專利名稱：用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及壓力傳感器的產(chǎn)品制造技術，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變器件的技術方法。
背景技術：
壓力傳感器作為現(xiàn)代信息化工業(yè)的一個關鍵器件，其特性和用途主要取決于其核心部件敏感元件的技術和工藝。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的不斷發(fā)展，敏感元件的技術日新月異，主要體現(xiàn)在采用不同力學結構的彈性體元件、或者采用各種新材料、又或者采用各種新的工藝技術和手段、又甚而基于創(chuàng)新的物性原理等等?；诮饘匐娮钁冃虬雽w壓阻效應的技術及產(chǎn)品仍然占據(jù)重要地位和份額。然而傳統(tǒng)的金屬電阻應變式技術特點是采用有機膠將箔式金屬電阻應變片粘貼在彈性元件上，有機膠既起粘結作用又起電氣隔離作用。眾所周知這類技術的產(chǎn)品性能有許多不足和缺點體現(xiàn)在膠容易隨時間的老化導致絕緣性能下降粘結強度不穩(wěn)定從而導致傳感器蠕變，長期穩(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；金屬箔式應變片的另一顯著缺點是靈敏度低，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致重復性和一致性差以及規(guī)模生產(chǎn)效率低下。為克服上述缺點出現(xiàn)了薄膜式技術及相應的產(chǎn)品，其顯著地消除了蠕變和改善了長期穩(wěn)定性，其技術特點是針對不同的應變材料采用相應不同的薄膜工藝如真空蒸發(fā)、磁控濺射、各種物理化學氣相沉積的辦法制作電氣隔離層和應變電阻，相對于以上薄膜工藝采用離子束濺射沉積技術制作的薄膜具有顯著的優(yōu)點即非常好的薄膜致密性、與襯底的附著力強和均勻可控的晶態(tài)結構。目前離子束濺射沉積薄膜主要仍用于傳統(tǒng)的金屬應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，應變計靈敏系數(shù)低就必然要求傳感器彈性元件設計時輸出較高的應變，這就必然降低傳感器的耐疲勞度和高過載抗沖擊能力，而這些都是現(xiàn)代工業(yè)應用對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，需要制作一層電氣絕緣層將應變層與金屬彈性元件基底作電氣隔離，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，但這類金屬氧化物材料的濺射時間都很長，通常100納米的厚度需要八個小時以上，而且用薄膜做電氣隔離層時，要求彈性體表面質(zhì)量非常高，達到鏡面的要求且無任何表面的微觀缺陷如劃痕、凹坑等，這勢必要對彈性元件表面做非常嚴格而復雜的預先處理如研磨和鏡面拋光等，嚴重地影響生產(chǎn)效率和成品率，這也是金屬薄膜壓力傳感器難以實現(xiàn)批量化生產(chǎn)的關鍵原因。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，其應用多以硅本身作為彈性材料的擴散硅充油敏感元件技術，也有以硅材料用各種物理化學氣相沉積法成長在硅彈性體或金屬彈性體上的絕緣膜(絕緣膜也用氣相沉積法形成如二氧化硅Si02) 上的，但由于這類薄膜工藝所制成的薄膜的諸多缺點如成膜疏松、致密性不好、附著力不強等難以實現(xiàn)商業(yè)化、工業(yè)化批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術中存在的技術問題，本發(fā)明提出了一種靈敏度高、制作工藝簡便、性能穩(wěn)定可靠、適合于大批量生產(chǎn)的硅薄膜壓力應變器件及用離子束濺射沉積將其制作的方法。本發(fā)明通過采用以下的技術來實現(xiàn)實施一種用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件的方法，所述方法包括以下步驟①，首先設置一引壓連接體，以及與引壓連接體制作在一起的金屬彈性膜片；然后在金屬彈性膜片上，用印刷絕緣電介質(zhì)漿料的方法或用濺射絕緣材料的方法制作第一層的電氣隔離層；②，然后在電氣隔離層之上，應用離子束濺射淀積方法，制造硅薄膜，制成第二層為硅薄膜壓阻層；③，然后在硅薄膜壓阻層上用微細刻蝕加工工藝刻蝕應變片物理形狀結構，制作用以連接成惠斯登電橋的一個以上的應變電阻；④，然后應用絕緣介質(zhì)膠覆蓋在壓阻材料層之上，形成第三層是保護層，所述彈性膜片，電氣隔離層、壓阻材料層、保護層共同形成硅薄膜應變器件。引壓連接體和金屬彈性膜片的連接結構形式包括，金屬彈性膜片直接焊接在引壓連接體上；引壓連接體材料和金屬彈性膜片的材料都是金屬材料。引壓連接體和金屬彈性膜片是由單體金屬加工成二者合一的無焊縫、無密封圈密封的一體化結構；引壓連接體材料和金屬彈性膜片的材料都是金屬材料。步驟①中制作電氣隔離層的方法是將絕緣電介質(zhì)漿料采用厚膜絲網(wǎng)印刷工藝塗覆在金屬彈性膜片上，再經(jīng)燒結而成50 150微米厚的電氣絕緣層。步驟②是在高真空環(huán)境下，采用低能離子束以一定的角度轟擊硅靶材，將硅材料以納米尺度大小的方式，沉積在彈性膜片的電氣隔離層上，形成一微米厚度以下的硅薄膜壓阻材料層。步驟④進一步包括在所述的硅薄膜應變器件上將用硅薄膜壓阻層制成的一個以上的應變電阻連接成惠斯登電橋，該電橋在激勵電壓的作用下輸出毫伏級電壓信號，該信號與彈性膜片所受壓強成正比。一種用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件，所述壓力應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彈性膜片；金屬彈性膜片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，形成第三層保護層，所述金屬彈性膜片、電氣隔離層、硅薄膜壓阻層、保護層共同形成硅薄膜應變器件。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刻蝕加工工藝刻蝕而成的應變片物理形狀結構，并進一步將用硅薄膜壓阻層制成的一個以上的應變電阻連接成惠斯登電橋，該電橋在激勵電壓的作用下輸出毫伏級電壓信號，該信號與彈性膜片所受壓強成正比。與現(xiàn)有技術相比較，本發(fā)明采用硅作為薄膜壓阻材料，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，所制作的壓力應變器件靈敏度高、壽命長，穩(wěn)定性好，同時采用印刷燒結法制作電氣隔離層工藝簡便，成品率高，適合于大批量生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件的示意圖；圖2是本發(fā)明用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件的方法的工藝流程圖；圖3是在本發(fā)明用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件的硅薄膜壓阻層上用微細刻蝕加工工藝刻蝕應變片物理形狀結構后，所形成的應變電阻連接成惠斯登電橋的電原理圖。
具體實施例方式為了進一步說明本發(fā)明的方法，現(xiàn)結合本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例進行詳細說明， 然而所述實施例僅為提供說明與解釋之用，不能用來限制本發(fā)明的專利保護范圍。如圖1 圖3所示一種用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件及方法，所述方法包括以下步驟①，首先設置一引壓連接體1，以及與引壓連接體1制作在一起的金屬彈性膜片 2 ；然后在金屬彈性膜片2上，用印刷絕緣電介質(zhì)漿料的方法或用濺射絕緣材料的方法制作第一層的電氣隔離層；②，然后在電氣隔離層之上，應用離子束濺射淀積方法，制造硅薄膜，制成第二層為硅薄膜壓阻層；③，然后在硅薄膜壓阻層上用微細刻蝕加工工藝刻蝕應變片物理形狀結構，制作用以連接成惠斯登電橋的一個以上的應變電阻；④，然后應用絕緣介質(zhì)膠覆蓋在壓阻材料層之上，形成第三層是保護層，所述金屬彈性膜片2、電氣隔離層31、硅薄膜壓阻層32、保護層33共同形成硅薄膜應變器件3。引壓連接體1和金屬彈性膜片2的連接結構形式包括，金屬彈性膜片2直接焊接在引壓連接體1上；引壓連接體1材料和金屬彈性膜片2的材料都是金屬材料。引壓連接體1和金屬彈性膜片2是由單體金屬加工成二者合一的無焊縫、無密封圈密封的一體化結構；
引壓連接體1材料和金屬彈性膜片2的材料都是金屬材料。步驟①中制作電氣隔離層的方法是將絕緣電介質(zhì)漿料采用厚膜絲網(wǎng)印刷工藝塗覆在金屬彈性膜片2上，再經(jīng)燒結而成50 150微米厚的電氣絕緣層31。步驟②是在高真空環(huán)境下，采用低能離子束以一定的角度轟擊硅靶材，將硅材料以納米尺度大小的方式，沉積在彈性膜片的電氣隔離層上，形成一微米厚度以下的硅薄膜壓阻材料層32。步驟④進一步包括在所述的硅薄膜應變器件3上，如圖3所示，將用硅薄膜壓阻層 32制成的一個以上的應變電阻Rl R4連接成惠斯登電橋，該電橋在激勵電壓的作用下輸出毫伏級電壓信號，該信號與彈性膜片所受壓強成正比；惠斯登電橋引線11 14用以接入激勵電壓和輸出毫伏級電壓信號。一種用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件，所述壓力應變器件包括一引壓連接體1;與引壓連接體1制作在一起的金屬彈性膜片2 ；金屬彈性膜片2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，形成第三層保護層33，所述金屬彈性膜片 2、電氣隔離層、硅薄膜壓阻層、保護層共同形成硅薄膜應變器件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。在所述硅薄膜壓阻層上有微細刻蝕加工工藝刻蝕而成的應變片物理形狀結構，并進一步將用硅薄膜壓阻層制成的一個以上的應變電阻連接成惠斯登電橋，該電橋在激勵電壓的作用下輸出毫伏級電壓信號，該信號與彈性膜片所受壓強成正比。本發(fā)明的硅薄膜應變器件3，當金屬彈性膜片2改換為其它結構，如測力用傳感器的彈性體元件時，本發(fā)明亦可應用于測力傳感器。本發(fā)明采用硅作為薄膜壓阻材料，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，所制作的壓力應變器件靈敏度高、壽命長，穩(wěn)定性好，同時采用印刷燒結法制作電氣隔離層工藝簡便高效，成品率高，適合于大批量生產(chǎn)。以上內(nèi)容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟①，首先設置一引壓連接體(1)，以及與引壓連接體(1)制作在一起的金屬彈性膜片⑵；然后在金屬彈性膜片( 上，用印刷絕緣電介質(zhì)漿料的方法或用濺射絕緣材料的方法制作第一層的電氣隔離層；②，然后在電氣隔離層之上，應用離子束濺射淀積方法，制造硅薄膜，制成第二層為硅薄膜壓阻層；③，然后在硅薄膜壓阻層上用微細刻蝕加工工藝刻蝕應變片物理形狀結構，制作用以連接成惠斯登電橋的一個以上的應變電阻；④，然后應用絕緣介質(zhì)膠覆蓋在壓阻材料層之上，形成第三層是保護層，所述彈性膜片，電氣隔離層、壓阻材料層、保護層共同形成硅薄膜應變器件(3)。
2.如權利要求書1所述的用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件的方法，其特征在于引壓連接體(1)和金屬彈性膜片O)的連接結構形式包括，:金屬彈性膜片( 直接焊接在引壓連接體(1)上；引壓連接體(1)材料和金屬彈性膜片( 的材料都是金屬材料。
3.如權利要求書1所述的用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件的方法，其特征在于引壓連接體(1)和金屬彈性膜片( 是由單體金屬加工成二者合一的無焊縫、無密封圈密封的一體化結構；引壓連接體(1)材料和金屬彈性膜片O)的材料都是金屬材料。
4.如權利要求書1所述的用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件的方法，其特征在于步驟①中制作電氣隔離層的方法是將絕緣電介質(zhì)漿料采用厚膜絲網(wǎng)印刷工藝塗覆在金屬彈性膜片( 上，再經(jīng)燒結而成50 150微米厚的電氣絕緣層。
5.如權利要求書1所述的用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件的方法，其特征在于步驟②是在高真空環(huán)境下，采用低能離子束以一定的角度轟擊硅靶材，將硅材料以納米尺度大小的方式，沉積在彈性膜片的電氣隔離層上，形成1微米厚度以下的硅薄膜壓阻材料層。
6.如權利要求書1所述的用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件的方法，其特征在于步驟④所述的硅薄膜應變器件C3)進一步包括將用硅薄膜壓阻層制成的一個以上的應變電阻連接成惠斯登電橋，該電橋在激勵電壓的作用下輸出毫伏級電壓信號，該信號與彈性膜片所受壓強成正比。
7.一種用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件，其特征在于，所述壓力應變器件包括一引壓連接體⑴；與引壓連接體(1)制作在一起的金屬彈性膜片(2)； 金屬彈性膜片(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，形成第三層保護層，所述金屬彈性膜片O)、電氣隔離層、硅薄膜壓阻層、保護層共同形成硅薄膜應變器件(3)。
8.根據(jù)權利要求7所述的用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件，其特征在于 所述電氣隔離層厚度小于150微米。
9.根據(jù)權利要求7所述的用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件，其特征在于 所述硅薄膜壓阻層厚度小于1微米。
10.根據(jù)權利要求7所述的用離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件，其特征在于 在所述硅薄膜壓阻層上用微細刻蝕加工工藝刻蝕而成的應變片物理形狀結構，用以制作一個以上的應變電阻，并連接成惠斯登電橋以輸出與彈性膜片所受壓強成比例的毫伏級電壓信號。
全文摘要
一種離子束濺射硅薄膜制作的壓力應變器件及工藝方法，所述方法包括以下步驟首先設置一引壓連接體，以及與引壓連接體制作在一起的金屬彈性膜片；然后在金屬彈性膜片上，應用印刷燒結方法或濺射法制作第一層的電氣隔離層；然后在電氣隔離層之上，應用離子束濺射沉積方法，制成硅薄膜壓阻層；然后在硅薄膜壓阻層上用微細刻蝕加工工藝刻蝕應變片物理形狀結構；然后用介質(zhì)膠料作保護層塗覆在壓阻材料層之上。本發(fā)明采用離子束濺射硅薄膜制作壓力應變器件，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，所制作的壓力應變器件靈敏度高、壽命長、穩(wěn)定性好，同時采用印刷燒結法制作電氣隔離層工藝簡便、成品率高、適合大批量生產(chǎn)。
文檔編號G01L1/22GK102175363SQ20101062495
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權日2010年12月31日
發(fā)明者歐陽德利 申請人:東莞市百賽儀器有限公司