[發(fā)明專利]用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應(yīng)變器件及方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010624952.2
• 申請(qǐng)日: 2010-12-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102175363A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-09-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 歐陽(yáng)德利
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東莞市百賽儀器有限公司
• 主分類號(hào): G01L1/22
• 分類號(hào): G01L1/22;G01L9/04;C23C14/46;C23C14/14
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所 44248
• 代理人: 朱曉光

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及壓力傳感器的產(chǎn)品制造技術(shù)，尤其是涉及用離子束濺射硅材料制造壓力傳感器的核心部件即壓力應(yīng)變器件的技術(shù)方法。

背景技術(shù)

壓力傳感器作為現(xiàn)代信息化工業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵器件，其特性和用途主要取決于其核心部件敏感元件的技術(shù)和工藝。

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，敏感元件的技術(shù)日新月異，主要體現(xiàn)在采用不同力學(xué)結(jié)構(gòu)的彈性體元件、或者采用各種新材料、又或者采用各種新的工藝技術(shù)和手段、又甚而基于創(chuàng)新的物性原理等等。

基于金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)或半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)的技術(shù)及產(chǎn)品仍然占據(jù)重要地位和份額。

然而傳統(tǒng)的金屬電阻應(yīng)變式技術(shù)特點(diǎn)是采用有機(jī)膠將箔式金屬電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件上，有機(jī)膠既起粘結(jié)作用又起電氣隔離作用。眾所周知這類技術(shù)的產(chǎn)品性能有許多不足和缺點(diǎn)：體現(xiàn)在膠容易隨時(shí)間的老化導(dǎo)致絕緣性能下降粘結(jié)強(qiáng)度不穩(wěn)定從而導(dǎo)致傳感器蠕變，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等，特別是在惡劣的環(huán)境如高溫高濕、高頻壓力工況等情況下尤甚；金屬箔式應(yīng)變片的另一顯著缺點(diǎn)是靈敏度低，其靈敏系數(shù)只有1～2毫伏每伏；在生產(chǎn)工藝上由于需要手工粘貼導(dǎo)致重復(fù)性和一致性差以及規(guī)模生產(chǎn)效率低下。

為克服上述缺點(diǎn)出現(xiàn)了薄膜式技術(shù)及相應(yīng)的產(chǎn)品，其顯著地消除了蠕變和改善了長(zhǎng)期穩(wěn)定性，其技術(shù)特點(diǎn)是針對(duì)不同的應(yīng)變材料采用相應(yīng)不同的薄膜工藝如真空蒸發(fā)、磁控濺射、各種物理化學(xué)氣相沉積的辦法制作電氣隔離層和應(yīng)變電阻，相對(duì)于以上薄膜工藝采用離子束濺射沉積技術(shù)制作的薄膜具有顯著的優(yōu)點(diǎn)即非常好的薄膜致密性、與襯底的附著力強(qiáng)和均勻可控的晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

目前離子束濺射沉積薄膜主要仍用于傳統(tǒng)的金屬應(yīng)變材料如鎳鉻合金薄膜，其靈敏系數(shù)很低的不足依然存在，應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)低就必然要求傳感器彈性元件設(shè)計(jì)時(shí)輸出較高的應(yīng)變，這就必然降低傳感器的耐疲勞度和高過(guò)載抗沖擊能力，而這些都是現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用對(duì)傳感器期盼的性能要求。

另外采用離子束濺射沉積薄膜工藝以金屬材料作為彈性體元件時(shí)，需要制作一層電氣絕緣層將應(yīng)變層與金屬?gòu)椥栽鬃麟姎飧綦x，通常的做法仍然是用離子束濺射絕緣材料如二氧化硅(SiO2)，五氧化二鉭(Ta2O5)，或氧化鋁(Al2O3)等，但這類金屬氧化物材料的濺射時(shí)間都很長(zhǎng)，通常100納米的厚度需要八個(gè)小時(shí)以上，而且用薄膜做電氣隔離層時(shí)，要求彈性體表面質(zhì)量非常高，達(dá)到鏡面的要求且無(wú)任何表面的微觀缺陷如劃痕、凹坑等，這勢(shì)必要對(duì)彈性元件表面做非常嚴(yán)格而復(fù)雜的預(yù)先處理如研磨和鏡面拋光等，嚴(yán)重地影響生產(chǎn)效率和成品率，這也是金屬薄膜壓力傳感器難以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)的關(guān)鍵原因。

硅作為壓力傳感器的材料具有靈敏度高晶態(tài)穩(wěn)定等許多優(yōu)異特性，其應(yīng)用多以硅本身作為彈性材料的擴(kuò)散硅充油敏感元件技術(shù)，也有以硅材料用各種物理化學(xué)氣相沉積法成長(zhǎng)在硅彈性體或金屬?gòu)椥泽w上的絕緣膜(絕緣膜也用氣相沉積法形成如二氧化硅SiO2)上的，但由于這類薄膜工藝所制成的薄膜的諸多缺點(diǎn)如成膜疏松、致密性不好、附著力不強(qiáng)等難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、工業(yè)化批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種靈敏度高、制作工藝簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定可靠、適合于大批量生產(chǎn)的硅薄膜壓力應(yīng)變器件及用離子束濺射沉積將其制作的方法。

本發(fā)明通過(guò)采用以下的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)：

實(shí)施一種用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應(yīng)變器件的方法，所述方法包括以下步驟：

①，首先設(shè)置一引壓連接體，以及與引壓連接體制作在一起的金屬?gòu)椥阅て?/p>

然后在金屬?gòu)椥阅て希糜∷⒔^緣電介質(zhì)漿料的方法或用濺射絕緣材料的方法制作第一層的電氣隔離層；

②，然后在電氣隔離層之上，應(yīng)用離子束濺射淀積方法，制造硅薄膜，制成第二層為硅薄膜壓阻層；

③，然后在硅薄膜壓阻層上用微細(xì)刻蝕加工工藝刻蝕應(yīng)變片物理形狀結(jié)構(gòu)，制作用以連接成惠斯登電橋的一個(gè)以上的應(yīng)變電阻；

④，然后應(yīng)用絕緣介質(zhì)膠覆蓋在壓阻材料層之上，形成第三層是保護(hù)層，所述彈性膜片，電氣隔離層、壓阻材料層、保護(hù)層共同形成硅薄膜應(yīng)變器件。

引壓連接體和金屬?gòu)椥阅て倪B接結(jié)構(gòu)形式包括，：金屬?gòu)椥阅て苯雍附釉谝龎哼B接體上；

引壓連接體材料和金屬?gòu)椥阅て牟牧隙际墙饘俨牧稀?/p>

引壓連接體和金屬?gòu)椥阅て怯蓡误w金屬加工成二者合一的無(wú)焊縫、無(wú)密封圈密封的一體化結(jié)構(gòu)；

引壓連接體材料和金屬?gòu)椥阅て牟牧隙际墙饘俨牧稀?/p>

步驟①中制作電氣隔離層的方法是將絕緣電介質(zhì)漿料采用厚膜絲網(wǎng)印刷工藝塗覆在金屬?gòu)椥阅て希俳?jīng)燒結(jié)而成50～150微米厚的電氣絕緣層。