高性能薄膜压力传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种压力传感器，尤其涉及一种用半导体压力敏感材料制造的高性能薄膜压力传感器。
【背景技术】
[0002]薄膜压力传感器是一种性能优良的压力传感器，它是随着薄膜技术发展而诞生的一种新型传感器。由于薄膜压力传感器采用真空薄膜制备技术，使其具有综合精度高、工作温度范围宽、稳定性好、抗震动、耐腐蚀等优良特点，在武器装备、航空航天、石油化工、核工业、冶金等多个领域得到广泛应用。
[0003]目前，薄膜压力传感器的敏感电阻主要采用镍铬合金材料、氮化钽材料或者半导体纳米硅材料。由于镍铬合金应变因子低于2.5，氮化钽材料应变因子约3.5，采用这类应变材料制造的压力传感器灵敏度不高。采用半导体纳米硅材料制造压力传感器，虽然灵敏度提高，但硅材料的温度漂移较大，制成压力传感器后其温度性能不好，这样就限制了这类压力传感器在恶劣环境下使用。开发灵敏度高且温度漂移小的高性能压力传感器极其重要。
[0004]采用砷化镓、硫化钐、氮化镓为敏感材料制造的薄膜压力传感器能解决上述存在的问题。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于提供一种采用砷化镓、硫化钐、氮化镓为敏感材料制造的高性能薄膜压力传感器，针对现有技术的不足，解决薄膜压力传感器灵敏度不高且温度漂移大的问题，实现在恶劣环境下对压力的精确测量。
[0006]为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案是:一种高性能薄膜压力传感器，其特征在于，包括一个圆形金属弹性体，所述圆形金属弹性体上采用真空镀膜的方法依次制备有绝缘膜、应变电阻、引线焊盘和保护膜；所述应变电阻采用砷化镓、硫化钐、氮化镓中的一种制备成薄膜，通过光刻工艺形成四个敏感电阻在所述圆形金属弹性体上按中心轴对称分布构成惠斯通电桥电路。
[0007]所述圆形金属弹性体采用不锈钢材料或金属钛材料通过机械加工呈倒“U”型。
[0008]所述绝缘膜是由二氧化硅、三氧化二铝、碳化硅、氮化硅中的一种或多种制备而成。
[0009]所述砷化镓、硫化钐、氮化镓中加入质量百分比小于5%的硅、硫、一种或多种稀土元素，降低电阻温度系数，提高电阻温度稳定性。
[0010]所述稀土元素包括钇、镧、铈、镨、钕中的一种或多种。
[0011]所述引线焊盘是由金或者铝钴合金制备成薄膜，通过光刻工艺制造成四个焊盘。
[0012]所述保护膜是由二氧化硅制成的。
[0013]与现有技术相比，本实用新型所具有的有益效果为:由于敏感材料采用了砷化镓、硫化钐、氮化镓中的一种，应变因子大于10，提高了传感器的灵敏度。同时在敏感材料中加入质量百分比小于5%的硅、硫、以及稀土钇、镧、铈、镨、钕中的一种或多种，降低电阻温度系数，提高温度稳定性，使其电阻温度系数(TCR)不大于±0.001% FS/°C。传感器的灵敏度和电阻温度系数均优于同类产品，同时保留了薄膜压力传感器的其它优良性能。
[0014]本实用新型的高性能薄膜压力传感器的主要性能指标如下:
[0015]测量范围:0.I?300MPa综合精度:0.05?0.2级
[0016]介质温度范围:-250°C?300°C 灵敏度:多10mV/V
[0017]零点温度漂移±0.001% FS/0C 长期稳定性±0.1% FS/年
[0018]本实用新型解决了现有薄膜压力传感器灵敏度不高，温度性能不好，不适应恶劣环境下对压力进行精确测量的问题。
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型的高性能薄膜压力传感器的结构示意图。
[0020]图2为本实用新型的高性能薄膜压力传感器的应变电阻布置示意图。
【具体实施方式】
[0021]如图1、2所示，本实用新型的高性能薄膜压力传感器，包括一个圆形金属弹性体1，所述圆形金属弹性体I采用不锈钢材料或金属钛材料通过机械加工呈倒“U”型。所述圆形金属弹性体I杯底外表面通过机械研磨抛光，使其表面粗糙度达到Ra ( 50nm，采用真空镀膜的方法在经研磨抛光的表面上使用二氧化硅、三氧化二铝、碳化硅、氮化硅中的一种或多种制备绝缘膜3。
[0022]在所述绝缘膜3上采用真空镀膜的方法使用砷化镓、硫化钐、氮化镓中的一种制备所述的应变电阻4。砷化镓、硫化钐、氮化镓充当靶材，这此材料具有很好的压敏特性，并且应变因子比镍铬合金材料和氮化钽材料大，达到10，这样提高传感器的灵敏度，进而提高传感器的抗干扰能力。
[0023]在制作所述的砷化镓、硫化钐、氮化镓靶材时，加入质量百分比小于5%的硅、硫、以及稀土钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)中的一种或多种，目的是降低电阻温度系数，提高温度稳定性，使其电阻温度系数(TCR)不大于±0.001% FS/°C，传感器能很好地适应超高温、超低温介质环境以及介质温度变化大的场合。
[0024]所述应变电阻4的薄膜制备好后，通过光刻工艺形成四个敏感电阻，在所述圆形金属弹性体I的绝缘膜3上按中心轴对称分布构成惠斯通电桥电路，其中所述惠斯通电桥电路中的二个内电阻分布在所述圆形金属弹性体I的受力变形部位2的外表面中心位置；所述惠斯通电桥电路中的二个外电阻分布在所述圆形金属弹性体I的受力变形部位2的外表面边沿位置。当所述圆形金属弹性体I受力时，所述受力变形部位2产生形变，其形变通过所述绝缘膜3传递到所述应变电阻4，使所述应变电阻4的惠斯通电桥电阻值发生变化，它能输出与所受压力成比例的电信号，通过测量该电信号可以得到对应压力值。
[0025]本实用新型专利中，所述引线焊盘5采用真空镀膜的方法由金制备成薄膜，或者采用铝钴合金制备成薄膜，通过光刻工艺形成。通过所述引线焊盘5把所述圆形金属弹性体I受力引起所述应变电阻4的惠斯通电桥电阻值变化而产生的电信号引出，同时也能接入所述惠斯通电桥的工作电源。
[0026]本实用新型专利中，所述保护膜6采用真空镀膜的方法由二氧化硅制备成薄膜，通过光刻工艺将所述引线焊盘5露出，其余部分保留，这样所述保护膜6能阻挡空气中的氧和水汽对传感器的侵蚀，提高传感器的可靠性和稳定性。
[0027]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施方式，不应被视为对本实用新型范围的限制，而且本实用新型所主张的权利要求范围并不局限于此，凡熟悉此领域技艺的人士，依照本实用新型所披露的技术内容，可轻易思及的等效变化，均应落入本实用新型的保护范围内。
【主权项】
1.一种高性能薄膜压力传感器，其特征在于，包括一个圆形金属弹性体(I)，所述圆形金属弹性体(I)上采用真空镀膜的方法依次制备有绝缘膜(3)、应变电阻(4)、引线焊盘(5)和保护膜出)；所述应变电阻(4)采用砷化镓、硫化钐、氮化镓中的一种制备成薄膜，通过光刻工艺形成四个敏感电阻在所述圆形金属弹性体(I)上按中心轴对称分布构成惠斯通电桥电路。2.如权利要求1所述的高性能薄膜压力传感器，其特征在于，所述圆形金属弹性体(I)采用不锈钢材料或金属钛材料通过机械加工呈倒“U”型。3.如权利要求1所述的高性能薄膜压力传感器，其特征在于，所述绝缘膜(3)是由二氧化硅、三氧化二铝、碳化硅、氮化硅中的一种或多种制备而成。4.如权利要求1所述的高性能薄膜压力传感器，其特征在于，所述砷化镓、硫化钐、氮化镓中加入质量百分比小于5%的硅、硫、一种或多种稀土元素，降低电阻温度系数，提高电阻温度稳定性。5.如权利要求4所述的高性能薄膜压力传感器，其特征在于，所述稀土元素包括钇、镧、铈、镨、钕中的一种或多种。6.如权利要求1所述的高性能薄膜压力传感器，其特征在于，所述引线焊盘(5)是由金或者铝钴合金制备成薄膜，通过光刻工艺制造成四个焊盘。7.如权利要求1所述的高性能薄膜压力传感器，其特征在于，所述保护膜(6)是由二氧化硅制成的。
【专利摘要】本实用新型公开了一种高性能薄膜压力传感器，包括一个圆形金属弹性体，所述圆形金属弹性体上采用真空镀膜的方法依次制备有绝缘膜、应变电阻、引线焊盘和保护膜；所述应变电阻采用砷化镓、硫化钐、氮化镓中的一种制备成薄膜，通过光刻工艺形成四个敏感电阻在所述圆形金属弹性体上按中心轴对称分布构成惠斯通电桥电路。所述砷化镓、硫化钐、氮化镓中加入质量百分比小于5％的硅、硫、以及一种或多种稀土元素，降低电阻温度系数，提高电阻温度稳定性。与现有技术相比，由于敏感材料应变因子大于10，提高了传感器的灵敏度，同时又减小了电阻温度系数。传感器的灵敏度和电阻温度系数均优于同类产品，同时保留了薄膜压力传感器的其它优良性能。
【IPC分类】G01L9/04, G01L19/04
【公开号】CN204944731
【申请号】CN201520619296
【发明人】不公告发明人
【申请人】熊辉
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年8月18日