CN102175363A - 用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件及方法 - Google Patents

Abstract

一种离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件及工艺方法，所述方法包括以下步骤：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，应用印刷烧结方法或溅射法制作第一层的电气隔离层；然后在电气隔离层之上，应用离子束溅射沉积方法，制成硅薄膜压阻层；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；然后用介质胶料作保护层塗覆在压阻材料层之上。本发明采用离子束溅射硅薄膜制作压力应变器件，硅材料以纳米尺度逐层沉积，所形成的薄膜致密性、稳定性好，所制作的压力应变器件灵敏度高、寿命长、稳定性好，同时采用印刷烧结法制作电气隔离层工艺简便、成品率高、适合大批量生产。

Description

用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件及方法

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。

步骤②是在高真空环境下，采用低能离子束以一定的角度轰击硅靶材，将硅材料以纳米尺度大小的方式，沉积在弹性膜片的电气隔离层上，形成一微米厚度以下的硅薄膜压阻材料层。

步骤④进一步包括在所述的硅薄膜应变器件上将用硅薄膜压阻层制成的一个以上的应变电阻连接成惠斯登电桥，该电桥在激励电压的作用下输出毫伏级电压信号，该信号与弹性膜片所受压强成正比。

一种用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，所述压力应变器件包括：

一引压连接体；

与引压连接体制作在一起的金属弹性膜片；

金属弹性膜片上有第一层的电气隔离层；

在电气隔离层之上，有第二层为硅薄膜压阻层；

在压阻材料层之上有绝缘介质胶覆盖，形成第三层保护层，所述金属弹性膜片、电气隔离层、硅薄膜压阻层、保护层共同形成硅薄膜应变器件。

所述电气隔离层厚度小于150微米。

所述硅薄膜压阻层厚度小于1微米。

在所述硅薄膜压阻层上有微细刻蚀加工工艺刻蚀而成的应变片物理形状结构，并进一步将用硅薄膜压阻层制成的一个以上的应变电阻连接成惠斯登电桥，该电桥在激励电压的作用下输出毫伏级电压信号，该信号与弹性膜片所受压强成正比。

与现有技术相比较，本发明采用硅作为薄膜压阻材料，采用低能离子束溅射硅材料的方法，使得硅材料以纳米尺度逐层沉积，所形成的薄膜致密性、稳定性好、与衬底附着力强，所制作的压力应变器件灵敏度高、寿命长，稳定性好，同时采用印刷烧结法制作电气隔离层工艺简便，成品率高，适合于大批量生产。

附图说明

图1是本发明用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件的示意图；

图2是本发明用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件的方法的工艺流程图；

图3是在本发明用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件的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后，所形成的应变电阻连接成惠斯登电桥的电原理图。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的方法，现结合本发明的一个优选实施例进行详细说明，然而所述实施例仅为提供说明与解释之用，不能用来限制本发明的专利保护范围。

如图1～图3所示一种用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件及方法，所述方法包括以下步骤：

①，首先设置一引压连接体1，以及与引压连接体1制作在一起的金属弹性膜片2；

然后在金属弹性膜片2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，所述金属弹性膜片2、电气隔离层31、硅薄膜压阻层32、保护层33共同形成硅薄膜应变器件3。

引压连接体1和金属弹性膜片2的连接结构形式包括，：金属弹性膜片2直接焊接在引压连接体1上；

引压连接体1材料和金属弹性膜片2的材料都是金属材料。

引压连接体1和金属弹性膜片2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1材料和金属弹性膜片2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2上，再经烧结而成50～150微米厚的电气绝缘层31。

步骤②是在高真空环境下，采用低能离子束以一定的角度轰击硅靶材，将硅材料以纳米尺度大小的方式，沉积在弹性膜片的电气隔离层上，形成一微米厚度以下的硅薄膜压阻材料层32。

步骤④进一步包括在所述的硅薄膜应变器件3上，如图3所示，将用硅薄膜压阻层32制成的一个以上的应变电阻R1～R4连接成惠斯登电桥，该电桥在激励电压的作用下输出毫伏级电压信号，该信号与弹性膜片所受压强成正比；

惠斯登电桥引线11～14用以接入激励电压和输出毫伏级电压信号。

一种用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，所述压力应变器件包括：

一引压连接体1；

与引压连接体1制作在一起的金属弹性膜片2；

金属弹性膜片2上有第一层的电气隔离层31；

在电气隔离层之上，有第二层为硅薄膜压阻层32；

在压阻材料层之上有绝缘介质胶覆盖，形成第三层保护层33，所述金属弹性膜片2、电气隔离层、硅薄膜压阻层、保护层共同形成硅薄膜应变器件3。

所述电气隔离层厚度小于150微米。

所述硅薄膜压阻层厚度小于1微米。

在所述硅薄膜压阻层上有微细刻蚀加工工艺刻蚀而成的应变片物理形状结构，并进一步将用硅薄膜压阻层制成的一个以上的应变电阻连接成惠斯登电桥，该电桥在激励电压的作用下输出毫伏级电压信号，该信号与弹性膜片所受压强成正比。

本发明的硅薄膜应变器件3，当金属弹性膜片2改换为其它结构，如测力用传感器的弹性体元件时，本发明亦可应用于测力传感器。

本发明采用硅作为薄膜压阻材料，采用低能离子束溅射硅材料的方法，使得硅材料以纳米尺度逐层沉积，所形成的薄膜致密性、稳定性好，所制作的压力应变器件灵敏度高、寿命长，稳定性好，同时采用印刷烧结法制作电气隔离层工艺简便高效，成品率高，适合于大批量生产。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

①，首先设置一引压连接体(1)，以及与引压连接体(1)制作在一起的金属弹性膜片(2)；

然后在金属弹性膜片(2)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(3)。

2.如权利要求书1所述的用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件的方法，其特征在于：

引压连接体(1)和金属弹性膜片(2)的连接结构形式包括，：金属弹性膜片(2)直接焊接在引压连接体(1)上；

引压连接体(1)材料和金属弹性膜片(2)的材料都是金属材料。

3.如权利要求书1所述的用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件的方法，其特征在于：

引压连接体(1)和金属弹性膜片(2)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(1)材料和金属弹性膜片(2)的材料都是金属材料。

4.如权利要求书1所述的用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件的方法，其特征在于：

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(2)上，再经烧结而成50～150微米厚的电气绝缘层。

5.如权利要求书1所述的用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件的方法，其特征在于：

步骤②是在高真空环境下，采用低能离子束以一定的角度轰击硅靶材，将硅材料以纳米尺度大小的方式，沉积在弹性膜片的电气隔离层上，形成1微米厚度以下的硅薄膜压阻材料层。

6.如权利要求书1所述的用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件的方法，其特征在于：

步骤④所述的硅薄膜应变器件(3)进一步包括将用硅薄膜压阻层制成的一个以上的应变电阻连接成惠斯登电桥，该电桥在激励电压的作用下输出毫伏级电压信号，该信号与弹性膜片所受压强成正比。

7.一种用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，其特征在于，所述压力应变器件包括：

一引压连接体(1)；

与引压连接体(1)制作在一起的金属弹性膜片(2)；

金属弹性膜片(2)上有第一层的电气隔离层；

在电气隔离层之上，有第二层为硅薄膜压阻层；

在压阻材料层之上有绝缘介质胶覆盖，形成第三层保护层，所述金属弹性膜片(2)、电气隔离层、硅薄膜压阻层、保护层共同形成硅薄膜应变器件(3)。

8.根据权利要求7所述的用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，其特征在于：

所述电气隔离层厚度小于150微米。

9.根据权利要求7所述的用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，其特征在于：

所述硅薄膜压阻层厚度小于1微米。

10.根据权利要求7所述的用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，其特征在于：

在所述硅薄膜压阻层上用微细刻蚀加工工艺刻蚀而成的应变片物理形状结构，用以制作一个以上的应变电阻，并连接成惠斯登电桥以输出与弹性膜片所受压强成比例的毫伏级电压信号。

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