一种宽频薄膜热电变换器及其制备方法与流程

本发明涉及电能计量领域，具体涉及一种宽频薄膜热电变换器及其制备方法。

背景技术：

1、交直流转换标准是基本电学标准之一，通过这个标准可以将10hz～1mhz的交流电压（或电流）从相应的直流量导出，并溯源到约瑟夫森直流量子电压基准。目前，国际上最精确的交直流转换标准系统是通过一种由加热体和感温单元组成的热电变换器实现的，使交流电压（或电流）和直流电压（或电流）依次轮流施加在加热体上，感温单元测量加热体的温度，比较它们产生的焦耳热，就可以计量交流电压（或电流）产生电功率的大小。目前，热电变换器包括以下三种类型：单元热电变换器、立体多元热电变换器以及薄膜热电变换器。

2、由于单元热电变换器和立体多元热电变换器，都具有使用频率范围窄、易被静电击穿等缺点，薄膜热电变换器是目前使用的主要类型。

3、目前这种薄膜热电变换器在低频（100hz以下）和高频（100khz以上）下都具有较大的热电转换误差，现有的技术手段是通过制作多对靠近加热体的铜-康铜薄膜热电偶的对称结构，提升热电堆的输出电势以降低转换误差，但是仍然具有以下三种缺陷难以避免：

4、① 当电流通过热电变换器的加热体时，由于热电效应的存在，如珀耳帖效应或者汤姆逊效应，加热丝上产生非焦耳热；

5、② 由金属导体的趋肤效应，加热体两个电源输入端之间的电容耦合引起高频误差；

6、③ 热电变换器的加热丝在通入交流电流时，如果交流电的频率降到足够低，加热丝上的温升将随着电流的幅值的变化而变化，其结果是加热丝的温升有一个恒定分量和一个交变分量，产生倍频热纹波，导致低频误差。

7、例如，这种薄膜热电变换器在2000khz的频率范围内的交直流转换差精度仅能达到10-5量级，若采用这种薄膜热电变换器在10hz～1mhz的频率范围内进行交直流转换，其精度根本不可能达到10-6量级。

8、如何在现有技术的基础上尽可能的提高这种薄膜热电变换器在10hz～1mhz的频率范围内的交直流转换差精度，使其达到10-6量级，是本领域一直亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种宽频薄膜热电变换器的制备方法，将加热体和热电偶分别利用不同的基底制造，并采用bi、sb制作赛贝克系数较大的热电偶，解决了现用技术中薄膜热电变换器在高频及低频段误差较大的问题，在10hz～1mhz的频率范围内，使交直流转换差小于5×10-6。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种宽频薄膜热电变换器的制备方法，包括以下步骤：

4、1）在第一基底上设置隔热层，在隔热层上制备多个薄膜热电偶，各薄膜热电偶串联形成宽频薄膜热电变换器的感温单元，退火；

5、2）在陶瓷基底上设置金属薄膜加热体，形成宽频薄膜热电变换器的加热单元，退火；

6、3）采用倒装芯片键合工艺将加热单元与感温单元键合，使感温单元隔热层上各薄膜热电偶的热端与加热单元的陶瓷面接触，形成宽频薄膜热电变换单元；

7、4）将宽频薄膜热电变换单元置于封装载体上，使宽频薄膜热电变换单元通过引线与封装载体上的电极连接，然后进行封装。

8、优选地，所述第一基底为硅基底，或者石英基底。

9、优选地，所述第一基底设置隔热层的方式如下：

10、先在第一基底上设置第一sio2薄膜层，再在第一sio2薄膜层上设置一si3n4薄膜层，最后在该si3n4薄膜层上设置第二sio2薄膜层，使两个sio2薄膜层与si3n4薄膜层共同形成宽频薄膜热电变换器的隔热层。

11、优选地，所述薄膜热电偶的正、负极按照下列方式制备：

12、① 正极：将铋bi作为靶材，通过磁控溅射法得到正极；

13、② 负极：将锑sb作为靶材，通过磁控溅射法得到负极。

14、优选地，所述热电偶正极薄膜的靶材铋bi、负极薄膜的靶材锑sb的纯度均大于等于99.9%。

15、优选地，所述金属薄膜加热体采用镍铬硅合金，或者镍铬铝铜合金溅射沉积得到。

16、优选地，所述隔热层的各薄膜热电偶之间均通过薄膜导体串联，所述薄膜导体的材质为铜。

17、采用上述制备方法得到的宽频薄膜热电变换器，包括一宽频薄膜热电变换单元，该宽频薄膜热电变换单元包括加热单元、感温单元，所述感温单元包括设有隔热层的第一基底，以及设置在该隔热层上的多个串联的薄膜热电偶；

18、所述加热单元包括设有金属薄膜加热体的陶瓷基底；

19、所述加热单元与感温单元倒装键合，使感温单元隔热层上各薄膜热电偶的热端与加热单元的陶瓷面接触，形成宽频薄膜热电变换单元。

20、优选地，所述薄膜热电偶的正、负极按照下列方式制备：

21、① 正极：将纯度大于等于99.9%的铋bi作为靶材，通过磁控溅射法得到正极；

22、② 负极：将纯度大于等于99.9%的锑sb作为靶材，通过磁控溅射法得到负极。

23、优选地，所述隔热层的各薄膜热电偶之间均通过薄膜导体串联，所述薄膜导体的材质为铜。

24、本发明的有益效果如下：

25、① 现有的薄膜热电偶多用铜-康铜热电偶，赛贝克系数仅为bi、sb材料的1/3，热电变换器灵敏度较低，输出信号相对较弱，输出电压对环境温度的依赖性较大，本发明所述的热电偶由铋(bi)和锑(sb)制成，赛贝克系数大，因此输出的热电动势信号较大；利用金属cu将多个薄膜热电偶串联形成感温单元，其输出信号较强，有助于提高器件灵敏度，减少误差；

26、② 本发明所述宽频薄膜热电变换器的加热单元，是在陶瓷基底上设置金属薄膜加热体形成的，薄膜热电偶的热端紧靠加热单元陶瓷基底的陶瓷面，由于陶瓷是为导热性高的绝缘体，其导热系数高达140wm-1k-1，采用陶瓷作为加热单元的基底，薄膜热电偶的热端被陶瓷基底与金属薄膜加热体隔开，不会使金属薄膜加热体与薄膜热电偶导通，还能够使金属薄膜加热体各部分温度相对均匀，在减少非焦耳热的产生，降低转换误差的同时，促进热量在加热单元中的扩散，使输入电流更高；

27、现有技术的薄膜热电变换器的金属薄膜加热体与薄膜热电偶的热端之间没有采用导热性好的绝缘体来快速传递热量，而本发明能够大大减少加热单元与薄膜热电偶的热传导过程中存在的热量损失；

28、③ 采用镍铬合金溅射沉积形成的金属薄膜加热体为薄膜形态，能够减小高频下趋肤效应引起的误差；

29、④ 现有的薄膜热电变换器为了光刻图案、薄膜制备方便，金属薄膜加热体和薄膜热电偶均制备在同一基底上，在进行退火处理时，加热体和薄膜热电偶的热处理时间相同，会出现薄膜热电偶与基材热膨胀后膜基结合力降低、金属薄膜加热体的热处理时间不够、金属薄膜加热体的电阻温度系数较高，不符合要求等问题；

30、本发明将金属薄膜加热体和薄膜热电偶分别在两个单独的基底上制造，倒装前对金属薄膜加热体进行单独退火处理，以降低金属薄膜加热体的电阻温度系数，使制备的金属薄膜加热体符合要求，金属薄膜加热体和薄膜热电偶的热处理时间不再受到同一基底的限制，能够灵活控制退火热处理的时间，对金属薄膜加热体、薄膜热电偶分别进行不同的热处理工艺，使金属薄膜加热体、薄膜热电偶的制备分别满足其对应的热处理要求，在降低金属薄膜加热体的电阻温度系数的同时，减少了低频下的转换误差，提升了薄膜热电变换器的性能；

31、⑤ 目前多用铜/康铜热电偶，若使用赛贝克系数较大的铋-锑热电偶，薄膜热电偶的正极与负极之间的接触电阻较大，不利于热电信号传导，降低其热电转换精度；

32、因此，本发明采用铜作为导电率高的薄膜导体，将各薄膜热电偶依次串联起来，形成感温单元，以避免热电偶正、负极之间的接触电阻过高导致的热电信号减弱；

33、综上所述，本发明可以解决现用技术中薄膜热电变换器在高频及低频段误差较大的问题，在10hz～1mhz的频率范围内，使交直流转换差小于5×10-6。