掺金、掺铂单晶硅互换热敏电阻及其制作方法.pdf

本发明属于温度敏感器的技术领域。
    用在单晶硅中掺深能级杂质的方法制得的单晶热敏电阻，其电阻-温度特性的一致性较氧化物半导体热敏电阻有很大改善，可以较好地满足使用中的互换性要求，得到日益广泛的应用。

    日本东京芝浦电气株式会社曾提出过一种硅单晶热敏电阻的制作方法（日本特许昭58-32481）。他们采用在P型或N型硅单晶中掺入金杂质的方法，制得了具有负温度系数的热敏电阻，其B值为4900K，30℃时的阻值的偏差分布小于±0.5%，但最低的使用温度只达到-20℃，而且并不是可以互换的。关于对互换性能起主要影响的B值的离散情况，在此专利文献公开中没有给出结果。根据日本东京电子冶金研究所提供的硅热敏电阻的产品广告介绍，该产品使用温区为-30℃～100℃，B值的偏差分布为±2～3%，25℃时阻值的偏差分布为±2%，这反映出目前的硅单晶热敏电阻的主要性能指标。

    为了满足温度测量仪表提出的热敏电阻的互换性要求和制作在较宽温区中具有线性输出地线性组件的需要，希望得到B值在4000K或更低一些的硅单晶热敏电阻，同时，其B值的偏差分布要求比现有的产品更小。而本发明的目的，就是提供一种在P型单晶硅中掺金、掺铂的方法，从而得到B值为3850K，使用温区为-50℃～100℃的单晶硅互换热敏电阻，它的B值的偏差分布小于±0.3%，在25℃时阻值的偏差分布小于±0.3%，以满足较高精度的互换性要求。

    本发明所提供的热敏电阻，是在P型硅单晶中同时掺入金和铂两种杂质，使禁带中出现距价带顶0.30ev的铂施主能级、0.35ev的金施主能级和0.36ev的铂受主能级。当这些能级的浓度比单晶中原有的浅受主浓度大很多时，由于这些能级的补偿作用，材料呈现负温度特性，其B值为3850K左右。在P型硅单晶中同时掺入金和铂的方法主要采用扩散的方法，即选用高阻率的P型硅单晶作衬底，首先在1200℃下扩散铂，使铂的浓度达到1×1014cm3以上，然后在800℃～1200℃中某一温度下扩散金，使单晶硅达到符合要求的电阻率。扩散金的温度越高，得到的电阻率越高。在不同的掺金温度下，其B值可以在3800K～3900K之间调整;经过两次扩散的硅单晶，并被切成1mm×1mm的芯片制成的热敏电阻，它的室温电阻值可以在几百欧姆至几十千欧姆之间调整。

    附图1为掺金、掺铂单晶硅互换热敏电阻的外形结构示意图。其中，芯片（1）的两面电极（2）可用化学镀镍的方法制成。引线（4）为0.2mm的镀银铜线，用焊锡（3）焊在电极（2）上。整个芯片用环氧树脂（5）密封。利用以上所述的方法制成的热敏电阻的电阻温度特性可参见附图2。图中的纵坐标（对数坐标）是热敏电阻的阻值R，单位是欧姆（Ω）。图2下方的横坐标是绝对温度的倒数（1000×1/T），图2上方的横坐标上标出了相对应的摄氏温度值。如图2所示，在-50℃～100℃温区范围内，它完全满足R＝R0EXP（B/T）的指数关系，B值在3850K左右;批量元件B值的偏差分布小于±0.3%;25℃阻值的偏差分布小于±0.3%;-50℃～100℃温区内不同的电阻元件在同一温度点的阻值的偏差分布不大于±2%，可以达到批量互换的要求，同时，电阻元件经过1000小时，100℃高温老化后，其阻值偏差小于±0.5%，时间常数为1.5～5（秒）耗散系数达1.5～2.5（毫瓦/℃），而且这种电阻易于制做、成本低廉、广泛适用于医疗仪器、食品工业、家用电器等行业的测温、控温等实用技术领域，由于该电阻元件的B值适中，互换性好，所以它是配制具有线性输出的线性组件的理想元件。

    实施例。采用电阻率为148欧姆·厘米的P型硅单晶，切成0.3毫米厚的晶片，经打磨、清洗后，在1200℃下涂源扩铂6个小时;铂源用光谱纯的氯铂酸和优级纯酒精按5克：95毫升的比例配成。扩散后的晶片用氢氟酸除去硅片表面的氧化层，再在1200℃下涂源扩金2小时;金源用光谱纯的氯化金和优级纯的酒精按5克：95毫升的比例配制而成。二次扩散后的晶片经过去除氧化层后，进行化学镀镍;镀镍液的配方为氯化镍30克、次亚磷酸钠10克、氯化铵50克、柠檬酸铵65克、去离子水1000克。最后把晶片划成1毫米×1毫米的芯片，在芯片的两面锡焊上φ0.2毫米的镀银铜线;在100℃下老化800小时，经机械调阻后得到25℃时阻值为5.60KΩ的元件。封装时，先涂一层PPS胶（组份148%、组份252%），再用环氧树脂密封。环氧树脂按ESI∶多乙烯多胺＝10克∶0.9克的比例配制，并加入1%的氧化铝粉和适量色料做填料。这样制得的元件经各项指标测试均能达到前面提出的指标。