薄膜热敏电阻的调阻方法及薄膜式热敏电阻的制造方法与流程

本发明涉及热敏电阻生产技术领域，特别是涉及一种薄膜热敏电阻的调阻方法及薄膜式热敏电阻的制造方法。

背景技术：

负温度系数热敏电阻(NTCR)的阻值随温度升高而呈指数关系降低。NTC热敏电阻是用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等过渡族金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，因其具有很大的电阻温度系数，稳定的性能，宽广的使用温区，以及灵敏度高、互换性好、可靠性高等特点，具有测温、控温、温度补偿和抑制浪涌等作用，广泛应用于日常生活和工业生产中。

薄膜型NTC电阻由于测温更灵敏，精度更高，尺寸小，适应小型化和集成化需求，已成为研究和发展的重要方向。近年来，随着电子机器小型化及电路复杂化，谋求NTC热敏电阻自身特性的小偏差化，例如在电阻值的偏差上，先前容许在±5％以内，但最近要求至±1％～0.5％以内。

因此，如何生产出阻值精度更高的片式NTC电阻是一个急需解决的问题。NTC电阻的制备方法很多，例如：(1)采用干压成型和冷等静压相结合的方式制成压坯，烧结后切片、上电极、老练、划片制成温度传感芯片。(2)湿法成型可以直接制成薄片，通过处理制成温度传感芯片。湿法主要分类有：刮刀成膜法、丝网印刷法和流延法等。

这两种传统方法中的粉体制备和成型阶段，要么采用氧化物粉末混合球磨、预烧、破碎、干压成型，或者通过各种水热法制成纳米粉体然后再成型的办法。传统办法需要的烧结温度较高，难以致密，从而影响阻值精度和可靠性。此外，干压成型的容易出现密度不均匀，在烧结后产生孔洞，从而影响和精度和性能。若全部采用纳米粉体，则生产过程繁琐，生产成本高。

为了提高阻值精度和可靠性，往往采用低温老练。这种老练通常在空气里面进行。老练温度过低则效果不明显，温度高又容易导致银层氧化，阻值和B值发生变化。在氮气中老练可以提高老练温度，但同时又会导致氮气和银层反应生成氮化银，影响导电性能和焊接性能。

传统制备NTC薄膜热敏电阻的主流方法是磁控溅射法，主要是用磁控溅射镀膜机将NTC靶材镀在绝缘的陶瓷基片上，所得薄膜纯度高、致密性好、成膜均匀性好，可以在大面积基片上获得厚度均匀的薄膜。调整薄膜电阻阻值方法主要是激光调阻，激光调阻机是利用激光对薄膜电阻进行精密修调的关键设备，其在电子工业中，尤其是在微电子工业中应用广泛。

在调阻技术领域，激光调阻由于具有高精度、高效率、无污染等特点，已成为目前最常用的电阻阻值修调方法。传统的激光调阻是用激光连续切削电阻膜来改变薄膜片阻的电流通路来实现调阻。这种调阻方式存在很多问题，例如，电阻膜与基底或其它膜层发生反应会改变其电学特性；衬底吸收热量迫使不得不提高激光功率或延长切削时间来实现调阻，同时却使电阻膜性能退化；最为关键的问题是热敏薄膜在激光切割造成电阻电学特性(主要是电阻率)的改变，导致NTC电阻的阻值降低。此外，由于NTC电阻对温度的高度敏感性，导致目前被广泛采用的激光调阻实时策略还很难得到准确的阻值，也就无法合理地确定随后的调修策略和结束时机，这使得用实时、在线阻值测量系统对NTC进行精确的激光调阻变得很困难。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种可对薄膜热敏电阻进行精确调阻的方法。

一种薄膜热敏电阻的调阻方法，用于在薄膜热敏电阻的生产过程中对得到的热敏电阻阵列进行阻值修调，包括：

测量所述热敏电阻阵列中各个片阻的阻值和温度，并计算各片阻与目标阻值的偏差；

以所述片阻元件模型和调阻机可能实现的光斑参数为基础，通过模拟计算获得片阻上的蚀坑数量、位置与片阻的阻值增加率的关系，并进行多项式拟合得到多项式系数后保存到数据库中；

根据片阻元件模型、调阻机的实际光斑参数和所述偏差，从数据库中搜索对应的多项式系数，并通过插值计算，确定阻值修调策略；

调阻机根据所述修调策略进行打点完成调阻。

在其中一个实施例中，以所述片阻的元件模型和调阻机的光斑参数为基础，通过模拟计算获得片阻上的蚀坑数量、位置与片阻的阻值增加率的关系的步骤包括：

根据片阻的元件模型计算原始电阻值；

获得调阻机的光斑实际所能蚀刻的蚀坑的形状和尺寸变化范围；

根据所述蚀坑的形状和尺寸变化范围在片阻上模拟打点，并根据所述片阻的元件模型计算打点后的阻值；

根据所述原始电阻值和打点后的电阻值，获得片阻上蚀坑的数量、位置与片阻的阻值增加率之间的关系。

在其中一个实施例中，所述根据片阻的元件模型计算原始电阻值的步骤包括：

选择用于模拟的有限单元类型、设定热敏电阻材料参数、片阻的内电极与功能区的几何形状和尺寸，建立二维和三维的功能区基本元件模型；

施加载荷求解，获得导电功能区中的电流分布，计算出原始电阻值；

所述在片阻上模拟打点，并根据所述片阻的元件模型计算打点后的阻值的步骤包括：

在所述导电功能区内模拟形成设定形状、大小和数量和位置的蚀坑；

根据所述基本元件模型施加载荷求解，重新获得导电功能区中的电流分布，计算出打点后的电阻值。

在其中一个实施例中，所述在片阻上模拟打点包括在与电流垂直的方向上逐步形成粗调蚀坑，或进一步包括在粗调蚀坑边上形成细调蚀坑。

在其中一个实施例中，粗调蚀坑中心之间的间隔为20～100微米。

在其中一个实施例中，所述粗调蚀坑和细调蚀坑的形状为正圆，直径为5～20微米；或者所述粗调蚀坑和细调蚀坑的形状为椭圆，长轴为8～30微米、短轴为5～20微米。

在其中一个实施例中，所述确定修调策略的步骤包括：

根据片阻当前阻值与目标阻值的偏差百分数，用对应数量和位置的粗调蚀坑进行粗调；其中，粗调蚀坑引起的阻值变化率不超过当前阻值与目标阻值的偏差百分数；

根据调阻残差，用对应数量和位置的细调蚀坑进行细调。

在其中一个实施例中，还包括：当调阻后的阻值不符合设定精度要求时，重复进行调阻。

一种薄膜式热敏电阻的制造方法，包括：

制备热敏电阻阵列；

对所述热敏电阻阵列进行调阻；

对调阻完成的热敏电阻阵列进行封装；

其中，所述对所述热敏电阻阵列进行调阻的步骤采用上述的薄膜热敏电阻的调阻方法。

在其中一个实施例中，所述制备热敏电阻阵列的步骤包括：

制备负温度系数陶瓷靶；

采用磁控溅射将负温度系数材料溅射到绝缘基片上；

光刻出功能层阵列并退火形成薄膜；

在各个片阻上制备电极层；

热处理以稳定阻值。

上述热敏电阻的调阻方法和制造方法，通过模拟计算将可能采用的调阻策略的调阻规律预先计算出来，存入数据库中，在需要时直接调取数据快速制定调阻方案并确定调阻工作参数，实现快速而精准的激光调阻。上述方法有助于提高薄膜热敏电阻阻值精度和生产效率。

附图说明

图1为一实施例的调阻方法的流程图；

图2为热敏电阻阵列的结构示意图；

图3为图2中的片阻的放大图；

图4a～图4e为不同光斑参数下的打点结果和计算模拟示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进行进一步说明。

针对传统的激光调阻方法无法进行实时精确调修或导致电阻电学特性改变的问题，提供一种薄膜热敏电阻的调阻方法，该方法用于在薄膜热敏电阻的生产过程中对得到的热敏电阻阵列进行阻值调整。该方法包括以下步骤S110～S140。图1为该方法的流程图。

步骤S110：测量所述热敏电阻阵列中各个片阻的阻值和温度，并计算各片阻与目标阻值的偏差。薄膜热敏电阻在制备过程中，会得到具有阵列排布的多个片阻的热敏电阻阵列。参考图2，一种热敏电阻阵列10，包括呈阵列排布的多个片阻100。对每个片阻100测量其在设定温度下的阻值，一般地，是测量片阻100在室温25℃下的阻值。

测量片阻的电阻值时，将热敏电阻阵列的基片放在恒温油浴槽中，使用计算机控制探针测量热敏电阻阵列上的各个片阻的电阻值。恒温油浴可以直接得到室温25℃，如果恒温油浴的温度无法精确保持在25℃，这可以通过测量实时温度数据和片阻阻值，再根据电阻随温度变化的关系式：

进行计算，将各个温度下的阻值转换成在25℃下的阻值，式中的T表示测量温度，R_T表示片阻在温度T时的阻值，R₂₅表示片阻在温度25℃时的阻值，B表示NTC热敏电阻特性的材料常数，实验中它的值是3389K，不同材料的热敏电阻的B值可能不同。

为了使生产的薄膜热敏电阻符合特定的需求，需要预先设计片阻的阻值，该预先设计的阻值即为目标阻值。生产出来的薄膜热敏电阻的片阻的实际阻值与目标阻值之间一般都会存在偏差。本步骤即首先测量出各个片阻的实际阻值，然后计算出与目标阻值之间的偏差，在后续的步骤中对该偏差进行修调，以使各个片阻的实际阻值尽量接近目标阻值。

经过步骤S110的处理，可以得到各个片阻在室温25℃下的电阻值，并以此计算与目标阻值之间的偏差。本实施例中，采用偏差百分比来表示这种偏差。计算公式如下：

R₀表示原阻值，R_n表示目标阻值，则η就是片阻阻值与目标阻值之间的偏差百分数。

步骤S120：以所述片阻的元件模型和调阻机的光斑参数为基础，通过模拟计算获得片阻上的蚀坑数量、位置与片阻的阻值增加率的关系，并进行多项式拟合得到多项式系数后保存到数据库中。

片阻的元件模型是根据片阻的各种参数建立的用于描述或表征片阻的数学模型。通过建立片阻的元件模型，在参数变化时，可以通过数学计算的方法得到变化后的电阻值。从而获得该参数变化对于电阻变化率的影响。

调阻机的光斑参数是指调阻机调试完成后，用来对片阻进行打点(即在片阻的导电功能区进行蚀刻)的光斑的形状和尺寸。在实际执行打点时，光斑的形状和尺寸会发生一些变化。例如形状可能为正圆或椭圆，尺寸也会在一定范围内波动。光斑参数也包括该波动范围。

图3是图2中一个片阻的放大图。片阻100包括导电功能区110和位于导电功能区110两侧的电极区120，两个电极区120上各设有一个金属电极130。其中导电功能区110采用NTC材料，金属电极130可以采用金电极。两个金属电极130为片状，部分覆盖导电功能区110、部分覆盖电极区120。且两个金属电极130在导电功能区110上间隔，露出部分导电功能区110。在调阻机对片阻100的电阻值进行修调时，是在该露出的部分进行光斑蚀刻，去掉一定形状和尺寸的区域形成蚀坑112。

本实施例的方法所依赖的修调原理为：在片阻100的导电功能区110形成蚀坑112，可以改变片阻100的电流分布，从而会带来阻值的增加。增加蚀坑112的数量或者将蚀坑112进行不同的排列，会对阻值产生不同的影响。

基于上述元件模型和光斑参数，通过模拟计算就可以获得片阻110上的蚀坑112的数量、位置与片阻110的阻值增加率的关系，并进行多项式拟合得到多项式系数后保存到数据库中。

具体地，一次模拟计算可以包括以下子步骤。

子步骤S121：根据片阻的元件模型计算原始电阻值。选择用于模拟的有限单元类型、设定热敏电阻材料参数、片阻的内电极与导电功能区的几何形状和尺寸，建立二维和三维的导电功能区基本元件模型；施加载荷求解，获得导电功能区中的电流分布，计算出原始电阻值。进行有限元模拟时，通常把需要模拟的物体模型分割成许许多多小的单元(类似于构成一个大的建筑的很多砖块)，有限单元类型指的是这种小单元的类型(包括其形状与周围的连接方式等特征)，通常在模拟软件中可以根据需要进行选择。

子步骤S122：获得调阻机的光斑所能蚀刻的蚀坑的形状和尺寸变化范围。该蚀坑的形状和尺寸即反映调阻机的光斑参数。可以采用显微镜观测获得蚀坑的形状和尺寸。例如调整激光调阻机的激光输出，使光斑直径10微米左右。通过试打点得到的刻蚀坑的形状(即光斑形状)为一个与横向夹角45°、长轴12.4微米、短轴9.5微米的椭圆。由于光斑的微小移动是通过振镜偏转实现的，因此产生椭圆形光斑是常见情况，椭圆的形状尺寸会在一定的范围内有规律地变化。

子步骤S123：根据所述蚀坑的形状和尺寸变化范围在片阻上模拟打点，并根据所述片阻的元件模型计算打点后的阻值。模拟打点即在露出的导电功能区上进行光斑蚀刻形成蚀坑，以改变导电功能区上的电流分布。在进行模拟打点时，用于形成蚀坑的光斑参数是固定的，与子步骤S122中观测得到的光斑保持一致。例如正圆光斑，直径为5～20微米范围内的一个确定值；或者为椭圆光斑，长轴为8～30微米，短轴为5～20微米之间的一个确定值。打点的方式包括在与电流垂直的方向逐步形成粗调蚀坑，或进一步包括在粗调蚀坑边上形成细调蚀坑。与电流垂直的方向定义为纵向。一般地，多个粗调蚀坑是在纵向上等间距分布的，蚀坑中心之间的距离为20～100微米。细调蚀坑是沿横向在粗调蚀坑的边上形成的蚀坑，一般地，是与粗调蚀坑部分重合，以实现微小调整的目的。

上述打点过程可以根据实际蚀坑形状和尺寸进行模拟计算，建立有限元模拟模型，如图4a所示是ANSYS模拟计算中的模型图，蚀坑的模型按照实验中的形状来绘制，例如子步骤S122中的光斑形状，呈倾斜的椭圆形。该过程分为纵向间隔打点和横向补充打点两部分。

1、纵向间隔打点

用实际蚀坑的形状作为ANSYS模拟中的切割点的形状，从导电功能区偏下的某一位置为起始点，每隔30微米向上多切割一个点，建立好刻蚀后的片阻模型，然后加上电压载荷，计算导电截面的总电流，用载荷电压除以总电流计算出刻蚀后电阻R_n；同样地，可以计算出未切割的原始片阻的阻值R₀，利用公式(2)可以获得片阻阻值的变化率随打点数变化的曲线，并用多项式拟合，得到这一调阻策略的阻值变化规律的多项式系数。

2、横向补充打点

同上面纵向间隔打点的计算方法，在未蚀刻的功能层上打一点，第二个点打在第一个点向右方向的一定距离上，计算打第一个点后和打第二个点后的片阻阻值，得到打上第二个点所引起的阻值变化率，从而绘制该变化率随两点间距变化的曲线，并用多项式拟合，得到这一调阻策略的阻值变化规律的多项式系数。这里要提到的是，这里的多个横向补充打点引起的阻值变化率可以近似地线性叠加，因为理论上纵向间隔打点的30微米间隔相对于打点的尺寸还是较大的，一个侧向打点的对电流的影响波及另一个侧向打点周围电流分布的程度很小，而且模拟计算也证实了这一点，线性叠加处理产生的误差在生产加工中可忽略不计。

子步骤S124：根据所述原始电阻值和打点后的电阻值，获得片阻上蚀坑的数量、位置与片阻的阻值增加率之间的关系。

重复上述步骤S123～S124即可得到多组“片阻上蚀坑的数量、位置与片阻的阻值增加率之间的关系”数据，基于这些关系数据就可以进行多项式拟合得到多项式系数。改变光斑参数重复上述步骤S123～S124，又可以得到不同光斑参数下的多组“片阻上蚀坑的数量、位置与片阻的阻值增加率之间的关系”数据。按照便于检索的规则进行存储，形成数据库文件，作为阻值修调的依据。如图4b～图4d所示，分别为改变光斑形状、间隔和尺寸进行模拟计算的示意图。图4e为横向补充打点进行模拟计算的示意图。

在实际验证试验中，选取30个片阻，将其分为6组，用调阻机对它们以30μm间隔进行纵向间隔打点，每个组内的打点数量相等，而不同组的打点数不同，分别为1、2、3、5、7和9个点。将基片固定在调阻机内的平移台上，在调阻机自带的显微镜下定位调阻后的片阻在恒温油浴槽中测量阻值，计算调阻前后的电阻变化百分比，并与纵向间隔打点模拟值进行对比。另外，由上述步骤所得的纵向间隔打点的阻值变化规律的多项式系数，可以组成调阻多项式，把刻蚀点数1、2、3、5、7和9分别代入此多项式，得到调阻前后的电阻变化百分比的模拟计算值，并与实验测量的电阻变化百分比对比，结果表明这两者十分接近。

实验验证结果表明，模拟计算的结果与实验结果从整体看是符合的，因此这种ANSYS有限元模拟可以作为一种有用计算方法并指导调阻工作中策略的制定。

步骤S130：根据调阻机的光斑参数和所述偏差，从数据库中搜索对应的多项式系数，并通过插值计算，确定阻值调整策略。

在确认了模拟计算的可靠性的基础上，再根据步骤S120得到的纵向间隔打点和横向补充打点的阻值变化规律的拟合多项式，制定各个片阻的调阻策略。

这里的调阻策略是：根据片阻当前阻值与目标阻值的偏差百分数，用纵向间隔打点的阻值变化规律的拟合多项式确定纵向打点个数。注意纵向打点数引起的阻值变化率不能超过当前阻值与目标阻值的偏差百分数，再根据横向补充打点的阻值变化规律的拟合多项式和调阻残差(调阻前阻值与目标阻值的偏差百分数减去纵向间隔打点的阻值变化百分数)，确定横向补充打点的数量和横向打点偏移量。

例如：一个原阻值是319.8kΩ的片阻，需要将其调到的目标阻值是340kΩ，阻值偏差百分数为6.3％。根据以上策略，首先确定其纵向打点数为7，仅有这7个纵向点阻值只增加6.04％，因此调阻残差为0.26％，确定再需要1个横向偏移5.9微米的刻蚀点，最终选择的刻蚀方案是在功能区中心纵向每隔30微米打1个蚀坑，一共打7个纵向刻蚀坑(粗调蚀坑)，然后在处于中间位置的刻蚀坑的横向任意一侧偏移5.9微米打1个刻蚀坑(细调蚀坑)，此即该片组的初步的调阻策略。

步骤S140：调阻机根据所述阻值调整策略进行打点完成调阻。即根据上述步骤S130得到刻蚀的蚀坑的数量和位置进行蚀刻。调阻后的片阻在25℃恒温油浴槽中测量阻值，统计调阻后阻值相对于目标阻值的分布情况。在步骤S130的例子中，调阻完成后的片阻阻值为340.8kΩ，与目标阻值偏差0.24％，这说明在允许的误差范围内，这一调阻策略完成了预期的调阻工作。

进一步地，还包括：当调阻后的阻值不符合设定精度要求时，重复进行调阻。实际的调阻工作中，阻值只需调整到距离目标阻值一定范围内，这个范围就是调阻精度。对于不满足调阻精度的片阻，进行二次调阻甚至是更多次数的调阻，直到全部调阻精度达到要求，最后封装片阻完成高精度薄膜温度传感器制备。

基于相同发明构思，还提供一种薄膜式热敏电阻的制造方法。该方法包括以下步骤S210～S230。

步骤S210：制备热敏电阻阵列。具体可以包括：制备NTC靶材，它是由Mn、Co和Ni这些过渡元素的氧化物烧结成的陶瓷；用丙酮、酒精对绝缘陶瓷基片进行超声波清洗烘干，放在等离子清洗机中清洗；采用磁控溅射法，在绝缘的陶瓷基片上旋转镀膜形成电阻功能层，用光刻法刻蚀功能层，形成热敏电阻功能层阵列；退火处理后，使用镍铬合金作为过渡层材料，Au作为电极层材料，溅射蒸镀制备内电极；用光刻法刻蚀内电极层，在每个热敏薄膜区上沉积2个金电极，金电极之间留下狭长的导电功能区，此导电功能区的宽度为10～200微米；为稳定阻值进行低温热处理。

步骤S220：对所述热敏电阻阵列进行调阻。本步骤采用上述实施例的薄膜热敏电阻的调阻方法。

步骤S230：对调阻完成的热敏电阻阵列进行封装。

上述热敏电阻的调阻方法和制造方法，通过模拟计算将可能采用的调阻策略的调阻规律预先计算出来，存入数据库中，在需要时直接调取数据快速制定调阻方案并确定调阻工作参数，实现快速而精准的激光调阻。上述方法有助于提高薄膜热敏电阻阻值精度和生产效率。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。