一、濺射膜壓力溫度集成變送器項(xiàng)目研制背景、意義

傳感技術(shù)是新技術(shù)革命和信息技術(shù)的重要技術(shù)基礎(chǔ),，是信息技術(shù)中采集,、處理、傳播三大關(guān)鍵技術(shù)之一,，涉及國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防科研、部隊(duì)武器裝備研制和保障的各個(gè)領(lǐng)域,，各發(fā)達(dá)國(guó)家都將傳感技術(shù)視為現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，將它作為本世紀(jì)重點(diǎn)技術(shù)加以發(fā)展,。傳感器在軍事上的作用得到世界各國(guó)的重視,，需求逐年上升，以美國(guó)為例,，軍事上用來(lái)測(cè)溫度,、壓力等五種主要傳感器年平均增長(zhǎng)率達(dá)12%，約占傳感器市場(chǎng)總額的15%,，1995年產(chǎn)值12.5億美元,。其中溫度傳感器與壓力傳感器的用量最多。

溫度與壓力是傳感器中應(yīng)用最廣泛的兩種,，在航天,、航空、導(dǎo)彈,、各類(lèi)武器裝備中都需要對(duì)介質(zhì)的溫度與壓力進(jìn)行測(cè)量與控制,。一般測(cè)試系統(tǒng)是通過(guò)溫度傳感器與壓力傳感器兩個(gè)傳感器對(duì)這兩種參數(shù)同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，集成化,、智能化是測(cè)量?jī)x表發(fā)展的趨勢(shì)，傳感器技術(shù)也在集成,、智能與數(shù)字化上大力發(fā)展,。由于對(duì)同點(diǎn)介質(zhì)溫度與壓力同時(shí)測(cè)量的場(chǎng)合相當(dāng)多，將壓力與溫度測(cè)量進(jìn)行集成,，由同一傳感器實(shí)現(xiàn),，簡(jiǎn)化安裝與調(diào)試,，具有廣泛的軍事應(yīng)用前景。

國(guó)外能同時(shí)測(cè)量溫度壓力的傳感器,，部分產(chǎn)品的溫度是通過(guò)電路中集成芯片對(duì)環(huán)境溫度的一個(gè)測(cè)量,，這種測(cè)量方式不能準(zhǔn)確反應(yīng)引壓端介質(zhì)的溫度，只是給壓力傳感器提供一個(gè)溫度補(bǔ)償參考,；部分在壓力傳感器內(nèi)置一個(gè)熱電偶或鉑電阻溫度傳感器,，但受封裝的影響，最高量程只能做到25MPa左右,，美國(guó)公司的溫度壓力集成傳感器產(chǎn)品外采用的是鉑電阻溫度傳感器,，輸出標(biāo)準(zhǔn)電阻值。

新溫度壓力集成傳感器的研究主要是將測(cè)壓與測(cè)溫的敏感件在同一硅杯上集成,，利用壓阻式或電容式測(cè)量壓力,，采用半導(dǎo)體二極管測(cè)量溫度，這還處于研制階段,。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的壓力,、溫度集成的傳感器采用熱電偶、熱電阻測(cè)溫,，采用壓阻或應(yīng)變測(cè)量壓力,，通過(guò)兩個(gè)接口連接，輸出信號(hào)再接處理電路,，處理電路與測(cè)量點(diǎn)分開(kāi),，這種方式的集成度不高，結(jié)構(gòu)不緊湊,。

對(duì)于嚴(yán)酷的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,，軍用傳感器的抗環(huán)境性能要求高，對(duì)工作的可靠性要求高,，要求微結(jié)構(gòu),，要求信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化易于采集、控制與處理,。在高振動(dòng),、沖擊、粉塵,、酸堿等惡劣環(huán)境下,，熱電偶、熱電阻及二次儀表在測(cè)量精度與測(cè)量可靠性上都將受到影響,。

半導(dǎo)體傳感器，具有體積小,、重量輕,、工藝成本較低等特點(diǎn),，在武器裝備中應(yīng)用廣泛，國(guó)內(nèi)有引進(jìn)芯片的生產(chǎn)廠,，自行研制的工藝水平較低,，無(wú)法批量生產(chǎn)。半導(dǎo)體傳感器對(duì)溫度較敏感,，不耐腐蝕,，大多數(shù)測(cè)量場(chǎng)所應(yīng)用的產(chǎn)品密封腔和充油腔，因此抗振動(dòng),、沖擊和耐高,、低溫性能有限。

在20世紀(jì)80年代之后,，德國(guó),、俄羅斯等國(guó)也相繼開(kāi)發(fā)出利用磁控濺射等方法制造的濺射膜傳感器，它的優(yōu)良性能突顯出來(lái),，得到了實(shí)際應(yīng)用,。目前，該類(lèi)傳感器主要用于軍事,、核工業(yè),、油井等惡劣環(huán)境下的壓力測(cè)試。例如美國(guó)用于阿波羅飛船,、Viking火星探測(cè)器（CEC公司產(chǎn)1000-02型）,俄羅斯用于聯(lián)盟號(hào)飛船和暴風(fēng)雪-能源號(hào)航天飛機(jī)（奔薩研究所產(chǎn)BT-212型）,法國(guó)用于阿迪亞娜Ⅳ號(hào)和Ⅴ號(hào)運(yùn)載火箭（Fagor公司產(chǎn)27 N型）,，僅Viking火星探測(cè)器就使用了傳感器8000只，其中溫度和壓力測(cè)量點(diǎn)最多,。

由于濺射膜傳感器的彈性敏感材料由耐腐蝕不銹鋼制成,，可直接與腐蝕性介質(zhì)接觸。濺射膜傳感器的敏感電阻是合金材料,，受溫度的影響極小,，在-100℃～+250℃范圍內(nèi)的溫度漂移小于50ppm/℃。通過(guò)先進(jìn)的離子束鍍膜技術(shù),，制備的濺射膜熱電阻,，能在中、低溫區(qū)準(zhǔn)確測(cè)量,。通過(guò)離子濺射與離子刻蝕,，將熱電阻與應(yīng)變電阻制備在同一芯片上，進(jìn)行溫度,、壓力的測(cè)量,，可以實(shí)現(xiàn)傳感器的高度集成。這種一體化傳感器通過(guò)一個(gè)接口測(cè)量?jī)煞N參數(shù),，信號(hào)互不干擾,，輸出標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào),，無(wú)需外接儀表，測(cè)量精度高,，性能優(yōu)越,，是軍用溫度壓力傳感器的發(fā)展方向。自主開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)高精度的濺射膜溫度壓力集成傳感器,，保證軍事上的可靠應(yīng)用,，打破國(guó)外技術(shù)的封鎖，具有重要軍事意義,。

二,、項(xiàng)目研制的主要內(nèi)容

(一)研究目標(biāo)    本項(xiàng)目的研究目標(biāo)是:通過(guò)對(duì)離子束濺射鍍膜、離子束濺射刻蝕等工藝進(jìn)行研究,，將濺射膜應(yīng)變電阻與熱電阻在同一敏感芯片上進(jìn)行集成,，研制一種新型的濺射膜壓力溫度集成傳感器，同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量介質(zhì)的溫度與壓力,。新型濺射膜溫度壓力集成傳感器具有響應(yīng)快,、測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好,、抗振動(dòng),、沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足航空,、航天,、軍事裝備、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等方面的應(yīng)用,。

(二)技術(shù)指標(biāo)   濺射膜溫度壓力一體化變送器主要實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)指標(biāo),；  測(cè)量壓力范圍：    0～60MPa；  測(cè)量溫度范圍：   -50℃～150℃,；  溫度測(cè)量精度：    0.1℃,；  壓力測(cè)量精度：     0.1級(jí)。

(三)研究?jī)?nèi)容    制作符合既定性能的軍用濺射膜溫度壓力集成傳感器,，重點(diǎn)在工藝研究,，本項(xiàng)目主要研究?jī)?nèi)容如下：

1．敏感元件版圖的設(shè)計(jì)

要根據(jù)對(duì)溫度與壓力的不同測(cè)量要求，選用不同材料,，利用不同的原理來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度與壓力在同一芯片上的集成測(cè)試,。應(yīng)變電阻要獲得高的應(yīng)變系數(shù)、低的溫度敏感性,，而熱電阻要有高的溫度靈敏度但對(duì)壓力不敏感,，這需要結(jié)合成膜的工藝參數(shù)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，在同一敏感芯片上做出合理的版圖設(shè)計(jì),。

2．離子束濺射鍍膜的工藝研究

制作新型的濺射膜溫度壓力集成變送器,，濺射膜的質(zhì)量至關(guān)重要,。采用先進(jìn)的離子束鍍膜技術(shù)，可以獲得性能優(yōu)越的絕緣膜與電阻膜,。在工藝研究中，要通過(guò)工藝實(shí)驗(yàn),，找到濺鍍各種濺射膜的最佳工藝參數(shù),，保證濺射膜溫度壓力集成變送器的絕緣性能與穩(wěn)定性能滿足項(xiàng)目要求。

3．離子束刻蝕的工藝研究

在基底材料上將濺鍍熱電阻膜與合金電阻膜兩種不同材質(zhì)的濺射膜,，通過(guò)刻蝕工藝形成兩種柵條電阻,。采用先進(jìn)的離子束濺射刻蝕技術(shù)，避免濕法刻蝕的固有缺陷,，保證濺射膜電阻的均勻性,，從而保證電阻膜橋路的匹配。

4．濺射膜電阻的穩(wěn)定性處理工藝研究

要獲得高可靠,、高精度的產(chǎn)品,，電阻的穩(wěn)定性和可靠性是基礎(chǔ)。除了鍍膜,、刻蝕工藝外,，對(duì)電阻膜的后期穩(wěn)定性處理也是關(guān)鍵。通過(guò)采取一系列的穩(wěn)定性處理措施,，如熱處理,、膜表面保護(hù)處理、老化處理等,，使濺射膜電阻的溫度系數(shù)更加穩(wěn)定并有高的線性度,，使膜電阻材料的阻值在測(cè)溫范圍內(nèi)具有高穩(wěn)定性。

5．傳感器的補(bǔ)償工藝與信號(hào)調(diào)理

同一傳感器測(cè)量溫度與壓力,，需要對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償與放大,。在現(xiàn)有的壓力傳感器的基礎(chǔ)上，補(bǔ)償與信號(hào)調(diào)理技術(shù)已成熟,，只要針對(duì)溫度測(cè)量的特點(diǎn),，重新設(shè)計(jì)電路對(duì)溫度傳感器信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償與放大。在電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中,，主要考慮的是減少環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量的影響,，保證介質(zhì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。這需要結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、版圖設(shè)計(jì)進(jìn)行,。

三、項(xiàng)目研制方案,、技術(shù)難度,、解決途徑

(一)總體設(shè)計(jì)方案

1,、濺射膜壓力溫度一體化變送器工作原理設(shè)計(jì)：溫度壓力一體化變送器是在同一芯片上實(shí)現(xiàn)壓力與溫度的同時(shí)測(cè)量，輸出兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),。壓力測(cè)量原理是采用先進(jìn)的離子束濺射鍍膜技術(shù),，在圓形平膜片的應(yīng)變區(qū)濺射四個(gè)濺射膜合金電阻，連接成Wheastone全橋應(yīng)變電路,，通過(guò)膜片的形變將壓力轉(zhuǎn)換成合金膜電阻阻值的變化,，從而輸出一個(gè)與所受壓力值成線性的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。溫度測(cè)量原理是通過(guò)離子束濺射鍍膜技術(shù)在平膜片的非應(yīng)變區(qū)濺射一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻,，將所測(cè)液體,、氣體的溫度通過(guò)平膜片的傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換為熱電阻阻值的變化，通過(guò)信號(hào)調(diào)理輸出一個(gè)與溫度成線性的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào),。

2,、濺射膜壓力溫度一體化變送器的測(cè)量橋路設(shè)計(jì)：在本項(xiàng)目中，熱電阻材料選用99.9%的鉑金,，在版圖上設(shè)計(jì)2個(gè)1000Ω左右的鉑金電阻,，再與精密金屬膜電阻配成輸入輸出阻抗為2KΩ的電橋橋路，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出,。測(cè)量壓力的濺射膜應(yīng)變電阻是根據(jù)電阻的形變來(lái)測(cè)量壓力值,，為獲得盡可能高的應(yīng)變靈敏度，應(yīng)變電阻要處于芯片的最大應(yīng)變區(qū),，而且采用全橋應(yīng)變電路,。這種橋路在版圖設(shè)計(jì)時(shí)帶入濺射膜電阻的零點(diǎn)補(bǔ)償，濺射膜橋路本身具有溫度自補(bǔ)償性,，測(cè)量介質(zhì)溫度與電路環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量壓力結(jié)果影響非常小,，保證測(cè)壓的準(zhǔn)確性。

(二)技術(shù)難度

1,、濺射膜的制備工藝：新型的濺射膜溫度壓力集成變送器,，要求在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作，因此制備高穩(wěn)定性的濺射膜電阻是研究的難點(diǎn),。濺射膜的性能要“再現(xiàn)”原材的性能,，還要具備濺射膜材料的優(yōu)點(diǎn)。濺射膜電阻在制作工藝過(guò)程中,，要盡量去除或減少摻雜,、污染、氧化等不利因素,，要保證膜層的致密度,，保證相同工藝參數(shù)下電阻膜的電阻性能與溫度性能的一致性，保證濺射膜電阻的長(zhǎng)期電穩(wěn)定性。

2,、鍍膜,、光刻的工藝流程設(shè)計(jì)：在本項(xiàng)目的研究中，要求制備的功能濺射膜多,，為了保證產(chǎn)品的高絕緣程度與耐壓程度,，絕緣膜采用雙層絕緣膜形式。對(duì)熱電阻膜與合金電阻膜,，穩(wěn)定性處理工藝也不相同,。膜層多、刻蝕多,，集成傳感器工藝復(fù)雜，如何在保證質(zhì)量的前提下,，在工藝上實(shí)現(xiàn)多層膜的濺鍍,、刻蝕與有效熱處理，是濺射膜溫度壓力集成傳感器的工藝難點(diǎn),。

(三)技術(shù)途徑

澤天傳感已有較成熟的濺射膜制備技術(shù),，研制、開(kāi)發(fā)了多種濺射膜壓力傳感器,，對(duì)多種金屬材料如銅,、金、鎳等的溫度性能有一定的研究,，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行濺射膜熱電阻的研究,，實(shí)現(xiàn)溫度壓力的集成測(cè)量，在技術(shù)上是切實(shí)可行的,。通過(guò)以下技術(shù)途徑,，取得工藝、設(shè)計(jì)上的突破,，實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目的目標(biāo)要求,，制作高穩(wěn)定性的濺射膜溫度壓力集成變送器。

1．敏感元件版圖的設(shè)計(jì)：一般的熱電阻傳感器都制作標(biāo)準(zhǔn)的電阻,，對(duì)阻值的準(zhǔn)確性要求高,，柵條的形狀要結(jié)合濺射膜厚度、電阻值大小,、工藝上的可實(shí)現(xiàn)性等來(lái)設(shè)計(jì),。應(yīng)變電阻分別分布于正負(fù)應(yīng)變最大區(qū)域。為了保證熱電阻阻值的精確與合金電阻橋路的匹配,，在版圖的設(shè)計(jì)中還要帶入濺射膜初步補(bǔ)償電阻,，同時(shí)要設(shè)計(jì)激光調(diào)阻的位置。

2．工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程設(shè)計(jì)：溫度壓力集成變送器中有兩種電阻膜，要保證各層膜的工藝之間不互相干擾,，要對(duì)濺射膜的成膜工藝過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì),。在確定好工藝順序后，就要對(duì)每一步具體的工藝過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn),，尋找最佳參數(shù)工藝參數(shù),。

2.2 離子束濺射鍍膜的工藝研究：在本項(xiàng)目的研究中，選用離子束濺射鍍膜技術(shù)來(lái)進(jìn)行各種功能膜的濺鍍,。離子束鍍膜的性能與濺射靶材的性能基本一致,，膜層的穩(wěn)定性好。要制造好濺射膜傳感器,，就必須對(duì)主要的功能膜的工藝一一進(jìn)行研究,。濺射膜厚度不一樣，成膜的結(jié)晶過(guò)程不一樣,，膜層的性能也就有差別,。膜厚達(dá)到一定程度，濺射材料成分的細(xì)微變化,、膜層雜質(zhì),、光刻腐蝕過(guò)程中的差異等對(duì)電阻阻值的影響就會(huì)減小，這些都有利于濺射膜電阻溫度系數(shù)的一致性與阻值的均勻性,。

2.3離子束刻蝕的工藝研究：溫度壓力集成傳感器需要在同一基底上濺射二種不同材質(zhì)的金屬膜,，獲得兩種材料的柵條電阻。離子束刻蝕精度高,，對(duì)各種材料的膜層都適用,。完成鍍膜后，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的電阻膜進(jìn)行柵條形狀的曝光,、涂膠,，然后再采用離子束刻蝕技術(shù)，對(duì)不需保留的電阻膜用離子束轟擊掉,。離子束刻蝕提高了刻蝕精度,，保證了電阻膜的質(zhì)量與阻值的均勻性。

2.4 濺射膜電阻的穩(wěn)定性處理工藝：濺射膜電阻的穩(wěn)定性性處理包含兩個(gè)方面,，一是溫度系數(shù)的穩(wěn)定性,，還有一個(gè)是電阻阻值的穩(wěn)定性。未經(jīng)處理的濺射膜電阻性能不穩(wěn)定,，電阻值容易發(fā)生漂移,，溫度系數(shù)也比標(biāo)稱(chēng)值小。

3傳感器的補(bǔ)償工藝與信號(hào)調(diào)理：由于工藝誤差的存在,，每次鍍膜熱電阻阻值不可能完全一致,，同一芯片上的四個(gè)應(yīng)變電阻組成的橋路也不能完全匹配，這需要對(duì)濺射膜電阻阻值進(jìn)行修正和補(bǔ)償橋路。為保證橋路的匹配性,，在設(shè)計(jì)柵條電阻的同時(shí),，帶入一系列濺射膜補(bǔ)償電阻，通過(guò)補(bǔ)償阻值的選取來(lái)達(dá)到零點(diǎn)的初步補(bǔ)償,。為保證信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸或數(shù)字化處理,，設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)應(yīng)變壓力信號(hào)與熱電阻溫度信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的0～5V輸出,。在電路的設(shè)計(jì)上,，參考了澤天傳感原有的成熟電路,，著重考慮抗干擾性能,。

通過(guò)以上技術(shù)途徑進(jìn)行工藝研究,，可以獲得高性能的濺射膜,，制作出新型的濺射膜溫度壓力集成傳感器,。濺射膜溫度壓力集成傳感器響應(yīng)速度快,，測(cè)試精度高，穩(wěn)定性能好,，而且抗環(huán)境性能強(qiáng)，適合各種惡劣環(huán)境領(lǐng)域的壓力溫度測(cè)量,。在濺射膜壓力傳感器與溫度傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)新型的濺射膜溫度壓力集成變送器,，為軍事領(lǐng)域提供高可靠性、高穩(wěn)定性的軍用傳感器,，對(duì)我國(guó)國(guó)防事業(yè)的發(fā)展有重大的意義。本文源自澤天傳感,，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留出處,。