[发明专利]一种金属薄膜微米尺度热电偶器件

说明书

技术领域

本发明属于温度测量技术领域，具体涉及一种单层金属薄膜构成的微米尺度热电偶及阵列。

背景技术

热电偶作为温度测量的有效手段，具有高精度、响应速度快等优点，在与温度相关的各个领域都得到了广泛的应用。热电偶的主要工作原理在于利用Seebeck效应，即将两种不同的导体/半导体一端连接作为热端，两导体的另一端则置于恒温区作为冷端，因为这两种材料的热电系数(即导体/半导体两端电压与温差的比值)不同，所以热端和冷端间的温差会转化为电压信号，则通过对电压信号的读取就可以反向求得温度。

而薄膜热电偶则是将两种导体/半导体材料都制备成薄膜的形式，如将两种薄膜沉积到一个绝缘基底上。相比普通热电偶，由于薄膜热电偶体积较小而且易于制备，并与现有微纳加工工艺兼容，可以集成于芯片，所以更多地应用于局域温度测量方面如芯片温度测量等。

然而，对于热电偶或者薄膜热电偶，为了实现测温，必须使用两种热电系数不同的材料进行测量，而对于块体材料，热电系数基本保持恒定。因此在制备过程需要对两种材料进行焊接等处理使其在一端接合。对于薄膜热电偶，如利用光刻镀膜等方式进行制备，则需要分两次分别完成不同材料薄膜的沉积。由于需要对两种材料进行接合，在制备过程中难免会引入各种界面效应，如杂质、不同材料间的热应力及寄生电阻抗等，这些都会对热电偶的稳定性和精确性造成影响；而对于薄膜热电偶，双层材料不但需要双重工艺，而且在薄膜接合部分薄膜厚度叠加也会对测试平面的平整度造成影响。

发明内容

本发明提供一种制备简易，能够实现对微米尺度的局域温度进行测量的热电偶器件。

本发明热电偶器件包括但不仅限于绝缘基片一块，通过微纳米加工工艺制备、沉积于基片上的金属薄膜热电偶或热电偶阵列，其特征在于，所述金属薄膜热电偶为单种金属的两条对折薄膜，其中，窄条带的宽度为小于20微米，另一条宽条带的宽度为大于100微米。

热电偶及热电偶阵列器件直接附着于探针基底表面，使用性质稳定而且热电系数较大的金属导体材料，如Cr，Ni，Pd，Sc，Ta，Ti，Zr，Bi等金属。每个热电偶的条带为厚度相同，宽度不同的矩形金属薄膜，两条薄膜窄条的折点称为热端，端部则统称为冷端。

热电偶的示意图及实物的扫描电子显微镜照片如图1所示。

本发明可以实现对与热电偶阵列所接触的平面上的温度分布进行表征。该器件具备的功能包括：(1)将该热电偶器件连接至高精度电压表，可以对微米尺度的局域范围的温度进行实时定点测量；(2)该热电偶器件所组成的阵列通过多路选通电路连接至高精度电压表，可以实现对于与整个热电偶阵列所接触的整个平面上若干点的实时，精确测温，并可以通过计算机处理得到整个平面的温度分布以及变化趋势。

与现有技术相比，该热电偶器件及热电偶阵列器件相对于其他的微米尺度温度手段具有如下优点：

(1)接触式无源测温，测量比较准确，可以给出微米尺度下的局域范围内的温度变化，测温方式简单易行，器件稳定性高；

(2)阵列器件，结合计算机处理，可以对被测物体的表面的温度变化进行实时监测；

(3)相对于薄膜热电偶器件，制备工艺大大简化，成本低廉，并避免了不同材料界面处可能会存在各种效应，提高了测量的精准度和稳定性。

附图说明

图1为热电偶实物的扫描电子显微镜照片；

图2为热电偶所测量的电压与实际温度的关系示意图；

图3为热电偶阵列所测量的整个被测平面的温度分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实例一

1.设计并加工制备具有单种金属薄膜热电偶的掩模版，热电偶两臂的宽度分别为1.5微米与200微米；

2.基片选择玻璃，通过切割打磨等加工工艺得到一块直径2英寸，厚度0.6毫米的圆形基片。基片用丙酮、酒精、去离子水分别在超声清洗机中清晰5分钟以保证表面清洁；