1000℃高温薄膜铂电阻,国内独家工艺制造
    来源:本站  作者:洪昕彤  时间:2020-05-23 09:38  点击:  【打印此页】 【返回上一页】  【关闭

    ​高温薄膜铂电阻简介

     

    随着科学技术的发展,人类社会的万物互联是一种发展趋势,各种传感器(Sensor)的开发与利用就变得非常重要。温度是国际单位制7 个基本的物理量之一,在工业领域、民用领域、军用领域,温度的测量和控制随处可见。在民用领域,超市的食品架内温度,居家应用的热水器、电磁炉、电冰箱、手机电池板;在工业领域,如电机的轴温,加热设备的炉温,工业冷却循环水温,室外运行的汽车、卡车、高铁和飞机等交通运输工具的温度控制点,新能源行业生产线上大量应用的高温炉、退火炉等;在军用领域,火箭发动机、航天飞机等各种极端条件下的温度控制更加重要。

    铂是目前公认制造热电阻(热传感器)的最好材料,是电阻变化最均匀的材料,变化量容易表征,覆盖范围宽,从-40℃-1100℃均匀一致。铂电阻温度传感器是利用其电阻与温度成一定函数关系而制成的温度传感器,铂电阻具有测量范围大、稳定性好、示值复现性高和耐氧化等特点。由于其优良的特性,铂电阻被用来作为0~926℃温度区内的国际标准温度计。测量精度高,是其最显著优良特性.例如:美国国家实验室采用标准铂电阻温度传感器,对纳米测试装置的工作腔进行测试,其测试精度为0.001℃。

     

    图(1),传统Pt细丝绕制的温度传感器

     

     传统的薄膜铂电阻是用很细的铂丝(Ф0.03~0.07mm)绕在云母支架上制成,是国际公认的高精度测温标准传感器,如图(1)。因此铂电阻在中温(-200~650℃)范围内得到广泛应用。目前市场上已有用金属铂制作成的标准测温热电阻,如 Pt100、Pt500、Pt1000 等。因为铂电阻在氧化性介质中,甚至高温下其物理、化学性质都非常稳定,在600℃-1100℃中高温范围内,作为高温传感器技术优势更大。

    采用铂丝绕制的温度传感器,体积一般较大,用铂量高,成本高。各种设备的小型化,可用的测量空间小;低成本控制也是产业发展趋势。采用半导体工艺制备的薄膜铂电阻,器件规格在2*4*1mm以下,用铂量只有传统铂电阻的1%。温度精确到“点”测量,薄膜铂电阻具有明显优势,成本也只有传统Pt电阻的3-5%。薄膜铂电阻如图(2)所示。在规模化生产条件下,薄膜铂电阻的A级精度允许测量误差±0.15℃。

    图(2)福宜高温薄膜铂电阻样品

    国内制备的薄膜铂电阻,现有产品只能满足600℃以下中低温市场需求,市场占有率仅有5%,且多是采用印刷工艺生产的低端产品。相关资料表明,薄膜铂电阻市场,目前德国贺利氏占有50%以上,美国欧米伽占有35%,其他国外品牌占有15%。

    以汽车市场为例,薄膜铂电阻的应用一直保持9%的年增长率。从2019年开始,国家汽车排放标准升级,薄膜铂电阻市场需求将增加4倍以上。在大飞机、动车等领域,需求同样巨大。同时,大规模量产后,产品成本将大幅降低,必将部分替代现有的低端市场需求,预计实际需求量会达到10亿只以上规模。产品价格根据市场不同,从10元—100元不等,行业年实际产值将达到200亿规模。所以,开发高温薄膜铂电阻,实现进口替代,具有巨大的经济意义。在军工等特殊行业应用,实现高温薄膜铂电阻的国产化,在贸易保护主义抬头的当下,更具有巨大的政治意义。

     

    福宜探索铂电阻之路

    国内最早开展薄膜铂电阻研究的是中国科学院上海微系统与信息技术研究所(原中国科学院上海冶金所),先后承担了薄膜铂电阻开发项目的“七五”和“八五”攻关计划,并实现了产品的定型和小批量产业化,成功应用于我国的航天和军工项目。由于当时行业需求量小,并没有进行大批量生产。上海冶金所研究方向变更为现在的超导、通讯和新能源等方向,薄膜铂电阻的研究也基本中断,最早承担研究薄膜铂电阻的核心技术带头人,也都退休进入古稀之年。

    上海福宜真空设备有限公司创始人褚家宝博士,2010年进入中国科学院上海微系统所工作,筹备新型薄膜太阳能电池的中试工艺研究,2011年起组建核心团队,开展薄膜材料制备装备的研究和产业化。国家汽车排放标准升级政策明确后,薄膜铂电阻市场需求将大幅增加,很多客户和上海福宜团队接触,提出降低薄膜铂电阻成本,同时实现多渠道采购的要求。2017年底,上海福宜团队开始整合各种资源,包括拜访上海微系统所研发高温薄膜铂电阻工作的科研团队;聘请首席科学家武蕴忠教授作为福宜研究顾问;组织制备高温薄膜铂电阻产业化设备的调研;同时开展高温薄膜铂电阻制备工艺的研究。立足采用适合大批量生产的制备工艺,产品目标聚焦于高精度、适合600-950℃等高温应用需求,于2018年底,完成整体工艺的产业化试制,并制备出高精度耐高温的薄膜铂电阻。

     

    福宜高温薄膜铂电阻性能

     

     

     

    福宜产品与某进口产品温度曲线对比

     

    产品经1000℃保温50小时阻值变化

     

     

    福宜技术优势

     ● 拥有1200多平方米净化间、设备88台套
     ●拥有集芯片加工、封装、测试完整能力于一体的平台

    产学研合作优势:

    公司创始人褚家宝博士,先后在兰州大学、华东师范大学和中国科学院上海微系统与信息技术研究所学习工作,最近几年上海市研究院所的真空镀膜设备也主要由上海福宜真空设备有限公司提供定制或技术服务,公司在产学研合作方面成果显著,公司获得2016年中国科协颁发的产学研合作创新奖。多渠道、多学科的产学研合作模式,为公司的技术开发、人才培养提供了便利条件。长期合作科研机构有:

    上海技术物理研究所、微系统所、硅酸盐所、宁波材料所等。合作的高等院校主要有:上海交通大学材料学院、华东师范大学纳米中心、同济大学、复旦大学、东华大学物理系、兰州大学物理科学与技术学院、北京航空航天大学材料学院等。

    外部合作专家:

    武蕴忠,教授,中国科学院上海微系统与信息技术研究所,传感器实验主任,上海市传感器协会秘书长。

    孔向阳,教授,上海交通大学材料学院,从事汽车动力电池材料研究。和公司紧密合作,负责镀膜工艺开发过程的咨询和指导。

    孙卓,教授,华东师范大学纳米中心主任。和公司紧密合作,负责真空设备集成、产业方向定位等指导工作。

     

    武蕴忠教授在福宜交流

     

    福宜产品线规划

     

     

    2013年

    成立上海福宜真空设备有限公司,主要业务拓展为:超硬材料、陶瓷金属化、新能源和储能材料等先进工艺研发和装备产业化

    2016年

    注册成立全资子公司,上海福宜纳米薄膜技术有限公司,开展高温传感器芯片(Pt电阻)产业化。

    2018年

    注册成立全资子公司,上海福宜氢能实业发展有限公司,开展氢燃料电池双极板涂层和装备产业化。