测量氧化气氛中的炉温

选择温度传感器并不容易：热敏电阻、热电偶或RTD？但是，在炉内测量温度会带来许多挑战：温度循环、高温和恶劣环境超过了几种测量设备的极限，而其他测量设备的使用寿命大大缩短，精度较差。本文主要探讨与炉内温度测量相关的两个特殊挑战：微电子制造炉内氧化和还原气氛的类型。

熔炉概述

对热的需求在许多制造过程中是共同的。胶粘剂和橡胶被固化，金属被退火以调整其性能和冶金，涂层被干燥，金属被熔化，陶瓷被陶瓷化或烧制。这些过程中有许多是在烘箱中进行的，用煤气或电加热。可以加热到1000°C(1832°F)以上的烤箱被称为炉。窑炉是一种特殊的陶瓷窑炉。许多材料在高温下开始与周围的大气发生反应。亚博网站下载

如果该大气极度缺氧，可能会从被加热的材料中吸出氧气。这种气氛被称为“还原”。通常，气体加热会导致缺氧的环境。如果大气富氧，被加热的材料将捕获一定比例，形成氧化层。这种气氛被称为“氧化”。这是在微电子制造中使用的扩散炉中执行的过程，以生产SiO 2_2.. 电加热更有可能产生氧化性气氛。对大气的控制可以通过几种方式实现。气体可以通过管道进入燃烧室，从而形成惰性气氛。或者，可以使用真空炉。

高温测量选项

XTA、XMO、XPA、XIN系列

热敏电阻装置的上限约为100°C（212°F），RTD的上限约为750°C（1382°F）。这使得热电偶和红外高温计或成像仪成为测量温度超过1000°C（1832°F）的最理想设备。

热电偶

热电偶利用塞贝克效应，即不同金属之间的电动势差异，以产生与温度成比例的信号。镍铝和镍铬是最常用于所谓的“K型”热电偶的金属对。

K型价格低廉，可在-200至1250°C（-328至2282°F）的温度范围内使用。然而，温度超过1000°C（1832°F）时的冶金变化会降低精度，通过该温度循环会导致滞后效应，从而进一步降低精度。K型热电偶在氧化气氛中也容易受到腐蚀。

热电偶在使用中可能出现故障或损坏，需要更换。如果这需要关闭和冷却连续炉，这可能是一项昂贵和困难的工作。由于这个原因，在整个加热室中包括多余的热电偶是很常见的。

红外测温

OS530E-DM E系列

介绍了一种简便的高温测量方法——红外测温法。这项技术利用了普朗克定律，即从一个表面发射的红外辐射的强度和波长与它的温度成正比。热成像仪或高温计检测到这种辐射，将信号改变为一个温度。

当热材料的表面暴露在外时，如钢包中熔化的金属时，红外测温效果很好。用它来测量火炉内部的温度则更为复杂，因为它必须要透过窗户才能看到。这个窗口需要发射与被测温度和探测器灵敏度相对应的波长的红外辐射。

普通玻璃对某些IR波长是不透明的，主要是在6到7微米之间。硫系玻璃是专门为红外传输应用而开发的，但温度限制在370°C(698°F)以下。蓝宝石被认为是一种可替代的窗口材料，其传输波长可达4微米，但它比较柔软，容易损坏。

蓝宝石红外窗口的设计应该没有任何投影，这样当它被用作观察端口时就很容易受到损坏。蓝宝石的温度极限约为450°C(842°F)，这使得它不适用于炉温测量。

发射率一直被认为是探测技术的一个问题:不同的材料在相同的温度下发出不同强度的红外辐射，因此需要对传感器进行校准。亚博网站下载窗户会对透射的辐射产生影响。

高温热电偶

有两种热电偶可用，铂铑热电偶和使用钨铼结的热电偶。钨铼热电偶(类型G, C和D)可在高达2320°C(4208°F)的温度下工作，但不能在高温下使用氧化气氛。

氧化气氛中应选择铂铑热电偶，有时称为“贵金属热电偶”。可提供S型[最高温度1450°C（2642°F）]、R型[最高温度1460°C（2660°F）]或B型[最高温度1700°C（3092°F）]。它们甚至比贱金属热电偶更贵。

鞘的热电偶

根据安装情况，通常将热电偶线置于保护管或护套内来保护它们。不锈钢由于价格低廉且耐腐蚀而被广泛使用。然而，它的熔点约为1400°C(2552°F)，使用温度限制在1100°C(2012°F)以下，并响应氧化气氛。

考虑使用钼或钽的护套以获得最高的温度。它们将分别达到2315°C(4199°F)和2200°C(3992°F)，尽管两者都对氧化敏感，所以不应在氧化气氛中使用。

替代方案是陶瓷护套，能够承受1960°C(3560°F)，铂铑合金护套，能够承受1650°C(3002°F)，或铬镍铁合金^®600，最高可达1150摄氏度（2102华氏度）。所有这些都有可能处理氧化性气氛。

护套材料亚博网站下载

密码	材料	最大操作温度	工作环境	熔点约	讲话
股上扬	钽	2300°C 4200°F	真空	3000°C 5425华氏度	抗许多酸和弱碱。对300°C(570°F)以上的氧化非常敏感。
XMO *	钼	2200摄氏度 4000°F	惰性真空降低	2610°C 4730华氏度	对204°C(400°F)以上的氧化敏感。Non-bendable。
XPA	铂铑合金	1650°C 3000°F	氧化惰性	1870°C 3400°F	在1093°C(2000°F)没有被SO2攻击。硅是有害的。卤素在高温下会发作。
鑫	铬镍铁合金600	1150°C 2100°F	氧化惰性真空	1400°C 2550°F	高温抗氧化性好，氢易变脆。对硫腐蚀非常敏感。

*难熔金属对高于约260°C(500°F)的任何微量氧都非常敏感。

热电偶绝缘

XC, XC4, XS绝缘

绝缘集成到热电偶护套中，以防止电线接触两侧。对于这种绝缘来说，具有与环境相适应的温度等级是至关重要的。用于炉温的常用亚博网站下载材料有氧化镁、氧化铝和氧化铪。氧化铝包括最高温度等级1540°C(2804°F)，而氧化镁和氧化铪将达到1650°C(3002°F)。

外卖

热电偶被认为是测量炉内温度的一个很好的选择。虽然广泛使用的“K型”热电偶将处理熔炉温度，但G型、C型和D型以及R型、S型和B型提供了更好的性能。

在炉温下，所使用的气氛类型是一个至关重要的考虑因素。特别是，在微电子制造中使用的氧化气氛会与G型、C型和D型以及经常使用的不锈钢护套发生反应。

红外测温是测量高温的另一种方法，但是，它需要一个窗口或视口来测量炉内的温度。由于这个原因，当视线不间断时，通常首选这种方法。

这些信息来源于OMEGA工程有限公司提供的材料。亚博网站下载

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