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薄膜高溫壓力溫度一體化傳感器的研製方案

發布時間:2018-7-16      發布人:向日葵app最新下载网址公司      點擊:

國外能同時測量溫度壓力的傳感器,通常是利用電路中集成的溫度傳感器來測溫,由於測量介質和電路之間存在熱障並且有一定的距離,因此有較大的溫度梯度,不能真實反應測量介質的溫度,尤其在溫度變化較快的場合,這個問題尤其突出。

Kulite公司的HKL係列微型帶螺紋壓力傳感器,整合了RTD鉑溫度傳感器(PT1000)。壓力傳感器利用先進的矽疊矽技術,RTD鉑電阻溫度傳感器突出在橫隔膜邊緣感測介質的溫度,壓力測量和溫度測量是獨立的,輸出信號是隔離的,該係列產品適應於宇航和戰車領域。HKL係列產品的工作溫度為-55℃~175℃,但誤差補償溫度範圍隻25℃~85℃,測壓的最大量程25MPa。

薄膜溫度壓力一體傳感器

IPT係列產品內置溫度傳感器自補償,在175℃下具有優越的長期穩定性和高精度,工作溫度-40℃~175℃,補償溫度範圍-18℃~175℃。但溫度傳感器隻用來進行溫度補償,不能準確反應介質的溫度。

國外最新的溫度壓力集成傳感器的研究主要是將測壓與測溫的敏感件在同一矽杯上集成,利用壓阻式或電容式測量壓力,采用半導體二極管等方式測量溫度,受矽杯的影響,產品不能經受高強度的振動和衝擊,量程也隻能做到25MPa左右。

國內現有的壓力、溫度集成的傳感器采用熱電偶、熱電阻測溫,采用壓阻或應變測量壓力,通過兩個接口連接,輸出信號再接處理電路,處理電路與測量點分開,這種方式的集成度不高,結構不緊湊。

軍用薄膜高溫壓力溫度一體化傳感器的抗環境性能要求高,對工作的可靠性要求高,結構要小巧,信號標準化易於采集、控製與處理。

一)研究目標

本項目的研究目標是:通過用離子束濺射鍍膜、離子束刻蝕等工藝研究,將薄膜合金應變電阻與熱電阻在同一敏感芯片上進行集成,研製一種高速飛機用新型的薄膜溫度壓力集成傳感器,通過一個安裝接口,同時準確測量介質的溫度與壓力,以減少飛機的開口。打破國外的技術封鎖,滿足航空飛行器研究的設計需要和裝機要求。

二)主要技術指標

1)基本性能 壓力測量範圍:0~60MPa;測量精度:0.1%;壓力過載:150%;壓力輸出信號:0~5V;絕緣電阻:≥1000MΩ/100VDC;

2)溫度基本性能 測量溫度範圍:-55℃~125℃;溫度測量精度:0.5%;溫度響應時間:τ0.65≤60s;溫度輸出信號:0~5V;

3)環境性能指標及其他 振動和衝擊:衝擊滿足GJB150.18;振動滿足GJB150.16;電磁兼容性:滿足GJB151-97和GJB152-97的要求。

三)研究內容

1、敏感元件版圖的設計;2、離子束濺射鍍膜與刻蝕工藝研究;3、薄膜鉑熱電阻製作工藝研究;4、薄膜電阻的熱處理工藝研究;5、激光修正工藝研究;6、傳感器的補償工藝與信號調理;7、引線、封裝技術研究。

四)擬采取的研究技術路線及關鍵技術難點

(一)技術路線

溫度壓力一體化變送器是在同一芯片上實現壓力與溫度的測量,輸出兩個標準信號。壓力測量原理是采用先進的離子束濺射鍍膜技術,在周邊固支的平膜片的應變區濺射四個薄膜合金電阻,連接成惠斯登全橋應變電路,通過膜片的形變將壓力轉換成合金膜電阻阻值的變化,從而輸出一個與所感受壓力值成線性的標準電信號。溫度測量原理是通過離子束濺射鍍膜技術在彈性體的非應變區濺射一個鉑熱電阻,將所測介質的溫度通過彈性膜片的傳導轉換為電阻阻值的變化,通過信號調理輸出一個與溫度成線性的標準電信號。

其中合金薄膜應變電阻要獲得高的應變係數、低的溫度敏感性,而熱電阻要有高的溫度靈敏度但對壓力不敏感,這需要結合成膜的工藝參數進行工藝試驗,在同一敏感芯片上做出合理的版圖設計。在本項目研究中,在同一芯片上刻蝕100Ω熱電阻2個,2000Ω鎳鉻電阻4個。因為熱電阻不能感受所測介質的壓力,所以熱電阻隻能處於芯片的非應變區。應變電阻分別分布於正負應變最大區域,即芯片中心2個,外圈2個。綜合穩定性要求和工藝中光刻膠保護強度等,電阻薄膜厚度設計為0.4μm。為了保證熱電阻阻值的精確與合金電阻橋路的匹配,在版圖的設計中還要帶入薄膜初步補償電阻,同時要設計激光調阻的位置。

(二)關鍵技術難點

向日葵破解版ioses傳感已有成熟的薄膜技術基礎上研製本產品,在技術上是可行的。主要的關鍵技術難點如下:

1、敏感元件版圖的設計,由於兩種薄膜電阻的材料不同,工作原理不同,電阻率等性能參數不同,在版圖設計時,要綜合傳感器的性能指標、工藝試驗等進行設計,通過電阻的合理布局,獲得兩種高性能的敏感電阻。

2、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的金屬膜,獲得兩種材料的柵條電阻。對電阻柵條采用腐蝕的濕法刻蝕工藝,會因工藝中操作中的可控性差而造成柵條過腐蝕,影響電阻橋路的匹配性。為保證兩種電阻膜的質量,設計采用離子束刻蝕技術進行光刻。離子束刻蝕精度高,對各種材料的膜層都適用。完成鍍膜後,對相應的電阻膜進行柵條形狀的曝光、塗膠,然後再采用離子束刻蝕技術,對不需保留的電阻膜用離子束轟擊掉。采用離子束刻蝕來提高刻蝕精度,保證電阻膜的質量與阻值的均勻性。

3、薄膜電阻的穩定性處理工藝,薄膜電阻的穩定性性處理包含兩個方麵,一是溫度係數的穩定性,還有一個是電阻阻值的穩定性。未經處理的薄膜電阻性能不穩定,電阻值容易發生漂移,溫度係數也比標稱值小。鍍膜以後的熱處理工藝對電阻膜的質量起重要作用,有效的熱處理可以減少薄膜缺陷、位錯等,從而改善薄膜的溫度性能和電性能。設計通過有效的熱處理方式,提高薄膜電阻的穩定性。在傳感器的封裝前,再在芯片表麵噴塗一層絕緣保護層,對薄膜電阻起雙層保護作用。

4、激光修正工藝技術研究,研究激光調阻技術對薄膜電橋的阻值進行修正,取代現行的串聯電阻補償技術,提高傳感器在惡劣環境應用的可靠性,同時提高產品批量生產時的質量一致性。用於薄膜傳感器的激光調阻技術,是隨著薄膜傳感器在武器裝備中的應用劇增而提出的新的重要攻關內容。

濺射薄膜的均勻性為5%,設計橋臂電阻值為2 kΩ的電阻,製造工藝可能產生的偏差為±100Ω,雖然通過設計旋轉鍍膜台,設計薄膜補償電阻等方法,可改善橋臂電阻的一致性,但不可避免仍有1%左右的偏差。傳感器靈敏度為1.2mV/V時,2 kΩ的橋臂電阻在最大量程壓力作用下的變化量僅2 Ω。可見,橋臂阻值不平衡偏差為20 Ω時,零點輸出將達到滿量程輸出的10倍。也就是說,滿量程輸出10 mV的傳感器,零點輸出達到100 mV,後繼放大器將無法工作,這是不能接受的,必須對電橋的零點進行調整。

由於外接繞製電阻在惡劣環境下時有發生失效現象,因此研究采用激光調阻的方案對電橋的零點平衡進行調整,使橋臂電阻值滿足:R1×R3=R2×R4的關係。激光調阻技術是采用聚焦激光束,對多層薄膜的中間層膜阻值進行修正。選擇阻值較小的橋臂進行修正,電阻條寬30~40μm(與橋阻值設計有關),利用束徑小於20μm的YAG激光束對電阻條進行切割或溶斷,使電阻值增加。仍以標稱橋臂電阻值為2 kΩ的電橋為例,零點不平衡輸出通常要求小於2%,即橋臂電阻的失衡≤0.04Ω,為2 kΩ的十萬分之二,監視與測量裝置的精度應優於十萬分之一。因此,用於薄膜傳感器的激光調阻技術的主要研究內容包括:1)測量誤差小於十萬分之一的薄膜電阻值監視與測量裝置;2)精密微動定位係統;3)合適的束能量和脈寬;4)調整範圍可達0.04Ω~2Ω的版圖設計;5)調阻後的穩定性處理工藝。本文源自向日葵破解版ioses傳感,版權所有,轉載請保留出處。