一种高温薄膜压力敏感元件的制作方法

本实用新型属于压力测量装置技术领域，涉及一种高温薄膜压力敏感元件。

背景技术：

压力敏感元件按其原理可分为电阻式、电容式、电感式、压电式及光电式等，能够制作成薄膜类的压力敏感元件一般仅限于电阻式结构。在电阻式结构中目前常规使用的是硅压阻式薄膜压力敏感元件，该元件采用了硅材料的压阻效应，在其薄膜元件受压时，电阻值发生变化从而能够达到测压的目的。但这类薄膜压力敏感元件中存在pn节，该结构会在高温下产生“质变”，使得敏感元件在高温下的性能及稳定性极差，不能长期进行高温测量。目前，本领域只是在某些大型科研机构开发出了高温压力敏感元件为核心的压力传感器，如已经出现了部分在可400℃～500℃之间使用的以高温薄膜为基础的高温压力传感器，其主要的结构是以单晶硅或多晶硅为基础研制的薄膜系统，但同样由于硅本身中pn节的作用，限制了以多晶硅和单晶硅为基础的高温薄膜系统的开发。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，提供一种结构科学合理、精度高、长期稳定性好、动态频响高、可在高温下进行稳定压力测量的高温薄膜压力敏感元件。

用于实现本实用新型目的的技术解决方案如下所述。

一种高温薄膜压力敏感元件，包括一个金属材料制的罩筒形耐高温弹性体，在耐高温弹性体的表面自下而上依次设置有介质薄膜、压敏薄膜和保护膜，其中，介质薄膜是由多层SiO₂膜和多层Al₂O₃叠加构成的总厚度为1.0～1.2微米的薄膜，压敏薄膜为通过离子束溅射沉积及光刻工艺制成的厚度为100～200纳米的NiCr合金平面电阻膜，在压敏薄膜上复制有惠斯通电桥，保护膜为通过反应离子束溅射沉积工艺制成的厚度为100～200纳米的Si₃N₄材料膜。

上述高温薄膜压力敏感元件中，连接惠斯顿电桥的四个电阻(R1、R2、R、R4)处于耐高温弹性体感受压力后的表面应变区内，能够产生一定比例的信号输出。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点如下所述。

一、本实用新型所述的薄膜压力敏感元件采用了应变式电阻结构，在不锈钢基底上采用离子束溅射镀膜、离子束刻蚀以及微加工工艺相配合，制成耐高温薄膜压力敏感元件，该薄膜压力敏感元件中不存在硅材料，没有pn节，温度对其影响较小，且薄膜致密、附性强，制作的薄膜远见长期稳定性好。

二、具有500℃高温下稳定可靠测压能力。本实用新型采用磁控溅射及离子束溅射技术制作薄膜压力敏感元件的敏感膜层，薄膜本身具有很高的温度稳定性，再附加高温承压弹性体，制作出的薄膜压力敏感元件可在500℃高温下稳定可靠压力测量。

三、精度高。本实用新型由于将高温压敏薄膜制作成了惠斯顿电桥，利用了同种材料具有相同温度系数的特点，对高温薄膜压力敏感元件的进行了自补偿效应，因此本实用新型所述压力敏感元件在500℃高温下的最高测量精度可以达到0.1级。

四、长期稳定性好。本实用新型所述产品由于采用了离子束溅射及微加工技术制作，使得传感器零点温度漂移、综合精度大大提高，其中零点温度漂移能够达到小于0.002％FS/℃的水平。

五、动态频响高。本实用新型所述产品由于采用了离子束溅射镀膜技术制作，使得压力敏感元件膜层的总厚度小于2微米，薄膜压力敏感元件的动态响应速度高。

附图说明

图1是本实用新型的一个具体实施例的结构示意图。

图2是本实用新型中压敏薄膜的掩模图。

图3是本实用新型中保护膜的掩模图。

图中各数字标记名称分别是：1－耐高温弹性体，2－介质薄膜，3－压敏薄膜，4－保护膜。

具体实施方式

以下将结合附图对本实用新型内容做进一步说明，但本实用新型的实际制作结构并不仅限于下述的实施例。

参见附图，本实用新型所述的高温薄膜压力敏感元件由耐高温弹性体1、介质薄膜2、压敏薄膜3、保护膜4组成。耐高温弹性体1为一个由耐高温金属材料制的罩筒形承压器件，用于将承受的高温压力转变为弹性体表面的应变。介质薄膜2通过溅射方法沉积在耐高温弹性体1的上表面，为由多层SiO₂膜和多层Al₂O₃叠加构成的总厚度为1.0～1.2微米的薄膜，负责连接弹性体与高温压敏薄膜并隔离将它们电隔离。压敏薄膜3采用离子束溅射方法沉积在介质薄膜2上，为一个厚度是100～200纳米的NiCr合金平面电阻膜，在压敏薄膜3上复制有惠斯通电桥，压敏薄膜3的作用是将感受到的耐高温弹性体1表面的应变转化成压敏薄膜3电阻的变化，并通过构成的惠斯顿电桥将应变信号转换成电压信号变化。保护膜4采用离子束溅射方法再沉积在压敏薄膜3上，为一个厚度在100～200纳米的Si₃N₄材料膜，起到保护压敏薄膜3不受到高温环境的氧化等影响，使得压敏薄膜3在高温下稳定工作的作用。实际应用中，将该压力敏感元件承压结构部分与连接管通过激光焊接连接，电路部分通过导线与外接线路板连接，形成用于高温压力测量的传感器，它可以在极限500℃高温下进行长时间的准确的可靠的压力测量及监控。

该高温薄膜压力敏感元件的生产方法包括以下步骤：

(1)制作耐高温弹性体1；

(2)在耐高温弹性体1的上表面通过溅射方法沉积高温介质薄膜2；

(3)用离子束溅射方法在介质薄膜2上沉积高温压敏薄膜3；

(4)在高温压敏薄膜3上首先匀正性光刻胶，其次利用图2所示的掩模版曝光，再经过显影和定影完成压敏电阻(惠斯通电桥)图形的制作工作；

(5)利用离子束刻蚀的方法，刻蚀掉高温压敏薄膜3中不需要的部分；

(6)在刻蚀后的电阻层中，再匀正性光刻胶，利用图3所示的掩模版曝光，再经过显影和定影完成保护膜4图形的制作工作；

(7)第二次用离子束溅射，在高温压敏电阻图形上制作保护膜；

(8)通过超声波清洗，将薄膜器件上不需要的光刻胶及保护膜清洗掉，形成最终的高温薄膜压敏元件。