專利名稱：一種低溫薄膜壓力傳感器及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜壓力傳感器及其生產(chǎn)方法，尤其涉及一種低溫薄膜壓力傳感器及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
低溫介質(zhì)壓力測量的關(guān)鍵是保證傳感器具有較小的零點(diǎn)溫度系數(shù)和靈敏度溫度系數(shù)。為了減小傳感器的零點(diǎn)溫度系數(shù)和靈敏度溫度系數(shù)，一般都采用在電橋中串聯(lián)具有一定溫度系數(shù)的補(bǔ)償電阻來進(jìn)行補(bǔ)償。現(xiàn)有的壓力傳感器溫度補(bǔ)償范圍有限，補(bǔ)償電阻的大小通過試驗(yàn)確定，在膜片外的引線板上連接補(bǔ)償電阻。一方面，-40℃以下低溫介質(zhì)試驗(yàn)環(huán)境難以模擬，另一方面，由于補(bǔ)償電阻不在膜片上，和應(yīng)變電阻之間存在一定的溫度梯度，無法實(shí)現(xiàn)精確的補(bǔ)償；另外，現(xiàn)有的加工方法尤其是電阻調(diào)節(jié)方法都是在外界環(huán)境中進(jìn)行補(bǔ)償。因此，現(xiàn)有的壓力傳感器在測量低溫介質(zhì)時存在較大的測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種可用于一般介質(zhì)和低溫介質(zhì)的壓力測量的自補(bǔ)償?shù)蜏乇∧毫鞲衅骷捌渖a(chǎn)方法，其解決了背景技術(shù)測量低溫介質(zhì)時存在較大的測量誤差的技術(shù)問題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種低溫薄膜壓力傳感器，包括接管嘴1、膜片組件2、轉(zhuǎn)接座3、殼體4和插座5，其中膜片組件2包括膜片21以及設(shè)置在膜片上的薄膜22；所述膜片組件2一端與接管嘴1固連，另一端與轉(zhuǎn)接座3固連，接管嘴1和殼體4固連，膜片組件2及轉(zhuǎn)接座3設(shè)置在殼體4內(nèi)部，轉(zhuǎn)接座3與插座5電連接，所述薄膜22由內(nèi)到外包括過渡層6、絕緣層7、應(yīng)變電阻層8和焊盤層10，其特殊之處是，所述薄膜22還包括設(shè)置在應(yīng)變電阻層8和焊盤層10之間的補(bǔ)償電阻層9。
上述應(yīng)變電阻層8包括連接成惠斯頓電橋的四個應(yīng)變電阻R1、R2、R3、R4和兩個零點(diǎn)補(bǔ)償電阻R22、R44，所述補(bǔ)償電阻層9包括串聯(lián)在惠斯頓電橋中的兩個零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻R11、R33和串聯(lián)在惠斯頓電橋電源端的兩個靈敏度溫度補(bǔ)償電阻R01、R02。
上述零點(diǎn)補(bǔ)償電阻R22、R44中至少有一個為可調(diào)電阻；所述零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻R11、R33中至少有一個為可調(diào)電阻；所述靈敏度溫度補(bǔ)償電阻R01、R02中至少有一個為可調(diào)電阻。
上述低溫薄膜壓力傳感器的生產(chǎn)方法，包括以下步驟1]取膜片21、接管嘴1、轉(zhuǎn)接座3、殼體4和插座5；2]在膜片21上通過離子束濺射沉積的方法依次設(shè)置過渡層6、絕緣層7、應(yīng)變電阻層8、補(bǔ)償電阻層9和焊盤層10，形成薄膜22；3]在薄膜22的焊盤層10上經(jīng)過光刻加工形成焊盤；4]在薄膜22的補(bǔ)償電阻層9上經(jīng)過光刻加工形成兩個靈敏度溫度補(bǔ)償電阻(R01、R02)和兩個零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻(R11、R33)；5]在薄膜22的應(yīng)變電阻層8上經(jīng)過光刻加工形成四個應(yīng)變電阻(R1、R2、R3、R4)和兩個零點(diǎn)補(bǔ)償電阻(R22、R44)，所述四個應(yīng)變電阻(R1、R2、R3、R4)、兩個零點(diǎn)補(bǔ)償電阻(R22、R44)和兩個零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻(R11、R33)連接成惠斯頓電橋，所述兩個靈敏度溫度補(bǔ)償電阻(R01、R02)分別串接在惠斯頓電橋的電源兩端；6]通過激光修正的方法對至少一個零點(diǎn)補(bǔ)償電阻、至少一個零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻和至少一個靈敏度溫度補(bǔ)償電阻進(jìn)行電阻值修正；7]將接管嘴1、轉(zhuǎn)接座3、殼體4、插座5以及膜片組件2組裝成低溫薄膜壓力傳感器。
上述通過激光修正進(jìn)行電阻值修正的方法是采用如下步驟1]用光刻加工形成具有一定寬度和長度的平面型補(bǔ)償電阻；2]用激光將該平面型補(bǔ)償電阻的任意部分進(jìn)行切割，在線檢測電阻值直至符合補(bǔ)償要求。
上述通過激光修正進(jìn)行電阻值修正的方法也可以采用如下步驟1]用光刻加工形成具有一定寬度和長度的平面型補(bǔ)償電阻，所述平面型補(bǔ)償電阻的圖案是相互連接的規(guī)則的重復(fù)圖案；2]用激光將該平面型補(bǔ)償電阻的重復(fù)圖案進(jìn)行一個一個的切斷，直至補(bǔ)償電阻值符合補(bǔ)償要求。
上述通過激光修正進(jìn)行電阻值修正的方法還可以采用如下步驟1]用光刻加工形成具有一定寬度和長度的平面型補(bǔ)償電阻，所述平面型補(bǔ)償電阻的圖案是長方形圖案，所述長方形圖案中設(shè)置有多個依次排列、面積經(jīng)過計算且大小不等的正方形孔或圓形孔；2]根據(jù)補(bǔ)償電阻需要的補(bǔ)償要求，用激光切斷其中符合要求的一個長方形孔或圓形孔電阻。
上述薄膜22的過渡層6為Ta2O5薄膜，絕緣層7為SiO2薄膜，應(yīng)變電阻層8為6J22薄膜，補(bǔ)償電阻層9為Ni薄膜，焊盤層10為Au薄膜。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、溫度補(bǔ)償精度提高。本發(fā)明由于補(bǔ)償電阻設(shè)置在膜片上，通過離子束濺射沉積后進(jìn)行光刻加工，和應(yīng)變電阻處在同一溫度區(qū)域，與傳統(tǒng)傳感器相比消除了應(yīng)變電阻和補(bǔ)償電阻之間的溫度梯度，補(bǔ)償精度明顯提高。
2、零點(diǎn)補(bǔ)償精度高。本發(fā)明中光刻版圖的設(shè)計適用于采用激光修正電阻的方法進(jìn)行補(bǔ)償，提高了零點(diǎn)補(bǔ)償精度。
3、應(yīng)用范圍廣。本發(fā)明在膜片上濺射沉積補(bǔ)償電阻，采用激光電阻修正技術(shù)對傳感器零點(diǎn)補(bǔ)償電阻、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻和靈敏度溫度補(bǔ)償電阻進(jìn)行修正，減小了傳感器的測量誤差，提高了補(bǔ)償精度，可用于一般介質(zhì)和低溫介質(zhì)的壓力測量。
4、生產(chǎn)效率高。本發(fā)明中光刻版圖的設(shè)計適用于采用激光修正電阻的方法進(jìn)行補(bǔ)償，容易加工生產(chǎn)，效率明顯提高。
5、可在線調(diào)整補(bǔ)償電阻值。本發(fā)明通過激光修正電阻的方法，通過連續(xù)不定量修正、間隔等量修正或間隔不等量修正的方式在線進(jìn)行補(bǔ)償電阻值的調(diào)整。


圖1為本發(fā)明的低溫薄膜壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的膜片上通過離子束濺射形成的各層薄膜示意圖；
圖3為本發(fā)明的補(bǔ)償電阻(Ni)的一種光刻版設(shè)計示意4為本發(fā)明的應(yīng)變電阻(6J22)的一種光刻版設(shè)計示意圖；圖5為本發(fā)明的低溫薄膜壓力傳感器的補(bǔ)償原理圖；其中1-接管嘴，2-膜片組件，21-膜片，22-薄膜，3-轉(zhuǎn)接座，4-殼體，5-插座，6-過渡層，7-絕緣層，8-應(yīng)變電阻層，9-補(bǔ)償電阻層，10-焊盤層，R1、R2、R3、R4-應(yīng)變電阻，R22、R44-零點(diǎn)補(bǔ)償電阻，R11、R33-零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻，R01、R02-靈敏度溫度補(bǔ)償電阻。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的低溫薄膜壓力傳感器見圖1，由接管嘴1、膜片組件2、轉(zhuǎn)接座3、殼體4、插座5組成。膜片組件2包括膜片21和設(shè)置在膜片21上的薄膜22，薄膜22由內(nèi)到外通過離子束濺射依次沉積成過渡層6、絕緣層7、應(yīng)變電阻層8、補(bǔ)償電阻層9和焊盤層10，膜片組件2經(jīng)過穩(wěn)定性處理后一端粘接轉(zhuǎn)接座3，另一端與接管嘴1焊接，接管嘴1和殼體4焊接，使得膜片組件2設(shè)置在殼體4內(nèi)部，插座5用螺釘固連在殼體4上。電信號的連接為薄膜22上的Au焊盤通過金絲球鍵合與轉(zhuǎn)接座3的電連接插針連接，轉(zhuǎn)接座3上的電連接通過聚四氟乙烯導(dǎo)線和插座5上的電連接插針連接，實(shí)現(xiàn)電信號的輸入和輸出。
如圖2所示，膜片經(jīng)過機(jī)械加工后再進(jìn)行研磨和拋光，在膜片上通過離子束濺射，依次形成Ta2O5、SiO2、6J22、Ni、Au連續(xù)薄膜。其中光刻腐蝕Au薄膜形成焊接層，光刻腐蝕6J22薄膜形成四個固定應(yīng)變電阻R1、R2、R3、R4和圖4所示的兩個零點(diǎn)補(bǔ)償電阻R22、R44，光刻腐蝕Ni薄膜形成圖3所示的靈敏度溫度補(bǔ)償電阻R01、R02和兩個零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻R11、R33，光刻腐蝕SiO2薄膜和Ta2O5薄膜分別形成絕緣層和過渡層，四個固定應(yīng)變電阻R1、R2、R3、R4連接形成惠斯頓電橋，兩個可調(diào)電阻串聯(lián)在惠斯頓電橋中，然后高溫通電老化并測試傳感器的溫度系數(shù)，因?yàn)檠a(bǔ)償電阻和應(yīng)變電阻處在同一溫度區(qū)域，所以光刻版圖的設(shè)計適用于采用激光修正電阻的方法對傳感器的初始零點(diǎn)、零點(diǎn)溫度系數(shù)、靈敏度溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。
根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻值，利用激光切割薄膜上的電阻R22、R44實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)補(bǔ)償，切割R11、R33實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)溫度系數(shù)的補(bǔ)償，最終使傳感器達(dá)到要求的性能指標(biāo)。傳感器的靈敏度溫度系數(shù)分散性很小，與膜片材料的彈性模量的溫度系數(shù)基本一致，補(bǔ)償電阻的大小可通過理論計算獲得。考慮到光刻生產(chǎn)過程的誤差，同樣通過激光切割膜片上的電阻R01或R02進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)靈敏度溫度補(bǔ)償。
本發(fā)明原理膜片上通過離子束濺射沉積的應(yīng)變電阻薄膜經(jīng)過光刻加工形成惠斯頓電橋。具有一定壓力的低溫介質(zhì)由接管嘴進(jìn)入膜片組件內(nèi)腔，使膜片產(chǎn)生應(yīng)變，應(yīng)變電阻的阻值發(fā)生改變，惠斯頓電橋輸出與壓力成比例的電壓信號，實(shí)現(xiàn)介質(zhì)壓力的測量。本發(fā)明中補(bǔ)償電阻通過離子束濺射沉積后進(jìn)行光刻加工，和應(yīng)變電阻處在同一溫度區(qū)域，本發(fā)明中設(shè)計了采用激光修正電阻進(jìn)行補(bǔ)償?shù)墓饪贪鎴D，對傳感器的初始零點(diǎn)、零點(diǎn)溫度系數(shù)、靈敏度溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。適用于一般介質(zhì)尤其是低溫介質(zhì)的壓力測量。
零點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)幕驹頌樵诨菟诡D電橋的橋臂中串聯(lián)具有較大的電阻溫度系數(shù)的電阻，修正電阻的大小，可以改變惠斯頓電橋輸出的溫度系數(shù)。Ni電阻具有較大的電阻溫度系數(shù)，因此，將兩個可修正的Ni電阻串聯(lián)在惠斯頓電橋的橋臂中，通過激光修正的方法實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償傳感器的零點(diǎn)溫度系數(shù)。
靈敏度溫度補(bǔ)償?shù)幕驹頌樵诨菟诡D電橋的電源端串聯(lián)溫度系數(shù)較大的電阻，當(dāng)溫度升高時，膜片的彈性模量降低，電橋的輸出增大，電源端串聯(lián)的補(bǔ)償電阻的阻值也增大。因此，補(bǔ)償電阻分壓作用相當(dāng)于使橋路中實(shí)際供橋電壓降低，從而使輸出減小，起到靈敏度溫度補(bǔ)償作用。兩個可修正的Ni電阻分別串聯(lián)在惠斯頓電橋的電源端，通過激光修正的方法補(bǔ)償傳感器的靈敏度溫度系數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種低溫薄膜壓力傳感器，包括接管嘴(1)、膜片組件(2)、轉(zhuǎn)接座(3)、殼體(4)和插座(5)，其中膜片組件(2)包括膜片(21)以及設(shè)置在膜片上的薄膜(22)；所述膜片組件(2)一端與接管嘴(1)固連，另一端與轉(zhuǎn)接座(3)固連，接管嘴(1)和殼體(4)固連，膜片組件(2)及轉(zhuǎn)接座(3)設(shè)置在殼體(4)內(nèi)部，轉(zhuǎn)接座(3)與插座(5)電連接，所述薄膜(22)由內(nèi)到外包括過渡層(6)、絕緣層(7)、應(yīng)變電阻層(8)和焊盤層(10)，其特征在于所述薄膜(22)還包括設(shè)置在應(yīng)變電阻層(8)和焊盤層(10)之間的補(bǔ)償電阻層(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低溫薄膜壓力傳感器，其特征在于所述應(yīng)變電阻層(8)包括連接成惠斯頓電橋的四個應(yīng)變電阻(R1、R2、R3、R4)和兩個零點(diǎn)補(bǔ)償電阻(R22、R44)，所述補(bǔ)償電阻層(9)包括串聯(lián)在惠斯頓電橋中的兩個零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻(R11、R33)和串聯(lián)在惠斯頓電橋電源端的兩個靈敏度溫度補(bǔ)償電阻(R01、R02)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低溫薄膜壓力傳感器，其特征在于所述零點(diǎn)補(bǔ)償電阻(R22、R44)中至少有一個為可調(diào)電阻；所述零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻(R11、R33)中至少有一個為可調(diào)電阻；所述靈敏度溫度補(bǔ)償電阻(R01、R02)中至少有一個為可調(diào)電阻。
4.一種權(quán)利要求1所述的低溫薄膜壓力傳感器的生產(chǎn)方法，其特征在于所述方法包括以下步驟1]取膜片(21)、接管嘴(1)、轉(zhuǎn)接座(3)、殼體(4)和插座(5)；2]在膜片(21)上通過離子束濺射沉積的方法依次設(shè)置過渡層(6)、絕緣層(7)、應(yīng)變電阻層(8)、補(bǔ)償電阻層(9)和焊盤層(10)，形成薄膜(22)；3]在薄膜(22)的焊盤層(10)上經(jīng)過光刻加工形成焊盤；4]在薄膜(22)的補(bǔ)償電阻層(9)上經(jīng)過光刻加工形成兩個靈敏度溫度補(bǔ)償電阻(R01、R02)和兩個零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻(R11、R33)；5]在薄膜(22)的應(yīng)變電阻層(8)上經(jīng)過光刻加工形成四個應(yīng)變電阻(R1、R2、R3、R4)和兩個零點(diǎn)補(bǔ)償電阻(R22、R44)，所述四個應(yīng)變電阻(R1、R2、R3、R4)、兩個零點(diǎn)補(bǔ)償電阻(R22、R44)和兩個零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻(R11、R33)連接成惠斯頓電橋，所述兩個靈敏度溫度補(bǔ)償電阻(R01、R02)分別串接在惠斯頓電橋的電源兩端；6]通過激光修正的方法對至少一個零點(diǎn)補(bǔ)償電阻(R22、R44)、至少一個零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻(R11、R33)和至少一個靈敏度溫度補(bǔ)償電阻(R01、R02)進(jìn)行電阻值修正；7]將接管嘴(1)、轉(zhuǎn)接座(3)、殼體(4)、插座(5)以及膜片組件(2)組裝成低溫薄膜壓力傳感器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低溫薄膜壓力傳感器的生產(chǎn)方法，其特征在于所述通過激光修正進(jìn)行電阻值修正的方法是采用如下步驟1]用光刻加工形成具有一定寬度和長度的平面型補(bǔ)償電阻；2]用激光將該平面型補(bǔ)償電阻的任意部分進(jìn)行切割，在線檢測電阻值直至符合補(bǔ)償要求。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低溫薄膜壓力傳感器的生產(chǎn)方法，其特征在于所述通過激光修正進(jìn)行電阻值修正的方法是采用如下步驟1]用光刻加工形成具有一定寬度和長度的平面型補(bǔ)償電阻，所述平面型補(bǔ)償電阻的圖案是相互連接的規(guī)則的重復(fù)圖案；2]用激光將該平面型補(bǔ)償電阻的重復(fù)圖案進(jìn)行一個一個的切斷，直至補(bǔ)償電阻值符合補(bǔ)償要求。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低溫薄膜壓力傳感器的生產(chǎn)方法，其特征在于所述通過激光修正進(jìn)行電阻值修正的方法是采用如下步驟1]用光刻加工形成具有一定寬度和長度的平面型補(bǔ)償電阻，所述平面型補(bǔ)償電阻的圖案是長方形圖案，所述長方形圖案中設(shè)置有多個依次排列、面積經(jīng)過計算且大小不等的正方形孔或圓形孔；2]根據(jù)補(bǔ)償電阻需要的補(bǔ)償要求，用激光切斷其中符合要求的一個長方形孔或圓形孔電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求4或5或6或7所述的一種低溫薄膜壓力傳感器的生產(chǎn)方法，其特征在于所述薄膜(22)的過渡層(6)為Ta2O5薄膜，絕緣層(7)為SiO2薄膜，應(yīng)變電阻層(8)為6J22薄膜，補(bǔ)償電阻層(9)為Ni薄膜，焊盤層(10)為Au薄膜。
全文摘要
一種可用于低溫介質(zhì)壓力測量的自補(bǔ)償?shù)蜏乇∧毫鞲衅?，包括接管嘴、膜片、薄膜、轉(zhuǎn)接座、殼體和插座，其中薄膜包括過渡層、絕緣層、應(yīng)變電阻層、補(bǔ)償電阻層和焊盤層；該傳感器的生產(chǎn)方法包括1)取膜片；2)在膜片上設(shè)置過渡層、絕緣層、應(yīng)變電阻層、補(bǔ)償電阻層和焊盤層；3)光刻形成焊盤、靈敏度溫度補(bǔ)償電阻、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻、應(yīng)變電阻和零點(diǎn)補(bǔ)償電阻；4)通過激光修正的方法對零點(diǎn)補(bǔ)償電阻、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償電阻和靈敏度溫度補(bǔ)償電阻進(jìn)行電阻值修正；5)組裝傳感器。本發(fā)明解決了背景技術(shù)測量低溫介質(zhì)時誤差大的技術(shù)問題，具有補(bǔ)償精度高、生產(chǎn)效率高、可在線調(diào)整補(bǔ)償電阻值的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01L7/08GK1975358SQ20061010516
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月14日
發(fā)明者陳懷禮, 劉本偉, 李輝 申請人:中國航天科技集團(tuán)公司第六研究院第十一研究所