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纳米薄膜压力传感器的薄膜结构及其质量要求

分类:原创论坛 2020-08-22 10:01:00

纳米薄膜压力传感器的多层薄膜是采用真空离子束溅射工艺生产的薄膜,由于其核心敏感薄膜厚度小于 100nm,因此称为纳米薄膜,采用这种工艺制造的压力传感器称为纳米薄膜压力传感器。


   一   薄膜结构    


纳米薄膜压力传感器的典型薄膜结构如图一所示。图中的薄膜衬底是圆形平胶片的金属弹性体、第一层薄膜是起隔离作用的介质绝缘薄膜,通常是 Al2O3、SiO2。或它们的叠层结构。第二层薄膜是起应变作用的金属敏感薄膜,通过光别工艺形成电桥的四个应变电阻,成为敏感元件的核心。第三层是钝化保护介质薄膜,它保护应变电阻与空气隔离,防止氧化、水气和硫化物引起腐蚀等造成应变电阻的不稳定性甚至失效。一般是采用 Al2O3、SiO2 等材料。第四层薄膜是全丝引线用的窗口镀金薄膜,它与应变电阻膜接触,实现电引出。通过薄膜制备及光刻工艺后形成压力传感弹性体成品,如图二所示。

图一 纳米薄膜压力传感器的典型薄膜结构.png

图一 纳米薄膜压力传感器的典型薄膜结构


纳米薄膜压力芯体.png

图二 纳米薄膜压力传感器光刻后的弹性体



   二   薄膜质量要求    


根据四层薄膜所起作用的不同,对薄膜的质量要求也不同,现分述如下;


1. 对介质绝缘薄膜的要求


① 绝缘强度要求:对于制成的传感器,要求应变电阻与传感器的壳体间的绝缘性电阻为 104MΩ 以上。耐压从早期 50V、中期 100V 到现在 250V,而绝缘电阻从早期几 MΩ、中期几十 MΩ 到现的 5000MΩ 以上。这是与薄膜工艺技术的进步分不开的。


② 介质绝缘薄膜与金属弹性体的表面粘附牢、附着力高。要具有一定的弹性,要求在最大使用的微应变(例如 2500με)时,介质膜不能碎裂。而且在量程范围内,弯曲变形超过 106 次循环不失效还要求它在 350℃ 温度下处理不失去弹性。


③ 介质绝缘薄膜与金属弹性体的热膨胀系数基本上一致,不因它们之间的差异引起内应力,进而造成传感器的输出不稳定。


④ 对制成的传感器蠕变要小。除金属弹性体的严格热处理外,要求沉积在其上的介质绝缘薄膜附着力高、致密、无针孔、空洞等缺陷。如有蠕变产生,则会增加零点漆移误差,降低传感器的非线性。


⑤ 介质绝缘薄膜含杂质量少,无吸附气体。这样,能防止使用过程中杂质的迁移和气体释放所造成绝缘性能降低,漏电流增大,甚至绝缘失效


总之,介质绝缘膜层要具有:高的电阻系数;高的击穿电压;优良的绝缘性能;对不锈钢的良好附着性;良好的弹性变形的传递性;高的热稳定性。


2. 对应变金属敏感薄膜的要求


① 应变金属敏感薄膜一般是由二元以上的元素组成。要求形成薄膜后的组成成分与体材一致,这样保证它的温度系数不变和灵敏度不变。


② 应变金属敏感薄膜在热处理后残余应力要尽可能小。残余应力的存在,将引起零点漂移误差。要求沉积的应变金属敏感薄膜与介质绝缘薄膜的热膨胀系数尽可能一致;薄膜的厚度应该在保证稳定的连续薄膜的平均厚度的前提下,尽量控制薄膜的理想厚度。膜太厚,膜内晶格缺陷引起畸变增加,内应力增大,另外阻值也不稳定;膜太薄,薄膜是不连续的,不能通过热处理使其稳定。同时考虑到电阻要高,桥阻控制在(4~6)KΩ。电阻高,功耗小,可减少自身发热引起电阻的不稳定性。


③ 制成的应变电阻阻值在很宽的温度范围内稳定:例如传感器的稳定性为 0.1%FS,那么电阻的变化量应小于 0.05% 范围。对于长期工作稳定性要求,则电阻稳定性要求小于 0.001%。保证这样高的电阻稳定性,其难度较大,需要采用一些成份改性技术,使其电阻稳定性尽量小。


松诺盟公司的敏感材料专利技术,在不做任何补偿的情况下,传感器的零点温度漂移低至 0.0002% FS/℃,这比常规产品高出 100 倍。


总之,应变金属敏感薄膜层要具有:电阻率对应变的灵敏性;应变检测受温度影响小;高电阻系数;温度对电阻系数的影响小;高的化学和结构稳定性。


3. 钝化保护介质薄膜的要求


钝化保护介质薄膜除了热膨胀系数,粘附性要求以外,膜的厚度不能太厚,太厚容易龟裂损坏。


总之,钝化保护介质薄膜层要具有:高电气绝缘性;高防潮性;良好的附着性;高的温度稳定性;离子渗透的高抗性;低的材料应力。


4. 窗口镀金薄膜


引线区窗口尺寸很小,要求窗口镀金薄膜附着好,球焊时不能脱离敏感薄膜层,也不能损坏绝缘层。金是重金属,易扩散穿透引起绝缘损坏。


总之,引线窗口镀金薄膜层要具有:与应变层良好的电气连接;低电阻率;与后序加工的兼容性;高的热稳定性;良好的附着性;电阻温度系数与应变层相匹配。


归纳上述纳米薄膜压力传感器对薄膜质量的要求,一是机械特性,二是电特性。机械特性包括:薄膜的附着力,内应力,热应力,受力形变后弹性好,热膨胀系数小等。电特性主要是介质膜的绝缘性能好,击穿强度高,漏电流小,金属薄膜的方块电阻适中,电阻值的稳定性好。薄膜的机械特性、电特性,强烈依赖于薄膜工艺设备及其工艺技术,即使是同一工艺设备由于淀积的工艺参数不同,薄膜质量差异也很大,这是因为薄膜形成过程很复杂而且依赖于形成条件。


松诺盟突破纳米薄膜压力传感器关键技术,自主研发系列纳米薄膜压力传感器产品。产品是将敏感材料与弹性体原子融合,采用类半导体工艺制造,产品同时具有高精度、宽工作温度范围、高稳定性、高可靠性等优点,在航空航天、武器装备、石化、冶金、橡胶、核工业、交通运输、柴油动力、物联网等领域受到广泛应用。


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