CN103308242B - 一种以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于公开一种以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器及其制造方法，它包括一不锈钢弹性基底，所述不锈钢弹性基底上设置有芯体薄膜层，所述芯体薄膜层包括绝缘层、应变电阻层、电极及测温电阻层和钝化层，所述绝缘层、应变电阻层、电极及测温电阻层和钝化层依次通过真空沉积的方法沉积在所述不锈钢弹性基底上；与现有技术相比，使用氮氧化钛薄膜作为应变电阻层制备得到的薄膜压力传感器的芯体，具有热稳定好、生产成本低和生产效率高的优点，并可同时实现温度与压力参数的测量，适用于高温及苛刻环境下的使用，实现本发明的目的。

Description

一种以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种薄膜压力传感器及其制造方法，特别涉及一种以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器及其制造方法。

背景技术

随着现代科技的飞速发展，如运载火箭燃料室的压力测量、石油工业的井下压力测量以及家庭汽车的普及等，需要耐高温、耐腐蚀、抗震动、能在恶劣环境下工作的压力传感器。由于薄膜压力传感器采用真空沉积或真空溅射等方法制成，能满足在恶劣环境下的使用，所以得到了长足发展。

目前，薄膜压力传感器芯体所使用的应变材料主要是镍铬合金，但是镍铬合金具有较大的电阻温度系数，不宜于在温度变化剧烈的环境下测量应变，所以开发具有低温度系数、良好热稳定性的应变材料对薄膜压力传感器的性能是十分重要的。

因此，特别需要一种以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器及其制造方法，以解决上述现有存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器及其制造方法，针对现有技术的不足，解决了压力传感器热稳定性问题，实现了在温度变化较大的环境中，对压力参数和温度参数的精确测量。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一方面，本发明提供一种以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器，其特征在于，它包括一不锈钢弹性基底，所述不锈钢弹性基底上设置有芯体薄膜层，所述芯体薄膜层包括绝缘层、应变电阻层、电极及测温电阻层和钝化层，所述绝缘层、应变电阻层、电极及测温电阻层和钝化层依次通过真空沉积的方法沉积在所述不锈钢弹性基底上。

在本发明的一个实施例中，所述应变电阻层采用氮氧化钛薄膜制成，通过刻蚀氮氧化钛薄膜形成两对对称电阻组成惠斯通全桥电路，内电阻为环形电阻栅，分布在靠近应变区域的中心区域，外电阻为沿径向电阻栅，分布在靠近应变区域的边缘区域。

在本发明的一个实施例中，所述应变电阻层的电阻率在150μΩ·cm以内，电阻温度系数在±20ppm/K以内。

在本发明的一个实施例中，所述电极及测温电阻层由金属镍薄膜制备而成，其分布在固定的非应变区域。

另一方面，本发明提供一种以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器的制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：

（1）在表面经过研磨抛光的不锈钢弹性基底上依次沉积绝缘层、应变电阻层和电极及测温电阻层；

（2）使用光刻与刻蚀的方法，加工形成电极及测温电阻层图案；

（3）使用光刻与刻蚀的方法，加工形成应变电阻层图案；

（4）沉积钝化层。

在本发明的一个实施例中，所述绝缘层和钝化层采用三氧化二铝、二氧化硅、二氧化钛、氮化铝或者氮化硅。

在本发明的一个实施例中，所述应变电阻层采用氮氧化钛薄膜制成，氮氧化钛薄膜通过物理气相沉积方法得到，其使用的靶材为金属钛，沉积镀膜同时通入氮气、氩气和氧气。

进一步，所述物理气相沉积方法包括反应溅射、反应蒸镀和反应离子镀。

在本发明的一个实施例中，所述应变电阻层采用氮氧化钛薄膜制成，氮氧化钛薄膜通过化学气相沉积方法得到，所使用的化学源可以是四氯化钛。

进一步，所述化学气相沉积方法包括低压化学气相沉积和等离子体增强型化学气相沉积。

本发明的以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器及其制造方法具有如下优点：

（1）应变电阻层材料是氮氧化钛薄膜，其电阻率在150μΩ·cm以内，电阻温度系数在±20ppm/K以内，得到的芯体具有良好的热稳定性，可应用于温度变化较大的环境中；

（2）在芯体的非应变区域具有测温电阻，可以同时进行压力与温度参数的测量，达到了集成化的目的；温度信号也可以提供给后续的变换器放大电路，为压力测量进行有效的温度补偿提供参数；

（3）测温电阻与电极材料都是采用的金属镍薄膜，从而简化了工艺步骤，并且镍薄膜表面容易形成氧化镍保护层，提高了稳定性；

（4）其制造方法可以按照半导体工艺流程制备，易于形成大规模生产，提高了生产效率。

本发明的以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器及其制造方法，与现有技术相比，使用氮氧化钛薄膜作为应变电阻层制备得到的薄膜压力传感器的芯体，具有热稳定好、生产成本低和生产效率高的优点，并可同时实现温度与压力参数的测量，适用于高温及苛刻环境下的使用，实现本发明的目的。

本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。

附图说明

图1为本发明的以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器的结构示意图。

图2为本发明的氮氧化钛应变电阻栅的结构示意图；

图3为本发明的惠斯通全桥电路示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明的以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器，它包括一不锈钢弹性基底100，所述不锈钢弹性基底100上设置有芯体薄膜层200，所述芯体薄膜层200包括绝缘层210、应变电阻层220、电极及测温电阻层230和钝化层240，所述绝缘层210、应变电阻层220、电极及测温电阻层230和钝化层240依次通过真空沉积的方法沉积在所述不锈钢弹性基底100上。

在本发明中，所述应变电阻层220采用氮氧化钛薄膜制成，通过刻蚀氮氧化钛薄膜形成两对对称电阻组成惠斯通全桥电路，内电阻为环形电阻栅，分布在靠近应变区域的中心区域，外电阻为沿径向电阻栅，分布在靠近应变区域的边缘区域。

所述应变电阻层220的电阻率在150μΩ·cm以内，电阻温度系数在±20ppm/K以内。

在本发明中，所述电极及测温电阻层230由金属镍薄膜制备而成，其分布在固定的非应变区域。

本发明的以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器的制造方法，它包括如下步骤：

（1）在表面经过研磨抛光的不锈钢弹性基底100上依次沉积绝缘层210、应变电阻层220和电极及测温电阻层230；

（2）使用光刻与刻蚀的方法，加工形成电极及测温电阻层230图案；

（3）使用光刻与刻蚀的方法，加工形成应变电阻层220图案；

（4）沉积钝化层240。

在本发明中，所述绝缘层210和钝化层240采用三氧化二铝、二氧化硅、二氧化钛、氮化铝或者氮化硅。

在本发明中，所述应变电阻层220采用氮氧化钛薄膜制成，氮氧化钛薄膜通过物理气相沉积方法得到，其使用的靶材为金属钛，沉积镀膜同时通入氮气、氩气和氧气。所述物理气相沉积方法包括反应溅射、反应蒸镀和反应离子镀。

在本发明中，所述应变电阻层220采用氮氧化钛薄膜制成，氮氧化钛薄膜通过化学气相沉积方法得到，所使用的化学源可以是四氯化钛。所述化学气相沉积方法包括低压化学气相沉积和等离子体增强型化学气相沉积。

在本发明中，材料为17-4PH的不锈钢弹性基底100表面经过研磨和抛光，使用溅射的方法在表面依次沉积绝缘层210、应变电阻层220和电极及测温电阻层230。

其中，绝缘层210使用二氧化硅作为靶材，使用离子镀的方法制备得到；应变电阻层220的制备使用金属钛作为靶材，在溅射过程同时通入氩气、氮气和氧气，其中氮气与氧气作为反映气体，通过调节不锈钢基底温度、气体组分、压强，溅射功率，使其电阻率在150μΩ·cm以内，电阻温度系数在±20ppm/K以内；电极及测温电阻层230使用金属镍作为靶材，通过直流溅射的方法制备得到。然后，通过光刻与等离子刻蚀的方法，刻蚀并形成电极及测温电阻层230。再使用光刻与等离子刻蚀的方法，刻蚀并形成如图2所示的R1、R2、R3和R4四个应变电阻，连接组成如图3所示惠斯通全桥电路，形成应变电阻层220最后采用离子镀的方法沉积钝化层240。

四个以氮氧化钛为基材的应变电阻分布在应变区域，其中R1与R4分布在靠近应变区域的边缘区域，R2与R3分布在靠近应变区域的中心区域。

为了提高灵敏度，应变电阻的内电阻为环形电阻栅，外电阻为沿径向电阻栅。测温电阻分布在非应变区域，不受压力信号影响，通过后续电路的处理，实现温度的测量，为压力测量进行有效的温度补偿提供参数。

考虑到产品生产过程的工艺操作，测温电阻采用的是氮氧化钛与镍薄膜两层的结构，测温电阻通过电阻两端的电极引出信号。

最外层沉积钝化层，有助于提高应变电阻和测温电阻的抗湿性，防止应变电阻和测温电阻受到环境的污染。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器，其特征在于，它包括一不锈钢弹性基底，所述不锈钢弹性基底上设置有芯体薄膜层，所述芯体薄膜层包括绝缘层、应变电阻层、电极及测温电阻层和钝化层，所述绝缘层、应变电阻层、电极及测温电阻层和钝化层依次通过真空沉积的方法沉积在所述不锈钢弹性基底上。

2.如权利要求1所述的以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器，其特征在于，所述应变电阻层采用氮氧化钛薄膜制成，通过刻蚀氮氧化钛薄膜形成两对对称电阻组成惠斯通全桥电路，内电阻为环形电阻栅，分布在靠近应变区域的中心区域，外电阻为沿径向电阻栅，分布在靠近应变区域的边缘区域。

3.如权利要求1所述的以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器，其特征在于，所述应变电阻层的电阻率在150μΩ·cm以内，电阻温度系数在±20ppm/K以内。

4.如权利要求1所述的以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器，其特征在于，所述电极及测温电阻层由金属镍薄膜制备而成，其分布在固定的非应变区域。

5.一种以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器的制造方法，其特征在于，它包括如下步骤：

(1)在表面经过研磨抛光的不锈钢弹性基底上依次沉积绝缘层、应变电阻层和电极及测温电阻层；

(2)使用光刻与刻蚀的方法，加工形成电极及测温电阻层图案；

(3)使用光刻与刻蚀的方法，加工形成应变电阻层图案；

(4)沉积钝化层。

6.如权利要求5所述的以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器的制造方法，其特征在于，所述绝缘层和钝化层采用三氧化二铝、二氧化硅、二氧化钛、氮化铝或者氮化硅。

7.如权利要求5所述的以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器的制造方法，其特征在于，所述应变电阻层采用氮氧化钛薄膜制成，氮氧化钛薄膜通过物理气相沉积方法得到，其使用的靶材为金属钛，沉积镀膜同时通入氮气、氩气和氧气。

8.如权利要求7所述的以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器的制造方法，其特征在于，所述物理气相沉积方法包括反应溅射、反应蒸镀和反应离子镀。

9.如权利要求5所述的以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器的制造方法，其特征在于，所述应变电阻层采用氮氧化钛薄膜制成，氮氧化钛薄膜通过化学气相沉积方法得到，所使用的化学源是四氯化钛。

10.如权利要求9所述的以氮氧化钛为应变材料的薄膜压力传感器的制造方法，其特征在于，所述化学气相沉积方法包括低压化学气相沉积和等离子体增强型化学气相沉积。