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      新聞資訊

      濺射薄膜壓力傳感器的研制及應用

      來源:江蘇創輝自動化儀表有限公司 時間:2020-05-04
      1.前言
      濺射薄膜壓力傳感器是由貼片式壓力傳感器發展而來。薄膜式壓力傳感器是利用薄膜技術在彈性上直接制作溥膜應變電路的一體化敏感元件(及薄膜壓力敏感元件),一方面沿用了傳統的彈性體粘貼箔式應變計的電測機理,并繼承了其原有的一些優點,另一方面采用現代薄膜工藝技術,用陶瓷介質代替了粘貼膠層,克服了由膠層引起的變等一系列的弊端,使其在長期穩定性、耐高溫、高輸出阻抗等性能指標得到了很大的提高。所以薄膜壓力傳感器適合于要求穩定性好、可靠性高或溫度范圍寬等惡劣條件下的壓力參數測量。特別是在航天領域,其應用前景很廣泛。
       
      2.濺射薄膜壓力敏感元件的結構形式和工作原理
      濺射薄膜壓力敏感元件一般有兩種形式,一種是直接在絕緣基底(如藍寶石基底)上,先制作金屬薄膜,再用光化學等方法生成應變圖形和電極,從而制做成薄膜壓力敏感元件;另一種是在金屬彈性體上先制作一層絕緣介質層,再在其上制作金屬海膜,然后通過光刻、刻蝕的一系列的工藝形成應變圖形和電極(見圖1),一般制作好的敏感元件表面還需覆蓋一層保護層。目前我們采用的結枃形式為后一種濺射薄膜壓力敏感元件的工作原理和傳統的粘貼箔式應變計的壓力傳感器工作原理一樣,敏感元件的應變圖形由四個應變電阻組成惠斯墩電橋,隨著被測壓力的變化彈性體產生變形,電橋的四個電阻感知彈性體的應變,產生電阻值變化,通過應變電測測量壓力。

       
      3.濺射薄膜壓力敏感元件的主要制造工藝
      濺射薄膜壓力傳感器的主要制作工藝包括膜片的研磨拋光、清洗、成膜、制作光化學圖形和表面保護等。圖2所示為射薄膜壓力敏感元件的主要流程框圖。
      3.1膜片的研拋光
      金屬膜片的表面研磨和拋光是制造澱射薄膜敏感元件關鍵工藝,膜片表面研磨、拋光質量的好壞將直接影響到后續工序質量,因此膜片經研磨、拋光后其表面質量須達到以下要求:表面粗糙度Ra≤0.1um;平面度≤1.2um,且表面不能有劃痕、桔皮等缺陷研磨一般需有粗豳、細磨,細磨后的表面不能有劃痕。拋光工藝采用瀝青膠版拋光工藝,瀝青膠版地光法拋光后的膜片表面效果較好,用瀝青膠版拋光制作的敏感元件的溫度性能、絕緣強度、產品成品率較好。
      3.2膜片的清洗工藝
      膜片在成膜前要經過化學試劑超聲波清洗和離子轟擊清洗兩道工藝?;瘜W試劑超聲波清洗可以去除膜片表面的油脂、微塵等污染物,離子轟擊可以去除膜片表面吸附的水汽、空氣的徵觀污染。潔凈的膜片表面可以獲得到良好的薄膜結合力,膜片表面清洗不干凈會導致膜層的結合力下降,嚴重時還會導致膜層脫落。
      3.3薄膜沉積
      制備薄膜的方法很多,在薄膜壓力敏感元件制作過程采用的方法大致有真空蒸發成膜和濺射成膜兩種,而濺射成膜又可分直流濺射、射頻(RF)濺射、離子東濺射(IBS)等幾種。真空蒸發成膜結合力差,且工藝重復性不好,所以現在在薄膜壓力敏感元件的制作工藝中已經很少有人采用。直流濺射成膜也因為不能沉積介質膜而不被采用。目前,在制造工藝廣泛使用的方法基本上是射頻濺射成膜和離子束濺射成膜兩種。
      3.4制作電極圖形
      電引線圖形的材料使用一般使用高純Au制作電極圖形,一般是先用光刻的方法在金層上形成掩模,然后用水基12、KI腐蝕液化學腐蝕出圖形。該腐蝕液在濃度、腐蝕溫度和攪拌速度合理時,對膜片材料、電阻材料基本上不腐蝕,可以很好地控制腐蝕終點。
       
      3.5制作應變電路圖形
      制作應變電路圖形一般是先用光刻的方法在膜層上形成掩模,然后進行化學腐蝕或干法刻蝕的方法進行圖形加工?;瘜W腐蝕一般得到的圖形線條邊緣不整齊,而且有側向腐蝕現象。干法刻蝕圖形線條邊緣比較整齊,而且無側向腐蝕,所以一般都采用離子東干法刻蝕工藝。
      3.6敏感元件表面保護
      在制作好應變圖形的敏感元件表面,沉積一層介質膜層,可以提高敏感元件的抗濕性能,防止應變電阻層在長期使用過程被氧化和污染,有利于保證敏感元件的長期穩定性和可靠性。保護層和絕緣介質層一殷采用同種材料,目前大部分薄膜壓力敏感元件生產廠家使用的材料為SiO2。
       
      4.濺射薄膜壓力傳感器的一般結構
      濺射薄膜壓力傳感器的一般結構如圖3所示
      濺射薄膜壓力敏感元件的一般結構是:把敏感元件(圖3中序號)和接管嘴(圖3中序號2)組成一個封閉的腔體,壓力通過接管嘴作用到敏感元件上,敏感元件上的四個應變電阻組成惠斯敦電橋隨著壓力的變化,敏感元件的不銹鋼彈性體產生應變,從而使應變電阻產生變化,電橋失去平衡,在激勵電壓的作用下,傳感器輸出發生變化。傳感器輸出的變化與所感受的壓力成正比。
      敏感元件與接管嘴用先進的激光焊工藝焊接,這種焊接方法具有熱應力小、焊接速度快、焊接設備簡單易維護等優點。為了改善傳感器的性能,通常在一般結構的基礎上進行優化設計,如為防止接管嘴在安裝時扳手產生的應力傳遞到敏感元件上,在接管嘴上設計應力隔離槽(圖3中敏感元件下部的細頸);為改善傳感器的動態相應特性,在引壓部設計了迷宮結構,如圖3中徑向小孔,使介質壓力不直接作用在敏感元件上,而是通過四個小孔傳遞到敏感元件上,迷宮小孔起阻尼作用。傳感器的靈敏度一般為15mV左右,通常需配差動放大電路對信號進行放大,以滿足航天遙測系統標準信號0V~5V的幅度要求。
       
      5.濺射薄膜壓力傳感器的應用
      濺射薄膜壓力傳感器的膜片和接管嘴通常使用相同的材料,焊接使用激光焊接,屬于自熔焊,且焊接時用惰性氣體對焊口進行保護,因此焊接強度高,焊縫安全性較好。因此濺射薄膜壓力傳感器常用做型號上各類發動機或貯箱等對安全性要求較高的部位的壓力測量,如某運載型號單發配套的濺射薄膜壓力傳感器達70支。
      我所研制的濺射薄膜壓力傳感器,產品性能指標和工藝水平在國內已經處于領先水平,且已經基本達到國際先進水平。主要技術指標達到:
      ◆量程范圍:OMPa~0.6MPa至OMPa~60MPa;
      ◆橋臂電阻:1kΩ、1.5kΩ、3kΩ、5kΩ
      ◆輸出靈敏度:1.5mV/V~2.4mV/V;
      ◆電橋工作電壓:<30VDC;
      ◆常溫精度:≤0.1%~0.5%(含非線性誤差、遲滯誤差、重復性誤差);
      ◆熱零點溫度漂移:<1×10的-4F.S/℃
      ◆熱靈敏度溫度漂移:<(1X10的-4~2×10的-4)F.S/℃
      ◆使用溫度范:-40℃~+60℃、+80℃、+100℃、+125℃、+150℃
      ◆絕緣電阻:在正常工作條件下>100M9;在+40℃,95%~98%RH濕度環境下,>2MΩ
      ◆過載能力:1.5倍滿量程壓力;
      ◆年穩定性:0.2%
      ◆工作壽命:>1000h
      ◆輸出阻抗:<1kΩ
      ◆功耗電流:<15mA。
       
      6.數字式壓力傳感器及其應用
      濺射薄膜壓力傳感器具有良好的擴展性,比如可以在其基礎上將輸出的模擬信號進行脈沖變換,使傳感器輸出信號為頻率與介質壓力成正比的變頻脈沖信號。這種數字化的輸出形式抗干擾能力強,適合遠距離傳型號上通常用這種數字式壓力傳感器來測量固體發動機的燃燒室壓力,然后把與壓力成正比的變頻脈沖信號送入彈上控制系統進行判斷,以此作為彈道導彈飛行姿態控制和各級發動機點火或關機的判據。數字式壓力傳感器是一種很重要的彈上設備,它的重要表現在兩個方面:一,它感受的是各級主發動機燃燒室的壓力,直接用管路與燃燒室腔體連接。因此系統對它有很高的安全性要求,對傳感器來說,首要的是進行防泄漏設計,要求焊縫的強度余量要高,焊接后要進行疲勞試驗,消除焊接產生的熱應力,同時加速暴露焊接缺陷;二,它感受的信號要作為飛行姿態控制和各級發動機點火或關機的判據,因此要求它具有較高的精度和可靠性。研制的數字式壓力傳感器已經能夠滿足型號使用要求,并已參加過某重點型號的四次飛行試驗,每次均很好地完成預定任務,表現了良好的精度和可靠性。
       
      7.結束語
      濺射薄膜壓力傳感器具有穩定性好、可靠性高、溫度性能好、能夠在惡劣環境條件下使用等特點,可以更好地為型號任務提供服務,滿足型號任務對壓力參數可靠、準確測量控制的需要。同時薄膜壓力傳感器技術是軍民兩用技術,薄膜壓力傳感器不僅可以為型號任務提供服務,還可以將其推向社會,推動和促進中國傳感器行業的發展。
       
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