CN105154827A - 空间静电加速度计敏感结构表面的耐焊导电薄膜及制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空间静电加速度计敏感结构表面的耐焊导电薄膜，由钛膜层、铂膜层和金膜层构成，钛膜层一侧与空间静电加速度计敏感结构件的表面粘接，另一侧面依次与铂膜层和金膜层连接。本发明耐焊导电薄膜全部采用无磁材料，因此不会对空间静电加速度计的测量产生噪声干扰，并且所有材料均具有较小的线胀系数，可以保证与基体玻璃材料及各膜层之间较好的匹配，保证薄膜的稳定性。

Description

空间静电加速度计敏感结构表面的耐焊导电薄膜及制作工艺

技术领域

本发明涉及空间科学载荷的精密设备技术领域，尤其是一种用于空间静电加速度计敏感结构表面的耐焊导电薄膜，及其制作工艺。

背景技术

静电加速度计是一种电容式差分测量惯性加速度传感器，具有测量频率低、分辨率高、动态范围大的特点，特别适合测量准稳态、微小加速度信号，在空间微重力科学实验、卫星无拖曳控制、主动减振、卫星重力测量等领域具有重要作用。

静电加速度计的系统组成与测量原理如图1所示，主要组成包括惯性传感器探头和检测与控制驱动电路，惯性传感器探头主要由检验质量块与环绕其周围的电极组成，质量块作为公共电极，检测与控制驱动电路由电容位移检测电路、解调电路、滤波电路、控制器和静电驱动电路组成。静电加速度计的基本测量原理是电容位移检测电路检测由于输入加速度引起的对应方向上检验质量块与周围电极形成的差分电容信号，控制器输出一个与输入加速度信号成正比的电压信号，由静电驱动电路给对应电极施加伺服反馈电压控制信号，通过电极板与检验质量块之间形成的电势差给检验质量块施加适当的静电力使其保持在传感器结构中心附近，反馈控制电压的大小可以量度输入加速度的大小。

静电加速度计传感器的敏感结构主要由检验质量块、上下电极板、电极中框、限位结构及其固定结构组成，如图2所示，组装后的检验质量块处于结构中心，与上、下电极板及电极中框形成八对电极，并且与周围电极的平均工作距离为几十微米，通过对电极信号的组合控制可以实现对加速度计信号的三轴六自由度测量（三个线加速度和三个角加速度）。输入加速度引起的差分电容信号通过电极引出焊盘上的引线接入检测电路，并且给检验质量块施加调制检测电压信号的金丝一端固定于检验质量块的上表面中心，另一端穿过上电极板的中心过孔固定金丝固定块上，并经引线连接电路，如图3所示。传感器敏感结构是加速度计敏感加速度信号的核心单元，所有的电极引线都通过各电极的薄膜焊盘引出，因此敏感结构表面薄膜的可靠性关系到静电加速度计能否正常工作。

国外是采用导电银胶将静电加速度计传感器电极引线固定在焊盘上（G.Bodoville,developmentoftheaccelerometersensorheadsfortheGOCEsatellite:assessmentofthecriticalitemsandqualification,61 ^st InternationalAstronauticalcongresss,2010,IAC-10-C2.1.1）。这种方法虽然能够避免使用焊接方法对薄膜耐焊性能的要求，但是，由于传感器需要引出多达二十根电极引线，并且不是在同一结构同一面上，胶粘后还需要高温固化，这种引线固定方法增加了多个工艺流程，给传感器的装配造成很大困难，也降低了传感器的可靠性。同时，在试验阶段，传感器不可避免要多次拆装，电极引线容易断裂，面临电极引线需多次固定的问题，在每次重新胶粘前需要将原有的粘胶清除，这样做无疑是比较困难的，并且存在损坏电极焊盘的风险，因此利用导电银胶固定静电加速度计传感器电极引线的工艺存在诸多不足。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种用于空间静电加速度计敏感结构表面的耐焊导电薄膜，结构稳定，使用方便。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：一种空间静电加速度计敏感结构表面的耐焊导电薄膜，由钛膜层、铂膜层和金膜层构成，钛膜层一侧与空间静电加速度计敏感结构件的表面粘接，另一侧面依次与铂膜层和金膜层连接。

进一步地，钛膜层为40～60nm厚。

进一步地，铂膜层为600nm～1000nm厚。

进一步地，金膜层为100～200nm厚。

本发明还提供了上述耐焊导电薄膜的制作工艺，其技术方案为：包括以下步骤：

⑴、控制空间静电加速度计的敏感结构件表面粗糙度为0.025～0.1；

⑵、清洗敏感结构件：

1）利用表面活性剂对敏感结构件进行超声清洗，时间≥20分钟，去除机加及存储过程中敏感结构件表面污染；

2）水反复冲洗2次；

3）用重铬酸钾+浓硫酸+去离子水浸泡≥1小时；

4）水反复冲洗2次；

5）丙酮、酒精反复超声清洗≥2次，每次时间≥20分钟；

6）干燥氮气迅速干燥；

⑶、敏感结构件放入溅射镀膜设备中进行溅射镀膜。

进一步地，该溅射镀膜条件为：溅射镀膜设备的本底真空度低于1×10^-3Pa，充入氩气的工作真空度为0.01～0.1Pa，样品台转速20～30转/分钟，靶材与样品的距离控制在6～8cm。

进一步地，溅射镀膜前，采用溅射镀膜设备离子清洗功能，对敏感结构件离子轰击清洗5min，离子能量为100±10eV。

进一步地，在正式对敏感结构件样品沉积薄膜前，还包括对靶材进行预溅射清洗，清除靶材表面污染杂质，溅射的功率为1kW，溅射电压为400～500V。

进一步地，钛膜层的沉积速率为20～30nm/min，铂膜层和金膜层的沉积速率为50～100nm/min。

本发明耐焊导电薄膜的作用原理：

⑴钛（Ti）膜层打底作为附着层，易与空间加速度计传感器敏感结构的微晶玻璃或陶瓷材料中的氧形成共价化合物，有助于提高膜层与基体材料的附着强度。Ti具有8.6×10^-6/℃的低线胀系数，与微晶玻璃和陶瓷具有比较好的匹配，防止由于线胀系数相差较大造成的薄膜开裂现象。钛的电阻率为55μΩ·cm，电阻率比较大，因此Ti膜层不能太厚，将其厚度设计为40nm～60nm。另外，Ti相对于Cr不会对环境造成污染，是一种环保材料。

⑵铂（Pt）膜层起过渡阻挡层作用，阻止Ti膜和Au膜间的互扩散，从而提高了薄膜的稳定性。而且，由于Pt的化学稳定性很高，可以阻止从Au膜孔侵入的水汽和气体腐蚀性气体侵蚀附着层的Ti膜，从而增强了薄膜的抗腐蚀性能。同时，Pt的线胀系数为8.88×10^-6/℃,与Ti膜及基体材料具有很好的匹配性，电阻率为10.5μΩ·cm，导电性能很好，抗焊溶性能很好，因此将过渡层Pt同时兼做作为焊接层，厚度要足够，设计厚度至少600nm。

⑶金（Au）膜层作为表面保护层，因其电阻率只有2.1μΩ·cm，具有很好的导电性能，线胀系数为1.4×10^-5/℃，而且化学稳定性高不易氧化，抗电迁移能力强。但是，由于Au在Sn-Pb焊料中快速溶解，出现Au向焊料的扩散溶蚀现象，并与焊料形成脆性的金属间化合物，造成焊接不牢固，所以Au膜不适合作为焊接层，因此Au膜在保证导电性能的前提下厚度不能过厚，而设计为100nm～200nm，在引线焊接时焊料直接将较薄的Au溶蚀而焊接在过渡层Pt膜上，从而保证焊接强度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明耐焊导电薄膜全部采用无磁材料，因此不会对空间静电加速度计的测量产生噪声干扰，并且所有材料均具有较小的线胀系数，可以保证与基体玻璃材料及各膜层之间较好的匹配，保证薄膜的稳定性。

附图说明

图1静电加速度计组成与测量原理；

图2静电加速度计传感器敏感结构组成与电极组合示意；

图3静电加速度计传感器电极引线引出连接示意；

图4靶材与工件相对位置与粒子入射情况示意。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

一种空间静电加速度计敏感结构表面的耐焊导电薄膜，为三层复合膜系：Ti-Pt-Au，其中粘附层Ti膜层厚度一般控制在40～60nm，中间过渡层Pt膜层厚度控制在600nm～1000nm，导电保护Au膜层厚度控制在100～200nm。

以静电悬浮加速度计的传感器敏感结构为例，介绍其表面耐焊导电薄膜制作工艺。

静电悬浮加速度计的传感器敏感结构组件：上下电极板、电极中框和质量块，金丝固定块等均为立体结构，所有表面均需镀制薄膜，为了在敏感结构表面镀上本发明所述的耐焊导电薄膜，步骤如下：

⑴在保证机械加工的敏感结构件的面形精度满足加速度计自身设计要求的前提下，需通过研磨方法保证敏感结构件的表面粗糙度Ra值控制在0.025～0.1，主要为了保证薄膜在基体材料上的覆盖度与结合强度；

⑵在正式镀膜前需对敏感结构件进行严格的清洗：1）首先利用表面活性剂对敏感结构件进行超声清洗，时间不小于20分钟，去除机加及存储过程中结构件表面污染；2）水反复冲洗2次；3）重铬酸钾+浓硫酸+去离子水浸泡不小于1小时；4）水反复冲洗；5）丙酮、酒精反复超声清洗不少于2次，每次时间不小于20分钟；6）干燥氮气迅速干燥，表面不得残留水渍；

⑶将待镀膜的敏感结构件在清洗完后短时间内迅速放入溅射镀膜设备的样品台上，针对立体结构的敏感结构件所有表面均需镀膜的要求，选择的溅射镀膜机的样品台在靶材的下方并可自转，而靶材才样品的斜上方，靶材尺寸要尽量大，至少不能比被镀敏感结构件样品尺寸小，而且为了对样品在正式镀膜前作进一步的彻底清洁，溅射镀膜机最好具备等离子溅射清洗功能，对样品表面轰击清洗并激活样品表面，及适当提升样品温度，提高与粘附层薄膜的附着力；

⑷保证溅射镀膜机的本底真空度优于1×10^-3Pa，充入氩气的工作真空度控制在0.01～0.1Pa，样品台转速20～30转/分钟，靶材与样品的距离控制在6～8cm；

⑸开启溅射镀膜机离子清洗功能，控制离子能量在100eV左右,对敏感结构样品进行离子轰击清洗5min；

⑹在正式对样品沉积薄膜前，先对靶材预溅射清洗，清除表面污染杂质，溅射的功率为1kW，溅射电压为400～500V；

⑺以静电悬浮加速度计的传感器敏感结构中框为例，在假设溅射粒子分布服从余弦定理，根据如图4所示的靶材粒子相对中框表面的入射示意，为保证中框表面沉积薄膜的厚度均匀性，根据计算分析，调整靶材与中框的夹角为60°；

⑻设置粘附层Ti膜的沉积速率为20～30nm/min，过渡层Pt膜和保护层Au膜的沉积速率为50～100nm/min，依次完成三层薄膜的镀制。

采用上述工艺在静电加速度计的传感器敏感结构表面镀制的导电薄膜，经拉力机对敏感结构表面焊接的电极引线作定量剥离试验，结果证实薄膜的附着强度超过20N/mm²。将镀膜后的敏感结构件放入230℃的锡埚中5s，历经连续3次而膜层未脱落。证实本发明的静电加速度计传感器敏感结构的表面导电薄膜足以满足3次以上的焊接试验，并且薄膜的附着强度足以满足加速度计发射环境要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种空间静电加速度计敏感结构表面的耐焊导电薄膜，其特征在于：由钛膜层、铂膜层和金膜层构成，钛膜层一侧与空间静电加速度计敏感结构件的表面粘接，另一侧面依次与铂膜层和金膜层连接。

2.如权利要求1所述耐焊导电薄膜，其特征在于：钛膜层为40～60nm厚。

3.如权利要求1所述耐焊导电薄膜，其特征在于：铂膜层为600nm～1000nm厚。

4.如权利要求1所述耐焊导电薄膜，其特征在于：金膜层为100～200nm厚。

5.一种如权利要求1所述耐焊导电薄膜的制作工艺，包括以下步骤：

⑴、控制空间静电加速度计的敏感结构件表面粗糙度为0.025～0.1；

⑵、清洗敏感结构件：

1）利用表面活性剂对敏感结构件进行超声清洗，时间≥20分钟，去除机加及存储过程中敏感结构件表面污染；

2）水反复冲洗2次；

3）用重铬酸钾+浓硫酸+去离子水浸泡≥1小时；

4）水反复冲洗2次；

5）丙酮、酒精反复超声清洗≥2次，每次时间≥20分钟；

6）干燥氮气迅速干燥；

⑶、敏感结构件放入溅射镀膜设备中进行溅射镀膜。

6.如权利要求5所述制作工艺，其特征在于：该溅射镀膜条件为：溅射镀膜设备的本底真空度低于1×10^-3Pa，充入氩气的工作真空度为0.01～0.1Pa，样品台转速20～30转/分钟，靶材与样品的距离控制在6～8cm。

7.如权利要求5或6所述制作工艺，其特征在于：溅射镀膜前，采用溅射镀膜设备离子对清洗功能，对敏感结构件离子轰击清洗5min，离子能量为100±10eV。

8.如权利要求7所述制作工艺，其特征在于：在正式对敏感结构件样品沉积薄膜前，还包括对靶材进行预溅射清洗，清除靶材表面污染杂质，溅射的功率为1kW，溅射电压为400～500V。

9.如权利要求8所述制作工艺，其特征在于：钛膜层的沉积速率为20～30nm/min，铂膜层和金膜层的沉积速率为50～100nm/min。