研制能適應各種惡劣環(huán)境測壓要求的壓阻式薄膜傳感器，其關(guān)鍵技術(shù)在于合金敏感薄膜的制備。高電阻穩(wěn)定性的合金敏感薄膜是保證壓力傳感器在各種惡劣環(huán)境下仍具有穩(wěn)定的高靈敏度的關(guān)鍵。

 

1、壓力傳感器制備工藝進展

 

典型合金薄膜應變壓力傳感器的功能模塊主要由彈性敏感元件、轉(zhuǎn)換元件等部分組成。彈性敏感元件是將被測物理量預先轉(zhuǎn)換為一種易于變換成電信號的物理量的部件。轉(zhuǎn)換元件是能將感受到的物理量直接轉(zhuǎn)換成電信號的部件。

 

合金薄膜應變壓力傳感器的工作原理可簡述為：壓力引起電阻變化，通過電阻值變化轉(zhuǎn)換為輸出電壓變化，實現(xiàn)對壓力的準確測量。薄膜彈性元件質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到傳感器的性能及精度。

 

利用電阻應變效應制造的電阻應變式壓力傳感器經(jīng)歷了以下3 個發(fā)展階段：絲式電阻應變壓力傳感器、箔式電阻應變壓力傳感器和薄膜電阻應變壓力傳感器。

 

 

絲式電阻應變計

 

絲式電阻應變壓力傳感器主要由金屬絲作為轉(zhuǎn)換元件，用膠粘貼在敏感元件上。由于圓截面的金屬絲與變形表面結(jié)合不夠緊密，而且電阻絲末段輸出線接頭不易焊接，焊接接頭極易損壞，所以該類傳感器壽命短、穩(wěn)定性差、精度不高。

 

 

 

箔式電阻應變計

 

隨著半導體制造技術(shù)的發(fā)展，特別是光刻技術(shù)的發(fā)展，人們又成功研制出箔式電阻應變式壓力傳感器。它的轉(zhuǎn)換元件是箔式應變片，其敏感柵是通過光刻、腐蝕工藝等制成，箔合金材料為康銅或改性鎳鉻合金。由于箔敏感柵斷面為長方形, 表面積大、散熱性能好、柵條均勻、尺寸小、應變片薄，所以相對于絲式電阻應變傳感器, 箔式電阻應變式壓力傳感器的溫度特性和精度都有了非常大的提高，能滿足一般的自動控制和測量的需要。但是，由于粘貼膠本身固有的缺陷，膠在較高溫度和較大濕度等惡劣環(huán)境下使用一定時間后，其力學性能明顯變差，致使傳感器穩(wěn)定性變差，蠕變與遲滯增大。所以粘貼式傳感器不能滿足惡劣環(huán)境下使用。

 

 

 

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，許多工業(yè)生產(chǎn)和自動控制，如運載火箭燃料室的壓力測量、導彈飛行的平衡控制以及石油工業(yè)的井下壓力測量等，都需要在耐高溫、耐腐蝕惡劣環(huán)境下工作的壓力傳感器，這就促使人們采用新的技術(shù)和工藝手段來開發(fā)制作新型壓力傳感器，因此金屬彈性襯底的金屬薄膜應變壓力傳感器便應運而生了。

 

金屬薄膜應變壓力傳感器的敏感薄膜是采用真空沉積或真空濺射等方法制成：直接在彈性襯底（表面有絕緣層的金屬或石英、云母等無機材料）上濺射沉積一層導電金屬薄膜，再采用光刻技術(shù)制成應變電阻，然后在應變電阻上濺射一層SiO2、Al2O3等絕緣保護膜來保護應變電阻，使其不暴露于大氣，以免電阻條被氧化。如果是金屬彈性襯底，一般應首先在金屬彈性襯底上濺射一層或多層絕緣膜（如SiO2、Si3N4、Al2O3 等）。

 

相對于絲式與箔式壓力傳感器，薄膜應變式壓力傳感器在性能上有很大提高，能適應惡劣的環(huán)境。但是直接在金屬彈性襯底上濺射或沉積薄膜需要解決3 個問題：高質(zhì)量金屬彈性襯底表面的制備、薄膜與襯底間的強粘附性、金屬彈性襯底與納米薄膜電阻間的高絕緣性等關(guān)鍵技術(shù)。目前，這仍然是一個尚待解決的技術(shù)難題。

 

2、壓力敏感合金薄膜的制備方法

 

薄膜制備的方法可分為物理方法和化學方法兩大類。制備合金薄膜主要采用物理氣相沉積（PVD）法，它又可分為真空蒸發(fā)法與濺射法兩種。

 

（1）真空蒸發(fā)法

 

蒸發(fā)法是在真空下將蒸發(fā)源加熱，由于蒸發(fā)室內(nèi)被蒸發(fā)物質(zhì)的分壓低于該物質(zhì)的平衡蒸氣壓，源物質(zhì)就會變?yōu)闅鈶B(tài)，并沉積在基片上形成薄膜。相對于濺射法的優(yōu)點是：相對較高的真空度，較高的沉積速率。但蒸發(fā)法沉積薄膜有方向性，存在厚度均勻性差和粘附性差，成分及微觀組織難以控制等缺點。

 

（2）濺射法

 

濺射法是利用帶有電荷的離子在電場中加速后具有一定動能的特點，將離子引向欲被濺射的靶電極。入射的離子與靶原子發(fā)生碰撞并將其濺射出來。這些被濺射出來的原子帶有一定的動能，并且會沿著一定的方向射向襯底，從而實現(xiàn)在襯底上沉積薄膜的目的。目前較常采用的方法有磁控濺射法、離子束輔助沉積法等。

 

直流/射頻磁控濺射方法

 

使用直流濺射可以很方便地濺射沉積各類金屬薄膜，但前提是靶材應具有良好的導電性， 導電性太差就需要大幅度增加電壓。射頻（5~30 MHz）濺射是適用于各種非金屬材料的一種濺射沉積方法。采用高頻電源可以使靶材不受到導電性約束。磁控濺射的主要特點是將永久磁鐵或電磁線圈放置在靶的后方，在空間獲得磁場與電場垂直的等離子體區(qū)，從而延長了電子運動軌跡，提高了電子參與原子碰撐和電離的幾率。磁控濺射技術(shù)具有以下優(yōu)點：1）高的濺射速率；2）基片的工作溫度較低；3）膜層緊密，附著力強；4）均勻性好，臺階攫蓋性好；5）膜層純度高。磁控濺射技術(shù)已成為當代大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。磁控濺射設(shè)備是許多國家在大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備， 國內(nèi)也有許多生產(chǎn)廠家引進了各種類型的磁控濺射設(shè)備，但就性能而言引進的大多數(shù)設(shè)備都比國外生產(chǎn)線中的設(shè)備要差，國產(chǎn)的同類設(shè)備則更差一些。

 

離子束濺射薄膜

 

離子束濺射薄膜設(shè)備的工作原理是采用低能（幾十電子伏特到1000 eV）離子束轟擊固體表面，入射一個離子從固體表面上把一個原子轟擊出來，而入射的離子也跟隨離去，對近旁的固體原子位置不造成任何影響。離子轟擊固體原子完全是彈性碰撞過程，根據(jù)核物理理論可以精確描述在該能量范圍內(nèi)如何產(chǎn)生單原子層的逸出。這樣在襯底上就能沉積成單原子層的薄膜（納米膜）。采用多離子束轟擊（或共轟擊）靶材，以動能轉(zhuǎn)換靶原子搬遷新技術(shù)，將靶原子轟擊出來，并以納米尺寸的粒子有序沉積形成厚度為幾納米至幾微米的薄膜， 能獲得大面積致密、平整光潔、無污染、內(nèi)應力小、幾乎無缺陷的優(yōu)質(zhì)薄膜。它與真空蒸發(fā)、等離子體濺射（直流、高頻磁控濺射）等設(shè)備相比具有獨特的優(yōu)點，是當前和未來獲得高質(zhì)量單質(zhì)、合金、絕緣介質(zhì)的單層和多層薄膜的最有前途的薄膜沉積設(shè)備。