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          高可靠薄膜高溫壓力傳感器的研制初步方案

          發布時間:2017-3-21??????發布人:澤天傳感??????點擊:

          一、國內外研究狀況

          國外最典型的高溫薄膜壓力傳感器是硅-藍寶石薄膜壓力傳感器,代表生產廠商有俄羅斯工業集團,其測量介質溫度范圍為-65℃~150℃,傳感器補償工作溫度為-40℃~80℃。其他目前正在研究的有SiC高溫壓力傳感器以及SOI材料制作的高溫壓力傳感器,但工藝尚不成熟。美國公司生產一種半導體高溫壓力傳感器,工作溫度可達300℃,但是需要通水冷卻。

          我國的高溫薄膜壓力傳感器技術研究雖然相對國外比較滯后,目前只有少數廠家正在研制高溫傳感器,但大多數產品的工作環境溫度為-40℃~125℃,介質工作溫度-50℃~150℃,目前的制造工藝還不太成熟。

          二、研究目標、主要技術指標及研究內容

          (一)    研究目標

          通過對離子束濺射鍍膜、離子束濺射刻蝕等工藝進行研究,將合金薄膜電阻集成在感壓膜片上,然后通過電路處理,將感受的外部壓力變化轉化為電信號的變化,制作出滿足應用的設計需要和裝機要求的分體式高溫薄膜壓力傳感器。形成完整的研制報告和工藝技術文件,固化生產工藝。

          (二)    主要技術指標

          1、壓力測量范圍:0~120MPa;2、工作溫度:-55℃~200℃;3、測量精度;±0.1%FS;4、輸出信號:模擬信號;5、過載:150%;6、絕緣電阻;≥1000MΩ/100VDC;7、振動、沖擊:按照GJB150中的相關內容;8、濕熱要求:按照GJB150中的相關內容;9、電磁兼容性:滿足GJB151-97和GJB152-97的要求。

          (三)    研究內容

          要制作符合既定性能的軍用高溫薄膜壓力傳感器,重點在工藝研究,本項目主要研究內容如下:

          1、應變基底材料的研究;2、離子束濺射鍍膜的工藝研究;3、薄膜電阻的穩定性處理工藝研究;4、激光調阻工藝研究;5、傳感器的抗強電磁干擾設計。

          三、擬采取的研究技術路線及關鍵技術難點

          (一)技術路線

          根據傳感器的性能指標要求,高溫薄膜壓力變送器分為兩部分:敏感元件部分(圖31)信號處理電路部分?;韭肪€是在澤天傳感現有的技術基礎上,重點解決彈性材料和封裝材料的耐高溫問題,重點研究制造性能穩定、耐高溫的多層復合薄膜,設計抗強電磁干擾的電路。

          采用離子束濺射鍍膜技術將絕緣膜和合金電阻材料鍍在高溫性能好的金屬彈性體上,經過光刻腐蝕制成柵條應變電阻,使被測壓力轉化成彈性體的形變,進而引起合金薄膜應變電阻的阻值變化,通過組成惠斯登電橋獲得與壓力成一定比例關系的電信號。

          (二)關鍵技術難點

          1、高溫薄膜淀積工藝研究

          實現高精度測量的橋式薄膜溫度壓力集成傳感器,薄膜的性能質量是關鍵。對組成傳感器的各種功能膜的質量要求主要有以下幾點:

          a. 同種電阻材料的溫度系數一致、穩定;b. 同種電阻材料的電阻率一致、穩定;c. 絕緣膜的絕緣性能好,大于1000MΩ/100VDC;d. 保護膜致密,能防電阻受潮與氧化,抗腐蝕性強;e. 引線焊盤的膜層可焊性好。

          膜層的性能與成膜工藝過程有關。鍍膜的方式、鍍膜的濺射能量、成膜時間等都將影響所鍍膜層的質量。要獲得高性能的薄膜,就必須對成膜的工藝進行研究,找出最適合的工藝參數。

          在橋式薄膜溫度壓力傳感器中,共設計了絕緣膜、鉑熱電阻膜、合金電阻膜、保護膜、引線膜五種。要制造好薄膜傳感器,就必須對主要的功能膜的工藝一一進行研究。

          為了獲得優良的絕緣性能,設計薄膜溫度壓力傳感器的絕緣層采用雙層絕緣膜形式,即先在基底材料上鍍一層絕緣膜,再在其上濺射不同材料的絕緣膜。增強彈性元件襯底之間的粘附,提高絕緣與耐壓,從而保證獲得大于1000MΩ/100VDC的絕緣膜。薄膜厚度不一樣,成膜的結晶過程不一樣,膜層的性能也就有差別。設計合適的薄膜厚度,使薄膜電阻性能更接近于體材,有利于產品穩定性的提高。通過工藝實驗研究,找到最佳鍍膜參數與鍍膜時間,確定薄膜厚度,可以獲得高性能的電阻膜。為了保證薄膜的穩定性,不受環境的影響,比如受潮、氧化、腐蝕等,設計在電阻膜的表面濺鍍一層膜保護膜。

          2、薄膜的處理工藝

          薄膜電阻的穩定性性處理包含兩個方面,一是溫度系數的穩定性,還有一個是電阻阻值的穩定性,這兩方面都是影響薄膜壓力傳感器的精度的重要因素。

          薄膜的穩定性與以下幾方面有關:1)材料本身的性能;2)成膜的工藝條件;3)薄膜的穩定性處理工藝(包含熱處理工藝與保護膜工藝)。

          在確定的材料和成膜工藝下,只有通過后期的處理來提高產品的性能。未經處理的熱電阻性能不穩定,電阻值容易發生漂移,溫度系數也比標稱值小。鍍膜以后的熱處理工藝對電阻膜的質量起重要作用,有效的熱處理可以減少薄膜缺陷、位錯等,從而改善薄膜的溫度電性能。而薄膜電阻熱處理工藝研究,主要在于熱處理溫度的高低、溫度上升速率、保溫時間和熱處理的氣氛對電阻穩定性的影響。熱處理的工藝形式多樣,有通大氣、通N2氣、真空熱處理或多種形式相結合。不同的處理方式對薄膜的穩定性影響不同。如:金屬薄膜在空氣中進行熱處理時,可能會吸氧,影響電阻的穩定性,可以在鍍保護膜后再進行熱處理。在合適的鍍膜參數、合理的版圖設計、恰當的熱處理工藝下,可以獲得高穩定性的電阻膜。在前期的薄膜研究基礎中,通過這些方面的工藝研究,獲得了高性能的合金薄膜電阻。本文源自澤天傳感,版權所有,轉載請保留出處。

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