CN101000270A - 一种溅射薄膜高温压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种溅射薄膜高温压力传感器，它采用分体式结构，传感器电路部分与高温压力探头分离通过电缆连接，探头部分包括：底座、弹性膜片、薄膜应变片、后盖和接插件等部件，其特征在于：所述薄膜应变片至少包括应变敏感薄膜，所述应变敏感薄膜的敏感材料采用FeCr_13－15Al_7－9或PtW₈或PdCr₁₃；底座和弹性膜片的材料采用能耐850℃高温的铁基或镍基或钴基高温合金，底座和弹性膜片间采用焊接密封。该传感器由于采用了耐高温的应变敏感材料和弹性膜片，以及采用焊接密封，大大提高了传感器的高温使用范围，使得该传感器不仅比现有金属应变片式压力传感器的工作温度高，也远远高于现有的硅压阻式、石英压电式等压力传感器的工作温度。

Description

一种溅射薄膜高温压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，具体涉及一种溅射薄膜耐高温压力传感器。

背景技术

在工业生产及科学试验的诸多场合需要测试气体及液体介质在高温环境下的压力。如化工领域的各种锅炉、管道、反应釜、冶炼塔等的压力；地质钻探、石油开采领域的井下压力；各种发动机及燃气轮机的内部压力；枪炮发射时的膛压等。

溅射薄膜压力传感器是一种应用广泛的压力传感器，其基本结构由弹性膜片和沉积在弹性膜片上的薄膜应变片构成。为提高其使用温度，人们进行了各种努力。影响使用温度的主要原因有：

1.应变片材料不耐高温；

构成薄膜应变片的材料多种多样，尤其以康铜、镍铬的使用最为广泛。这些常规的应变材料在高温时的抗氧化能力差，导致传感器在高温时性能劣化。为此在过去30年里美、日、德等国陆续研制出了几种高温应变材料，主要有FeCrAl、PtW和PdCr(参见尹福炎，电阻应变计敏感材料的发展，传感器世界，1998年9期，9-13)，用这些特种材料构成了丝式、箔式或薄膜式应变片，用以测试航空、航天发动机的叶片、轴承等在工作时的应力，最高工作温度为800-900℃。

显然，上述高温应变片只能粘贴在试件表面，测试固体材料的应变。为测试流体介质的高温压力，需将上述高温应变片与弹性膜片相结合，构成通用型的压力传感器。为了将压力传感器的使用温度提高到800℃以上，还需解决弹性膜片和密封材料的耐高温问题。

2.弹性膜片不耐高温；

弹性膜片的材料主要有硅片、不锈钢、钛合金等。常规金属及合金材料在高温下的蠕变特性限制了传感器的高温使用范围，须采用特殊的高温合金。硅片及氧化物陶瓷材料(如氧化铝)耐高温性能好，但不可焊，难以解决高温密封问题。

3.密封材料不耐高温。

压力传感器的弹性膜片和基座间要求密封，密封方法主要有胶圈密封、焊接密封和玻璃烧结密封。胶圈密封和玻璃烧结密封部不能耐受800℃的高温。金属弹性膜片和金属基座间可以采用焊接密封，但常规的不锈钢材料不能满足800℃高温使用的要求。

美国专利4188258、4287772公开了一种以单晶硅片作为弹性膜片，以PtW₃合金薄膜作为应变材料的压力传感器，用玻璃烧结工艺将弹性膜片焊接到基座上。该传感器的特点是在PtW₃合金的上面又沉积了一层金膜，并通过扩散工艺将金扩散到PtW₃合金膜中，以方便应变膜的刻蚀。因此，应变材料实际上是PtWAu，在加上采用玻璃烧焊工艺，因此传感器不能耐受高温。

《测控技术》1993年第12卷第4期报道了一种耐高温的合金薄膜压力传感器，其特点是采用PtW8合金作应变薄膜，可伐作弹性膜片，利用玻璃烧结工艺进行焊接，最高使用温度为400℃。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何提供一种溅射薄膜高温压力传感器，以便将传感器的高温工作极限从现有的约400℃提高到800℃以上，满足高温介质测压的要求。

本发明的技术问题是这样解决的：提供一种溅射薄膜高温压力传感器，它采用分体式结构，传感器电路部分与高温压力探头分离通过电缆6连接，探头部分包括：底座1、弹性膜片2、薄膜应变片3、后盖4、接插件5等部件，其特征在于：所述薄膜应变片3至少包括应变敏感薄膜7，所述应变敏感薄膜7的敏感材料采用FeCr_13-15Al_7-9或PtW₈或PdCr₁₃，底座1和弹性膜片2的材料采用能耐850℃高温的铁基或镍基或钴基高温合金，如国产高温合金牌号GH1015、GH1016、GH3044、GH3128等，底座1和弹性膜片2间采用焊接密封。

按照本发明所提供的溅射薄膜高温压力传感器，其特征在于，底座1和弹性膜片2间的焊接密封可以是电子束焊接密封或激光焊接密封或钨极氩弧焊接密封。

按照本发明所提供的溅射薄膜高温压力传感器，其特征在于，底座1和弹性膜片2可采用同种高温合金材料。

按照本发明所提供的溅射薄膜高温压力传感器，其特征在于，薄膜应变片3由多层薄膜构成，自下而上依次为：热胀缓冲层薄膜8(可选)，绝缘薄膜9，应变敏感薄膜7，Pt薄膜引线10，保护层薄膜11。

按照本发明所提供的溅射薄膜高温压力传感器，其特征在于，所述热胀缓冲层薄膜8可为NiCoCrAlY、NiAl等材料，绝缘薄膜9和保护层薄膜11可为Al₂O₃、MgO、SiO₂、YSZ等介质材料。

本发明所提供的溅射薄膜高温压力传感器，由于采用了耐高温的应变敏感材料和弹性膜片，以及采用焊接密封，大大提高了传感器的高温使用范围，使得该传感器不仅比现有金属应变片式压力传感器的工作温度高，也远远高于现有的硅压阻式、石英压电式等压力传感器的工作温度。

附图说明

图1为本发明的溅射薄膜高温压力传感器的结构示意图；

图2为本发明的薄膜应变片的结构示意图。

其中：1是底座、2是弹性膜片、3是薄膜应变片、4是后盖、5是接插件、6是电缆、7是应变敏感薄膜、8是热胀缓冲层薄膜、9是绝缘薄膜、10是Pt薄膜引线、11是保护层薄膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

如图1所示，该溅射薄膜高温压力传感器，它采用分体式结构，传感器电路部分与高温压力探头分离通过电缆6连接，探头部分包括：底座1、弹性膜片2、薄膜应变片3、后盖4、接插件5等部件，其中薄膜应变片3至少包括应变敏感薄膜7，该薄膜的敏感材料采用FeCr_13-15Al_7-9或PtW₈或PdCr₁₃，底座1和弹性膜片2的材料采用能耐850℃高温的铁基或镍基或钴基高温合金(两者可采用同种高温合金材料)，底座1和弹性膜片2间采用焊接密封，该焊接密封可以是电子束焊接密封或激光焊接密封或钨极氩弧焊接密封。其中薄膜应变片3由多层薄膜构成，自下而上依次为：热胀缓冲层薄膜8(可选)，绝缘薄膜9，应变敏感薄膜7，Pt薄膜引线10，保护层薄膜11。

本发明所提供的溅射薄膜高温压力传感器的制备方法如下(实例)：

第一步制备薄膜应变片3，其制备工序如图2所示。采用镍基高温合金GH3128加工弹性膜片2，GH3128的最高工作温度为950℃，热膨胀系数在100-800℃范围内为(11-15)×10^-6/℃，抗氧化能力强。将弹性膜片2研磨抛光后，直接在它上面沉积绝缘薄膜9。MgO在室温时的热胀系数为11×10^-6/℃，与衬底GH3128弹性膜片2的热胀系数相近，因此省略了热胀缓冲层薄膜。MgO采用射频溅射法制备，厚度为5μm。随后用溅射法淀积0.3μm厚的PdCr₁₃应变电阻薄膜7，经光刻工艺刻蚀出4个电阻条的图形后，再用掩膜法溅射2μm厚的Pt薄膜引线10。采用激光调阻法使4个应变电阻的阻值一致，再用射频溅射法淀积2μm厚的MgO保护膜，最后将薄膜应变片3在真空环境中于900℃热处理3小时。传感器的内引线采用Pt细丝，通过焊接法连接到Pt薄膜引线10的焊盘上。

第二步完成传感器的装配。同样采用镍基高温合金GH3128加工底座1，用电子束焊接法将弹性膜片2焊接在底座1上。最后用电缆6连接传感器的测压探头和电路调理模块。

本发明的溅射薄膜耐高温压力传感器，可工作在800℃以下、富氧环境的发动机燃烧室的工作压力测试，具有可靠性高、动态特性好、精度高的特点。

Claims (5)

1、一种溅射薄膜高温压力传感器，它采用分体式结构，传感器电路部分与高温压力探头分离通过电缆(6)连接，探头部分包括：底座(1)、弹性膜片(2)、薄膜应变片(3)、后盖(4)、接插件(5)等部什，其特征在于：所述薄膜应变片(3)至少包括应变敏感薄膜(7)，所述应变敏感薄膜(7)的敏感材料采用FeCr_13-15Al_7-9或PtW₈或PdCr₁₃，底座(1)和弹性膜片(2)的材料采用能耐850℃高温的铁基或镍基或钴基高温合金，底座(1)和弹性膜片(2)间采用焊接密封。

2、根据权利要求1所述的溅射薄膜高温压力传感器，其特征在于，底座(1)和弹性膜片(2)间的焊接密封可以是电子束焊接密封或激光焊接密封或钨极氩弧焊接密封。

3、根据权利要求1所述的溅射薄膜高温压力传感器，其特征在于，底座(1)和弹性膜片(2)可采用同种高温合金材料。

4、根据权利要求1所述的溅射薄膜高温压力传感器，其特征在于，薄膜应变片(3)由多层薄膜构成，自下而上依次为：绝缘薄膜(9)，应变敏感薄膜(7)，Pt薄膜引线(10)，保护层薄膜(11)。

5、根据权利要求4所述的溅射薄膜高温压力传感器，其特征在于，薄膜应变片(3)还可包括热胀缓冲层薄膜(8)，该薄膜设置在绝缘薄膜(9)的下侧。

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