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泽天溅射膜压力温度集成变送器项目研制方案

发布时间:2017-9-12      发布人:泽天传感      点击:

一、溅射膜压力温度集成变送器项目研制背景、意义

传感技术是新技术革命和信息技术的重要技术基础,是信息技术中采集、处理、传播三大关键技术之一,涉及国民经济、国防科研、部队武器装备研制和保障的各个领域,各发达国家都将传感技术视为现代高技术发展的关键,将它作为本世纪重点技术加以发展。传感器在军事上的作用得到世界各国的重视,需求逐年上升,以美国为例,军事上用来测温度、压力等五种主要传感器年平均增长率达12%,约占传感器市场总额的15%,1995年产值12.5亿美元。其中温度传感器与压力传感器的用量最多。

温度与压力是传感器中应用最广泛的两种,在航天、航空、导弹、各类武器装备中都需要对介质的温度与压力进行测量与控制。一般测试系统是通过温度传感器与压力传感器两个传感器对这两种参数同时进行测量。随着科学技术的发展,集成化、智能化是测量仪表发展的趋势,传感器技术也在集成、智能与数字化上大力发展。由于对同点介质温度与压力同时测量的场合相当多,将压力与温度测量进行集成,由同一传感器实现,简化安装与调试,具有广泛的军事应用前景。

国外能同时测量温度压力的传感器,部分产品的温度是通过电路中集成芯片对环境温度的一个测量,这种测量方式不能准确反应引压端介质的温度,只是给压力传感器提供一个温度补偿参考;部分在压力传感器内置一个热电偶或铂电阻温度传感器,但受封装的影响,最高量程只能做到25MPa左右,美国公司的温度压力集成传感器产品外采用的是铂电阻温度传感器,输出标准电阻值。

新温度压力集成传感器的研究主要是将测压与测温的敏感件在同一硅杯上集成,利用压阻式或电容式测量压力,采用半导体二极管测量温度,这还处于研制阶段。国内现有的压力、温度集成的传感器采用热电偶、热电阻测温,采用压阻或应变测量压力,通过两个接口连接,输出信号再接处理电路,处理电路与测量点分开,这种方式的集成度不高,结构不紧凑。

对于严酷的战场环境,军用传感器的抗环境性能要求高,对工作的可靠性要求高,要求微结构,要求信号标准化易于采集、控制与处理。在高振动、冲击、粉尘、酸碱等恶劣环境下,热电偶、热电阻及二次仪表在测量精度与测量可靠性上都将受到影响。

半导体传感器,具有体积小、重量轻、工艺成本较低等特点,在武器装备中应用广泛,国内有引进芯片的生产厂,自行研制的工艺水平较低,无法批量生产。半导体传感器对温度较敏感,不耐腐蚀,大多数测量场所应用的产品密封腔和充油腔,因此抗振动、冲击和耐高、低温性能有限。

在20世纪80年代之后,德国、俄罗斯等国也相继开发出利用磁控溅射等方法制造的溅射膜传感器,它的优良性能突显出来,得到了实际应用。目前,该类传感器主要用于军事、核工业、油井等恶劣环境下的压力测试。例如美国用于阿波罗飞船、Viking火星探测器(CEC公司产1000-02型),俄罗斯用于联盟号飞船和暴风雪-能源号航天飞机(奔萨研究所产BT-212型),法国用于阿迪亚娜Ⅳ号和Ⅴ号运载火箭(Fagor公司产27 N型),仅Viking火星探测器就使用了传感器8000只,其中温度和压力测量点最多。

由于溅射膜传感器的弹性敏感材料由耐腐蚀不锈钢制成,可直接与腐蚀性介质接触。溅射膜传感器的敏感电阻是合金材料,受温度的影响极小,在-100℃~+250℃范围内的温度漂移小于50ppm/℃。通过先进的离子束镀膜技术,制备的溅射膜热电阻,能在中、低温区准确测量。通过离子溅射与离子刻蚀,将热电阻与应变电阻制备在同一芯片上,进行温度、压力的测量,可以实现传感器的高度集成。这种一体化传感器通过一个接口测量两种参数,信号互不干扰,输出标准的信号,无需外接仪表,测量精度高,性能优越,是军用温度压力传感器的发展方向。自主开发和生产高精度的溅射膜温度压力集成传感器,保证军事上的可靠应用,打破国外技术的封锁,具有重要军事意义。

二、项目研制的主要内容

(一)研究目标    本项目的研究目标是:通过对离子束溅射镀膜、离子束溅射刻蚀等工艺进行研究,将溅射膜应变电阻与热电阻在同一敏感芯片上进行集成,研制一种新型的溅射膜压力温度集成传感器,同时准确测量介质的温度与压力。新型溅射膜温度压力集成传感器具有响应快、测量精度高、稳定性好、抗振动、冲击能力强等优点,满足航空、航天、军事装备、战场环境等方面的应用。

(二)技术指标   溅射膜温度压力一体化变送器主要实现以下技术指标;  测量压力范围:    0~60MPa;  测量温度范围:   -50℃~150℃;  温度测量精度:    0.1℃;  压力测量精度:     0.1级。

(三)研究内容    制作符合既定性能的军用溅射膜温度压力集成传感器,重点在工艺研究,本项目主要研究内容如下:

1.敏感元件版图的设计

要根据对温度与压力的不同测量要求,选用不同材料,利用不同的原理来实现温度与压力在同一芯片上的集成测试。应变电阻要获得高的应变系数、低的温度敏感性,而热电阻要有高的温度灵敏度但对压力不敏感,这需要结合成膜的工艺参数进行工艺试验,在同一敏感芯片上做出合理的版图设计。

2.离子束溅射镀膜的工艺研究

制作新型的溅射膜温度压力集成变送器,溅射膜的质量至关重要。采用先进的离子束镀膜技术,可以获得性能优越的绝缘膜与电阻膜。在工艺研究中,要通过工艺实验,找到溅镀各种溅射膜的最佳工艺参数,保证溅射膜温度压力集成变送器的绝缘性能与稳定性能满足项目要求。

3.离子束刻蚀的工艺研究

在基底材料上将溅镀热电阻膜与合金电阻膜两种不同材质的溅射膜,通过刻蚀工艺形成两种栅条电阻。采用先进的离子束溅射刻蚀技术,避免湿法刻蚀的固有缺陷,保证溅射膜电阻的均匀性,从而保证电阻膜桥路的匹配。

4.溅射膜电阻的稳定性处理工艺研究

要获得高可靠、高精度的产品,电阻的稳定性和可靠性是基础。除了镀膜、刻蚀工艺外,对电阻膜的后期稳定性处理也是关键。通过采取一系列的稳定性处理措施,如热处理、膜表面保护处理、老化处理等,使溅射膜电阻的温度系数更加稳定并有高的线性度,使膜电阻材料的阻值在测温范围内具有高稳定性。

5.传感器的补偿工艺与信号调理

同一传感器测量温度与压力,需要对两路信号进行补偿与放大。在现有的压力传感器的基础上,补偿与信号调理技术已成熟,只要针对温度测量的特点,重新设计电路对温度传感器信号进行补偿与放大。在电路的设计过程中,主要考虑的是减少环境温度对测量的影响,保证介质温度测量的准确性。这需要结合结构设计、版图设计进行。

三、项目研制方案、技术难度、解决途径

(一)总体设计方案

1、溅射膜压力温度一体化变送器工作原理设计:温度压力一体化变送器是在同一芯片上实现压力与温度的同时测量,输出两个标准信号。压力测量原理是采用先进的离子束溅射镀膜技术,在圆形平膜片的应变区溅射四个溅射膜合金电阻,连接成Wheastone全桥应变电路,通过膜片的形变将压力转换成合金膜电阻阻值的变化,从而输出一个与所受压力值成线性的标准电信号。温度测量原理是通过离子束溅射镀膜技术在平膜片的非应变区溅射一个标准的热电阻,将所测液体、气体的温度通过平膜片的传导转换为热电阻阻值的变化,通过信号调理输出一个与温度成线性的标准电信号。

2、溅射膜压力温度一体化变送器的测量桥路设计:在本项目中,热电阻材料选用99.9%的铂金,在版图上设计2个1000Ω左右的铂金电阻,再与精密金属膜电阻配成输入输出阻抗为2KΩ的电桥桥路,将温度信号转换成电信号输出。测量压力的溅射膜应变电阻是根据电阻的形变来测量压力值,为获得尽可能高的应变灵敏度,应变电阻要处于芯片的最大应变区,而且采用全桥应变电路。这种桥路在版图设计时带入溅射膜电阻的零点补偿,溅射膜桥路本身具有温度自补偿性,测量介质温度与电路环境温度对测量压力结果影响非常小,保证测压的准确性。

(二)技术难度

1、溅射膜的制备工艺:新型的溅射膜温度压力集成变送器,要求在恶劣环境中长期稳定可靠工作,因此制备高稳定性的溅射膜电阻是研究的难点。溅射膜的性能要“再现”原材的性能,还要具备溅射膜材料的优点。溅射膜电阻在制作工艺过程中,要尽量去除或减少掺杂、污染、氧化等不利因素,要保证膜层的致密度,保证相同工艺参数下电阻膜的电阻性能与温度性能的一致性,保证溅射膜电阻的长期电稳定性。

2、镀膜、光刻的工艺流程设计:在本项目的研究中,要求制备的功能溅射膜多,为了保证产品的高绝缘程度与耐压程度,绝缘膜采用双层绝缘膜形式。对热电阻膜与合金电阻膜,稳定性处理工艺也不相同。膜层多、刻蚀多,集成传感器工艺复杂,如何在保证质量的前提下,在工艺上实现多层膜的溅镀、刻蚀与有效热处理,是溅射膜温度压力集成传感器的工艺难点。

(三)技术途径

泽天传感已有较成熟的溅射膜制备技术,研制、开发了多种溅射膜压力传感器,对多种金属材料如铜、金、镍等的温度性能有一定的研究,在此基础上进行溅射膜热电阻的研究,实现温度压力的集成测量,在技术上是切实可行的。通过以下技术途径,取得工艺、设计上的突破,实现该项目的目标要求,制作高稳定性的溅射膜温度压力集成变送器。

1.敏感元件版图的设计:一般的热电阻传感器都制作标准的电阻,对阻值的准确性要求高,栅条的形状要结合溅射膜厚度、电阻值大小、工艺上的可实现性等来设计。应变电阻分别分布于正负应变最大区域。为了保证热电阻阻值的精确与合金电阻桥路的匹配,在版图的设计中还要带入溅射膜初步补偿电阻,同时要设计激光调阻的位置。

2.工艺设计

2.1 工艺流程设计:温度压力集成变送器中有两种电阻膜,要保证各层膜的工艺之间不互相干扰,要对溅射膜的成膜工艺过程进行设计。在确定好工艺顺序后,就要对每一步具体的工艺过程进行试验,寻找最佳参数工艺参数。

2.2 离子束溅射镀膜的工艺研究:在本项目的研究中,选用离子束溅射镀膜技术来进行各种功能膜的溅镀。离子束镀膜的性能与溅射靶材的性能基本一致,膜层的稳定性好。要制造好溅射膜传感器,就必须对主要的功能膜的工艺一一进行研究。溅射膜厚度不一样,成膜的结晶过程不一样,膜层的性能也就有差别。膜厚达到一定程度,溅射材料成分的细微变化、膜层杂质、光刻腐蚀过程中的差异等对电阻阻值的影响就会减小,这些都有利于溅射膜电阻温度系数的一致性与阻值的均匀性。

2.3离子束刻蚀的工艺研究:温度压力集成传感器需要在同一基底上溅射二种不同材质的金属膜,获得两种材料的栅条电阻。离子束刻蚀精度高,对各种材料的膜层都适用。完成镀膜后,对应相应的电阻膜进行栅条形状的曝光、涂胶,然后再采用离子束刻蚀技术,对不需保留的电阻膜用离子束轰击掉。离子束刻蚀提高了刻蚀精度,保证了电阻膜的质量与阻值的均匀性。

2.4 溅射膜电阻的稳定性处理工艺:溅射膜电阻的稳定性性处理包含两个方面,一是温度系数的稳定性,还有一个是电阻阻值的稳定性。未经处理的溅射膜电阻性能不稳定,电阻值容易发生漂移,温度系数也比标称值小。

3传感器的补偿工艺与信号调理:由于工艺误差的存在,每次镀膜热电阻阻值不可能完全一致,同一芯片上的四个应变电阻组成的桥路也不能完全匹配,这需要对溅射膜电阻阻值进行修正和补偿桥路。为保证桥路的匹配性,在设计栅条电阻的同时,带入一系列溅射膜补偿电阻,通过补偿阻值的选取来达到零点的初步补偿。为保证信号的远距离传输或数字化处理,设计信号调理电路对应变压力信号与热电阻温度信号进行调理,转换成标准的0~5V输出。在电路的设计上,参考了泽天传感原有的成熟电路,着重考虑抗干扰性能。

通过以上技术途径进行工艺研究,可以获得高性能的溅射膜,制作出新型的溅射膜温度压力集成传感器。溅射膜温度压力集成传感器响应速度快,测试精度高,稳定性能好,而且抗环境性能强,适合各种恶劣环境领域的压力温度测量。在溅射膜压力传感器与温度传感器的技术基础上,研究开发新型的溅射膜温度压力集成变送器,为军事领域提供高可靠性、高稳定性的军用传感器,对我国国防事业的发展有重大的意义。本文源自泽天传感,版权所有,转载请保留出处。