專(zhuān)利名稱(chēng)：用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應(yīng)變器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及壓力傳感器的產(chǎn)品制造技術(shù)，尤其是涉及用離子束濺射硅材料制 造壓力傳感器的核心部件即壓力應(yīng)變器件。
背景技術(shù)：
壓力傳感器作為現(xiàn)代信息化工業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵器件，其特性和用途主要取決于其核 心部件敏感元件的技術(shù)和工藝。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，敏感元件的技術(shù)日新月異，主要體現(xiàn)在采用不同 力學(xué)結(jié)構(gòu)的彈性體元件、或者采用各種新材料、又或者采用各種新的工藝技術(shù)和手段、又甚 而基于創(chuàng)新的物性原理等等。基于金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)或半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)的技術(shù)及產(chǎn)品仍然占據(jù)重要地位和份 額。然而傳統(tǒng)的金屬電阻應(yīng)變式技術(shù)特點(diǎn)是采用有機(jī)膠將箔式金屬電阻應(yīng)變片粘貼 在彈性元件上，有機(jī)膠既起粘結(jié)作用又起電氣隔離作用。眾所周知這類(lèi)技術(shù)的產(chǎn)品性能有 許多不足和缺點(diǎn)體現(xiàn)在膠容易隨時(shí)間的老化導(dǎo)致絕緣性能下降粘結(jié)強(qiáng)度不穩(wěn)定從而導(dǎo)致 傳感器蠕變，長(zhǎng)期穩(wěn)定性差等，特別是在惡劣的環(huán)境如高溫高濕、高頻壓力工況等情況下尤 甚；金屬箔式應(yīng)變片的另一顯著缺點(diǎn)是靈敏度低，其靈敏系數(shù)只有1 2毫伏每伏；在生產(chǎn) 工藝上由于需要手工粘貼導(dǎo)致重復(fù)性和一致性差以及規(guī)模生產(chǎn)效率低下。為克服上述缺點(diǎn)出現(xiàn)了薄膜式技術(shù)及相應(yīng)的產(chǎn)品，其顯著地消除了蠕變和改善了 長(zhǎng)期穩(wěn)定性，其技術(shù)特點(diǎn)是針對(duì)不同的應(yīng)變材料采用相應(yīng)不同的薄膜工藝如真空蒸發(fā)、磁 控濺射、各種物理化學(xué)氣相沉積的辦法制作電氣隔離層和應(yīng)變電阻，相對(duì)于以上薄膜工藝 采用離子束濺射沉積技術(shù)制作的薄膜具有顯著的優(yōu)點(diǎn)即非常好的薄膜致密性、與襯底的附 著力強(qiáng)和均勻可控的晶態(tài)結(jié)構(gòu)。目前離子束濺射沉積薄膜主要仍用于傳統(tǒng)的金屬應(yīng)變材料如鎳鉻合金薄膜，其靈 敏系數(shù)很低的不足依然存在，應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)低就必然要求傳感器彈性元件設(shè)計(jì)時(shí)輸出較 高的應(yīng)變，這就必然降低傳感器的耐疲勞度和高過(guò)載抗沖擊能力，而這些都是現(xiàn)代工業(yè)應(yīng) 用對(duì)傳感器期盼的性能要求。另外采用離子束濺射沉積薄膜工藝以金屬材料作為彈性體元件時(shí)，需要制作一層 電氣絕緣層將應(yīng)變層與金屬?gòu)椥栽鬃麟姎飧綦x，通常的做法仍然是用離子束濺射絕 緣材料如二氧化硅(Si02)，五氧化二鉭(Ta205)，或氧化鋁(A12CX3)等，但這類(lèi)金屬氧化物 材料的濺射時(shí)間都很長(zhǎng)，通常100納米的厚度需要八個(gè)小時(shí)以上，而且用薄膜做電氣隔離 層時(shí)，要求彈性體表面質(zhì)量非常高，達(dá)到鏡面的要求且無(wú)任何表面的微觀缺陷如劃痕、凹坑 等，這勢(shì)必要對(duì)彈性元件表面做非常嚴(yán)格而復(fù)雜的預(yù)先處理如研磨和鏡面拋光等，嚴(yán)重地 影響生產(chǎn)效率和成品率，這也是金屬薄膜壓力傳感器難以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)的關(guān)鍵原因。硅作為壓力傳感器的材料具有靈敏度高晶態(tài)穩(wěn)定等許多優(yōu)異特性，其應(yīng)用多以硅 本身作為彈性材料的擴(kuò)散硅充油敏感元件技術(shù)，也有以硅材料用各種物理化學(xué)氣相沉積法成長(zhǎng)在硅彈性體或金屬?gòu)椥泽w上的絕緣膜(絕緣膜也用氣相沉積法形成如二氧化硅Si02) 上的，但由于這類(lèi)薄膜工藝所制成的薄膜的諸多缺點(diǎn)如成膜疏松、致密性不好、附著力不強(qiáng) 等難以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化、工業(yè)化批量生產(chǎn)。

實(shí)用新型內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提出了一種靈敏度高、制作工 藝簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定可靠、適合于大批量生產(chǎn)的硅薄膜壓力應(yīng)變器件，該器件用離子束濺射沉 積方法將其制作。本實(shí)用新型通過(guò)采用以下的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造一種用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應(yīng)變器件，所述壓力應(yīng)變器件包 括一引壓連接體；與引壓連接體制作在一起的金屬?gòu)椥阅て?；金屬?gòu)椥阅て嫌械谝粚拥碾姎飧綦x層；在電氣隔離層之上，有第二層為硅薄膜壓阻層；在壓阻材料層之上有絕緣介質(zhì)膠覆蓋，形成第三層保護(hù)層，所述金屬?gòu)椥阅て㈦?氣隔離層、硅薄膜壓阻層、保護(hù)層共同形成硅薄膜應(yīng)變器件。所述電氣隔離層厚度小于150微米。所述硅薄膜壓阻層厚度小于1微米。在所述硅薄膜壓阻層上有微細(xì)刻蝕加工工藝刻蝕而成的應(yīng)變片物理形狀結(jié)構(gòu)，并 進(jìn)一步將用硅薄膜壓阻層制成的一個(gè)以上的應(yīng)變電阻連接成惠斯登電橋，該電橋在激勵(lì)電 壓的作用下輸出毫伏級(jí)電壓信號(hào)，該信號(hào)與彈性膜片所受壓強(qiáng)成正比。引壓連接體和金屬?gòu)椥阅て倪B接結(jié)構(gòu)形式包括，金屬?gòu)椥阅て苯雍附釉谝?壓連接體上；引壓連接體材料和金屬?gòu)椥阅て牟牧隙际墙饘俨牧稀；蛘?，引壓連接體和金屬?gòu)椥阅て怯蓡误w金屬加工成二者合一的無(wú)焊縫、無(wú)密 封圈密封的一體化結(jié)構(gòu)；引壓連接體材料和金屬?gòu)椥阅て牟牧隙际墙饘俨牧?。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型采用硅作為薄膜壓阻材料所制作的壓力應(yīng)變器 件，由于其采用低能離子束濺射硅材料的方法，使得硅材料以納米尺度逐層沉積，所形成的 薄膜致密性、穩(wěn)定性好、與襯底附著力強(qiáng)，從而本實(shí)用新型的壓力應(yīng)變器件靈敏度高、壽命 長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，同時(shí)本實(shí)用新型工藝簡(jiǎn)便，成品率高，適合于大批量生產(chǎn)。

圖1是本實(shí)用新型用濺射法制作的硅薄膜壓力應(yīng)變器件示意圖；圖2是在本實(shí)用新型用濺射法制作的硅薄膜壓力應(yīng)變器件的硅薄膜壓阻層上用 微細(xì)刻蝕加工工藝刻蝕應(yīng)變片物理形狀結(jié)構(gòu)后，所形成的應(yīng)變電阻連接成惠斯登電橋的電 原理圖。
具體實(shí)施方式
為了進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)用新型，現(xiàn)結(jié)合本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō) 明，然而所述實(shí)施例僅為提供說(shuō)明與解釋之用，不能用來(lái)限制本實(shí)用新型的專(zhuān)利保護(hù)范圍。如圖1 圖3所示，設(shè)計(jì)制造一種用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應(yīng)變器件，所述 壓力應(yīng)變器件包括一引壓連接體1;與引壓連接體1制作在一起的金屬?gòu)椥阅て? ；金屬?gòu)椥阅て?上有第一層的電氣隔離層31 ；在電氣隔離層之上，有第二層為硅薄膜壓阻層32 ；在壓阻材料層之上有絕緣介質(zhì)膠覆蓋，形成第三層保護(hù)層33，所述金屬?gòu)椥阅て?2、電氣隔離層、硅薄膜壓阻層、保護(hù)層共同形成硅薄膜應(yīng)變器件3。所述電氣隔離層厚度小于150微米。所述硅薄膜壓阻層厚度小于1微米。如圖1、圖2所示，在所述硅薄膜壓阻層32上有微細(xì)刻蝕加工工藝刻蝕而成的應(yīng)變 片物理形狀結(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步將用硅薄膜壓阻層制成的一個(gè)以上的應(yīng)變電阻R1-R4連接成惠 斯登電橋，該電橋的接頭11、12在激勵(lì)電壓的作用下，接頭13、14輸出毫伏級(jí)電壓信號(hào)，該 信號(hào)與彈性膜片所受壓強(qiáng)成正比。引壓連接體和金屬?gòu)椥阅て倪B接結(jié)構(gòu)形式包括，金屬?gòu)椥阅て苯雍附釉谝?壓連接體上；引壓連接體材料和金屬?gòu)椥阅て牟牧隙际墙饘俨牧??；蛘撸龎哼B接體和金屬?gòu)椥阅て怯蓡误w金屬加工成二者合一的無(wú)焊縫、無(wú)密 封圈密封的一體化結(jié)構(gòu)；引壓連接體材料和金屬?gòu)椥阅て牟牧隙际墙饘俨牧稀１緦?shí)用新型的硅薄膜應(yīng)變器件3，當(dāng)金屬?gòu)椥阅て?改換為其它結(jié)構(gòu)，如測(cè)力用傳 感器的彈性體元件時(shí)，本實(shí)用新型亦可應(yīng)用于測(cè)力傳感器。本實(shí)用新型的，是采用低能離子束濺射硅材料的方法制得的，薄膜壓阻材料以納 米尺度逐層沉積，所形成的薄膜致密性、穩(wěn)定性好，所制作的壓力應(yīng)變器件靈敏度高、壽命 長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，本實(shí)用新型工藝簡(jiǎn)便高效，成品率高，適合于大批量生產(chǎn)。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能 認(rèn)定本實(shí)用新型的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干采用硅作為簡(jiǎn)單推演或替 換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應(yīng)變器件，其特征在于 所述壓力應(yīng)變器件包括一引壓連接體(1)；與引壓連接體(1)制作在一起的金屬?gòu)椥阅て?2)； 金屬?gòu)椥阅て?2)上有第一層的電氣隔離層； 在電氣隔離層之上，有第二層為硅薄膜壓阻層；在壓阻材料層之上有絕緣介質(zhì)膠覆蓋，形成第三層保護(hù)層，所述金屬?gòu)椥阅て琌)、電 氣隔離層、硅薄膜壓阻層、保護(hù)層共同形成硅薄膜應(yīng)變器件(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應(yīng)變器件，其特征在于 所述電氣隔離層厚度小于150微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應(yīng)變器件，其特征在于 所述硅薄膜壓阻層厚度小于1微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應(yīng)變器件，其特征在于 在所述硅薄膜壓阻層上有用微細(xì)刻蝕加工工藝刻蝕而成的應(yīng)變片物理形狀結(jié)構(gòu)所形成的一個(gè)以上的應(yīng)變電阻，應(yīng)變電阻并連接成惠斯登電橋以輸出與彈性膜片所受壓強(qiáng)成比 例的毫伏級(jí)電壓信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的離子束濺射硅薄膜制作的壓力應(yīng)變器件，其特征在于 引壓連接體(1)和金屬?gòu)椥阅て? 的連接結(jié)構(gòu)形式包括，:金屬?gòu)椥阅て? 直接焊接在引壓連接體(1)上；引壓連接體(1)材料和金屬?gòu)椥阅て琌)的材料都是金屬材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)1所述的離子束濺射硅薄膜制作的壓力應(yīng)變器件，其特征在于 引壓連接體(1)和金屬?gòu)椥阅て? 是由單體金屬加工成二者合一的無(wú)焊縫、無(wú)密封圈密封的一體化結(jié)構(gòu)；引壓連接體(1)材料和金屬?gòu)椥阅て? 的材料都是金屬材料。
專(zhuān)利摘要一種用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應(yīng)變器件，包括一引壓連接體，以及與引壓連接體制作在一起的金屬?gòu)椥阅て?；在金屬?gòu)椥阅て?，有?yīng)用印刷燒結(jié)方法或?yàn)R射法制作第一層的電氣隔離層；在電氣隔離層之上，有應(yīng)用離子束濺射沉積方法制成的硅薄膜壓阻層；在硅薄膜壓阻層上有用微細(xì)刻蝕加工工藝刻蝕成德應(yīng)變片物理形狀結(jié)構(gòu)；一介質(zhì)膠料作為保護(hù)層塗覆在壓阻材料層之上。本實(shí)用新型壓力應(yīng)變器件由離子束濺射硅薄膜制作，硅材料以納米尺度逐層沉積，所形成的薄膜致密性、穩(wěn)定性好，所制作的壓力應(yīng)變器件靈敏度高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性好，同時(shí)采用印刷燒結(jié)法制作的電氣隔離層工藝簡(jiǎn)便、成品率高，適合大批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G01L9/04GK201926529SQ201020701490
公開(kāi)日2011年8月10日 申請(qǐng)日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者歐陽(yáng)德利 申請(qǐng)人:東莞市百賽儀器有限公司