本发明涉及一种溅射薄膜温度压力复合传感器及其制作方法，尤其适用于低成本、低功耗，高可靠性，高稳定性，长寿命的要求下实现同时测量气体、液体温度和压力的场合，或需要在原来只有压力测量功能的测量点增加温度测量功能的情况。对于复杂智能传感网络的搭建，以及某些工业环境、军事装备、航空航天航海等领域，在升级或改变原来设备、系统存在困难，同时又不能改变压力测量接口情况下的使用具有非常实际的意义。
背景技术：
压力、温度传感器广泛应用于工业生产、军事装备、航空航天航海等各个领域中。现有的单独具有温度和压力测量功能的传感器无论技术还是产品均十分成熟，压力测量多采用应变效应、压阻效应、压电效应等，通过电阻、电容、电感变化测量压力，也有部分高端产品利用谐振技术、激光和光栅等新型技术实现压力测量。温度测量较常用的有铂电阻、热电偶、二极管等测温元件及越来越普遍的红外测温方式。当前许多领域的发展对智能化、云计算等新技术的需求越来越大，一方面许多压力测量环境在原来的基础上对测量精准度的要求越来越高，温度对压力测量结果的影响越来越不可忽略，另一方面智能化、云计算本身就需要温度、压力等各类参数的测量。目前，现有的产品和技术从单一测量角度来看，基本可以满足绝大多数应用场合。对于同时测量某一个点压力和温度的测量需求，在设计时可以通过增加管路分支的方式分别安装温度传感器和压力传感器。而对于复杂工业环境、军事装备、航空航天航海等领域，或某些已有的但压力测量点十分庞大的场合，原来的设备或系统设计时不需要或没有考虑温度测量功能，现在需要增加温度测量功能时，最简易的方式是通过增加管路分支安装温度传感器，但此方案带来的可靠性影响或者空间布局的限制可能是极具挑战的，甚至是无法接受或实现的。温度压力复合传感器的出现一方面在一定程度上提供了此类问题的一种解决方案，另一方面也提供了一种新的同时测量温度压力的方案。但市场上现有的温度压力复合传感器大多数仅仅是简单机械的将温度压力传感器拼凑在一起，比如有的只是在压力传感器中增加了一个数字温度传感器，只能提供精度十分粗糙的温度测量功能；有的虽然采用了铂电阻或热电偶等性能优良的测温器件，但器件采用贴在压力测量敏感元件上，器件直接与压力测量敏感元件的接触面积很小，测量值与介质实际温度差距较大；有的虽然在传感器内部留孔将温度探头直接插入介质获得了理想的温度测量值，但此类传感器封装困难，通常存在系统泄露风险且体积较大，价格较高的缺点；另外，在一些军工等特殊应用场合，也有使用溅射薄膜工艺在敏感元件上分别溅射用于压力测量的合金薄膜和用于温度测量的热敏薄膜的方式，但这种实现方式的原理与在敏感元件上粘贴铂电阻等热敏感元件的原理相似，且因为需要多次溅射、光刻，不仅一致性、成品率会受到影响，而且造价也很高昂。此外，以上这类温度压力复合传感器的信号处理和信号输出泾渭分明，基本相当于两套信号处理系统，不仅其成本与售价没有太大优势，而且如果希望通过获得的温度测量值来修正压力测量值通常需要引入嵌入式系统、上位机等才能实现。除此之外的一些温度压力复合测量方式(如激光光纤测量压力温度的方式)因为尚缺乏足够的验证，且造价不菲，一般只用于极其特殊的测量场合。相较而言，使用溅射薄膜工艺制造的传感器(主要是压力传感器和测力传感器)的应用已有几十年，在航空航天、航海及各类复杂工业环境中都得到了充足的验证，十分成熟，其优异的稳定性、可靠性、精度、温度性能及批量制造的特性一直使其独树一帜。而使用溅射薄膜工艺制造的温度压力复合传感器因为温度测量方式与原来的压力、力测量方式一致，因此不仅完全继承了溅射薄膜传感器的优势，充分发挥了溅射薄膜工艺的特点，而且在信号处理方面，使用获取的温度测量值修正压力测量值也十分容易。对于解决前文所述的各种问题提供了一种新的、成熟的、更具竞争力的解决方案。对于高性价比的解决拥有庞大温度压力复合监测点的测量场合和需要在不改变原系统接口的情况下增加温度测量功能的场合均具有十分重要的意义。
技术实现要素：
本发明目的在于提供一种溅射薄膜温度压力复合传感器，用于低成本、低功耗，高可靠性，高稳定性，长寿命的解决气体、液体介质的温度、压力测量问题。引入温度测量的同时也可以降低温度对压力测量的影响，实现压力的高精度测量。可为拥有庞大温度压力复合监测点的测量场合和需要在不改变原系统接口的情况下增加温度测量功能的场合提供一种更好的解决方案。
本发明的溅射薄膜温度压力复合传感器包括接嘴、敏感元件、铜柱、补偿板、金引线、套筒、信号处理电路板、外壳、导线、紧固螺钉、航空插座和插座底座，所述敏感元件上除了通过溅射薄膜工艺加工有四个用于压力测量的薄膜电阻，同时还在压力测量薄膜电阻的外圆周极小形变区加工有两个用于温度测量的薄膜电阻。四个压力测量薄膜电阻通过金引线与补偿板进行转接并组桥，两个温度测量薄膜电阻引出四根金引线通过补偿板一对一转换为导线，并接到信号处理电路板上，并在信号调理电路板上完成组桥和补偿。
优选所述外壳设计除有片状散热结构外，还在外壳靠近接嘴焊接处留有微孔。
优选在外壳散热结构中央穿线孔内及接近信号调理电路板的位置填充有密封隔热胶，用于敏感元件所在腔体与信号调理电路板所在腔体间的隔热和密封。
优选信号调理电路板上的用于温度测量电桥的组桥电阻为温漂低于5ppm的电阻。
优选当环境温度变化较大时，在信号处理电路上用铂电阻或铂电阻丝对温度测量电桥进行补偿。
优选所测温度值除直接输出外，还用于修正由温度引起的压力测量误差。
优选当测量压力值较低时，可利用外壳微孔平衡腔体内外压力或抽真空后再进行封堵。
优选通过信号调理电路的处理，传感器采用两线制数字信号输出或三线制模拟电流信号输出或四线制电压模拟信号输出。
本发明的用于权利要求1-8中任一项所述的温度压力复合传感器的制作方法，其特征在于，包括：步骤一、制作敏感元件，通过现有的溅射薄膜压力传感器生产线生产，在敏感元件的大形变区域加工四个用于压力测量的薄膜电阻，并在压力测量薄膜电阻的外圆周极小形变区加工两个用于温度测量的薄膜电阻；步骤二、将敏感元件与接嘴用激光焊机或电子束焊机焊在一起；步骤三、安装补偿板，使用热压金丝球焊机焊接金引线，完成传感器压力测量部分的补偿和组桥，焊接补偿板上的引出导线；步骤四、将引出导线穿过外壳引线孔与信号处理电路板连接，再将信号处理电路板上的引出导线穿过插座底座的座孔并与航空插座焊接；步骤五、填充密封隔热胶和抽取真空，封堵外壳上的微孔；步骤六、对传感器进行调试及补偿；步骤七、焊接接嘴与外壳，并焊接外壳与插座底座，安装固定航空插座；步骤八、进行出厂调试、检验工作。
本发明涉及的溅射薄膜温度压力复合传感器的有益效果是：本发明提供的①可低成本、低功耗，高可靠性，高稳定性，长寿命的实现单一测点同时测量气体、液体介质温度与压力数据，②在要求不改变原有系统管线结构的基础上在原有压力测点增加温度测量功能等测量监测难题，所采用的技术方案有如下优点和改进。
第一，本发明主要的特点有如下三点：①温度测量原理是先通过在压力敏感元件上的极小形变区域处利用溅射薄膜工艺制作薄膜电阻，再与冷端的低温漂电阻(安装在信号调理电路板上)组成惠斯登电桥，当温度变化时，由于敏感元件与薄膜电阻材料的热膨胀系数不同，引发薄膜电阻发生形变，阻值改变，导致惠斯登电桥失衡，从而实现温度到电压信号的转换，因压力测量同样采用惠斯登电桥原理，因此只需对原来的溅射薄膜压力传感器压力调理电路进行简单改变即可实现温度测量信号的调理和输出，并且只需要在原来压力测量输出的基础上再增加一个温度测量端即可，如采用电流环输出方式，复合传感器可实现三线制，而采用三线电流或电压方式，则可实现四线制输出。②温度、压力敏感元件采用一体化结构设计，可采用不锈钢、铝合金及钛合金制造，与溅射薄膜工艺制造压力传感器的过程完全同步，不仅其可靠性、寿命与溅射薄膜压力传感器同样优秀，而且完全继承了溅射薄膜压力传感器易于大批量生产的工艺特点；③冷端温度补偿可通过以下两种方式：其一，对于生产规模较小时，通过在冷端使用少量铂电阻丝进行补偿可提高温度测量精度，因不锈钢等材料热膨胀系数随温度变化为非线性，因此通过信号处理电路进行线性补偿可降低线性误差；其二，对于产量较大时，选购或定制集成有温度测量功能的专用信号调理芯片进行温度、压力信号处理，可在较小的信号处理电路板上解决温度补偿、零位补偿、信号放大，标准信号输出等问题，且更适合大批量生产。
第二，整个传感器所采用的所有加工制造方法成熟容易，敏感元件加工制造使用的溅射薄膜工艺本身十分适合机器化、流水线形式的批量生产。其余零件都可以通过传统机械加工工艺、印刷电路板工艺及集成电路焊接装配工艺等大量生产，相对的瓶颈是人工焊接、装配、调试和检验，通过溅射薄膜压力传感器生产线已经广泛使用的电动工具、特制工装、焊接设备可解决人工焊接、装配的问题，而敏感元件的零点与灵敏度的个体差异性，可通过采用数字信号调理电路或定制专用信号处理芯片，再借助批量调试设备和检验设备来解决。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
示意图中零部件的标号说明：1接嘴、2敏感元件、3铜柱、4补偿板、5金引线、6套筒、7信号处理电路板、8外壳、9导线、10紧固螺钉、11航空插座、12插座底座。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提供的可低成本、低功耗，高可靠性，高稳定性，长寿命的解决单一测点同时测量气体、液体介质温度、压力数据或在要求不改变原有系统管线结构的基础上在原有压力测点增加温度测量功能等测量监测难题所采用的技术方案的优选方式做进一步说明：
如图1所示，本发明的溅射薄膜温度压力复合传感器，包括接嘴1、敏感元件2、铜柱3、补偿板4、金引线5、套筒6、信号处理电路板7、外壳8、导线9、紧固螺钉10、航空插座11和插座底座12。敏感元件2是在通常使用的压力敏感元件外圆周上的极小形变区域处利用溅射薄膜工艺制作薄膜电阻而形成的，再与冷端的安装在信号调理电路板7上的低温漂电阻组成惠斯登电桥，当温度变化时，由于敏感元件与薄膜电阻材料的热膨胀系数不同，引发薄膜电阻发生形变，阻值改变，导致惠斯登电桥失衡，从而实现温度到电压信号的转换，因压力测量同样采用惠斯登电桥原理，因此只需对原来的溅射薄膜压力传感器压力调理电路进行简单改变即可实现温度测量信号的调理和输出，并且只需要在原来压力测量输出的基础上再增加一个温度测量端即可，敏感元件2能够通过现在大量运行的溅射薄膜压力传感器生产线生产，只需要在光刻工序使用专用的光刻板，光刻参数和光刻次数及其他关联工序不需要改变。引线焊接工序增加四个焊点(温度测量薄膜电阻的四个端子)。接嘴1、外壳8可采用传统机械加工工艺制造，外壳根据需要可在下端侧壁开微孔。补偿板4、信号处理电路需要重新设计，并采用印刷电路板加工工艺批量制造，信号处理电路板7上元器件的焊接装配可使用现有成熟工艺。金引线5、紧固螺钉10、航空插座11、导线9、套筒6等可直接在市场采购。
敏感元件2上不仅有使用溅射薄膜工艺加工的四个用于压力测量的薄膜电阻(图示区域a)，还在敏感元件的外圆周上加工了两个用于温度测量的薄膜电阻(图示区域b)，从两个用于温度测量的薄膜电阻引出四根金引线，通过补偿板一对一转换为导线，并接到信号处理电路板上，并在信号调理电路板上完成组桥和补偿；同时在外壳散热结构中央穿线孔内以及接近信号调理电路板7的位置(图示区域c)填充有密封隔热胶，阻止敏感元件所在腔体与信号调理电路板所在腔体的热对流和保持密封，测量压力值较低时，利用外壳下端位置微孔平衡腔体内外压力或抽真空方后封堵微孔。
人工焊接装配大体可分为以下工序：第一步，首先需要将敏感元件2与接嘴1用激光焊机或电子束焊机焊在一起；第二步，安装补偿板4并使用热压金丝球焊机焊接金引线5并完成压力传感器的补偿和组桥，焊接补偿板4上的引出导线；第三步，将引出导线穿过外壳8引线孔与信号处理电路板7连接，再将信号处理电路板7上的引出导线穿过插座底座12的座孔并与航空插座11焊接；第四步，填充密封隔热胶和抽取真空，封堵外壳8上的微孔；第五步，对传感器进行调试及补偿；第六步，焊接接嘴1与外壳8以及外壳8与插座底座12，安装固定航空插座11；第七步，进行出厂检验。通常情况，调试、补偿工作因为敏感元件的个体差异性是传感器整个大批量生产流程的瓶颈，一般可采用数字电路或定制专用信号处理芯片的方式弥补。专用信号处理芯片的定制需要达到百万级甚至更高的数量才能通过均摊降低成本，因此批量较小时，采用常规芯片搭建数字信号处理电路配合调试平台的方式可能更为实用。在形状、构造及其结构上，本发明与现有的类似传感器相同的特征有：①敏感元件与接嘴通过焊接方式连接，敏感元件的电路部分通过金引线与补偿板进行转接并组桥，再从补偿板上通过导线和信号处理电路连接，最终通过航空插座完成传感器的输入输出，其中的铜柱、套筒、紧固螺钉用于调整和固定补偿板与信号处理电路板；②外壳设计了片状散热结构，可以使得测量高低温介质时尽可能降低温度对信号处理电路的影响。本发明与其他解决方案不同的特征有：①敏感元件上不仅有使用溅射薄膜工艺加工的四个用于压力测量的薄膜电阻，还在敏感元件的外圆周上加工了两个用于温度测量的薄膜电阻，两个用于温度测量的薄膜电阻引出四根金引线通过补偿板一对一转换为导线，并接到信号处理电路板上，并在信号调理电路板上完成组桥和补偿；②在外壳散热结构中央穿线孔内填充有密封隔热胶，使敏感元件所在腔体与信号调理电路板所在腔体保持隔离，并阻止热对流和降低热交换，测量压力值较低时，利用外壳下端位置微孔平衡腔体内外压力或通过抽真空方式降低腔内密封空气压力，然后封堵微孔。以上几点结合起来，可使得复合传感器在满足低成本、低功耗、高可靠性、高稳定性、长寿命要求下实现测气体、液体介质温度与压力数据的同时监测测量，另外复合传感器也可解决原有系统、设备结构因为结构复杂、安装操作空间不足，可靠性要求限制等问题导致的无法增加温度传感器及现有温度压力复合传感器与原接口无法兼容等难题。其温度测量精度可以满足大多数监测测量需求，压力测量精度非常优秀。
下面通过使用方法，更进一步阐述本发明溅射薄膜温度压力复合传感器的动态结构关系：传感器通过接嘴的螺纹与被测介质载体(通常为管路)接口进行连接，并使用符合测量环境要求的密封方式进行紧固密封。电气部分通过航空插座、相对应的配有航空插头的电缆与测量仪表、信号采集系统或信号发射模块连接。通电后，温度传感器与压力传感器开始输出电信号，当被测介质的温度发生改变时，敏感元件的温度随之变化，因作为敏感元件的材料热膨胀系数较大，薄膜电阻的热膨胀系数很小，因此薄膜电阻发生形变，其阻值随之改变，而冷端电阻的阻值不变，从而引发惠斯登电桥输出电压信号发生变化，由此可折算出温度变化量，再加上冷端默认的温度值，便可算出介质温度。当冷端温度较默认温度波动较大时：一是可在冷端串入铂电阻丝进行补偿，因为铂电阻阻值随温度变化较大，可以抑制因冷端温度波动导致的惠斯登电桥输出信号偏移；二是通过具有测温功能的芯片获得准确的冷端温度值去修正测出的介质与冷端的温度差值从而实现减小由于冷端温度波动带来的测量误差。压力测量工作方法与已有的溅射薄膜压力传感器相同。惠斯登电桥输出的电压信号一般只有毫伏(mV)级别，需要通过信号处理电路进行处理，理想的信号处理电路能进行温度补偿、零点补偿、线性补偿及实时的信号放大和转换。最终符合要求的信号通过航空插头输出到测量仪表、采集系统或发射模块等。
实现本发明的最佳方案是在拥有溅射薄膜压力传感器生产制造能力的工厂，最好同时具有齐全的温度试验和测试设备。具有压力标定与温度标定能力和资质的厂家可以通过外部协助和技术合作获得敏感元件2。敏感元件2可由溅射薄膜压力传感器生产厂家提供或由某些具备生产能力的科研机构生产制造。其余构成部分在市场上较易获得，最终完成装配、调试及检验即可形成产品。溅射薄膜温度压力复合传感器完成制造后，有时需要各级计量部门进行检定并提供检定证书。产品最终由需求的企业、科研机构选用并根据情况进行周期检定。本发明对满足智慧管网、工业4.0以及一些特殊工业环境、装备、系统内的气体、液体介质温度和压力的同时监测测量具有十分重要的意义。
温度测量原理是先通过在压力敏感元件上的极小形变区域(b)处利用溅射薄膜工艺制作薄膜电阻，再与冷端的低温漂电阻(安装在信号调理电路板(7)上)组成惠斯登电桥，当温度变化时，由于敏感元件与薄膜电阻材料的热膨胀系数不同，引发薄膜电阻发生形变，阻值改变，导致惠斯登电桥失衡，从而实现温度到电压信号的转换。因压力测量同样采用惠斯登电桥原理，因此只需对原来的溅射薄膜压力传感器压力调理电路进行简单改变即可实现信号调理和输出，并且只需要在原来压力测量输出线制的基础上再增加一个温度测量端即可，如采用电流环输出方式，复合传感器可实现三线制，而采用三线电流或电压方式，则可实现四线制输出。
敏感元件、接嘴、外壳、插座底座常用不锈钢材质，也可选用铝合金、钛合金等，也可混合使用。敏感元件借鉴成熟的溅射薄膜压力传感器敏感元件工艺生产加工，但为了增加温度测量功能，并确保压力测量对温度测量影响尽可能小，需要借助有限元分析方法计算压力满量程输出时，敏感元件溅射面的最小应变区域，重新设计制造光刻版，增加温度测量电阻及相应焊盘的图形，从而实现复合传感器敏感元件的制造工艺与原来压力敏感元件的制造工艺、步骤、流程完全一致。敏感元件上通过溅射薄膜工艺制作的电阻至少为6个，其中位于敏感元件中央弹性应变区域的至少4个薄膜电阻根据表面主应变方向组成惠斯登电桥，并形成5个金焊盘(5个焊盘是因为惠斯登电桥的其中一个端点保持断开，方便需要时进行补偿)，其余位于边缘的2个薄膜电阻相互独立，有4个独立的金焊盘，用于温度测量惠斯登电桥中相对的两个位置。以上9各金焊盘通过金引线转接到补偿板上，而补偿板通过铜柱和紧固螺钉固定在接嘴上。根据需要，在补偿板上可以对压力传感器进行补偿，最终将从补偿板上引出8根导线穿过外壳中央的穿线孔与信号处理电路板连接，其中四根线为压力测量惠斯登电桥的输入和输出，另外四根为两个相互独立的温度测量薄膜电阻的转接导线。将外壳与接嘴进行焊接，在中央穿线孔内填充密封隔热胶。因为填充密封隔热胶后，弹性体与密封隔热胶之间的腔体会成为密封空间，随着温度变化，密封空间内的空气压力会相应变化，当被测压力值较低时，这种变化会产生较大误差，因此可根据环境恶劣程度采取在密封空间对应的外壳体上制作一微孔，用于平衡敏感元件腔体内外压力或利用微孔抽真空降低腔体内气压后封堵微孔。也可在填充密封隔热胶时在穿线孔内埋入一段空管连接胶封两侧，埋入的空管在完成最终封装前用于抽取敏感元件腔体内空气，降低腔内气压，最后被胶封。信号处理电路板通过套筒与紧固螺钉悬空在外壳内，从补偿板上引出的用于压力测量的四根线直接进行信号处理，用于温度测量的四根线与信号处理电路板上的冷端电阻组成惠斯登电桥并进行补偿(包括冷端温度补偿和零点补偿)后再进行信号处理。冷端电阻一般优先选用低于5ppm的电阻。冷端温度补偿可以采用在桥路中串入铂电阻丝或选用具有温度测量功能的处理芯片。在生产批量较小的情况，串入铂电阻丝的方式更为合适，通过将敏感元件放入对应介质温度值的恒温箱内，将冷端放入对应环境温度的可调温恒温箱内。通过记录温度波动对温度测量惠斯登电桥的影响，可得到所需铂电阻丝的长度。如果温度测量的精度要求不高，可以根据统计数据补偿固定长度的铂电阻丝甚至不进行冷端温度补偿。零点补偿可采用锰铜丝或金属膜电阻、晶圆电阻。温度、压力测量惠斯登电桥可共用稳压电源芯片，输出信号通过常用的放大芯片搭建的信号处理电路进行处理，最终实现三线制(电流环方式)或四线制(三线电流或电压方式)输出。对于生产批量较大的情况，可以定制专用信号处理芯片，专用芯片可以集成绝对温度测量功能，修正环境温度对介质温度测量以及介质温度对压力测量的影响。专用芯片同时集成双通道信号处理能力，可实现温度、压力信号同时独立输出(与前面所述搭建电路方式的输出信号一样)或以数字信号分时输出(可实现两线制输出)。信号调理电路板最后通过导线与常用的航空插座连接，而航空插座直接固定在外壳上。
以上结构确保了温度压力复合传感器与现有的成熟的溅射薄膜压力传感器生产线完全兼容，单台产品的成本几乎没有变化，且可以实现各种信号的输出，十分容易实现量产和普及，对于替代原来只有压力测量功能的传感器十分容易。而且原本溅射薄膜压力传感器低功耗，高可靠性，高稳定性，长寿命等特征也得以完整继承。
本发明实现了完全兼容溅射薄膜压力传感器的使用环境，并增加了温度测量能力。此外相较传统的温度测量方式，该测温方式既不需要额外增加接触介质的孔，造成原系统泄露风险增加，也比粘贴感温元件获取的温度值更接近真实值。由于溅射薄膜工艺易于批产的特性，该发明十分适合大规模批量生产。其成本低、可靠性高，适应环境能力强，适用性好、天然满足低功耗智能传感器要求等诸多特点十分契合智慧城市、智能管网、工业4.0等领域对传感器的要求。
冷端温度补偿可通过以下两种方式：其一，对于生产规模较小时，通过在冷端使用少量铂电阻丝进行补偿可提高温度测量精度，因不锈钢等材料热膨胀系数随温度变化为非线性，因此通过信号处理电路进行线性补偿可降低线性误差；其二，对于产量较大时，选购或定制集成有温度测量功能的专用信号调理芯片进行温度、压力信号处理，可在较小的信号处理电路板上解决冷端补偿、零位补偿、信号放大，标准信号输出等问题。通过实验测试，在冷端温度波动不超过5℃时，在试验箱内控温精度优于0.5℃的区域内安装敏感元件，分别多次测量0℃、50℃、100℃的输出值，测量综合误差在0℃至3℃以内；因为不锈钢等材料的热膨胀系数随温度变化的特性导致的误差较大，所以通过信号调理电路进行线性修正后，综合测量误差可达到±1℃之内。温度压力复合传感器的压力测量性能与原来的溅射薄膜压力传感器一致，综合精度可达0.1％FS，输出受温度影响很小。