[實用新型]用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件

有效

• 申請號: 201020701490.5
• 申請日: 2010-12-31
• 公開（公告）號: CN201926529U
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發明（設計）人: 歐陽德利
• 申請（專利權）人: 東莞市百賽儀器有限公司
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22;G01L9/04;C23C14/46;C23C14/14
• 代理公司: 深圳市科吉華烽知識產權事務所 44248
• 代理人: 朱曉光

技術領域

本實用新型涉及壓力傳感器的產品制造技術，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變器件。

背景技術

壓力傳感器作為現代信息化工業的一個關鍵器件，其特性和用途主要取決于其核心部件敏感元件的技術和工藝。

隨著現代工業技術的不斷發展，敏感元件的技術日新月異，主要體現在采用不同力學結構的彈性體元件、或者采用各種新材料、又或者采用各種新的工藝技術和手段、又甚而基于創新的物性原理等等。

基于金屬電阻應變效應或半導體壓阻效應的技術及產品仍然占據重要地位和份額。

然而傳統的金屬電阻應變式技術特點是采用有機膠將箔式金屬電阻應變片粘貼在彈性元件上，有機膠既起粘結作用又起電氣隔離作用。眾所周知這類技術的產品性能有許多不足和缺點：體現在膠容易隨時間的老化導致絕緣性能下降粘結強度不穩定從而導致傳感器蠕變，長期穩定性差等，特別是在惡劣的環境如高溫高濕、高頻壓力工況等情況下尤甚；金屬箔式應變片的另一顯著缺點是靈敏度低，其靈敏系數只有1～2毫伏每伏；在生產工藝上由于需要手工粘貼導致重復性和一致性差以及規模生產效率低下。

為克服上述缺點出現了薄膜式技術及相應的產品，其顯著地消除了蠕變和改善了長期穩定性，其技術特點是針對不同的應變材料采用相應不同的薄膜工藝如真空蒸發、磁控濺射、各種物理化學氣相沉積的辦法制作電氣隔離層和應變電阻，相對于以上薄膜工藝采用離子束濺射沉積技術制作的薄膜具有顯著的優點即非常好的薄膜致密性、與襯底的附著力強和均勻可控的晶態結構。

目前離子束濺射沉積薄膜主要仍用于傳統的金屬應變材料如鎳鉻合金薄膜，其靈敏系數很低的不足依然存在，應變計靈敏系數低就必然要求傳感器彈性元件設計時輸出較高的應變，這就必然降低傳感器的耐疲勞度和高過載抗沖擊能力，而這些都是現代工業應用對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，需要制作一層電氣絕緣層將應變層與金屬彈性元件基底作電氣隔離，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間都很長，通常100納米的厚度需要八個小時以上，而且用薄膜做電氣隔離層時，要求彈性體表面質量非常高，達到鏡面的要求且無任何表面的微觀缺陷如劃痕、凹坑等，這勢必要對彈性元件表面做非常嚴格而復雜的預先處理如研磨和鏡面拋光等，嚴重地影響生產效率和成品率，這也是金屬薄膜壓力傳感器難以實現批量化生產的關鍵原因。

硅作為壓力傳感器的材料具有靈敏度高晶態穩定等許多優異特性，其應用多以硅本身作為彈性材料的擴散硅充油敏感元件技術，也有以硅材料用各種物理化學氣相沉積法成長在硅彈性體或金屬彈性體上的絕緣膜(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如成膜疏松、致密性不好、附著力不強等難以實現商業化、工業化批量生產。

實用新型內容

為了解決現有技術中存在的技術問題，本實用新型提出了一種靈敏度高、制作工藝簡便、性能穩定可靠、適合于大批量生產的硅薄膜壓力應變器件，該器件用離子束濺射沉積方法將其制作。

本實用新型通過采用以下的技術來實現：

設計制造一種用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件，所述壓力應變器件包括：

一引壓連接體；

與引壓連接體制作在一起的金屬彈性膜片；

金屬彈性膜片上有第一層的電氣隔離層；

在電氣隔離層之上，有第二層為硅薄膜壓阻層；

在壓阻材料層之上有絕緣介質膠覆蓋，形成第三層保護層，所述金屬彈性膜片、電氣隔離層、硅薄膜壓阻層、保護層共同形成硅薄膜應變器件。

所述電氣隔離層厚度小于150微米。

所述硅薄膜壓阻層厚度小于1微米。

在所述硅薄膜壓阻層上有微細刻蝕加工工藝刻蝕而成的應變片物理形狀結構，并進一步將用硅薄膜壓阻層制成的一個以上的應變電阻連接成惠斯登電橋，該電橋在激勵電壓的作用下輸出毫伏級電壓信號，該信號與彈性膜片所受壓強成正比。

引壓連接體和金屬彈性膜片的連接結構形式包括，：金屬彈性膜片直接焊接在引壓連接體上；

引壓連接體材料和金屬彈性膜片的材料都是金屬材料。

或者，引壓連接體和金屬彈性膜片是由單體金屬加工成二者合一的無焊縫、無密封圈密封的一體化結構；

引壓連接體材料和金屬彈性膜片的材料都是金屬材料。