稀有金属 2005,(04),465-467+2-4 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2005.04.019

铂粉物理特性对厚膜铂电阻温度系数的影响

贺昕 朱晋 吴聪 李治宇

北京有色金属研究总院有研亿金新材料股份有限公司,北京有色金属研究总院有研亿金新材料股份有限公司,北京有色金属研究总院有研亿金新材料股份有限公司,北京有色金属研究总院有研亿金新材料股份有限公司,北京有色金属研究总院有研亿金新材料股份有限公司 北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088

摘 要：

采用化学还原方法制备3种超细铂粉, 通过对铂粉物理特性的测试和微观结构分析, 解释了引起电阻温度系数 (TCR) 变化的原因。发现粒度分布为0.1⁰.6μm, 比表面积1.45m2.g-1, 松装密度0.85g.cm-3, 表面光滑的2#球形铂粉, 用于制作厚膜铂电阻温度传感器生产工艺可行, 电阻温度系数达到380×106.℃-1, 是一种理想的电阻材料。

关键词：

铂粉;厚膜铂电阻;温度系数;

中图分类号： TB44

收稿日期：2005-06-28

Effect of Performance of Platinum Powder on TCR of Thick Film Platinum Resistance

Abstract：

Three different superfine platinum powders were prepared by chemical reduction method. The physical characteristics of the platinum powder was measured. Through analyzing the microstructure of the platinum powder, the change of TCR value was explained. It is found that the platinum powder, marked with 2#, is spherical with smooth surface. Its size distribution is 0.1～0.6 μm. The specific surface is 1.45 m2·g (-1) and the apparent density is 0.85 (g·cm (-3) ) . It is suitable to manufacture thick film platinum resistance temperature sensitive elements with TCR 3850×106·℃ (-1) . It is a perfect material of resistance.

Keyword：

<Keyword>platinum powder; thick film platinum resistance; TCR;

Received： 2005-06-28

厚膜铂电阻温度传感器具有卓越的响应速度和明显的精度优势 ^[1,2] :稳定性好、互换性好、测温范围宽 (-70～+600℃) 、输出线形讯号、体积小、阻值高、测温精度达0.01℃ (国际电工委员会IEC厚膜铂电阻温度传感器元件Pt100, 在0～100℃范围TCR平均值为3850×10^-6℃^-1) 等诸多优点, 是冶金、化工、能源、交通和科学试验等领域的关键电子元件, 主要用于物体表面、快速和小间隙场所的温度测量。厚膜铂电阻的温度系数 (TCR) 是厚膜铂电阻温度传感器的重要技术指标, 优良的TCR直接关系到温度传感器向小型化、高精度、高可靠性方向发展。影响TCR的因素有很多, 如铂粉的化学纯度、物理特性, 浆料制备技术、厚膜制作工艺等。铂粉物理特性是影响厚膜铂电阻TCR值的关键因素。粉末物理特性如:粒度分布、比表面、松装密度、形貌和表面状况等, 使粉末对电、磁、热的吸收、发射和散射等性能发生改变。本文研究了3种不同物理特性的铂粉对厚膜铂电阻TCR的影响。

1 实验

1.1 超细铂粉制备工艺及粉末特性

采用化学还原法, 通过对还原剂、分散剂的选择, 还原温度的改变, pH值的控制, 得到不同粒径、比表面积、松装密度和形貌的3种铂粉, 其粉末特性如表1所示。从表1可以看到, 1^#Pt粉的粒径最小, 为纳米级, 3^#Pt粉粒径最粗;1^#Pt粉比表面积大于7 m²·g^-1, 比2^#Pt粉和3^#Pt粉大很多。3^#Pt粉的松装密度最大为1.08 g·cm^-3, 1^#Pt粉的松装密度最小。

3种铂粉的透射电镜照片如图1所示。从图1中可以观察到, 1^#Pt粉呈松散球形, 大部分颗粒的粒径在0.03～0.06μm, 平均粒径为80 nm, 表面如“杨梅”状, 十分粗糙, 与极大的比表面积形成鲜明的对照;2^#Pt粉为表面光滑的球形粉末, 颗粒度均匀, 最大颗粒小于0.6μm;3^#Pt粉比1^#Pt粉和2^#Pt粉粗, 表面光滑。图1反映出的性能与表1基本一致。

1.2 铂电阻膜制备

将表1中的3种铂粉按同样配比、相同工艺制成对应的铂电阻浆料, 经400目丝网印刷在96%的氧化铝陶瓷基片上, 制成线分辨率为0.1 mm×0.1mm的“弓形”图案, 经150℃烘干10 min, 在峰值温度1250℃下, 恒温1 h, 烧结制成铂电阻膜, 包封后, 用扫描电镜进行电阻膜微观结构分析, 如图2所示。从图2 (a) 中可以看到, 膜层中有明显的收缩孔和裂纹, 产生了严重的结构缺陷;图2 (b) 和 (c) 中, 组成膜层颗粒之间较好的搭接, 膜层均匀, 致密一体化, 几乎没有大的颗粒团聚体, 图2 (c) 更明显。

表1 3种铂粉的粉末特性比较  下载原图

Table 1 Characteristic of three kinds of platinum powder

表1 3种铂粉的粉末特性比较

图1 3种铂粉的电子显微镜照片

Fig.1 Micrographs for three kinds of Pt powders

(a) 1^#Pt粉; (b) 2^#Pt粉; (c) 3^#Pt粉

图2 铂电阻膜表面的显微照片

Fig.2 Metallograph of Pt Resistance film surface

(a) 1^#Pt粉; (b) 2^#Pt粉; (c) 3^#Pt粉

1.3 厚膜铂电阻的温度系数TCR值测试

将3种铂粉对应所得3种厚膜铂电阻按IEC751标准的方法获得的TCR值由 (1) 式计算:

式中t₁, t₂为测定温度, R₁, R₂为相应温度下的电阻。

TCR值见表2所示。从表2看出, 1^#Pt粉对应TCR平均值最低, 仅为3821×10^-6℃^-1;3^#Pt粉对应TCR平均值最高, 为3858×10^-6℃^-1;2^#Pt粉对应TCR平均值为3853×10^-6℃^-1, 与国际电工委员会IEC751标准的TCR=3850×10^-6℃^-1最为接近。

表2 3种厚膜铂电阻的TCR  下载原图

Table 2 TCR of three kinds of thick film platinum resistance

表2 3种厚膜铂电阻的TCR

2 讨论

选用粒径小 (平均粒径80 nm) 、比表面积大 (>7 m²·g^-1) 、表面形状复杂的1^#Pt粉制作厚膜铂电阻, 电阻膜表面和内部有大量的晶格缺陷, TCR值较低, 仅为3821×10^-6℃^-1。粉末粒径小, 比表面积大, 颗粒表面越粗糙, 或表面凹凸越严重, 粉末本身存在严重的晶格缺陷, 电子散射增加, 电子迁移率下降, R₁增大;烧结时金属膜层越容易收缩 ^[3] , 形成大量缩孔, 膜层形状粗糙, 产生大量的界面, 粉末颗粒对玻璃相浸润面增加, 被包围的玻璃相越多, 这种物理边界层类似于引入了外来杂质, 电子散射增强, R₁增大。当温度升高时, 由于杂质散射和晶格散射随温度变化的趋势相反, 迁移率随温度变化较小, ΔR值较小。由公式 (1) 可以看出, TCR值降低。因此1^#Pt粉制备出的铂电阻温度系数TCR值偏低。

3^#Pt粉粒径较粗, 比表面较小, 为表面光滑的球形粉末, 自身存在较少的界面和晶格缺陷, 电子散射少, 此时R₁较小。松装密度最大, 烧结时总收缩量较小, 形成的电阻膜层均匀、致密一体化;粉末粒径较粗, 金属颗粒和玻璃相接触面小, 烧结时对玻璃浸润面少, 相对引入的杂质较少, 电子散射减弱, R₁较小。当温度升高时, 固有电导起主要作用, 电子散射增强, 电子迁移率随温度升高而大幅度下降, ΔR值增大。厚膜铂电阻表现出较高的TCR值。虽然如此, 在实际应用中发现, 由于粉末粒径粗, 在较高温度1250℃下烧结时, 金属颗粒浸润的玻璃较少, 电极膜层与基体陶瓷附着力差, 产生局部脱膜, 不易采用。

2^#Pt粉有良好的物理特性, 粒径为0.10～0.60μm, 比表面积为1.45 m²·g^-1, 松装密度为0.85 g·cm^-3, 为表面光滑的球形粉末, 从粉末自身减少了缺陷的产生, 使温度升高时电子散射减弱, 有利于获得理想的TCR值。

3 结论

采用化学还原法, 得到粒径0.1～0.6μm, 比表面积1.45 m²·g^-1, 松装密度0.85 g·cm^-3, 表面光滑的球形铂粉, 制作铂电阻温度传感器, 电阻温度系数 (TCR) 平均值为3853×10^-6℃^-1, 是获得TCR=3850×10^-6℃^-1厚膜铂电阻的理想材料。

参考文献

[1] Yu Shougeng, Zhang Xiaomin, Liu Enuo. Proceedings of the fif-teenth international precious metals conference and exhibition [ C].Naples, Florida, 1991.283.

[2] Yu Shougeng, Zhang Xiaomin, Liu Enuo. Proceedings of interna-tional conference on electronic components and materials/sensors andactuators [C]. October 5-8, 1995.368

[3] 韦群燕, 俞守耕.银粉特性对银膜致密性的影响[J].贵金属, 2001, 22 (3) :35.