高灵敏度薄膜压力传感器的制作方法

本实用新型属于应变传感器技术领域，涉及一种高灵敏度薄膜压力传感器。

背景技术：

目前市场上公知的压力传感器产品大部分是基于硅压阻原理设计的传感器，它采用半导体工艺技术，将微机械结构和电路集成在一起，具有体积小、质量轻、功耗低、成本低等优点，在整个MEMS行业中，无论是设计研究还是产业应用硅压阻传感器都占有主要地位，但是硅压阻传感器的缺点就是使用温度范围窄(最高测量温度为125℃)，不能广泛应用于高温条件的测量。薄膜压力传感器近几年来已被广泛应用于包括民用及军用在内的各种测量领域，其敏感元件的制作采用先进的MEMS加工技术，使传感器具有动态响应快、长期稳定性好、耐高温(溅射薄膜传感器的温度最高可达到280℃)的特点。但目前本领域通过溅射薄膜技术生产的溅射薄膜传感器产品都是仅限于灵敏度为(2±0.5)mV/V的要求，对于高灵敏度的溅射薄膜原理的传感器迄今还没有出现。

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，提供一种基于溅射镀膜原理的可以满足高灵敏度、宽量程范围及耐高温要求的高灵敏度薄膜压力传感器。

用于实现本实用新型目的的技术解决方案如下所述。

一种高灵敏度薄膜压力传感器，具有一个下部装有压力接口座的中空壳体，在壳体上端套装有带接插组件的端盖，在压力接口座上部设有一个敏感芯体元件和一个线路板支架，所述的敏感芯体元件包括一个下部焊接在压力接口座上的不锈钢制敏感弹性体，在敏感弹性体表面自下而上依次设置有绝缘膜、应变膜、焊接膜和保护膜，其中在应变膜上复制有惠斯通电桥电路，所述的线路板支架上安装有转接电路板，转接电路板的输入端与敏感芯体元件上惠斯通电桥的信号输出端连通，转接电路板的输出端通过导线连接至接插组件。

上述高灵敏度薄膜压力传感器中，绝缘膜为采用磁控溅射方法制备的耐高温的氧化铝薄膜，该绝缘膜的厚度为2微米。

上述高灵敏度薄膜压力传感器中，应变膜为采用反应离子束溅射生成的氮氧化钛薄膜，将惠斯通电桥通过光刻工艺复制到应变膜表面，应变膜的厚度为200纳米。

上述高灵敏度薄膜压力传感器中，焊接膜为离子束溅射制备的纯镍薄膜，焊接膜的厚度为500纳米。

上述高灵敏度薄膜压力传感器中，保护膜为离子束溅射制备的氮化硅薄膜，保护膜的厚度为100纳米。

上述高灵敏度薄膜压力传感器中，转接电路板上惠斯通电桥的应变电阻呈环状分布并位于敏感芯体元件之敏感弹性体的最大应变区，电阻值为5000Ω。

与现有技术相比，本实用新型具有的优点和技术效果如下所述。

一、本实用新型所述高灵敏度薄膜压力传感器中采用了不锈钢材料制的敏感弹性体，弹性体受压面感受被测压力时产生变形，最终通过薄膜将应变的力学信号转换为电学信号，将不锈钢弹性体与压力接口座焊接为一体，可使传感器在恶劣环境下使用，因而本实用新型具有较好的耐高温、耐腐蚀的特点。

二、在本实用新型所述高灵敏度薄膜压力传感器中，采用磁控溅射的方法制备氧化铝绝缘膜层，采用离子束溅射技术制备应变薄膜，应变膜层为具有压阻效应的氮氧化钛薄膜，应变膜在受到压力的情况下，由于压阻效应会使应变膜的电阻率发生很大的变化，进而使电阻发生变化，因此亦使这种薄膜压力传感器具有较高的灵敏度(灵敏度提高到7mV/V)，另外由于采用离子束溅射工艺制备薄膜，使传感器同时还具有长期稳定性好、测量温度范围宽的优点。

三、本实用新型采用不锈钢弹性体加工研磨抛光后，可满足宽量程范围的要求，采用溅射技术实现应变膜与绝缘膜的原子结合，经过一定温度的真空热处理工艺，具有传感器的温度漂移系数小、一致性好及传感器蠕变性能好等特点。

经本实用新型设计者实验检测，本实用新型与以往公知薄膜压力传感做对比，其灵敏度有明显提高。具体传感器输出灵敏度为7mV/V，温度漂移系数优于0.005％F.S/℃。

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是本实用新型中敏感芯体元件的膜系结构示意图。

图3是本实用新型中敏感弹性体表面应变电阻示意图。

图中各数字标记的名称如下：1－压力接口座；2－转接电路板；3－敏感芯体元件,31－敏感弹性体,32－绝缘膜,33－应变膜，34－焊接膜，35－保护膜；4－壳体；5－接插组件。

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灵敏度薄膜压力传感器由压力接口座1、转接电路板2、敏感芯体元件3、壳体4、壳体端盖、接插件5、线路板支架等构件组成。压力接口座1装在壳体4的下部，带接插组件5的端盖套装在壳体4上端。敏感芯体元件3和线路板支架均设置在壳体腔内压力接口座1的上部，在敏感芯体元件3内复制了惠斯通电桥电路，在线路板支架上安装有转接电路板2，转接电路板2的输入端与敏感芯体元件3内惠斯通电桥电路的信号输出端连通，转接电路板2的输出端通过导线连接至接插组件5。产品制作时，采用激光束将压力接口座1与敏感芯体元件3焊接为一体，将转接线路板2安装在线路板支架上，再用胶将线路板支架固定在压力接口座1上，通过超声压焊将惠斯通电桥引出到转接线路板2上，将敏感芯体元件3及转接线路板2用壳体4封装，并通过导线连接接插件5。

本实用新型中敏感芯体元件3的膜系结构如图2所示，它具有一个下部焊接在压力接口座1上的不锈钢制敏感弹性体31，在敏感弹性体31表面自下而上依次设置有绝缘膜32、应变膜33、焊接膜34和保护膜35。绝缘膜32为采用磁控溅射的方法制备氧化铝膜层，膜的厚度为2微米。应变膜33为采用反应离子束溅射生成的氮氧化钛薄膜，将惠斯通电桥通过光刻工艺复制到应变膜33表面，膜的厚度为200纳米。焊接膜34为离子束溅射制备的纯镍薄膜，膜的厚度为500纳米。保护膜35为离子束溅射制备的氮化硅薄膜，膜的厚度为100纳米。

本实用新型在应变薄膜制作完成后通过掩膜及离子束刻蚀工艺完成应变电阻图形制作，如图3所示。电阻均位于敏感弹性体31的最大形变区。

对敏感芯体元件3的制作步骤为：首先将按照量程要求加工好的不锈钢制敏感弹性体31进行表面预处理研抛、清洗工艺，之后在敏感弹性体31表面先沉积绝缘膜32，再沉积应变膜33，完成绝缘膜32和应变膜33的制备后，在薄膜表面均匀涂覆一层正性光刻胶，将惠斯通电桥通过光刻工艺复制到应变膜33的表面，显影定影后通过离子束刻蚀工艺将惠斯通电桥完整的刻蚀出来，二次涂正性光刻胶经过光刻工艺及镀膜工艺完成焊接膜34的制备，第三次涂正性光刻胶同上述工艺完成保护膜35的制备，起到钝化保护电桥的目的；敏感芯体元件3制作完成后，将完成保护膜35后的敏感弹性体31放置于真空退火炉内进行经过真空热处理工艺，真空度小于5.0×10-3，热处理温度为750℃，保持时间为3h。