数，然后利用该电阻温度系数，即可获得该区间内任意设定温度的实际温度。

进一步地，当设定温度T11为-55℃，测得电阻值为R11，设定温度T12为-25℃，测得电阻值为R12，利用公式(2)，计算出电阻温度系数，记为TCR1，再利用公式(2)，代入T11、R11、R12和TCR1，即可求得设定温度为T12时，在片薄膜铂电阻温度传感器的实际温度，同理可求得设定温度为T11时的实际温度。

进一步地，当设定温度T12为-25℃，测得电阻值为R12，设定温度T13为0℃，测得电阻值为R13，利用公式(2)，计算出电阻温度系数，记为TCR2，再利用公式(2)，代入T12、R12、R13和TCR1，即可求得设定温度为T13时，在片薄膜铂电阻温度传感器的实际温度。

进一步地，当设定温度Tn-1为125℃，测得电阻值为R n-1，设定温度Tn为150℃，测得电阻值为Rn，利用公式(2)，计算出电阻温度系数，记为TCRn-1，再利用公式(2)，代入Tn-1、Rn-1、Rn和TCRn-1，即可求得设定温度为Tn时，在片薄膜铂电阻温度传感器的实际温度。

进一步地，所述数字多用表为七位半或八位半数字多用表。

本发明提供的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法的有益效果在于：与现有技术相比，应用四探针测量法基本原理，利用高低温探针台作为标准温度的提供者，通过四根直流探针及相应测试引线将在片薄膜铂电阻的阻值传递给电测仪器，从而实现高低温环境下对温度传感器的在片标定，利用标定后的数据分别计算在片薄膜铂电阻在不同温度下的电阻温度系数，进而求得对应温度下的实际温度。

本发明利用高低温探针台，操作简单，在片薄膜铂电阻温度传感器在微室内，受外界环境影响小，能够实现高低温环境下电阻值的精确提取，利用不同温度范围的电阻温度值分别计算电阻温度系数，提高在片薄膜铂电阻温度传感器的测温准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明实施例提供的高低温探针台的控温平台各部位的结构示意图；

图2为本发明实施例中直流探针与在片薄膜铂电阻温度传感器的PAD压点接触的结构示意图。

其中，图中各附图标记：

1-高低温探针台；2-显微镜观察口；3-真空吸附孔；4-旋转手柄；5-控温平台；6-微室；7-微室开关门；8-在片薄膜铂电阻温度传感器；9-直流探针；10-PAD压点。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法进行说明。所述在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法，基于高低温探针台1，包括以下步骤：

打开旋转手柄4，将控温平台5从微室6中拉出；

将片薄膜铂电阻温度传感器放置于控温平台中心位置的真空吸附孔3，对在片薄膜铂电阻温度传感器进行吸附固定；

将控温平台5推进微室6，关闭微室开关门7，粗调四根直流探针9的位置，使每两根直流探针9压于一个PAD压点10；

通过显微镜观察口2观察直流探针9的位置并进行微调，使直流探针9与PAD压点10接触良好；

将与一个PAD压点10接触的两根直流探针9的测试引线分别连接至数字多用表的两个Hi插孔，另外两根直流探针9的测试引线分别连接至数字多用表的两个Lo插孔；

打开数字多用表及高低温探针台1的电源，进行预热；

将高低温探针台调整至设定温度，通过数字多用表读取在片薄膜铂电阻温度传感器在该温度环境条件下的电阻值；

调整高低温探针台的设定温度，根据公式计算不同温度条件下的片薄膜铂电阻温度传感器的电阻温度系数，所述公式为：

根据计算的电阻温度系数，利用公式(2)，即可计算该在片薄膜铂电阻温度传感器对应设定温度的实际温度。

本发明提供的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法，与现有技术相比，应用四探针测量法基本原理，利用高低温探针台作为标准温度的提供者，通过四根直流探针及相应测试引线将在片薄膜铂电阻的阻值传递给电测仪器，从而实现高低温环境下对温度传感器的在片标定，利用标定后的数据分别计算在片薄膜铂电阻在不同温度下的电阻温度系数，进而求得对应温度下的实际温度。

本发明利用高低温探针台，操作简单，在片薄膜铂电阻温度传感器在微室内，受外界环境影响小，能够实现高低温环境下电阻值的精确提取，利用不同温度范围的电阻温度值分别计算电阻温度系数，提高在片薄膜铂电阻温度传感器的测温准确度。

作为本发明提供的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法的一种具体实施方式，所述设定温度范围为-55℃-150℃，在该设定温度范围内，按照一定的间隔，选取若干不同的设定温度，测量对应的电阻值，然后将相邻的两个设定温度值及对应的电阻值代入公式(2)，即可计算相邻的两个设定温度范围的电阻温度系数，然后将计算得到的电阻温度系数、测量的两个电阻值及其中的一个设定温度代入公式(2)，即可计算在片薄膜铂电阻温度传感器另一个设定温度的实际温度。本发明的重要技术创新在于实现了在片薄膜铂电阻温度传感器在低温-55℃至高温150℃之间不同温度环境条件下的在片标定，提高了测温准确度。定标过程操作简单，外界影响因素很小，实现标定数据的准确提取；根据电阻温度系数的定义分别计算不同温度条件下的电阻温度系数，实现温度传感器的准确测温。利用标定后的在片薄膜铂电阻温度传感器可以对器件的性能做出更加准确的估计，缩短研究时间，降低成本投入。

作为本发明提供的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法的一种具体实施方式，所述选取若干不同的设定温度，相邻的设定温度之间相差25℃或30℃，测量对应区间的两端的设定温度对应的电阻值，代入公式(2)，求得该区间对应的电阻温度系数，然后利用该电阻温度系数，即可获得该区间内任意设定温度的实际温度。其中，相邻的设定温度之间的差值还可以为5℃、10℃、20℃等。

作为本发明提供的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法的一种具体实施方式，当设定温度T11为-55℃，测得电阻值为R11，设定温度T12为-25℃，测得电阻值为R12，利用公式(2)，计算出电阻温度系数，记为TCR1，再利用公式(2)，代入T11、R11、R12和TCR1，即可求得设定温度为T12时，在片薄膜铂电阻温度传感器的实际温度，同理可求得设定温度为T11时的实际温度。

作为本发明提供的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法的一种具体实施方式，当设定温度T12为-25℃，测得电阻值为R12，设定温度T13为0℃，测得电阻值为R13，利用公式(2)，计算出电阻温度系数，记为TCR2，再利用公式(2)，代入T12、R12、R13和TCR1，即可求得设定温度为T13时，在片薄膜铂电阻温度传感器的实际温度。

作为本发明提供的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法的一种具体实施方式，当设定温度Tn-1为125℃，测得电阻值为R n-1，设定温度Tn为150℃，测得电阻值为Rn，利用公式(2)，计算出电阻温度系数，记为TCRn-1，再利用公式(2)，代入Tn-1、Rn-1、Rn和TCRn-1，即可求得设定温度为Tn时，在片薄膜铂电阻温度传感器的实际温度，其中，各区间测得的电阻温度系数值顺次递减。

作为本发明提供的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法的一种具体实施方式，所述数字多用表为七位半或八位半数字多用表。可选数字多用表3458A、1281、8508A等。

下面举例说明，并分析：

例如：对某个在片薄膜铂电阻温度传感器进行标定，表1所示为各个温度下的标定电阻值，标定完成后，利用公式(2)计算各个温度点相对于上一个温度点的电阻温度系数，例如温度为50℃的电阻温度系数所针对的特定温度为25℃。标定数据如下表1所示。

表1某在片薄膜铂电阻温度传感器标定数据

温度点/℃	标定电阻值/Ω	电阻温度系数/℃-1
			-55	1128.60	/
-25	1267.35	0.00410
			0	1381.61	0.00361
25	1494.46	0.00327
			50	1602.25	0.00288
75	1711.39	0.00272
			100	1819.10	0.00252
125	1925.29	0.00234
			150	2030.40	0.00218

由表1中数据可知，随着温度的上升，电阻温度系数呈现出下降的趋势。

若利用电阻温度系数的定义公式(3)进行计算，则可得出该在片薄膜铂电阻温度传感器的电阻温度系数α＝0.0031665℃^-1。

根据电阻温度系数α的定义可知，其是针对特定的温度而言的，若对薄膜铂电阻温度传感器采用定义进行电阻温度系数的计算，将会导致实际进行温度测试时的测量结果与实际温度偏离过大。

将该在片薄膜铂电阻焊接测试引线后在标准恒温槽中进行-30℃、50℃和150℃三个温度点的测量，利用数字多用表3458A显示在片薄膜铂电阻的电阻值，利用表1中的电阻温度系数进行计算得出的温度值记为测量结果1，利用公式(3)计算出的电阻温度系数0.0031665℃-1进行计算得出的温度值记为测量结果2，利用二等标准铂电阻温度计测量标准恒温槽的实际温度，表2给出了两种计算方法的数据对比。

表2两种计算方法数据对比

温度点/℃	实测电阻值/Ω	测量结果1/℃	测量结果2/℃	标准温度值/℃
					-30	1244.02	-30.05	-31.45	-29.89
50	1602.94	50.16	50.59	50.10
					150	2029.89	149.88	148.18	150.03

由表1中数据可知，采用本发明提供的标定方法可以有效提高检测结果的准确度，经过比较，证明本方法得到的结果是非常有效的。

本发明的优点如下：

(1)具备提供高低温不同环境的功能。选用高低温探针台作为提供标准温度的设备，将设备显示值作为标准温度值(该温度值可向上溯源至表面温度计)。设备中的控温平台可实现在低温(-55℃)至高温(150℃)之间的各个温度进行调节，同时探针台的结构特点可减少外部环境对标定环境的影响，使被测传感器处于一个相对稳定的温度环境之中；

(2)具备将电阻信号引出连接至电测仪器的功能。由于薄膜电阻温度传感器直接制作在晶圆片上，因此，选用四根直流探针接触薄膜电阻的PAD压点，每根直流探针分别连接相应的测试引线，即采用四线制将电阻信号引出连接至电测仪器，减少引线误差对测量结果的影响；

(3)具备读取电阻信号的功能。选用八位半的数字多用表3458A作为电测仪器连接直流探针的测试引线，读取在片薄膜铂电阻温度传感器在各不同温度下的电阻值；

(4)分别计算在片薄膜铂电阻温度传感器在不同温度下的电阻温度系数，将该电阻温度系数应用于实际的温度测量，提高测温准确度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法，其特征在于，基于高低温探针台，包括以下步骤：

将片薄膜铂电阻温度传感器放置于控温平台中心位置的真空吸附孔，对在片薄膜铂电阻温度传感器进行吸附固定；

将控温平台推进微室，粗调四根直流探针的位置，使每两根直流探针压于一个PAD压点；

通过显微镜观察直流探针的位置并进行微调，使直流探针与PAD压点接触良好；

将与一个PAD压点接触的两根直流探针的测试引线分别连接至数字多用表的两个Hi插孔，另外两根直流探针的测试引线分别连接至数字多用表的两个Lo插孔；

打开数字多用表及高低温探针台的电源，进行预热；

将高低温探针台调整至设定温度，通过数字多用表读取在片薄膜铂电阻温度传感器在该温度环境条件下的电阻值；

调整高低温探针台的设定温度，根据公式计算不同温度条件下的片薄膜铂电阻温度传感器的电阻温度系数，所述公式为：

根据计算的电阻温度系数，利用公式(2)，即可计算该在片薄膜铂电阻温度传感器对应设定温度的实际温度。

2.如权利要求1所述的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法，其特征在于：所述设定温度范围为-55℃-150℃，在该设定温度范围内，按照一定的间隔，选取若干不同的设定温度，测量对应的电阻值，然后将相邻的两个设定温度值及对应的电阻值代入公式(2)，即可计算相邻的两个设定温度范围的电阻温度系数，然后将计算得到的电阻温度系数、测量的两个电阻值及其中的一个设定温度代入公式(2)，即可计算在片薄膜铂电阻温度传感器另一个设定温度的实际温度。

3.如权利要求2所述的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法，其特征在于：所述选取若干不同的设定温度，相邻的设定温度之间相差25℃或30℃，测量对应区间的两端的设定温度对应的电阻值，代入公式(2)，求得该区间对应的电阻温度系数，然后利用该电阻温度系数，即可获得该区间内任意设定温度的实际温度。

4.如权利要求3所述的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法，其特征在于：当设定温度T11为-55℃，测得电阻值为R11，设定温度T12为-25℃，测得电阻值为R12，利用公式(2)，计算出电阻温度系数，记为TCR1，再利用公式(2)，代入T11、R11、R12和TCR1，即可求得设定温度为T12时，在片薄膜铂电阻温度传感器的实际温度，同理可求得设定温度为T11时的实际温度。

5.如权利要求4所述的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法，其特征在于：当设定温度T12为-25℃，测得电阻值为R12，设定温度T13为0℃，测得电阻值为R13，利用公式(2)，计算出电阻温度系数，记为TCR2，再利用公式(2)，代入T12、R12、R13和TCR1，即可求得设定温度为T13时，在片薄膜铂电阻温度传感器的实际温度。

6.如权利要求5所述的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法，其特征在于：当设定温度Tn-1为125℃，测得电阻值为Rn-1，设定温度Tn为150℃，测得电阻值为Rn，利用公式(2)，计算出电阻温度系数，记为TCRn-1，再利用公式(2)，代入Tn-1、Rn-1、Rn和TCRn-1，即可求得设定温度为Tn时，在片薄膜铂电阻温度传感器的实际温度，其中，各区间测得的电阻温度系数值顺次递减。

7.如权利要求1所述的在片薄膜铂电阻温度传感器的标定方法，其特征在于：所述数字多用表为七位半或八位半数字多用表。