專利名稱：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?；诮饘匐娮钁?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)特點是采用有機膠將箔式金屬電阻應(yīng)變片粘貼 在彈性元件上，有機膠既起粘結(jié)作用又起電氣隔離作用。眾所周知這類技術(shù)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(dǎo)致絕緣性能下降粘結(jié)強度不穩(wěn)定從而導(dǎo)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(yīng)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(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 長期穩(wěn)定性，其技術(shù)特點是針對不同的應(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(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)變計靈敏系數(shù)低就必然要求傳感器彈性元件設(shè)計時輸出較 高的應(yīng)變，這就必然降低傳感器的耐疲勞度和高過載抗沖擊能力，而這些都是現(xiàn)代工業(yè)應(yīng) 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(yīng)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(dá)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(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)。

實用新型內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本實用新型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(yīng)變器件，該器件用離子束濺射沉 積方法將其制作。本實用新型通過采用以下的技術(shù)來實現(xiàn)設(shè)計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(hù)層，所述金屬彈性膜片、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。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以上的應(yīng)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。引壓連接體和金屬彈性膜片的連接結(jié)構(gòu)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。或者，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(jié)構(gòu)；引壓連接體材料和金屬彈性膜片的材料都是金屬材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實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，從而本實用新型的壓力應(yīng)變器件靈敏度高、壽命 長，穩(wěn)定性好，同時本實用新型工藝簡便，成品率高，適合于大批量生產(chǎn)。

圖1是本實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。
具體實施方式
為了進(jìn)一步說明本實用新型，現(xiàn)結(jié)合本實用新型的一個優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)說 明，然而所述實施例僅為提供說明與解釋之用，不能用來限制本實用新型的專利保護(hù)范圍。如圖1 圖3所示，設(shè)計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(hù)層33，所述金屬彈性膜片 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在激勵電壓的作用下，接頭13、14輸出毫伏級電壓信號，該 信號與彈性膜片所受壓強成正比。引壓連接體和金屬彈性膜片的連接結(jié)構(gòu)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?；蛘撸龎哼B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(jié)構(gòu)；引壓連接體材料和金屬彈性膜片的材料都是金屬材料。本實用新型的硅薄膜應(yīng)變器件3，當(dāng)金屬彈性膜片2改換為其它結(jié)構(gòu)，如測力用傳 感器的彈性體元件時，本實用新型亦可應(yīng)用于測力傳感器。本實用新型的，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，穩(wěn)定性好，本實用新型工藝簡便高效，成品率高，適合于大批量生產(chǎn)。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本實用新型所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能 認(rèn)定本實用新型的具體實施只局限于這些說明。對于本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本實用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干采用硅作為簡單推演或替 換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本實用新型的保護(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(hù)層，所述金屬彈性膜片O)、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成比 例的毫伏級電壓信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求書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)和金屬彈性膜片( 的連接結(jié)構(gòu)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O)的材料都是金屬材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求書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(jié)構(gòu)；引壓連接體(1)材料和金屬彈性膜片( 的材料都是金屬材料。
專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彈性膜片；在金屬彈性膜片上，有應(yīng)用印刷燒結(jié)方法或濺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、穩(wěn)定性好，同時采用印刷燒結(jié)法制作的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G01L9/04GK201926529SQ201020701490
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
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