專利名稱：集成溫度的薄膜壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明內(nèi)容屬于測量儀器設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種薄膜壓力傳感器，特別是一種具有集成測溫功能的薄膜壓力傳感器。
背景技術(shù)：
目前，傳感器技術(shù)在軍事、民用等領(lǐng)域中的作用已得到世界各國越來越多的重視，需求量也在逐年上升。以美國為例，僅軍事上用來
測溫度、壓力等參數(shù)的五種主要傳感器年平均增長率即達12%,約占傳感器市場總額的15%。
公知產(chǎn)品中，用來測量溫度與壓力的傳感器是傳感器中應(yīng)用最廣泛的兩種，因為在航天、航空、導(dǎo)彈、各類武器裝備以及民用領(lǐng)域中都需要對介質(zhì)的溫度與壓力進行測量與控制。在現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域， 一般測試系統(tǒng)都是通過溫度傳感器與壓力傳感器兩個傳感器對這兩種參數(shù)同時進行測量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，集成化、智能化、小型化已成為當(dāng)今測量儀表發(fā)展的趨勢，與之同時，傳感器技術(shù)也在集成、智能與數(shù)字化方面大力發(fā)展。由于實際應(yīng)用中要求對同點介質(zhì)溫度與壓力同時測量的場合相當(dāng)多,將壓力與溫度測量進行集成并由同一傳感器實現(xiàn)，從而簡化安裝與調(diào)試程序，無疑具有極為廣泛的應(yīng)用前景。
另一方面，為了減小傳感器的靈敏度溫度系數(shù)，以往的做法一般是采用在電橋中串聯(lián)補償電阻進行補償。由于補償電阻不在膜片上，造成補償電阻和應(yīng)變電阻之間有一定的溫度梯度，以致無法進行比較準(zhǔn)確的補償。就此意義來說，研發(fā)具有集成測溫功能的薄膜壓力傳感器， 一方面可以對壓力傳感器的溫度靈敏度進行比較精確的補償，另一方面也可以實現(xiàn)測量溫度的功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題加以解決,進而提供一種具有結(jié)構(gòu)合理、測量精度及長期穩(wěn)定性好、生產(chǎn)效率和動態(tài)響頻高、可實現(xiàn)測溫和測壓集成作用的集成溫度的薄膜壓力傳感器。
用于實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是這樣的:所提供的集成溫度的薄膜壓力傳感器具有一個帶螺紋和密封環(huán)的引壓連接管和一個嫘紋配裝在引壓連接管上的殼體，殼體外帶有接插件，在殼體內(nèi)裝有與接插件相連的外接線路板和與外接線路板聯(lián)接的敏感組件，所說的敏感組件包括一個下部焊接在引壓連接管上的中空敏感彈性體,在敏感彈性體上自下而上依次設(shè)置有過渡層、絕緣層、電阻層、焊接層和鈍化保護層，其中的電阻層通過導(dǎo)線與外接線路板連接。
本發(fā)明技術(shù)方案中所說的電阻層包括應(yīng)變電阻層和溫度敏感電阻層(測溫電阻層)，其中的應(yīng)變電阻層是由NiCr合金材料依次通過離子束濺射沉積和光刻工藝而成的平面電阻，其厚度在150 加0納米之間；溫度敏感電阻層即測溫電阻層是由Ni金屬依次通過離子束濺射沉積和光刻工藝而成的平面電阻,其厚度為150 200納米之間，在所述平面電阻的引出焊盤上沉積厚度在1 2戸之間引線導(dǎo)電金膜，在導(dǎo)電金膜上焊接有金質(zhì)雙絲內(nèi)引線。
在上述電阻層結(jié)構(gòu)中，應(yīng)變電阻層包括連接成惠斯頓電橋的四個應(yīng)變電阻，它們成環(huán)型結(jié)構(gòu)，處于彈性體的最大形變區(qū)；溫度敏感電阻層包括兩個處于彈性體最小形變區(qū)的分別用于壓力傳感器溫度靈敏度補償和用于測量環(huán)境的溫度的阻值可調(diào)型電阻。
本發(fā)明技術(shù)方案中所說的絕緣層的總厚度在3 5/^之間，由2 3層金屬氧化物層構(gòu)成，金屬氧化物層的成分是5:/02和7^05的疊加或者是&(92和A203的疊加。
用于制作本發(fā)明所述集成溫度的薄膜壓力傳感器的生產(chǎn)方法包
括以下的生產(chǎn)步驟
1、 制作敏感彈性體、引壓連接管、外接線路板、殼體和接插件;
2、 在敏感彈性體表面通過離子束濺射沉積的方法依次沉積過渡層和絕緣層；
3、 用離子束濺射的方法在絕緣層上沉積NiCr合金層；轉(zhuǎn)換靶材后，在NiCr合金層上沉積Ni電阻層；在Ni電阻層上依次進行勻正性光刻膠、用掩模板曝光、顯影和定影后完成絲柵刻蝕前的工作；利用離子束刻蝕方法刻蝕掉測溫電阻層中不需要的部分;然后再在刻蝕后的電阻層中通過勻正性光刻膠、用掩模板曝光、顯影和定影工藝完成絲柵刻蝕前的工作；第二次用離子束刻蝕，刻蝕掉電阻層中不需要的部分，進而得到了按照設(shè)計要求的圖形；之后通過激光修正的方法對溫度靈敏度電阻和測量溫度的電阻進行阻值修正,制成帶有應(yīng)變電阻層和溫度敏感電阻層的電阻層；
4、 在焊盤上鍍金以及最后沉積鈍化保護層；
5、 將制作好的敏感組件焊接在引壓連接管上，殼體焊接在敏感彈性體的外圍，在連接管的上表面加工出絲孔，通過嫘絲固定外接線路板；
6、 把焊盤上相應(yīng)的點與外接線路板焊接好，使之接收應(yīng)變電阻和測溫電阻輸出的信號，通過轉(zhuǎn)換電路輸出電壓信號。
上述電阻層制作步驟中所說的通過激光修正進行電阻值修正的方法是采用如下步驟a).通過光刻加工出電阻層特殊設(shè)計的圖形；b).根據(jù)計算的結(jié)果，用激光將電阻層中相應(yīng)的電阻區(qū)域通過燒蝕的方法蒸發(fā)掉,造成電阻值增大,在線檢測電阻值直至符合設(shè)計的要求。要符合的要求有三點， 一是應(yīng)變電阻要匹配，使得初始零點在要求的
范圍之內(nèi)(3mV)，二是溫度靈敏度電阻根據(jù)應(yīng)變阻值的大小進行調(diào)阻，其阻值大小大約是應(yīng)變阻值的6%，三是測溫電阻在201C情況下，其阻值為(3000±10%) Q。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下所述。
一、 具有多功能集成結(jié)構(gòu)本發(fā)明在已有薄膜壓力傳感器的基礎(chǔ)上，增加了帶測溫功能的溫度敏感層，該層一方面可以補償溫度靈敏度，提高壓力傳感器的測量精度，另一方面可以測量溫度，實現(xiàn)了壓力和溫度的一體化測量，由同一傳感器實現(xiàn)，簡化了安裝與調(diào)試。
二、 精度高由于沉積了溫度敏感層，利用了Ni電阻的溫度補償效應(yīng)，因此本發(fā)明壓力傳感器的溫度靈敏度精度提高了一個數(shù)量級，相應(yīng)的提高了傳感器的精度。
三、 長期穩(wěn)定性好由于采用了離子束濺射技術(shù)，使得傳感器零點溫度漂移、綜合精度大大提高，其中零點溫度漂移能夠達到小于0.002齪S/'C的水平，大大好于同種類型的傳感器。
四、 生產(chǎn)效率高本發(fā)明中光刻版圖的設(shè)計適應(yīng)用激光調(diào)阻的方法進行補償，并且實現(xiàn)了在線調(diào)整補償電阻值，使傳感器容易加工生產(chǎn)，生產(chǎn)效率明顯提高。
五、 動態(tài)頻響高由于采用了離子束濺射技術(shù)，使得該傳感器膜層的總厚度小于10微米，因此大大提高了傳感器的動態(tài)響應(yīng)速度，其頻響遠遠優(yōu)于現(xiàn)有傳感器產(chǎn)品如膠粘應(yīng)變式壓力傳感器等產(chǎn)品。


圖1為本實用新型一個具體實施例的總體結(jié)構(gòu)剖視示意圖。圖2為敏感組件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為測溫電阻層的示意圖。圖4為應(yīng)變電阻層示意圖。圖5為電阻層整體的示意圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明內(nèi)容做進一步說明，但本發(fā)明的具體實施形式并不僅限于下述的實施例。
參見附圖，本發(fā)明所述集成溫度的薄膜壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由帶螺紋和密封環(huán)的引壓連接管1、敏感組件2、外接線路板3、殼體4和接插件5組成。
該薄膜壓力傳感器中敏感組件2的結(jié)構(gòu)如圖2所示,它具有一個下部焊接在引壓連接管1上的由不銹鋼17-4PH材料制作的中空敏感彈性體21,敏感彈性體21的上底面是應(yīng)變變形區(qū)，在敏感彈性體21上自下而上地依次設(shè)置有過渡層22、絕緣層23、電阻層(包括應(yīng)變電阻層和溫度敏感電阻層)24、焊接層25和鈍化保護層26。敏感組件2的一端與引壓連接管1通過焊接連接，另一端通過導(dǎo)線與外接線路板3連接，外接線路板3和接插件5相連完成電氣連接。
實際加工時，對敏感彈性體21的上底面要首先進行研磨、拋光和清洗，要求其金屬表面的粗糙度小于40微米，烘干后放入離子束濺射室。為了增加附著力，在沉積絕緣膜層23以前，要先用離子束轟擊彈性體表面，起到進一步清洗的作用。構(gòu)成本發(fā)明的絕緣層23的金屬氧化物有2 3層，其成分是&"2和化205的疊加，或者是S,q和」/203的疊加。絕緣層23的總厚度在3 5^之間。
在沉積完絕緣層23以后,把NiCr合金材料通過離子束濺射沉積形成應(yīng)變電阻層，其厚度在150 200納米之間；轉(zhuǎn)換靶材，在NiCr合金層上接著沉積Ni電阻層，其厚度在150 200納米之間；然后在Ni電阻層上勻正性光刻膠，接著利用第一次曝光掩模板曝光，再經(jīng)過顯影和定影完成絲柵刻蝕前的工作,之后利用離子束刻蝕的方法刻
蝕掉測溫電阻層中不需要的部分，得到兩個測溫電阻Rll、 R22,如圖3所示；在刻蝕后的電阻層中，再勻正性光刻膠和利用第二次曝光掩模板曝光，再經(jīng)過顯影和定影完成絲柵刻蝕前的工作，之后進行第二次用離子束刻蝕，刻蝕掉電阻層中不需要的部分，得到四個應(yīng)變電阻R1、 R2、 R3、 R4,如圖4所示，它們成環(huán)型結(jié)構(gòu)，處于彈性體的最大形變區(qū)，把它們連接成惠斯頓電橋。測溫電阻Rll、 R22和應(yīng)變電阻R1、 R2、 R3、 R4的結(jié)合即構(gòu)成圖5所示的電阻層。在所述平面電阻的引出焊盤上沉積引線導(dǎo)電金膜，厚度在1 2戶之間，導(dǎo)電膜上焊接有金質(zhì)雙絲內(nèi)引線，把焊盤上相應(yīng)的焊點連接到外接線路板3上，同時把溫度靈敏度補償電阻接入惠斯頓電橋中，然后通過髙溫通電老化并測試傳感器的溫度系數(shù)。根據(jù)測試的數(shù)據(jù)計算傳感器溫度靈敏度要求補償?shù)碾娮柚?，切割Rll，在線檢測電阻值直至符合設(shè)計的要求，從而實現(xiàn)傳感器的溫度靈敏度補償。
把傳感器放入高低溫箱中，測試Ni電阻隨著溫度的變化，并據(jù)此建立溫度變化和電阻變化的關(guān)系，給出電阻溫度系數(shù)值，并且給出在加t時Ni電阻的阻值。在具體應(yīng)用時，在Ni電阻兩端施加恒定的電壓，然后測量Ni電阻阻值隨溫度的變化，由下面的關(guān)系式
《=《(w20)
其中，Rt是實時測量的電阻值，R。是20"C時的電阻值，t2。代表2(TC，t既是測量的溫度值，"是溫度系數(shù)，從而實現(xiàn)傳感器的測溫功能。
該薄膜壓力傳感器的工作原理是敏感彈性體21的上底面通過離子束濺射沉積形成應(yīng)變電阻層，再經(jīng)過光刻加工形成惠斯頓電橋，具有一定壓力并且和彈性體相容的介質(zhì)由連接管進入內(nèi)腔,使膜片產(chǎn)生形變，致使應(yīng)變電阻的阻值發(fā)生改變，惠斯頓電橋輸出與壓力值成正比的電壓信號，通過標(biāo)定，得到對應(yīng)的壓力值；當(dāng)溫度升髙時，溫 度電阻的阻值變大，因此，根據(jù)被測電阻的溫度系數(shù)和阻值的變化就 可以知道溫度的變化，從而測量出所處環(huán)境的溫度。
利用薄膜壓力傳感器進行靈敏度溫度補償?shù)幕驹硎窃诨菟?頓電橋的電源端串聯(lián)溫度系數(shù)較大的電阻，當(dāng)溫度升髙時，彈性體的 彈性模量降低，電橋的輸出增大，補償電阻的阻值也增大，因此，補 償電阻分壓作用相對于使橋路中實際供橋電壓下降，使輸出變小。
該薄膜壓力傳感器由于采用離子束濺射方法來沉積傳感器的各 層膜，使得膜層結(jié)構(gòu)致密，孔洞很少，絕緣電阻大大提高，傳感器溫 度零點的漂移量非常小，并且由于各層膜的厚度比較小，使得傳感器 的動態(tài)響應(yīng)速度大大提高，遠優(yōu)于現(xiàn)有的膠粘式應(yīng)變壓力傳感器。其 具體參數(shù)如下-
綜合精度0.05 0.2級；
零點溫度漂移小于0.002^/1C;
零點時間漂移小于0.1船S/年；
測量壓力0.5MPa 100MPa;
工作溫度范圍-70r 200r; 橋臂電阻1 3KQ; 測溫的非線性小于0.3%。
權(quán)利要求
1、一種集成溫度的薄膜壓力傳感器，其特征在于具有一個帶螺紋和密封環(huán)的引壓連接管(1)和一個螺紋配裝在引壓連接管(1)上的殼體(4)，殼體(4)外帶有接插件(5)，在殼體(4)內(nèi)裝有與接插件(5)相連的外接線路板(3)和與外接線路板(3)聯(lián)接的敏感組件(2)，所說的敏感組件(2)包括一個下部焊接在引壓連接管(1)上的中空敏感彈性體(21)，在敏感彈性體(21)上自下而上依次設(shè)置有過渡層(22)、絕緣層(23)、電阻層(24)、焊接層(25)和鈍化保護層(26)，其中的電阻層(24)通過導(dǎo)線與外接線路板(3)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成溫度的薄膜壓力傳感器，其特征 在于所說的電阻層(24)包括應(yīng)變電阻層和溫度敏感電阻層，其中的 應(yīng)變電阻層是由NiCr合金材料依次通過離子束濺射沉積和光刻工藝 而成的平面電阻，其厚度在150 200納米之間；溫度敏感電阻層是 由Ni金屬依次通過離子束濺射沉積和光刻工藝而成的平面電阻，其 厚度為150 200納米之間，在所述平面電阻的引出焊盤上沉積厚度 在1 2^之間引線導(dǎo)電金膜，在導(dǎo)電金膜上焊接有金質(zhì)雙絲內(nèi)引線。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成溫度的薄膜壓力傳感器，其特征 在于:所說的應(yīng)變電阻層包括連接成惠斯頓電橋的四個應(yīng)變電阻(R1、 R2、 R3、 R4)，它們成環(huán)型結(jié)構(gòu)，處于彈性體的最大形變區(qū)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成溫度的薄膜壓力傳感器，其特征 在于:所說的溫度敏感電阻層包括兩個處于彈性體最小形變區(qū)的分別 用于壓力傳感器溫度靈敏度補償和用于測量環(huán)境的溫度的組值可調(diào) 型電阻(Rll、 R22)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成溫度的薄膜壓力傳感器，其特征 在于所說的絕緣層的總厚度在3 5/^之間，由2 3層金屬氧化 物層構(gòu)成，金屬氧化物層的成分是&"2和化205的疊加或者是&02和 >4/203的疊加。
6、 一種用于制作權(quán)利要求l、 2、 3或4所述集成溫度的薄膜壓力傳感器的生產(chǎn)方法，其特征在于包括以下的生產(chǎn)步驟 /6.1制作敏感彈性體(21)、引壓連接管(l)、外接線路板(3)、殼體(4)和接插件(5);/6.2在敏感彈性體(21)表面通過離子束濺射沉積的方法依次沉積過渡層(22)和絕緣層(23);/6. 3用離子束濺射的方法在絕緣層(23)上沉積MCr合金層；轉(zhuǎn)換靶材后，在NiCr合金層上沉積Ni電阻層；在Ni電阻層上依次進行勻正性光刻膠、用掩模板曝光、顯影和定影后完成絲柵刻蝕前的工作；利用離子束刻蝕方法刻蝕掉測溫電阻層中不需要的部分；然后再在刻蝕后的電阻層中通過勻正性光刻膠、用掩模板曝光、顯影和定影工藝完成絲柵刻蝕前的工作;第二次用離子束刻蝕，刻蝕掉電阻層中不需要的部分，進而得到了按照設(shè)計要求的圖形；之后通過激光修正的方法對溫度靈敏度電阻和測量溫度的電阻進行阻值修正,制成帶有應(yīng)變電阻層和溫度敏感電阻層的電阻層(24);/6.4在焊盤上鍍金以及最后沉積鈍化保護層(26);/6. 5將制作好的敏感組件(2)焊接在引壓連接管(1)上，殼體焊接在敏感彈性體(21)的外圍，在連接管(l)的上表面加工出絲孔，通過螺絲固定外接線路板(3);/6.6把焊盤上相應(yīng)的點與外接線路板焊接好，使之接收應(yīng)變電阻和測溫電阻輸出的信號，通過轉(zhuǎn)換電路輸出電壓信號。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的集成溫度的薄膜壓力傳感器的生產(chǎn)方法,其特征在于所說的通過激光修正進行電阻值修正的方法是采用如下步驟7.1通過光刻加工出電阻層特殊設(shè)計的圖形；7.2根據(jù)計算的結(jié)果，用激光將電阻層中相應(yīng)的電阻區(qū)域通過燒蝕的方法蒸發(fā)掉，造成電阻值增大，在線檢測電阻值直至符合設(shè)計的要求。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種集成溫度的薄膜壓力傳感器，由帶螺紋和密封環(huán)的引壓連接管、敏感組件、外接線路板、殼體和接插件組成，在敏感彈性體上設(shè)置有過渡層、絕緣層、電阻層(包括應(yīng)變電阻層和溫度敏感電阻層)、焊接層和鈍化保護層，其中的電阻層通過導(dǎo)線與外接線路板連接。該傳感器的絕緣層是由SiO₂和Ta₂O₅的疊加，或者是SiO₂和Al₂O₃疊加而成，應(yīng)變電阻層由NiCr合金層通過光刻形成，溫度敏感層由Ni金屬通過光刻形成，溫度敏感層既可以解決實際的測溫問題，又可以對溫度靈敏度進行比較精確的補償，使得壓力測量更加準(zhǔn)確。本發(fā)明由于采用了離子束濺射工藝，因此傳感器的長期穩(wěn)定性好，溫度零點漂移極小，綜合精度高。
文檔編號G01L9/04GK101566514SQ20091002278
公開日2009年10月28日 申請日期2009年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月2日
發(fā)明者龍 戚, 蓋廣洪, 黎明誠 申請人:中國航天科技集團公司第四研究院第四十四研究所