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薄膜高温压力温度一体化传感器的研制方案

发布时间:2018-7-16??????发布人:泽天企业??????点击:

国外能同时测量温度压力的传感器,通常是利用电路中集成的温度传感器来测温,由于测量介质和电路之间存在热障并且有一定的距离,因此有较大的温度梯度,不能真实反应测量介质的温度,尤其在温度变化较快的场合,这个问题尤其突出。

Kulite企业的HKL系列微型带螺纹js金沙所有网址,整合了RTD铂温度传感器(PT1000)。js金沙所有网址利用先进的硅叠硅技术,RTD铂电阻温度传感器突出在横隔膜边缘感测介质的温度,压力测量和温度测量是独立的,输出信号是隔离的,该系列产品适应于宇航和战车领域。HKL系列产品的工作温度为-55℃~175℃,但误差补偿温度范围只25℃~85℃,测压的最大量程25MPa。

薄膜温度压力一体传感器

IPT系列产品内置温度传感器自补偿,在175℃下具有优越的长期稳定性和高精度,工作温度-40℃~175℃,补偿温度范围-18℃~175℃。但温度传感器只用来进行温度补偿,不能准确反应介质的温度。

国外最新的温度压力集成传感器的研究主要是将测压与测温的敏感件在同一硅杯上集成,利用压阻式或电容式测量压力,采用半导体二极管等方式测量温度,受硅杯的影响,产品不能经受高强度的振动和冲击,量程也只能做到25MPa左右。

国内现有的压力、温度集成的传感器采用热电偶、热电阻测温,采用压阻或应变测量压力,通过两个接口连接,输出信号再接处理电路,处理电路与测量点分开,这种方式的集成度不高,结构不紧凑。

军用薄膜高温压力温度一体化传感器的抗环境性能要求高,对工作的可靠性要求高,结构要小巧,信号标准化易于采集、控制与处理。

一)研究目标

本项目的研究目标是:通过用离子束溅射镀膜、离子束刻蚀等工艺研究,将薄膜合金应变电阻与热电阻在同一敏感芯片上进行集成,研制一种高速飞机用新型的薄膜温度压力集成传感器,通过一个安装接口,同时准确测量介质的温度与压力,以减少飞机的开口。打破国外的技术封锁,满足航空飞行器研究的设计需要和装机要求。

二)主要技术指标

1)基本性能 压力测量范围:0~60MPa;测量精度:0.1%;压力过载:150%;压力输出信号:0~5V;绝缘电阻:≥1000MΩ/100VDC;

2)温度基本性能 测量温度范围:-55℃~125℃;温度测量精度:0.5%;温度响应时间:τ0.65≤60s;温度输出信号:0~5V;

3)环境性能指标及其他 振动和冲击:冲击满足GJB150.18;振动满足GJB150.16;电磁兼容性:满足GJB151-97和GJB152-97的要求。

三)研究内容

1、敏感元件版图的设计;2、离子束溅射镀膜与刻蚀工艺研究;3、薄膜铂热电阻制作工艺研究;4、薄膜电阻的热处理工艺研究;5、激光修正工艺研究;6、传感器的补偿工艺与信号调理;7、引线、封装技术研究。

四)拟采取的研究技术路线及关键技术难点

(一)技术路线

温度压力一体化变送器是在同一芯片上实现压力与温度的测量,输出两个标准信号。压力测量原理是采用先进的离子束溅射镀膜技术,在周边固支的平膜片的应变区溅射四个薄膜合金电阻,连接成惠斯登全桥应变电路,通过膜片的形变将压力转换成合金膜电阻阻值的变化,从而输出一个与所感受压力值成线性的标准电信号。温度测量原理是通过离子束溅射镀膜技术在弹性体的非应变区溅射一个铂热电阻,将所测介质的温度通过弹性膜片的传导转换为电阻阻值的变化,通过信号调理输出一个与温度成线性的标准电信号。

其中合金薄膜应变电阻要获得高的应变系数、低的温度敏感性,而热电阻要有高的温度灵敏度但对压力不敏感,这需要结合成膜的工艺参数进行工艺试验,在同一敏感芯片上做出合理的版图设计。在本项目研究中,在同一芯片上刻蚀100Ω热电阻2个,2000Ω镍铬电阻4个。因为热电阻不能感受所测介质的压力,所以热电阻只能处于芯片的非应变区。应变电阻分别分布于正负应变最大区域,即芯片中心2个,外圈2个。综合稳定性要求和工艺中光刻胶保护强度等,电阻薄膜厚度设计为0.4μm。为了保证热电阻阻值的精确与合金电阻桥路的匹配,在版图的设计中还要带入薄膜初步补偿电阻,同时要设计激光调阻的位置。

(二)关键技术难点

泽天传感已有成熟的薄膜技术基础上研制本产品,在技术上是可行的。主要的关键技术难点如下:

1、敏感元件版图的设计,由于两种薄膜电阻的材料不同,工作原理不同,电阻率等性能参数不同,在版图设计时,要综合传感器的性能指标、工艺试验等进行设计,通过电阻的合理布局,获得两种高性能的敏感电阻。

2、离子束刻蚀的工艺研究,温度压力集成传感器需要在同一基底上溅射二种不同材质的金属膜,获得两种材料的栅条电阻。对电阻栅条采用腐蚀的湿法刻蚀工艺,会因工艺中操作中的可控性差而造成栅条过腐蚀,影响电阻桥路的匹配性。为保证两种电阻膜的质量,设计采用离子束刻蚀技术进行光刻。离子束刻蚀精度高,对各种材料的膜层都适用。完成镀膜后,对相应的电阻膜进行栅条形状的曝光、涂胶,然后再采用离子束刻蚀技术,对不需保留的电阻膜用离子束轰击掉。采用离子束刻蚀来提高刻蚀精度,保证电阻膜的质量与阻值的均匀性。

3、薄膜电阻的稳定性处理工艺,薄膜电阻的稳定性性处理包含两个方面,一是温度系数的稳定性,还有一个是电阻阻值的稳定性。未经处理的薄膜电阻性能不稳定,电阻值容易发生漂移,温度系数也比标称值小。镀膜以后的热处理工艺对电阻膜的质量起重要作用,有效的热处理可以减少薄膜缺陷、位错等,从而改善薄膜的温度性能和电性能。设计通过有效的热处理方式,提高薄膜电阻的稳定性。在传感器的封装前,再在芯片表面喷涂一层绝缘保护层,对薄膜电阻起双层保护作用。

4、激光修正工艺技术研究,研究激光调阻技术对薄膜电桥的阻值进行修正,取代现行的串联电阻补偿技术,提高传感器在恶劣环境应用的可靠性,同时提高产品批量生产时的质量一致性。用于薄膜传感器的激光调阻技术,是随着薄膜传感器在武器装备中的应用剧增而提出的新的重要攻关内容。

溅射薄膜的均匀性为5%,设计桥臂电阻值为2 kΩ的电阻,制造工艺可能产生的偏差为±100Ω,虽然通过设计旋转镀膜台,设计薄膜补偿电阻等方法,可改善桥臂电阻的一致性,但不可避免仍有1%左右的偏差。传感器灵敏度为1.2mV/V时,2 kΩ的桥臂电阻在最大量程压力作用下的变化量仅2 Ω。可见,桥臂阻值不平衡偏差为20 Ω时,零点输出将达到满量程输出的10倍。也就是说,满量程输出10 mV的传感器,零点输出达到100 mV,后继放大器将无法工作,这是不能接受的,必须对电桥的零点进行调整。

由于外接绕制电阻在恶劣环境下时有发生失效现象,因此研究采用激光调阻的方案对电桥的零点平衡进行调整,使桥臂电阻值满足:R1×R3=R2×R4的关系。激光调阻技术是采用聚焦激光束,对多层薄膜的中间层膜阻值进行修正。选择阻值较小的桥臂进行修正,电阻条宽30~40μm(与桥阻值设计有关),利用束径小于20μm的YAG激光束对电阻条进行切割或溶断,使电阻值增加。仍以标称桥臂电阻值为2 kΩ的电桥为例,零点不平衡输出通常要求小于2%,即桥臂电阻的失衡≤0.04Ω,为2 kΩ的十万分之二,监视与测量装置的精度应优于十万分之一。因此,用于薄膜传感器的激光调阻技术的主要研究内容包括:1)测量误差小于十万分之一的薄膜电阻值监视与测量装置;2)精密微动定位系统;3)合适的束能量和脉宽;4)调整范围可达0.04Ω~2Ω的版图设计;5)调阻后的稳定性处理工艺。本文源自泽天传感,版权所有,转载请保留出处。

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