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合金薄膜电阻应变压力传感器的研制方法

作者:希文      发布时间:2021-04-13      浏览量:0
我国的国防、航空航天、工业生产和自

我国的国防、航空航天、工业生产和自动化控制,如运载火箭燃料室压力测量、发动机燃烧室压力监测、供油压力、导弹飞行平衡控制、石油工业井下压力测量等,都需要高精度、高稳定性、耐恶劣环境的压力传感器,而大部分都需要金属弹性基板的薄膜电阻应变式压力传感器,因为金属具有优异的力学性能、耐高温性能和耐腐蚀性能,而薄膜电阻应变式压力传感器则敏感、适应性强。

压阻式薄膜传感器能够满足各种恶劣环境下压力测量的关键技术在于合金敏感薄膜的制备。高电阻稳定性的合金敏感膜是保证压力传感器在各种恶劣环境下仍具有稳定、高灵敏度的关键。

1.压力传感器制备工艺进展

典型合金薄膜应变压力传感器的功能模块主要由弹性敏感元件和转换元件组成。弹性敏感元件是将被测物理量转换成易于转换成电信号的物理量的元件。转换元件是可以直接将感测到的物理量转换成电信号的组件。

合金薄膜应变压力传感器的工作原理可以简述如下:压力引起电阻变化,电阻值的变化转化为输出电压的变化,从而实现压力的精确测量。薄膜弹性元件的质量直接影响传感器的性能和精度。

利用电阻应变效应制造的电阻应变压力传感器经历了以下三个发展阶段:线电阻应变压力传感器、箔电阻应变压力传感器和薄膜电阻应变压力传感器。

线电阻应变压力传感器

丝绸电阻应变仪

线电阻应变式压力传感器主要由金属丝作为转换元件,粘接在敏感元件上。由于圆形截面的金属丝与变形表面结合不紧密,电阻丝末端的输出丝接头不易焊接,焊接接头容易损坏,因此这种传感器使用寿命短,稳定性差,精度低。

箔电阻应变压力传感器

箔电阻应变仪

随着半导体制造技术,特别是光刻技术的发展,薄膜电阻应变压力传感器得到了成功的发展。其转换元件为箔式应变仪,敏感栅采用光刻和腐蚀工艺制成。箔合金材料为康铜或改性镍铬合金。与线型电阻应变传感器相比,箔型电阻应变压力传感器的温度特性和精度有了很大的提高,能够满足一般自动控制和测量的需要。然而,由于粘合剂本身的固有缺陷,在高温高湿等恶劣环境中使用一定时间后,粘合剂的机械性能明显恶化,导致传感器稳定性差,蠕变和滞后增加。因此,粘合剂传感器不能在恶劣环境中使用。

金属薄膜应变压力传感器

合金薄膜应变仪结构图

随着现代科学技术的快速发展,许多工业生产和自动化控制,如运载火箭燃料室压力测量、导弹飞行平衡控制和石油工业井下压力测量,都需要工作在耐高温、耐腐蚀的恶劣环境中的压力传感器,这促使人们采用新技术和工艺手段开发制造新型压力传感器,于是金属弹性基底金属薄膜应变压力传感器应运而生。

金属薄膜应变压力传感器的敏感膜采用真空沉积或真空溅射的方法制备。在弹性基板(表面有绝缘层的金属或应时、云母等无机材料)上直接溅射导电金属膜,然后用光刻技术制作应变电阻。然后在应变电阻上溅射二氧化硅、氧化铝等绝缘保护膜,保护应变电阻不暴露在大气中,避免电阻条氧化。在金属弹性基板的情况下,一个或多个绝缘膜(例如二氧化硅、氮化硅、氧化铝等。)应先溅射在金属弹性基板上。

与线型和箔型压力传感器相比,薄膜应变式压力传感器的性能大大提高,能够适应恶劣的环境。然而,直接在金属弹性基板上溅射或沉积薄膜需要解决三个问题:高质量金属弹性基板表面的制备、薄膜与基板之间的强附着力、金属弹性基板与纳米薄膜电阻之间的高绝缘性等关键技术。目前这还是一个有待解决的技术问题。

;"> 2、压力敏感合金薄膜的制备方法


薄膜制备的方法可分为物理方法和化学方法两大类。制备合金薄膜主要采用物理气相沉积(PVD)法,它又可分为真空蒸发法与溅射法两种。


(1)真空蒸发法


蒸发法是在真空下将蒸发源加热,由于蒸发室内被蒸发物质的分压低于该物质的平衡蒸气压,源物质就会变为气态,并沉积在基片上形成薄膜。相对于溅射法的优点是:相对较高的真空度,较高的沉积速率。但蒸发法沉积薄膜有方向性,存在厚度均匀性差和粘附性差,成分及微观组织难以控制等缺点。


(2)溅射法


溅射法是利用带有电荷的离子在电场中加速后具有一定动能的特点,将离子引向欲被溅射的靶电极。入射的离子与靶原子发生碰撞并将其溅射出来。这些被溅射出来的原子带有一定的动能,并且会沿着一定的方向射向衬底,从而实现在衬底上沉积薄膜的目的。目前较常采用的方法有磁控溅射法、离子束辅助沉积法等。


直流/射频磁控溅射方法


使用直流溅射可以很方便地溅射沉积各类金属薄膜,但前提是靶材应具有良好的导电性, 导电性太差就需要大幅度增加电压。射频(5~30 MHz)溅射是适用于各种非金属材料的一种溅射沉积方法。采用高频电源可以使靶材不受到导电性约束。磁控溅射的主要特点是将永久磁铁或电磁线圈放置在靶的后方,在空间获得磁场与电场垂直的等离子体区,从而延长了电子运动轨迹,提高了电子参与原子碰撑和电离的几率。磁控溅射技术具有以下优点:1)高的溅射速率;2)基片的工作温度较低;3)膜层紧密,附着力强;4)均匀性好,台阶攫盖性好;5)膜层纯度高。磁控溅射技术已成为当代大规模,超大规模集成电路生产中不可缺少的关键技术。磁控溅射设备是许多国家在大规模,超大规模集成电路生产中的关键设备, 国内也有许多生产厂家引进了各种类型的磁控溅射设备,但就性能而言引进的大多数设备都比国外生产线中的设备要差,国产的同类设备则更差一些。


离子束溅射薄膜


离子束溅射薄膜设备的工作原理是采用低能(几十电子伏特到1000 eV)离子束轰击固体表面,入射一个离子从固体表面上把一个原子轰击出来,而入射的离子也跟随离去,对近旁的固体原子位置不造成任何影响。离子轰击固体原子完全是弹性碰撞过程,根据核物理理论可以精确描述在该能量范围内如何产生单原子层的逸出。这样在衬底上就能沉积成单原子层的薄膜(纳米膜)。采用多离子束轰击(或共轰击)靶材,以动能转换靶原子搬迁新技术,将靶原子轰击出来,并以纳米尺寸的粒子有序沉积形成厚度为几纳米至几微米的薄膜, 能获得大面积致密、平整光洁、无污染、内应力小、几乎无缺陷的优质薄膜。它与真空蒸发、等离子体溅射(直流、高频磁控溅射)等设备相比具有独特的优点,是当前和未来获得高质量单质、合金、绝缘介质的单层和多层薄膜的最有前途的薄膜沉积设备。


北京埃德万斯离子束技术研究所股份有限公司自主研发的离子束刻蚀机、离子束溅射镀膜机是非硅微纳机电制造的核心设备。其通用离子束刻蚀系统,除了可进行传统微纳结构刻蚀外,还可实现离子束清洗、材料表面抛光和材料减薄等功能,以及实现化学辅助离子束刻蚀(CAIBE)与反应离子束刻蚀(RIBE)。埃德万斯自主研发的离子束溅射薄膜沉积系统具有最宽范围材料适用性、最佳的沉积环境、优良的清洗功能、高密度金属厚膜、高材料利用率以及辅助溅射功能。