一、國內(nèi)外研究狀況

國外最典型的高溫薄膜壓力傳感器是硅-藍(lán)寶石薄膜壓力傳感器，代表生產(chǎn)廠商有俄羅斯工業(yè)集團(tuán)，其測量介質(zhì)溫度范圍為-65℃～150℃，傳感器補(bǔ)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(chǎn)一種半導(dǎo)體高溫壓力傳感器，工作溫度可達(dá)300℃，但是需要通水冷卻。

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

二、研究目標(biāo)、主要技術(shù)指標(biāo)及研究內(nèi)容

（一）    研究目標(biāo)

通過對(duì)離子束濺射鍍膜、離子束濺射刻蝕等工藝進(jìn)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(zhuǎn)化為電信號(hào)的變化，制作出滿足應(yīng)用的設(shè)計(jì)需要和裝機(jī)要求的分體式高溫薄膜壓力傳感器。形成完整的研制報(bào)告和工藝技術(shù)文件，固化生產(chǎn)工藝。

（二）    主要技術(shù)指標(biāo)

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(hào)：模擬信號(hào)；5、過載：150%；6、絕緣電阻；≥1000MΩ/100VDC；7、振動(dòng)、沖擊：按照GJB150中的相關(guān)內(nèi)容；8、濕熱要求：按照GJB150中的相關(guān)內(nèi)容；9、電磁兼容性：滿足GJB151-97和GJB152-97的要求。

（三）    研究內(nèi)容

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

1、應(yīng)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(wěn)定性處理工藝研究；4、激光調(diào)阻工藝研究；5、傳感器的抗強(qiáng)電磁干擾設(shè)計(jì)。

三、擬采取的研究技術(shù)路線及關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

（一）技術(shù)路線

根據(jù)傳感器的性能指標(biāo)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(hào)處理電路部分。基本路線是在澤天傳感現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解決彈性材料和封裝材料的耐高溫問題，重點(diǎn)研究制造性能穩(wěn)定、耐高溫的多層復(fù)合薄膜，設(shè)計(jì)抗強(qiáng)電磁干擾的電路。

采用離子束濺射鍍膜技術(shù)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(jīng)過光刻腐蝕制成柵條應(yīng)變電阻，使被測壓力轉(zhuǎn)化成彈性體的形變，進(jìn)而引起合金薄膜應(yīng)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(guān)系的電信號(hào)。

（二）關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

1、高溫薄膜淀積工藝研究

實(shí)現(xiàn)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(zhì)量是關(guān)鍵。對(duì)組成傳感器的各種功能膜的質(zhì)量要求主要有以下幾點(diǎn)：

a. 同種電阻材料的溫度系數(shù)一致、穩(wěn)定；b. 同種電阻材料的電阻率一致、穩(wěn)定；c. 絕緣膜的絕緣性能好，大于1000MΩ/100VDC；d. 保護(hù)膜致密，能防電阻受潮與氧化，抗腐蝕性強(qiáng)；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(guān)。鍍膜的方式、鍍膜的濺射能量、成膜時(shí)間等都將影響所鍍膜層的質(zhì)量。要獲得高性能的薄膜，就必須對(duì)成膜的工藝進(jìn)行研究，找出最適合的工藝參數(shù)。

在橋式薄膜溫度壓力傳感器中，共設(shè)計(jì)了絕緣膜、鉑熱電阻膜、合金電阻膜、保護(hù)膜、引線膜五種。要制造好薄膜傳感器，就必須對(duì)主要的功能膜的工藝一一進(jìn)行研究。

為了獲得優(yōu)良的絕緣性能，設(shè)計(jì)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(qiáng)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(jié)晶過程不一樣，膜層的性能也就有差別。設(shè)計(jì)合適的薄膜厚度，使薄膜電阻性能更接近于體材，有利于產(chǎn)品穩(wěn)定性的提高。通過工藝實(shí)驗(yàn)研究，找到最佳鍍膜參數(shù)與鍍膜時(shí)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(wěn)定性，不受環(huán)境的影響，比如受潮、氧化、腐蝕等，設(shè)計(jì)在電阻膜的表面濺鍍一層膜保護(hù)膜。

2、薄膜的處理工藝

薄膜電阻的穩(wěn)定性性處理包含兩個(gè)方面，一是溫度系數(shù)的穩(wěn)定性，還有一個(gè)是電阻阻值的穩(wěn)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(wěn)定性與以下幾方面有關(guān)：1）材料本身的性能；2）成膜的工藝條件；3）薄膜的穩(wěn)定性處理工藝（包含熱處理工藝與保護(hù)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(chǎn)品的性能。未經(jīng)處理的熱電阻性能不穩(wěn)定，電阻值容易發(fā)生漂移，溫度系數(shù)也比標(biāo)稱值小。鍍膜以后的熱處理工藝對(duì)電阻膜的質(zhì)量起重要作用，有效的熱處理可以減少薄膜缺陷、位錯(cuò)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(shí)間和熱處理的氣氛對(duì)電阻穩(wěn)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(jié)合。不同的處理方式對(duì)薄膜的穩(wěn)定性影響不同。如：金屬薄膜在空氣中進(jìn)行熱處理時(shí)，可能會(huì)吸氧，影響電阻的穩(wěn)定性，可以在鍍保護(hù)膜后再進(jìn)行熱處理。在合適的鍍膜參數(shù)、合理的版圖設(shè)計(jì)、恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囅拢梢垣@得高穩(wěn)定性的電阻膜。在前期的薄膜研究基礎(chǔ)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(quán)所有，轉(zhuǎn)載請保留出處。