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溅射薄膜压力传感器的研制及应用

来源:通博最新娱乐官网 时间:2020-05-04
1.前言
溅射薄膜压力传感器是由贴片式压力传感器发展而来。薄膜式压力传感器是利用薄膜技术在弹性上直接制作溥膜应变电路的一体化敏感元件(及薄膜压力敏感元件),一方面沿用了传统的弹性体粘贴箔式应变计的电测机理,并继承了其原有的一些优点,另一方面采用现代薄膜工艺技术,用陶瓷介质代替了粘贴胶层,克服了由胶层引起的变等一系列的弊端,使其在长期稳定性、耐高温、高输出阻抗等性能指标得到了很大的提高。所以薄膜压力传感器适合于要求稳定性好、可靠性高或温度范围宽等恶劣条件下的压力参数测量。特别是在航天领域,其应用前景很广泛。
 
2.溅射薄膜压力敏感元件的结构形式和工作原理
溅射薄膜压力敏感元件一般有两种形式,一种是直接在绝缘基底(如蓝宝石基底)上,先制作金属薄膜,再用光化学等方法生成应变图形和电极,从而制做成薄膜压力敏感元件;另一种是在金属弹性体上先制作一层绝缘介质层,再在其上制作金属海膜,然后通过光刻、刻蚀的一系列的工艺形成应变图形和电极(见图1),一般制作好的敏感元件表面还需覆盖一层保护层。目前大家采用的结枃形式为后一种溅射薄膜压力敏感元件的工作原理和传统的粘贴箔式应变计的压力传感器工作原理一样,敏感元件的应变图形由四个应变电阻组成惠斯墩电桥,随着被测压力的变化弹性体产生变形,电桥的四个电阻感知弹性体的应变,产生电阻值变化,通过应变电测测量压力。

 
3.溅射薄膜压力敏感元件的主要制造工艺
溅射薄膜压力传感器的主要制作工艺包括膜片的研磨抛光、清洗、成膜、制作光化学图形和表面保护等。图2所示为射薄膜压力敏感元件的主要流程框图。
3.1膜片的研抛光
金属膜片的表面研磨和抛光是制造澱射薄膜敏感元件关键工艺,膜片表面研磨、抛光质量的好坏将直接影响到后续工序质量,因此膜片经研磨、抛光后其表面质量须达到以下要求:表面粗糙度Ra≤0.1um;平面度≤1.2um,且表面不能有划痕、桔皮等缺陷研磨一般需有粗豳、细磨,细磨后的表面不能有划痕。抛光工艺采用沥青胶版抛光工艺,沥青胶版地光法抛光后的膜片表面效果较好,用沥青胶版抛光制作的敏感元件的温度性能、绝缘强度、产品成品率较好。
3.2膜片的清洗工艺
膜片在成膜前要经过化学试剂超声波清洗和离子轰击清洗两道工艺。化学试剂超声波清洗可以去除膜片表面的油脂、微尘等污染物,离子轰击可以去除膜片表面吸附的水汽、空气的徵观污染。洁净的膜片表面可以获得到良好的薄膜结合力,膜片表面清洗不干净会导致膜层的结合力下降,严重时还会导致膜层脱落。
3.3薄膜沉积
制备薄膜的方法很多,在薄膜压力敏感元件制作过程采用的方法大致有真空蒸发成膜和溅射成膜两种,而溅射成膜又可分直流溅射、射频(RF)溅射、离子東溅射(IBS)等几种。真空蒸发成膜结合力差,且工艺重复性不好,所以现在在薄膜压力敏感元件的制作工艺中已经很少有人采用。直流溅射成膜也因为不能沉积介质膜而不被采用。目前,在制造工艺广泛使用的方法基本上是射频溅射成膜和离子束溅射成膜两种。
3.4制作电极图形
电引线图形的材料使用一般使用高纯Au制作电极图形,一般是先用光刻的方法在金层上形成掩模,然后用水基12、KI腐蚀液化学腐蚀出图形。该腐蚀液在浓度、腐蚀温度和搅拌速度合理时,对膜片材料、电阻材料基本上不腐蚀,可以很好地控制腐蚀终点。
 
3.5制作应变电路图形
制作应变电路图形一般是先用光刻的方法在膜层上形成掩模,然后进行化学腐蚀或干法刻蚀的方法进行图形加工。化学腐蚀一般得到的图形线条边缘不整齐,而且有侧向腐蚀现象。干法刻蚀图形线条边缘比较整齐,而且无侧向腐蚀,所以一般都采用离子東干法刻蚀工艺。
3.6敏感元件表面保护
在制作好应变图形的敏感元件表面,沉积一层介质膜层,可以提高敏感元件的抗湿性能,防止应变电阻层在长期使用过程被氧化和污染,有利于保证敏感元件的长期稳定性和可靠性。保护层和绝缘介质层一殷采用同种材料,目前大部分薄膜压力敏感元件生产厂家使用的材料为SiO2。
 
4.溅射薄膜压力传感器的一般结构
溅射薄膜压力传感器的一般结构如图3所示
溅射薄膜压力敏感元件的一般结构是:把敏感元件(图3中序号)和接管嘴(图3中序号2)组成一个封闭的腔体,压力通过接管嘴作用到敏感元件上,敏感元件上的四个应变电阻组成惠斯敦电桥随着压力的变化,敏感元件的不锈钢弹性体产生应变,从而使应变电阻产生变化,电桥失去平衡,在激励电压的作用下,传感器输出发生变化。传感器输出的变化与所感受的压力成正比。
敏感元件与接管嘴用先进的激光焊工艺焊接,这种焊接方法具有热应力小、焊接速度快、焊接设备简单易维护等优点。为了改善传感器的性能,通常在一般结构的基础上进行优化设计,如为防止接管嘴在安装时扳手产生的应力传递到敏感元件上,在接管嘴上设计应力隔离槽(图3中敏感元件下部的细颈);为改善传感器的动态相应特性,在引压部设计了迷宫结构,如图3中径向小孔,使介质压力不直接作用在敏感元件上,而是通过四个小孔传递到敏感元件上,迷宫小孔起阻尼作用。传感器的灵敏度一般为15mV左右,通常需配差动放大电路对信号进行放大,以满足航天遥测系统标准信号0V~5V的幅度要求。
 
5.溅射薄膜压力传感器的应用
溅射薄膜压力传感器的膜片和接管嘴通常使用相同的材料,焊接使用激光焊接,属于自熔焊,且焊接时用惰性气体对焊口进行保护,因此焊接强度高,焊缝安全性较好。因此溅射薄膜压力传感器常用做型号上各类发动机或贮箱等对安全性要求较高的部位的压力测量,如某运载型号单发配套的溅射薄膜压力传感器达70支。
我所研制的溅射薄膜压力传感器,产品性能指标和工艺水平在国内已经处于领先水平,且已经基本达到国际先进水平。主要技术指标达到:
◆量程范围:OMPa~0.6MPa至OMPa~60MPa;
◆桥臂电阻:1kΩ、1.5kΩ、3kΩ、5kΩ
◆输出灵敏度:1.5mV/V~2.4mV/V;
◆电桥工作电压:<30VDC;
◆常温精度:≤0.1%~0.5%(含非线性误差、迟滞误差、重复性误差);
◆热零点温度漂移:<1×10的-4F.S/℃
◆热灵敏度温度漂移:<(1X10的-4~2×10的-4)F.S/℃
◆使用温度范:-40℃~+60℃、+80℃、+100℃、+125℃、+150℃
◆绝缘电阻:在正常工作条件下>100M9;在+40℃,95%~98%RH湿度环境下,>2MΩ
◆过载能力:1.5倍满量程压力;
◆年稳定性:0.2%
◆工作寿命:>1000h
◆输出阻抗:<1kΩ
◆功耗电流:<15mA。
 
6.数字式压力传感器及其应用
溅射薄膜压力传感器具有良好的扩展性,比如可以在其基础上将输出的模拟信号进行脉冲变换,使传感器输出信号为频率与介质压力成正比的变频脉冲信号。这种数字化的输出形式抗干扰能力强,适合远距离传型号上通常用这种数字式压力传感器来测量固体发动机的燃烧室压力,然后把与压力成正比的变频脉冲信号送入弹上控制系统进行判断,以此作为弹道导弹飞行姿态控制和各级发动机点火或关机的判据。数字式压力传感器是一种很重要的弹上设备,它的重要表现在两个方面:一,它感受的是各级主发动机燃烧室的压力,直接用管路与燃烧室腔体连接。因此系统对它有很高的安全性要求,对传感器来说,首要的是进行防泄漏设计,要求焊缝的强度余量要高,焊接后要进行疲劳试验,消除焊接产生的热应力,同时加速暴露焊接缺陷;二,它感受的信号要作为飞行姿态控制和各级发动机点火或关机的判据,因此要求它具有较高的精度和可靠性。研制的数字式压力传感器已经能够满足型号使用要求,并已参加过某重点型号的四次飞行试验,每次均很好地完成预定任务,表现了良好的精度和可靠性。
 
7.结束语
溅射薄膜压力传感器具有稳定性好、可靠性高、温度性能好、能够在恶劣环境条件下使用等特点,可以更好地为型号任务提供服务,满足型号任务对压力参数可靠、准确测量控制的需要。同时薄膜压力传感器技术是军民两用技术,薄膜压力传感器不仅可以为型号任务提供服务,还可以将其推向社会,推动和促进中国传感器行业的发展。
 
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