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      薄膜壓力傳感器對薄膜質量的要求以及結構


      發布日期:[2018-12-28]    作者:昊明壓力傳感器價格


      薄膜壓力傳感器對薄膜質量的要求,一是機械特性,二是電特性。機械特性包括:薄膜的附著力,內應力,熱應力,受力形變后彈性好,熱膨脹系數小等。電特性主要是介質膜的絕緣性能好,擊穿強度高,漏電流小,金屬薄膜的方塊電阻適中,電阻值的穩定性好。薄膜的機械特性、電特性,強烈依賴于薄膜工藝設備及其工藝技術,即使是同一工藝設備由于淀積的工藝參數不同,薄膜質量差異也很大,這是因為薄膜形成過程很復雜而且依賴于形成條件。

      薄膜壓力傳感器

      一、薄膜質量要求根據四層薄膜所起作用的不同,對薄膜的質量要求也不同,現分述如下:

      1: 窗口鍍金薄膜:引線區窗口尺寸很小,要求窗口鍍金薄膜附著好,球焊時不能脫離敏感薄膜層,也不能損壞絕緣層。因此窗口鍍金薄膜一般較厚約1500 nm。這層薄膜是金制備而成,金是重金屬,易擴散穿透Ni-Cr、SiO2 層引起絕緣損壞。所以Ni-Cr和SiO2層有一定的厚度,甚至需增加導電的阻擋層,防止金穿透。

      總之,引線窗口鍍金薄膜層要具有:與應變層良好的電氣連接;低電阻率;與后序加工的兼容性;高的熱穩定性;良好的附著性;電阻溫度系數與應變層相匹配。


      2: 鈍化保護介質薄膜的要求:鈍化保護介質薄膜除了熱膨脹系數,粘附性要求以外,膜的厚度不能太厚,太厚容易龜裂損壞。一般在非常致密膜的情況下,盡可能的薄,大約(300-500) nm。

      總之,鈍化保護介質薄膜層要具有:高電氣絕緣性;高防潮性;良好的附著性;高的溫度穩定性;離子滲透的高抗性;低的材料應力。


      3: 對應變金屬敏感薄膜的要求:①應變金屬敏感薄膜一般是由二元以上的元素組成。要求形成薄膜后的組成成分與體材一致,這樣保證它的溫度系數不變和靈敏度不變。對Ni-Cr薄膜而言,理論靈敏度一般值為2。

      1)制成的應變電阻阻值在很寬的溫度范圍內穩定:例如傳感器的穩定性為0.1%FS,那么電阻的變化量應小于0.05%范圍。對于長期工作穩定性要求,則電阻穩定性要求小于0.001%。保證這樣高的電阻穩定性,其難度較大,需要采用一些成份改性技術,使其電阻穩定性盡量小。  

      2)應變金屬敏感薄膜在熱處理后殘余應力要盡可能小。殘余應力的存在,將引起零點漂移誤差。要求沉積的應變金屬敏感薄膜與介質絕緣薄膜的熱膨脹系數盡可能一致;薄膜的厚度應該在保證穩定的連續薄膜的平均厚度的前提下,盡量控制薄膜的理想厚度。膜太厚,膜內晶格缺陷引起畸變增加,內應力增大,另外阻值也不穩定;膜太薄,薄膜是不連續的,不能通過熱處理使其穩定。同時考慮到電阻要高,橋阻控制在(4~6)KΩ, 應變金屬敏感薄膜的方塊電阻應為50Ω左右。其膜厚大約為(50~90)nm。電阻高,功耗小,可減少自身發熱引起電阻的不穩定性。

         總之,應變金屬敏感薄膜層要具有:電阻率對應變的靈敏性;應變檢測受溫度影響??;高電阻系數;溫度對電阻系數的影響??;高的化學和結構穩定性。


      4:對介質絕緣薄膜的要求:①緣強度要求:對于制成的傳感器,要求應變電阻與傳感器的殼體間的絕緣性電阻為104MΩ以上。耐壓從早期50V、中期100V到現在250V,而絕緣電阻從早期幾MΩ、中期幾十MΩ到現的5000MΩ以上。這是與薄膜工藝技術的進步分不開的。
      1)介質絕緣薄膜與金屬彈性體的表面粘附牢、附著力高。要具有一定的彈性,要求在最大使用的微應變(例如2500με)時,介質膜不能碎裂。而且在量程范圍內,彎曲變形超過106次循環不失效,還要求它在350℃溫度下處理不失去彈性。
      2)介質絕緣薄膜與金屬彈性體的熱膨脹系數基本上一致,不因它們之間的差異引起內應力,進而造成傳感器的輸出不穩定。
      3)介質絕緣薄膜含雜質量少,無吸附氣體。這樣,能防止使用過程中雜質的遷移和氣體釋放所造成絕緣性能降低,漏電流增大,甚至絕緣失效。

      4)對制成的傳感器蠕變要小。除金屬彈性體的嚴格熱處理外,要求沉積在其上的介質絕緣薄膜附著力高、致密、無針孔、空洞等缺陷。如有蠕變產生,則會增加零點漂移誤差,降低傳感器的非線性。
      總之,介質絕緣膜層要具有:高的電阻系數;高的擊穿電壓;優良的絕緣性能;對不銹鋼的良好附著性;良好的彈性變形的傳遞性;高的熱穩定性。


      二、  薄膜結構納米薄膜壓力傳感器的典型薄膜結構如圖一所示。圖中的薄膜襯底是圓形平膜片的金屬彈性體。第一層薄膜是起隔離作用的介質絕緣薄膜,通常是SiO2、Al2O3或它們的疊層結構。第二層薄膜是起應變作用的金屬敏感薄膜,通過光刻工藝形成電橋的四個應變電阻,成為敏感元件的核心。一般采用Ni-Cr合金、NiCrMnSi合金等材料制備而成。第三層是鈍化保護介質薄膜,它保護應變電阻與空氣隔離,防止氧化、水氣和硫化物引起腐蝕等造成應變電阻的不穩定性甚至失效。一般是采用SiO2、Al2O3等材料。第四層薄膜是金絲引線用的窗口鍍金薄膜,它與應變電阻膜接觸,實現電引出。通過薄膜制備及光刻工藝后形成壓力傳感器彈性體成品,如圖二所示。

      納米薄膜壓力傳感器的典型薄膜結構圖

      圖一  納米薄膜壓力傳感器的典型薄膜結構圖  圖二  納米薄膜壓力傳感器光刻后的彈性體


      納米薄膜壓力傳感器的多層薄膜是采用真空離子束濺射工藝生產的薄膜,由于其核心敏感薄膜厚度小于100nm,因此稱為納米薄膜,采用這種工藝制造的壓力傳感器稱為納米薄膜壓力傳感器。


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