掺金硅互换热敏电阻.pdf

本发明属于半导体温度传感器领域。
    一般氧化物热敏电阻阻值互换精度不超过2%，成品率在20%以内。1981年日本冶金研究所的热敏电阻产品介绍，硅热敏电阻在30℃这一温度点阻值互换精度为0.15%。但这些元件用在-30～+50℃温区互换精度不超过1%。这给使用带来不便，特别是对于测量和控温仪表的标准化生产带来极大困难。

    本发明的目的在于利用深能级杂质金扩散至硅中形成高灵敏度、互换精度好的热敏材料，并用这种材料做成在-30～+50℃温区中，互换精度为0.2%的互换单晶热敏电阻。

    本发明采用深能级杂质金高温扩散，在N-型硅中形成深受主能级（0.54eV），受主上的电子随温度热激发使材料电阻率呈现强烈的温度关系：

    金在硅中的溶解度是本底杂质浓度、扩散源的比例和扩散温度的函数。高温扩散时，当金的浓度达到本底杂质浓度时，材料电阻率随金的浓度迅速增加。当金的复合比（金原子与原始材料本底浓度之比）为1～1.5时，材料B值为6000K，其均匀度为0.1%。掺金的方法可以是直拉单晶时熔溶掺金，亦可用离子注入掺金，而本发明采用氯化金溶于无水乙醇，涂敷于硅片双面，在高温下进行恒定表面源扩散，在硅片表面层形成高阻层。掺金硅材料的温度特性取决于硅片两面的高阻层，如图二中的〔7〕，从而利用控制扩散条件达到了控制材料电阻率的目的。扩散掺金硅互换热敏电阻元件的电接触靠双面化学镀镍形成，利用镍与硅的化学亲合势和高表面态实现良好的欧姆接触，如图一中的〔2〕，电极引线采用展延性好具有良好导电的镀银铜线，如图一中的〔5〕，整个元件包封在环氧树脂内，以保证元件的稳定性。

    本发明提供地互换热敏电阻可用于-30～+50℃温区的温度测量与控制，特别适合于医学、生物工程及化学反应等领域的温度测量。在-30～+50℃温区阻值互换精度优于1%，成品率在60%以上，制作工艺简单，成本低廉，适合大量生产。

    图一为掺金硅互换热敏电阻元件结构图。图中的〔1〕是N-型硅片，厚度为300μm，面积为1.5×1.5mm2;〔2〕为电接触镍层，其厚度为2μm;〔3〕为焊锡层;〔4〕环氧保护层;〔5〕是外引线，其直径为0.2mm。图二为芯片等效图。图中的〔6〕为原始硅片低电阻层;〔7〕为扩散高阻层，其厚度约为2μm;〔8〕和〔9〕为高阻层等效电阻。

    发明人用1～5Ωcm的N-型单晶，沿<111>晶面切割成厚度为300μm的硅片，表面用M20金刚砂研磨;采用1%的扩散源（乙醇：AuCl·4H2O＝99∶1），在1050℃±1℃扩散30分钟，获得常温电阻率ρ25＝10-15KΩ，B值为6000°K，其均匀度为0.1%的热敏材料。将扩散后的硅片双面镀镍（镀液配方：氧化镍∶次亚磷酸钠∶氯化铵∶柠檬酸铵∶水＝30g∶10g∶50g∶65g∶1000g），划成1.5×1.5mm2的小片，用φ0.2mm的镀银铜线锡焊于镍层上（焊接温度控制在200℃以内），经机械调阻，最后用PPS胶和环氧树脂密封（环氧配方：E-51环氧树脂∶多乙醇多铵∶氧化铝粉＝10g∶0.9g∶1g），在85℃下进行一年老化，获得常温电阻R25为25KΩ-30KΩ，B值为6000K，在-30～+50℃温区阻值互换精度为0.2%，其成品率达60%以上，稳定性优于0.1%。