传感器生产中的厚膜技术

传感器生产中的厚膜技术
厚度为10~100μm的多晶膜已被用来制作传感器。它们的结构与陶瓷的结构相类似,因而把它们归为陶瓷膜。制备这些被称为厚膜的工艺与陶瓷工艺有许多共同之处,但也有一些不同。原则上,每一种传感器陶瓷都可以做成厚膜形式的。厚膜中生成的孔隙将成为制成的传感器的活性媒体。与整块陶瓷制成的传感器相比,用厚膜工艺有可能制出具有较快响应时间的传感器,同时厚膜的重量也比整块传感器的轻。由于这些原因,对厚膜传感器的兴趣与日俱增。厚膜工艺称之为丝网印刷,它的发展已很成熟,并已在工程技术的不同领域中得到了应用,例如在生产厚膜混合集成电路中。 厚膜工艺技术的起始材料是那种称之为浆料的材料,它们被印刷到陶瓷片上,陶瓷片称为基板。最常见的基板是用Al2O3制成的。

1、厚膜工艺
清洗基板,除去机械和有机的沾污物。使用喷管、通过丝网将浆料印刷在表面上。随后烘干已涂覆的膜,以去除含在粘合浆料中的有机溶剂,随即按制定的规范升温,直到浆料的烧结温度,然后在此温度中保温一定的时间。这样,厚膜的结构形成了,并且它与基板的结合也牢固了。在烧结温度中,粘结剂处于融化的状态,从而与基板牢固地相结合。另一方面,它也加速了厚膜的形成过程,并在一定程度上将陶瓷晶粒凝固在一起。粘结剂进入到了厚膜的成份中,因此有时会使传感器的参数恶化,因为它增加了传感器的阻抗。浆料在空气介质中烧结,温度在400~1 200℃之间,烧结温度取决于它的成份组成。烧结好的膜应缓慢冷却,防止在其体内产生机械应力。

2、厚膜工艺用的浆料
任何一种用于制备厚膜的浆料都包含三种成份:基本成份;粘结剂;胶合相。基本成份决定了厚膜的性质,因而它是按设定的要求选用的,根据这些基本成份的性质,浆料有绝缘性的、半导体和导电性的。但不管那种情况都是使用粉末状材料,其颗粒大小不应超过5μm。对绝缘体和半导体浆料来说,所用的粉状材料采用节2.3.1和2.3.2中讨论的一些方法制取。金属粉末用化学方法制备,或者利用一些高电导性氧化物制造导电性浆料。 粘结剂起的是粘结作用,并保证厚膜与其载体基板之间有足够的亲合性。粘结剂实际上是某种很容易融化的,以Bi2O3、PbO、CdO和SiO2等氧化物为基质的活性玻璃。最常用的一种粘结剂含有重量比为1的硼酸盐-硅酸盐玻璃和按重量比为2的Bi2O3。基本成份和粘合剂间的比例一般从15:1到20:1。
胶合相材料为浆料提供可塑能力,并在热处理之前保障厚膜在基板上有足够的粘着力。胶合相是一种包含多种有机物的混合物,以此提高粘附力。它的构成物约占整个浆料重量的25%。浆料经混合,并使其中成份达到很高的均一性,以作后用。 

3、用于陶瓷传感器电极制造的导电浆料
对传感器的正常工作来说,它的导电电极应该满足下述要求:
低阻抗;
具有多孔结构(对气敏和湿敏传感器而言);
在陶瓷表面粘结良好;
与陶瓷不发生化学性互作用;
在它之上可焊接引出线;
化学性能稳定;
热稳定。

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