CN105606332A - 利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法，包括：按照传统的方法加工玻璃基底，对所述玻璃基底的镀膜面进行抛光；将得到的抛光的玻璃基底的镀膜面进行镀铂膜，并进行热处理；将得到的镀铂膜的玻璃基底卡设在可转动卡具上，利用激光直写技术扫描镀铂膜面的玻璃基底以得到具有预设图案以及特定宽度的铂电阻；对所述铂电阻进行银浆描涂引线操作，并经过热处理使银浆浆料烘干和固结。本发明方法制造整体式薄膜铂电阻传感器加工周期短、成品率高、大幅度提高了产品的生产效率和质量。

Description

利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法
技术领域
本发明涉及整体式薄膜铂电阻传感器制造技术领域。更具体地说，本发明涉及一种利用激光直写技术制造用于激波风洞气动热环境测量试验的整体式薄膜铂电阻传感器的方法。
背景技术
薄膜铂电阻传感器作为高超声速飞行器在脉冲风洞热环境试验中表面热流测量的重要元件，具有灵敏度高(约毫伏量级/摄氏度)、响应时间短(微秒量级)、尺寸小等诸多优势。薄膜铂电阻传感器根据飞行器测热区域的外形，可制作成点式、片式、整体式三种。制备过程主要包括基底玻璃外形加工与抛光、真空溅射与掩膜配合制备铂电阻以及成膜热处理等。
一般来说，掩膜过程需要卡具将掩膜紧密得贴合于玻璃基底表面，对于点式传感器，尺寸固定，批量生产，掩膜和卡具可重复使用，使用该方法较为合理，但对于整体式传感器，其弊端主要表现在以下几个方面：
1)不同外形的传感器需要制作配套专用卡具和掩膜，其制作周期长、费用高、生产效率低；
2)镀膜一旦完成，很难再修改，质量不好的只能作废，成品率低；
3)对于越来越复杂的飞行器外形及拐点热流的测量，尤其是曲率较大小的位置，只能用整体式传感器测量表面热流，而这些位置掩膜缝隙处张力大，与玻璃基底无法紧密贴合，会造成测点边缘发虚等问题，影响传感器质量，无法准确测量。
这一系列的因素限制了整体式薄膜电阻传感器的发展，亟需新的工艺及方法进行改进。
由于激光打标机单次扫描可以对金属进行切割将表面0.3mm以内厚度的金属薄层去除掉，而对玻璃基底无破坏，因此激光直写可以用来去除将玻璃表面的铂膜去除掉。铂金属薄膜的激光加工包括以下几个过程:激光聚焦后照射至薄膜表面；薄膜吸收激光能量；薄膜被加热，气化；热量通过热传导散失。
发明内容
本发明的一个目的是解决上述至少一个问题或缺陷，并提供后面将说明的至少一个优点。
本发明还有一个目的是提供一种利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法，其通过利用激光直写技术制造整体式铂电阻传感器，由于激光可以对金属进行切割，而对玻璃基底无破坏，因此激光直写可以将玻璃表面的铂膜去除掉。利用激光直写技术，将不再使用传统加工方法中的掩膜和卡具，大大缩短了加工周期，提高了成品率，大幅度提高生产效率和产品质量。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法，包括以下步骤：
步骤一、按照传统的方法加工玻璃基底，对所述玻璃基底的镀膜面进行抛光；
步骤二、将所述步骤一得到的抛光的玻璃基底的镀膜面进行镀铂膜，并进行热处理；
步骤三、将所述步骤二得到的镀铂膜的玻璃基底卡设在可转动卡具上，利用激光直写技术扫描镀铂膜面的玻璃基底以得到具有预设图案以及特定宽度的铂电阻；
步骤四、对所述铂电阻进行银浆描涂引线操作，并经过热处理使银浆浆料烘干和固结。
优选的是，其中，所述步骤三中，所述扫描包括：利用计算机控制激光打标机，调整合适的激光打标机参数，根据计算机上绘制的扫描路径来扫描镀铂膜面，使扫描区域的镀铂膜面在激光高能量的作用下脱去铂层，而未经扫描的区域留下镀铂膜层，即得到具有预设图案的铂电阻。
优选的是，其中，在所述步骤三中，在得到具有预设图案的铂电阻之后还包括步骤：对得到的铂电阻进行阻值测量，并按照阻值进行判定，当阻值在60～80欧姆之间时，进入所述步骤四，而如果阻值不在上述区间，则视为不合格品，再次利用激光直写技术去除铂电阻层，再次进入所述步骤二。
优选的是，其中，所述激光打标机采用的是HR-YDP-50L半导体激光打标机，所述激光打标机采用的激光重复频率大于3kHz。
优选的是，其中，在所述步骤二中，热处理具体包括：首先，充入氩气，当温度升高到600℃时，保持温度4个小时，然后，停止保温，开始冷却，当镀膜冷却到160℃时，保持温度持续24小时，最后，停止保温并自然冷却至室温后取出。
优选的是，其中，在所述步骤二中，采用真空粒子溅射镀膜机对抛光的玻璃基底的镀膜面进行镀铂膜。
优选的是，其中，在所述步骤一中，采用机械抛光方法将所述玻璃基底的镀膜面抛光至表面粗糙度Ra0.012μm。
优选的是，其中，在所述步骤三中，根据公式R＝ρl/s对所述特定宽度进行估算，其中，ρ为电阻率，l为铂电阻的长度，s为铂电阻横截面积。
优选的是，其中，在所述步骤四中，经过热处理使银浆浆料烘干和固结步骤具体包括：烘干温度保持在150℃，烘干时间为15分钟；固结温度为550℃，时间保持15分钟。
优选的是，其中，在所述步骤四之后还包括步骤：进行焊线与标定操作完成传感器的制造。
本发明至少包括以下有益效果：
1、通过利用激光直写技术，比传统方法少了卡具、掩膜设计加工及装卡过程(需要约15天工时)，多了激光直写(需要约10分钟工时)，所用的时间和人力相差甚远，大大缩短了生产周期，极大地提高了生产效率，降低了生产成本；
2、通过利用激光直写技术，测点位置更精确易控，即使测点位置出现偏差，也可以将测点进行切割，玻璃基底重复利用，提高成品率；
3、由于铂电阻的金属宽度更易于控制和量化，加工精度得到提高，因此铂电阻的阻值一致性得到改善，传感器系数得到保证；
4、加工得到的铂电阻边缘尖锐，在高速气流的冲刷下阻值更为稳定。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法的流程示意图；
图2为通过本发明方法制得的铂电阻在显微镜下形态的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
图1示出了根据本发明的一种实现形式，示出了利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法的过程。其中包括：
步骤一、按照传统的方法加工玻璃基底，对所述玻璃基底的镀膜面进行抛光，将所述玻璃基底的镀膜面抛光至表面粗糙度Ra0.012μm；
步骤二、采用真空粒子溅射镀膜机将所述步骤一得到的抛光的玻璃基底的镀膜面进行镀铂膜，并进行热处理，其中，热处理的工艺包括：首先，充入氩气，当温度升高到600℃时，保持温度4个小时，然后，停止保温，开始冷却，当镀膜冷却到160℃时，保持温度持续24小时，最后，停止保温并自然冷却至室温后取出；
步骤三、将所述步骤二得到的镀铂膜的玻璃基底卡设在可转动卡具上，利用计算机控制激光打标机，调整合适的激光打标机参数，根据计算机上绘制的扫描路径来扫描镀铂膜面，使扫描区域的镀铂膜面在激光高能量的作用下脱去铂层，而未经扫描的区域留下镀铂膜层，得到具有预设图案以及特定宽度的铂电阻，对得到的铂电阻进行阻值测量，并按照阻值进行判定，当阻值在60～80欧姆之间时，进入所述步骤四，而如果阻值不在上述区间，则视为不合格品，再次利用激光直写技术去除铂电阻层，再次进入所述步骤二；
步骤四、对所述铂电阻进行银浆描涂引线操作，并经过热处理使银浆浆料烘干和固结，其中，烘干温度保持在150℃，烘干时间为15分钟；固结温度为550℃，时间保持15分钟；经过烘干和固结后，银浆引线焊接性能较好；
步骤五、进行焊线与标定操作完成传感器的制造。
在其中一种实施例中，所述激光打标机采用的是HR-YDP-50L半导体激光打标机，所述激光打标机采用的激光重复频率大于3kHz，使得制得的铂电阻边缘光滑，当使用的激光频率小于3kHz时，获得的铂电阻边缘粗糙。
在其中一种实施例中，其中，在所述步骤三中，根据公式R＝ρl/s对所述特定宽度进行估算，其中，ρ为电阻率，l为铂电阻的长度，s为铂电阻横截面积。估算之后，具体对所述铂电阻的尺寸和阻值进行测量。
图2示出了通过上述方法得到的铂电阻在40倍的光学显微镜分析下的微观形貌，其中，1为玻璃基底，2为通过本发明方法得到的铂电阻，可以看出，由于扫描在计算机上控制，因此薄膜宽度较为精确，电阻值一致性较好。利用光学显微镜分析电阻的微观形貌，外观清晰，边缘平整，生产中常用的铂电阻宽度约为0.3mm。
这里说明的处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
如上所述，根据本发明，解决传统掩膜方法加工该类曲率较大外形的整体式传感器时，存在诸如加工周期长、成品率低、质量差等问题，本发明提供了一种利用激光直写技术制造整体式铂电阻传感器的方法，由于激光可以对金属进行切割，而对玻璃基底无破坏，因此激光直写可以将玻璃表面的铂膜去除掉。利用激光直写技术，将不再使用传统加工方法中的掩膜和卡具，大幅度提高生产效率和产品质量，而且通过本发明方法制得的铂电阻边缘尖锐，在高速气流的冲刷下阻值更为稳定，使用寿命增长。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法，包括以下步骤：
步骤一、按照传统的方法加工玻璃基底，对所述玻璃基底的镀膜面进行抛光；
步骤二、将所述步骤一得到的抛光的玻璃基底的镀膜面进行镀铂膜，并进行热处理；
步骤三、将所述步骤二得到的镀铂膜的玻璃基底卡设在可转动卡具上，利用激光直写技术扫描镀铂膜面的玻璃基底以得到具有预设图案以及特定宽度的铂电阻；
步骤四、对所述铂电阻进行银浆描涂引线操作，并经过热处理使银浆浆料烘干和固结。
2.如权利要求1所述的利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法，其中，所述步骤三中，所述扫描包括：利用计算机控制激光打标机，调整合适的激光打标机参数，根据计算机上绘制的扫描路径来扫描镀铂膜面，使扫描区域的镀铂膜面在激光高能量的作用下脱去铂层，而未经扫描的区域留下镀铂膜层，即得到具有预设图案的铂电阻。
3.如权利要求1所述的利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法，其中，在所述步骤三中，在得到具有预设图案的铂电阻之后还包括步骤：对得到的铂电阻进行阻值测量，并按照阻值进行判定，当阻值在60～80欧姆之间时，进入所述步骤四，而如果阻值不在上述区间，则视为不合格品，再次利用激光直写技术去除铂电阻层，再次进入所述步骤二。
4.如权利要求2所述的利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法，其中，所述激光打标机采用的是HR-YDP-50L半导体激光打标机，所述激光打标机采用的激光重复频率大于3kHz。
5.如权利要求1所述的利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法，其中，在所述步骤二中，热处理具体包括：首先，充入氩气，当温度升高到600℃时，保持温度4个小时，然后，停止保温，开始冷却，当镀膜冷却到160℃时，保持温度持续24小时，最后，停止保温并自然冷却至室温后取出。
6.如权利要求1所述的利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法，其中，在所述步骤二中，采用真空粒子溅射镀膜机对抛光的玻璃基底的镀膜面进行镀铂膜。
7.如权利要求1所述的利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法，其中，在所述步骤一中，采用机械抛光方法将所述玻璃基底的镀膜面抛光至表面粗糙度Ra0.012μm。
8.如权利要求1所述的利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法，其中，在所述步骤三中，根据公式R＝ρl/s对所述特定宽度进行估算，其中，ρ为电阻率，l为铂电阻的长度，s为铂电阻横截面积。
9.如权利要求1所述的利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法，其中，在所述步骤四中，经过热处理使银浆浆料烘干和固结步骤具体包括：烘干温度保持在150℃，烘干时间为15分钟；固结温度为550℃，时间保持15分钟。
10.如权利要求1所述的利用激光直写技术制造整体式薄膜铂电阻传感器的方法，其中，在所述步骤四之后还包括步骤：进行焊线与标定操作完成传感器的制造。
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