[发明专利]用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件及方法

说明书

技术领域

本发明涉及压力传感器的产品制造技术，尤其是涉及用离子束溅射硅材料制造压力传感器的核心部件即压力应变器件的技术方法。

背景技术

压力传感器作为现代信息化工业的一个关键器件，其特性和用途主要取决于其核心部件敏感元件的技术和工艺。

随着现代工业技术的不断发展，敏感元件的技术日新月异，主要体现在采用不同力学结构的弹性体元件、或者采用各种新材料、又或者采用各种新的工艺技术和手段、又甚而基于创新的物性原理等等。

基于金属电阻应变效应或半导体压阻效应的技术及产品仍然占据重要地位和份额。

然而传统的金属电阻应变式技术特点是采用有机胶将箔式金属电阻应变片粘贴在弹性元件上，有机胶既起粘结作用又起电气隔离作用。众所周知这类技术的产品性能有许多不足和缺点：体现在胶容易随时间的老化导致绝缘性能下降粘结强度不稳定从而导致传感器蠕变，长期稳定性差等，特别是在恶劣的环境如高温高湿、高频压力工况等情况下尤甚；金属箔式应变片的另一显著缺点是灵敏度低，其灵敏系数只有1～2毫伏每伏；在生产工艺上由于需要手工粘贴导致重复性和一致性差以及规模生产效率低下。

为克服上述缺点出现了薄膜式技术及相应的产品，其显著地消除了蠕变和改善了长期稳定性，其技术特点是针对不同的应变材料采用相应不同的薄膜工艺如真空蒸发、磁控溅射、各种物理化学气相沉积的办法制作电气隔离层和应变电阻，相对于以上薄膜工艺采用离子束溅射沉积技术制作的薄膜具有显著的优点即非常好的薄膜致密性、与衬底的附着力强和均匀可控的晶态结构。

目前离子束溅射沉积薄膜主要仍用于传统的金属应变材料如镍铬合金薄膜，其灵敏系数很低的不足依然存在，应变计灵敏系数低就必然要求传感器弹性元件设计时输出较高的应变，这就必然降低传感器的耐疲劳度和高过载抗冲击能力，而这些都是现代工业应用对传感器期盼的性能要求。

另外采用离子束溅射沉积薄膜工艺以金属材料作为弹性体元件时，需要制作一层电气绝缘层将应变层与金属弹性元件基底作电气隔离，通常的做法仍然是用离子束溅射绝缘材料如二氧化硅(SiO2)，五氧化二钽(Ta2O5)，或氧化铝(Al2O3)等，但这类金属氧化物材料的溅射时间都很长，通常100纳米的厚度需要八个小时以上，而且用薄膜做电气隔离层时，要求弹性体表面质量非常高，达到镜面的要求且无任何表面的微观缺陷如划痕、凹坑等，这势必要对弹性元件表面做非常严格而复杂的预先处理如研磨和镜面抛光等，严重地影响生产效率和成品率，这也是金属薄膜压力传感器难以实现批量化生产的关键原因。

硅作为压力传感器的材料具有灵敏度高晶态稳定等许多优异特性，其应用多以硅本身作为弹性材料的扩散硅充油敏感元件技术，也有以硅材料用各种物理化学气相沉积法成长在硅弹性体或金属弹性体上的绝缘膜(绝缘膜也用气相沉积法形成如二氧化硅SiO2)上的，但由于这类薄膜工艺所制成的薄膜的诸多缺点如成膜疏松、致密性不好、附着力不强等难以实现商业化、工业化批量生产。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明提出了一种灵敏度高、制作工艺简便、性能稳定可靠、适合于大批量生产的硅薄膜压力应变器件及用离子束溅射沉积将其制作的方法。

本发明通过采用以下的技术来实现：

实施一种用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件的方法，所述方法包括以下步骤：

①，首先设置一引压连接体，以及与引压连接体制作在一起的金属弹性膜片；

然后在金属弹性膜片上，用印刷绝缘电介质浆料的方法或用溅射绝缘材料的方法制作第一层的电气隔离层；

②，然后在电气隔离层之上，应用离子束溅射淀积方法，制造硅薄膜，制成第二层为硅薄膜压阻层；

③，然后在硅薄膜压阻层上用微细刻蚀加工工艺刻蚀应变片物理形状结构，制作用以连接成惠斯登电桥的一个以上的应变电阻；

④，然后应用绝缘介质胶覆盖在压阻材料层之上，形成第三层是保护层，所述弹性膜片，电气隔离层、压阻材料层、保护层共同形成硅薄膜应变器件。

引压连接体和金属弹性膜片的连接结构形式包括，：金属弹性膜片直接焊接在引压连接体上；

引压连接体材料和金属弹性膜片的材料都是金属材料。

引压连接体和金属弹性膜片是由单体金属加工成二者合一的无焊缝、无密封圈密封的一体化结构；

引压连接体材料和金属弹性膜片的材料都是金属材料。

步骤①中制作电气隔离层的方法是将绝缘电介质浆料采用厚膜丝网印刷工艺塗覆在金属弹性膜片上，再经烧结而成50～150微米厚的电气绝缘层。