2023-03-23 09:11:39 由 yihong 发表
摘要
自 1992 年以来，从 Lake Shore Cryotronics, Inc. 以商品名 Cernox™ Resistance Thermometers (CXRTs) 制造的低温温度传感装置由溅射氮氧化锆薄膜制成。这些传感器具有低温温度计所需的许多特性，目前广泛使用 用过的。 迄今为止，文献中没有可用的长期稳定性数据。 在过去的六年中，来自六个初始晶圆生产批次的三十九个温度传感器已定期校准并监测长期校准稳定性和老化影响。 这些设备在校准之间储存在室温下。 稳定性比较是根据经过的时间、封装类型、晶圆批次和灵敏度级别给出的。 对六年期间校准数据的分析表明，这些设备在 1.4 K 至 325 K 的温度范围内重复了初始校准，平均温度在 ±0.08% 以内。 在晶圆批次、传感器灵敏度和封装方面，测量了稳定性的微小定性和定量差异。
介绍
Yotsuya 等人证明，由溅射氮化锆薄膜制成的电阻器可能是低温温度计。 Lake Shore Cryotronics, Inc. 开展的进一步工作促成了商品名为 CernoxTM 电阻温度传感器 (CXRT) 的商用设备的开发。溅射沉积发生在由氩气、氮气和氧气组成的气氛中。 明智地选择沉积参数可以将氧结合到 ZrN 晶格中。 随着 ZrN 晶格中加入更多的氧，晶格会扩大，从而将电导率从金属行为稳步改变为渗透行为。因此，可以生产具有灵敏度的电阻温度传感器，以类似于锗电阻温度传感器的方式覆盖所需的温度范围 . 这些设备具有许多有用的特性，包括宽温度范围、小物理尺寸、快速热响应时间、低磁阻和出色的抗电离辐射性。 详细说明这些特性的数据可从文献或制造商处获得。然而，迄今为止，这些类型设备的长期稳定性尚未量化。 目前的工作旨在为 Cernoxä 电阻温度传感器提供长期稳定性数据。
实验步骤
在氩气/氮气/氧气气氛中反应溅射氮氧化锆薄膜。 改变沉积参数以产生一系列室温无量纲灵敏度 STº(T/R)(dR/dT) 从约 -0.5 到 -1.5 变化的晶片。 无量纲灵敏度与几何形状无关，并允许在独立于最终传感器图案的薄膜之间进行快速比较。 使用标准光刻技术从每个晶圆制造测试传感器，以定义有源传感器区域和后续触点。 触点以交叉手指的形状形成，以允许将传感器电阻值向上调整到所需水平。 图 1 显示了完成的传感器芯片布局和比例。 这些传感器的温度下限旨在涵盖表 1 中列出的具有商业低温重要性的三个温度范围。对于每个型号名称，最低温度下的电阻限制为 100 kW。 典型的室温电阻约为 30 至 60 W。图 2 显示了每个测试晶圆的样本的典型电阻与温度曲线。 图 3 显示了图 2 中绘制的每个样品的典型灵敏度 dR/dT。最后，图 4 显示了图 2 中所示每个样品的无量纲温度灵敏度 (T/R)(dR/dT)。
为了防止薄膜表面损坏/污染并便于处理，这些裸芯片采用两种方式之一进行封装。 第一种方法使用直径为 3 毫米、长为 8 毫米的镀金铜罐，与用于其他常用低温温度计（例如锗和碳玻璃电阻温度计）的铜罐相同。 两条直径为 50.8 毫米的金线球焊到 Cernox 芯片接触垫上。 然后将芯片用环氧树脂固定到氧化铍接头上。 金引线点焊到穿过氧化铍集管的磷青铜引线。 然后将镀金铜罐和磷青铜引线用 Stycast 环氧树脂粘合到集管上，形成气密密封。 罐在密封前充满 He-4 气体以增强热连接。 在第二种方法中，Cernox 芯片被焊接到一个长 3 毫米、宽 1.84 毫米、高 0.98 毫米的陶瓷封装的空腔中。 封装底部是蓝宝石，侧面和顶部是氧化铝。 电气连接是通过将一根直径为 25.4 毫米的金线从每个芯片接触焊盘球焊到封装电气馈通焊盘来实现的。 封装后，器件从室温到液氮温度热循环200次进行调理。
图 1. 芯片布局和规模。
从 1.4 K 到 325 K 的温度校准是在 Lake Shore Cryotronics 的商业温度校准设施中进行的。 温度和电阻是使用标准级铂和锗温度计结合吉时利 224 型电流源、惠普 3456A 型 DVM 和 Guildline 9330 型标准电阻器（电阻值从 10 W 到 100 kW，以十进制为单位）测量的。 被测设备与一个具有可比值的标准电阻器串联放置。 电流变化至最小值 0.1 mA，以在校准期间在每个传感器上保持标称的 2 mV 信号电平。 电压表以比例形式使用，读数跨越标准电阻器和被测设备。 执行电流反转以消除热 EMF。 在 1.4 K 至 325 K 的温度范围内，每个传感器采集了大约 84 个温度-电阻数据点。 超出每个极值的两个点被用于曲线拟合目的。 每次校准后，使用最小二乘拟合和 Chebychev 多项式拟合的组合对每个传感器的数据进行平滑处理。 平滑数据后，使用三次样条拟合在一组选定的比较温度下生成电阻、温度灵敏度和无量纲温度灵敏度表。 从这些表中计算得到的校准偏移为 DT=(Rfinal - Rinitial)/(dR/dT)。 每个温度下的校准偏移被认为表示每个温度下的稳定性。
图 2. 每个经过稳定性测试的晶圆的典型电阻与温度特性。
图 3. 每个经过稳定性测试的晶圆的典型温度灵敏度与温度特性的关系。
图 4. 每个经过稳定性测试的晶圆的典型无量纲温度灵敏度与温度特性的关系。
由此产生的校准精度取决于温度。 对精度的贡献来自电流源的稳定性、电阻标准的稳定性、电压表的稳定性以及 NIST 可溯源温度计的精度。 精度的典型值范围为 4.2 时的 ±4 mK、20 K 时的 ±8 mK、100 K 时的 ±30 mK 和 300 K 时的 ±180 mK。在最坏的情况下，重新校准误差可能是两倍 单个校准的规范。 应该注意的是，分辨率通常比精度高一个数量级或更高。
实验结果
以四种方式分析校准偏移数据：1）按时间，2）4.4 年后按安装封装，3）4.4 年后按晶圆，以及 4）4.4 年后按灵敏度（模型）。 选择在 4.4 年时间点进行比较，因为研究中的所有传感器都在该时间点进行了重新校准。 子集在其他时间进行了校准。 在每次比较中，显示的偏移量都是相对于初始校准的 DT/T (%) 与温度的关系。 CX-1070 型传感器的数据仅在该型号设计的 4 K 至 325 K 温度范围内考虑。 在 4 K 以下，由于大电阻，该模型会发生自热，从而模糊了稳定性测量。
稳定性取决于时间。 在构建和初始校准后的 5.8 年期间，39 个传感器的各个子集在七个不同的经过时间进行了校准。 这些经过的时间分别是 0.27 年（4 个样本）、1.1 年（8 个样本）、1.6 年（15 个样本）、2.2 年（8 个样本）、3.0 年（28 个样本）、4.4 年（39 个样本）和 5.8 年（ 25 个样本）。 在每个时间点测试的传感器都是不同的，以确保对每个单独传感器的总循环影响最小化。 图 5 显示了每个校准时间作为温度函数的平均校准偏移。值得注意的是，温度从 50 K 左右开始并达到室温时，总体趋势为负温度偏移。 由于这些是负温度系数器件，这种负温度变化表明薄膜主体、触点或两者都有较高的电阻。 尽管有向负温度的转变，但转变不会以恒定速率增长（即转变与时间没有很好的相关性）。 在 5.8 年的测试周期中，在所有测试时间，平均校准偏移小于 40 K 以下温度的 ±0.02% 和 50 K 以上温度的 ±0.08%。
稳定性依赖于包。 传感器被包装在铜罐（8 个样品）或扁平密封包装（31 个样品）中。 图 6 显示了这两组器件在构建和初始校准后 4.4 年的平均校准偏移随温度变化的情况。两种封装的长期稳定性之间存在显着差异。 由于从封装传递到传感器的应力减少，预计铜罐封装将产生更稳定的传感器。 数据显示，封装在这些铜罐中的传感器已经漂移到更大的负温度变化，DT 大约为温度的 0.10%。 如前所述，这些是负温度系数器件，因此负温度偏移表示身体/触点系统中的电阻较高。 另一方面，封装在扁平密封封装中的 Cernoxä 器件在 4.4 年内在零附近有小的偏差，偏移量低于温度的 ±0.05%。 这种差异可能归因于 Cernox 芯片和扁平密封封装之间热膨胀系数的更好匹配，从而在热循环时对传感器薄膜产生较小的应力。 在扁平密封封装中，两块金属化蓝宝石之间形成焊料连接，其中一块包含 Cernoxä 薄膜。 为铜罐形成环氧蓝宝石与 BeO 的连接。 具有焊环密封的扁平气密封装也可能产生更好的气密性。 与采用 Stycast 环氧树脂密封的铜罐相比，这将使污染物远离封装并远离传感器薄膜。
图 5. Cernox™ RTD 在每个时间点随温度变化的平均校准偏差。
图 6. 两种封装类型的 CXRT 随温度变化的 4.4 年校准偏移。
图 7. 4.4 年的校准偏移作为本实验中使用的每个晶片的温度函数。
稳定性取决于晶圆。 传感器由六个不同的晶片制成。 每个晶圆生产大约 1300 个传感器。 表 1 给出了从每个晶圆测试的样品数量（在某些情况下很少）。图 7 显示了这六组设备在构建和初始校准后 4.4 年的平均校准偏移随温度的变化。 在 40 K 到 325 K 的所有晶圆中都注意到了类似的行为，其中小的负温度漂移是典型的。 在 40 K 以下，五个晶圆显示出温度负漂移的趋势。 第六个晶圆 2Z255A 也向负温度方向漂移，但漂移程度大约是其他五个晶圆的三倍。 总体而言，在 4.4 年期间，所有晶圆的长期稳定性在 40 K 以下的温度优于 ±0.25%，在 40 K 以上的温度优于 ±0.10%。
稳定性依赖于灵敏度（模型）。 这些传感器经过专门设计，具有最佳灵敏度以覆盖特定温度范围。 为这些传感器指定的 Lake Shore 型号是 CX-1030（最不灵敏、最宽范围）、CX-1050 和 CX-1070（最灵敏、最窄范围）。 表 1 列出了每种模型类型的样本数量。图 8 显示了在构造和初始校准后 4.4 年的这三种 Cernox 设备模型的平均校准偏移随温度的变化。请注意偏移的形状 三个级别的灵敏度之间非常一致。 正如所料，灵敏度最低的 CX-1030 型号具有最高的偏移量。 同样，负温度变化表示电阻增加。 对于所有三种型号，偏移均小于温度的 ±0.07%。
图 8. CXRT 三个灵敏度水平的 4.4 年校准偏移与温度的函数关系。
结论
随着时间的推移，在室温下存储的 CXRT 传感器似乎确实存在更高电阻/负温度偏移的趋势，但偏移的大小与时间没有很好的相关性。 在 5.8 年的测试周期中，在所有测试时间，平均校准偏移小于 40 K 以下温度的 ±0.02% 和 50 K 以上温度的 ±0.08%。
在 4.4 年的时间标记上，安装在扁平密封封装中的 CXRT（DT 小于温度的 ± 0.05%）比安装在镀金罐中的 CXRT（DT 小于温度的 ±0.1%）稳定得多 . 这可能归因于将 Cernox 芯片安装在扁平密封封装中时热膨胀系数的更好匹配，以及扁平密封封装与铜罐封装相比更好的气密性。
在 4.4 年的时间标记上，在 40 K 至 100 K 温度范围内的所有晶圆中都发现了类似的长期稳定性。 低于该温度，一个晶片显示出数量上不同的稳定性。 总体而言，所有晶圆的长期稳定性优于 40 K 以下温度的 ±0.25% 和 40 K 以上温度的 ±0.10%。
在测试的所有三个灵敏度级别（模型）中，长期稳定性被测量为非常相似。 灵敏度最低的模型显示出最高的偏移量。 对于所有三种型号，偏移均小于温度的 ±0.07%。
