图说合金薄膜电阻应变式压力传感器的发展

 

研制能适应各种恶劣环境测压要求的压阻式薄膜传感器，其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薄膜是保证压力传感器在各种恶劣环境下仍具有稳定的高灵敏度的关键。

 

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、转换元件等部分组成。弹性敏感元件是将被测物理量预先转换为一种易于变换成电信号的物理量的部件。转换元件是能将感受到的物理量直接转换成电信号的部件。

 

合金薄膜应变压力传感器的工作原理可简述为：压力引起电阻变化，通过电阻值变化转换为输出电压变化，实现对压力的准确测量。薄膜弹性元件质量的优劣直接影响到传感器的性能及精度。

 

利用电阻应变效应制造的电阻应变式压力传感器经历了以下3 个发展阶段：丝式电阻应变压力传感器、箔式电阻应变压力传感器和薄膜电阻应变压力传感器。

 

 

丝式电阻应变计

 

丝式电阻应变压力传感器主要由金属丝作为转换元件，用胶粘贴在敏感元件上。由于圆截面的金属丝与变形表面结合不够紧密，而且电阻丝末段输出线接头不易焊接，焊接接头极易损坏，所以该类传感器寿命短、稳定性差、精度不高。

 

 

 

箔式电阻应变计

 

随着半导体制造技术的发展，特别是光刻技术的发展，人们又成功研制出箔式电阻应变式压力传感器。它的转换元件是箔式应变片，其敏感栅是通过光刻、腐蚀工艺等制成，箔合金材料为康铜或改性镍铬合金。由于箔敏感栅断面为长方形, 表面积大、散热性能好、栅条均匀、尺寸小、应变片薄，所以相对于丝式电阻应变传感器, 箔式电阻应变式压力传感器的温度特性和精度都有了非常大的提高，能满足一般的自动控制和测量的需要。但是，由于粘贴胶本身固有的缺陷，胶在较高温度和较大湿度等恶劣环境下使用一定时间后，其力学性能明显变差，致使传感器稳定性变差，蠕变与迟滞增大。所以粘贴式传感器不能满足恶劣环境下使用。

 

 

 

随着现代科技的飞速发展，许多工业生产和自动控制，如运载火箭燃料室的压力测量、导弹飞行的平衡控制以及石油工业的井下压力测量等，都需要在耐高温、耐腐蚀恶劣环境下工作的压力传感器，这就促使人们采用新的技术和工艺手段来开发制作新型压力传感器，因此金属弹性衬底的金属薄膜应变压力传感器便应运而生了。

 

金属薄膜应变压力传感器的敏感薄膜是采用真空沉积或真空溅射等方法制成：直接在弹性衬底（表面有绝缘层的金属或石英、云母等无机材料）上溅射沉积一层导电金属薄膜，再采用光刻技术制成应变电阻，然后在应变电阻上溅射一层SiO2、Al2O3等绝缘保护膜来保护应变电阻，使其不暴露于大气，以免电阻条被氧化。如果是金属弹性衬底，一般应首先在金属弹性衬底上溅射一层或多层绝缘膜（如SiO2、Si3N4、Al2O3 等）。

 

相对于丝式与箔式压力传感器，薄膜应变式压力传感器在性能上有很大提高，能适应恶劣的环境。但是直接在金属弹性衬底上溅射或沉积薄膜需要解决3 个问题：高质量金属弹性衬底表面的制备、薄膜与衬底间的强粘附性、金属弹性衬底与纳米薄膜电阻间的高绝缘性等关键技术。目前，这仍然是一个尚待解决的技术难题。

 

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。