超低温薄膜压力传感器的研制

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1、超低温薄膜压力传感器的研制何迎辉 张修如 张舸摘要：本文对薄膜压力传感器的原理、结构、工艺等进行了分析，并介绍了应用离子溅镀、激光调阻等技术研制成的一种小型超低温薄膜压力传感器。这种传感器测量范围宽、精度高、抗振动和抗腐蚀性强，能在-200℃～100℃温度范围内稳定可靠的工作。关键词：离子溅镀；薄膜；激光调阻；温度特性中图分类号：TP212.12 文献标识码：A  一、引言电阻应变式压力传感器使用广泛，类型繁多，主要有电阻应变计式、硅压阻式、薄膜电阻式等。其技术已日趋成熟，但在某些特定领域，如超高温（300℃以上）或超低温（-70℃以下），一般无法满足测量要求。针对该种传感器

2、在超低温行业中的应用，我们从原理、结构、工艺上进行了分析和设计，并成功研制了外型小巧、测量精度高（达0.2级及以上）、耐腐蚀性强、抗振性强、能在宽温区（-200℃～100℃）下精确测量的超低温薄膜压力传感器。二、分析与设计一般应变式压力传感器的最低使用温度为-50℃，如粘贴式压力传感器在-50℃以下时，往往会因粘贴胶发脆而失效，有的虽然还能测试，但在低温条件下，会引起大的温度漂移和测试误差，不能长期有效工作；而扩散硅型压力传感器虽然具有较大的负温度系数，但应变时非线性度较大，并且在宽温区范围内测量时需要复杂的温度补偿电路，因此很难实现超低温度下的精确测量。合金薄膜具有温度系数

3、小、应变基本呈线性、抗腐蚀性强、在-200℃下能保持性能稳定等特点，因而研制一种新型的合金薄膜电阻式压力传感器，便可用于超低温下的压力测量。   1、材料的选取及结构的设计为了保证传感器在-200℃～100℃温度范围内能进行精确测量并能长期有效工作，弹性元件材料和薄膜材料的性能相当重要。弹性元件主要影响传感器的迟滞、重复性、非线性、灵敏度等静态性能，应选取在-200℃～150℃温度范围内耐腐蚀、无磁性、高弹性极限、低弹性模量并具良好工艺性的恒弹材料，这种材料将为传感器高精度测量提供基础保障。因合金薄膜“生长”在弹性元件上，因此薄膜材料和弹性元件材料一样影响传感器的静态性能。作

4、为应变电阻材料，合金薄膜材料还应具有低的温度系数、高的稳定性等特点。经实验证明，当合金薄膜电阻的膜达到一定厚度时，薄膜为连续膜，薄膜电阻的性能与溅射原材基本接近。薄膜电阻应选取在-200℃～150℃温度范围内温度系数小、稳定性高、性能优良的精密电阻材料。除了原材料与工艺设计外，在传感器的结构设计上主要考虑外引信号、环境性能要求、外形尺寸要求及现场环境对传感器的要求。为了适应现行设备、设施的集成化与智能化，传感器的外型尺寸应小巧且易于安装，并能保证在强腐蚀、高振动、超低温度等恶劣环境下可靠工作。结构上所用材料基本是金属材料，采用激光焊接和等离子焊接将主结构件“熔”为一体，这种一

5、体化结构保证了传感器的非线性、可靠性、抗振性、抗腐蚀性等，能在-200℃温度下可靠工作。2、薄膜制作图1所示为薄膜压力传感器的制作工艺流程，其中的关键技术在于敏感元件的制作，即在弹性元件上沉积四种功能薄膜、薄膜的稳定性处理和电阻值的激光修正。弹性元件上沉积的四种功能膜分别是Ta2O5与SiO2绝缘膜、NiCr电阻膜、SiO2保护膜和Au膜，具体的分布情况如图2所示。这些功能膜是采用离子束溅射工艺在经预处理后的弹性元件表面上沉积而成的。离子束溅射镀膜的原理是在高真空环境下从离子源引出Ar离子经加速后轰击靶材，靶材原子逸出后在弹性元件衬底上“生长”成膜。以上薄膜的具体制备过程如下

6、：先采用研磨、抛光等机械工艺提高弹性元件表面光洁度，减少缺陷，使薄膜材料和衬底材料之间具有很好的结合性，同时平整光洁的表面也使得在衬底上沉积的绝缘膜不需要太厚；然后在真空室内进行镀膜工艺。第一层绝缘膜是Ta2O5膜，起过渡连接作用，第二层绝缘膜是SiO2膜，整个绝缘膜经离子溅镀后具有相当好的绝缘性，绝缘电阻在1000MΩ/100VDC以上。绝缘膜上溅镀了NiCr合金电阻膜，主要作用是将压力信号转换为电信号输出。电阻膜上继续镀一层SiO2保护膜，可防水、防氧化等，保证电阻膜的稳定性。最后的Au膜作为电极将信号引出。如上所述，将镀膜工艺与刻蚀工艺相结合，在弹性元件上制作各种图形的

7、薄膜，然后对薄膜进行特殊的稳定性工艺处理，最后用激光对膜电阻进行修正，敏感元件的制作就完成了。通过离子溅射沉积的薄膜附着性强、均匀性好、空洞与缺陷少；相应的，用离子溅镀技术制作的薄膜敏感元件亦具有优良的稳定性。3、传感器的工作电路将在绝缘膜上的合金电阻膜刻蚀成栅条形式，均匀分布在弹性元件的不同应变区，然后连接成Wheastone全桥应变电路作为传感器的工作电路，如图3所示。因合金膜电阻相当于“生长”在弹性元件上，当弹性元件受压形变时，膜电阻随之产生拉伸或压缩形变，电阻阻值发生相应改变，使桥路输出改变。当