CN111156892B - 一种离子束溅射镀膜堵片传感器的制备改进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种离子束溅射镀膜堵片传感器的制备改进方法。本发明所设计的传感器的结构设计上，增加了引线焊接定位结构和拉断位置机构设计，不仅提高了焊接的可操作性，且使阻值一致性和拉断位置可控性得到了显著提高。

Description

一种离子束溅射镀膜堵片传感器的制备改进方法
技术领域
本发明涉及一种离子束溅射镀膜堵片传感器的制备改进方法，属于传感器测量装置领域。
背景技术
近年来，随着航天飞行器技术的发展，为了实现对发动机堵片打开信号的检测，需要提供一种基于柔性基底的传感器，该传感器两端分别连接于发动机的喷管上，用于控制系统进行堵片打开信号检测，当发动机点火后，燃烧室内压力迅速增大至一定值，将传感器的堵片打开，拉断传感器，从而给控制系统提供打开信号。
目前，本领域普遍使用的堵片传感器为采用胶粘剂将应变计敏感层直接粘贴到基底上的结构，基于该种工艺技术的传感器在实际应用中存在灵敏低、分辨率和测量范围小、测量精度低的不足，不能实现微小应变的测量。溅射薄膜堵片传感器是利用薄膜和光刻技术制造的一种新型的传感器。根据申请日为2018年8月10日，申请号为CN201820133621.0的专利可知，该技术可使传感器的灵敏度、测量范围、稳定性、可靠性、温度性能等各项性能得到提高，满足特殊环境下的测试需求。为与本发明最接近的基于离子束溅射镀膜法制作的堵片传感器，但该赌片传感器虽解决了以上的问题和不足，但还存在以下问题和缺点：
(1)该传感器的结构设计中没有引线焊接定位结构设计，会导致焊接操作不便，且由于焊接偏差造成的阻值一致性差的问题；
(2)该传感器结构设计中没有拉断位置定位结构设计，当发动机点火后拉断传感器时，会出现各传感器的拉断位置随机，使其不可控；
(3)导电图形膜层采用Cu单层膜，由于Cu的电阻率小，沉积较薄的膜层即可达到技术指标要求的1欧姆阻值要求。但由于导电膜膜厚比较薄，且Cu膜表面易发生氧化，在自由弯曲状态下极易产生折痕，降低产品的可靠性；
(4)采用导电图形膜层和边缘框金属膜同时沉积同种金属膜的工艺，由于导电图形膜层较厚，导致边缘框金属膜和导电图形膜间多余膜清洗时间长，且清洗不干净需要二次手工处理带来的边缘锯齿，降低了生产效率和产品质量；
(5)导电图形膜层(Cu)采用氮化硅Si3N4保护薄膜进行保护，存在由于氮化硅介质膜延展性差，导致在拉力试验时，介质膜会出现龟裂，导致保护作用降低，影响产品质量。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种离子束溅射镀膜堵片传感器的制备改进方法，具有可靠性高、成本低、性能好、产品质量高的特点，用于航天飞行器发动机对堵片打开信号的测试需要。
一种离子束溅射薄膜堵片传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一、将聚酰亚胺作为基底，清洗基底后吹干；
步骤二、设计一个左右两头宽、中间窄的类划桨结构的导电图形掩膜版，且在所述类划桨结构中部的上下两侧分别设有第一拉断位置定位孔3和第二拉断位置定位孔4，在所述类划桨结构左右两侧分别设有第一引线焊接定位孔5和第二引线焊接定位孔6；之后，在所述基底上进行机械甩胶，并将导电图形掩膜版上的结构光刻到基底表面；
步骤三、将完成光刻的聚酰亚胺基底装入离子束镀膜机的真空腔室中，采用离子束溅射的方法，分别使用纯度为99.99％的铜和康铜作为靶材，通过控制镀膜时间，在基底上沉积一层铜和康铜构成的复合导电膜；
步骤四、对沉积结束后的样片进行清洗，以去除多余的导电膜，得到导电图形；
步骤五、以步骤二中所述的类划桨结构图形为基础，沿其外沿设计一条外边缘线图形掩膜版，且外边缘线的左右两侧的边缘线分别设有第三引线焊接定位孔7和第四引线焊接定位孔8，外边缘线左右两端部的上下边缘线处分别设有第五引线焊接定位孔9、第六引线焊接定位孔10、第七引线焊接定位孔11和第八引线焊接定位孔12；将外边缘线图形掩膜版上的图形光刻到步骤四获得的导电图形表面；之后按照步骤三的方法，在其上沉积康铜金属膜层，最后按照步骤四的方法，对沉积结束后的样片进行清洗，得到含有裁剪外形的导电图形；
步骤六、在步骤五导电图形左右两端面上分别焊接一个焊盘，焊点分别位于第一引线焊接定位孔5和第三引线焊接定位孔7的连线，与第五引线焊接定位孔9和第六引线焊接定位孔10的连线的交点处，以及第二引线焊接定位孔6和第四引线焊接定位孔8的连线，与第七引线焊接定位孔11和第八引线焊接定位孔12连线的交点处；之后，每个焊点分别焊接一根引出线，用于实现信号的传输；
步骤七、通过机械旋转法均匀地在步骤六获得的基片上涂覆一层PI聚合物保护层14，保护层的厚度在1.5μm；
步骤八、将涂覆好保护胶的基片放置于真空炉中进行固化；完成传感器的制备。
较佳地，所述步骤一中，基底厚度为50μm。
较佳地，其特征在于，所述步骤三中，铜/康铜复合导电膜的厚度为1μm至1.1μm。
较佳地，所述步骤三中，康铜金属膜层厚度为200nm。
较佳地，所述步骤二中，所述第一引线焊接定位孔5和第二引线焊接定位孔6为三角形引线焊接定位孔。
较佳地，所述第三引线焊接定位孔7、第四引线焊接定位孔8、第五引线焊接定位孔9、第六引线焊接定位孔10、第七焊接引出线11和第八引线焊接定位孔12均为矩形结构。
较佳地，所述第一拉断位置定位孔3和第二拉断位置定位孔4为三角形结构。
有益效果：
1、与专利CN201820133621.0中所记载的传感器相比，本发明所设计的传感器的结构设计上，增加了引线焊接定位结构和拉断位置机构设计，不仅提高了焊接的可操作性，且使阻值一致性和拉断位置可控性得到了显著提高；
2、在导电图形膜层的沉积工艺设计上，沉积一层铜和康铜构成的复合导电膜，新膜系结构设计，不仅解决了单层Cu膜易氧化问题，且克服了由于膜层薄使其易由自由弯曲造成折痕的问题，使产品的质量得到提高；本发明还解决了边缘框金属膜层太厚，导致清洗时间长，且存在清洗不干净需要二次手工处理带来边缘锯齿问题，提高了生产效率和产品质量；
3、与传统使用Si3N4材料作为保护薄膜进行保护相比，本发明在保护层材料选材和涂覆方法上进行的改进，采用PI聚合物保护膜层代替Si3N4保护薄膜，解决了因其延展性和亲和性差易龟裂使其失去保护作用，从而降低了产品性能等问题。提高了产品的性能和可靠性。通过采用机械旋转法的保护胶涂覆方式，可改善目前普遍采用的手工涂覆造成的涂覆不均匀的问题，从而提高其保护作用和产品的质量。
附图说明
图1本发明工艺流程图；
图2为本发明的俯视向结构示意图；
图3为本发明侧视向结构示意图；
图4为导电图形制作掩膜版图形；
图5为外边缘框制作掩膜版图形。
其中，1为基底，2为类划桨结构，3为第一拉断位置定位孔，4为第二拉断位置定位孔，5为第一焊接引线定位孔，6为第二焊接引线定位孔，7为第三焊接引线定位孔，8为第四焊接引线定位孔，9为第五焊接引线定位孔，10为第六焊接引线定位孔，11为第七焊接引线定位孔，12为第八焊接引线定位孔，13为外边缘线，14为PI聚合物保护层。
具体实施方式
下面结合附图并举两个实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供一种离子束溅射镀膜堵片传感器的制备改进方法，本发明进一步设计了焊接引线定位孔和拉断位置定位孔。且在导电图形的膜层沉积工艺设计上，沉积一层铜和康铜的新膜系结构设计。其具体实现方式如图1所示：
步骤一、将聚酰亚胺作为基底，基底厚度为50μm。用清洗剂进行超声波清洗，之后用清水冲洗再吹干；
步骤二、如图2至4所示，设计一个左右两头宽，中间窄的类划桨结构2，且在其中部上下两侧设有第一拉断位置定位孔3和第二拉断位置定位孔4，其中，第一拉断位置定位孔3和第二拉断位置定位孔4为三角形形状。在类划桨结构2左右两侧设有第一引线焊接定位孔5和第二引线焊接定位孔6的导电图形掩膜版；其中，第一引线焊接定位孔5和第二引线焊接定位孔6为三角形结构。通过机械甩胶的方法，在步骤一的基底上覆盖一层胶，之后，再通过紫外曝光、显影、后烘光刻的工艺方法，将导电图形掩膜版上的结构图形光刻到胶上；
步骤三、将完成光刻的聚酰亚胺基底装入离子束镀膜机的真空腔室中，采用离子束溅射的方法，使用纯度为99.99％的铜和康铜分别作为靶材，通过控制镀膜时间，在步骤二中加工后的基底上沉积一层铜和康铜构成的复合导电膜；铜和康铜复合导电膜的厚度约为1μm至1.1μm。
步骤四、对步骤三中，沉积结束后的样片进行超声波清洗，随着超声波的清洗，将基底上存有胶的部分清除掉，即清洗掉除导电图形以外多余的导电膜，得到导电图形；
步骤五、如图4所示，以步骤二中所述的类划桨结构2图形为基础，沿其外沿设计一条外边缘线掩膜版图形，且外边缘线13的左右两侧的边缘线设有第三引线焊接定位孔7和第四引线焊接定位孔8，外边缘线两端部的上下边缘线处设有第五引线焊接定位孔9、第六引线焊接定位孔10、第七焊接引出线11和第八引线焊接定位孔12；其中，第三引线焊接定位孔7、第四引线焊接定位孔8、第五引线焊接定位孔9、第六引线焊接定位孔10、第七焊接引出线11和第八引线焊接定位孔12均为矩形形状。之后，通过机械甩胶、紫外曝光、显影、后烘光刻的工艺方法，将外边缘线掩膜版图形转移到步骤四种获得的样片表面，之后按照步骤三的方法，在其上沉积康铜金属膜层，康铜金属膜层厚度为200nm。最后按照步骤四的方法，对沉积结束后的样片进行超声波清洗，作为裁剪外形定位用；
步骤六、在导电图形左右两端面上分别焊接一个焊盘，焊点位于第一引线焊接定位孔5和第三引线焊接定位孔7的连线，与第五引线焊接定位孔9和第六引线焊接定位孔10的连线的交点处，以及第二引线焊接定位孔6和第四引线焊接定位孔8，与第七引线焊接定位孔11和第八引线焊接定位孔12连线的交点处；之后，每个焊点分别焊接一根引出线；
步骤七、通过机械旋转法均匀的在步骤六中获得样片中除焊接位置以外，涂覆一层PI聚合物保护层，通过控制滴胶量和匀胶机的转速使保护层的厚度在约1.5μm，防止导电图形被氧化和污染。
步骤八、将涂覆好保护胶的基片放置于真空炉中进行固化，加温度280℃进行保护胶固化和导电膜稳定化处理3小时，自然冷却；完成传感器的制备。
经设计者实验检测，本发明与现有技术相比，性能和质量都有所提高，其具体参数如下：
(1)使应变计电阻值(含两端导线)在(0.8±0.1)Ω之间，阻值分散性减小；
(2)机械强度：可自由弯曲，绕曲半径小于2mm，可在空间三个方向任意扭曲，且没有弯曲折痕，有一定强度，应变计的拉断强度在3.0～4.5kg，且拉断位置均在中间缺口设计位置；
(3)绝缘电阻：在常温常湿下保温1小时后，测试电压100V，绝缘电阻大于3000MΩ；在相对湿度为98％，温度为25±5℃，保温8小时后，测试电压100V，绝缘电阻大于1000MΩ。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种离子束溅射镀膜堵片传感器的制备改进方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、将聚酰亚胺作为基底，清洗基底后吹干；
步骤二、设计一个左右两头宽、中间窄的类划桨结构的导电图形掩膜版，且在所述类划桨结构中部的上下两侧分别设有第一拉断位置定位孔(3)和第二拉断位置定位孔(4)，在所述类划桨结构左右两侧分别设有第一引线焊接定位孔(5)和第二引线焊接定位孔(6)；之后，在所述基底上进行机械甩胶，并将导电图形掩膜版上的结构光刻到基底表面；
步骤三、将完成光刻的聚酰亚胺基底装入离子束镀膜机的真空腔室中，采用离子束溅射的方法，分别使用纯度为99.99％的铜和康铜作为靶材，通过控制镀膜时间，在基底上沉积一层铜和康铜构成的复合导电膜；
步骤四、对沉积结束后的样片进行清洗，以去除多余的导电膜，得到导电图形；
步骤五、以步骤二中所述的类划桨结构图形为基础，沿其外沿设计一条外边缘线图形掩膜版，且外边缘线的左右两侧的边缘线分别设有第三引线焊接定位孔(7)和第四引线焊接定位孔(8)，外边缘线左右两端部的上下边缘线处分别设有第五引线焊接定位孔(9)、第六引线焊接定位孔(10)、第七引线焊接定位孔(11)和第八引线焊接定位孔(12)；将外边缘线图形掩膜版上的图形光刻到步骤四获得的导电图形表面；之后按照步骤三的方法，在其上沉积康铜金属膜层，最后按照步骤四的方法，对沉积结束后的样片进行清洗，得到含有裁剪外形的导电图形；
步骤六、在步骤五导电图形左右两端面上分别焊接一个焊盘，焊点分别位于第一引线焊接定位孔(5)和第三引线焊接定位孔(7)的连线，与第五引线焊接定位孔(9)和第六引线焊接定位孔(10)的连线的交点处，以及第二引线焊接定位孔(6)和第四引线焊接定位孔(8)的连线，与第七引线焊接定位孔(11)和第八引线焊接定位孔(12)连线的交点处；之后，每个焊点分别焊接一根引出线，用于实现信号的传输；
步骤七、通过机械旋转法均匀地在步骤六获得的基片上涂覆一层PI聚合物保护层(14)，保护层的厚度在1.5μm；
步骤八、将涂覆好保护胶的基片放置于真空炉中进行固化；完成传感器的制备。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，基底厚度为50μm。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，铜/康铜复合导电膜的厚度为1μm至1.1μm。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，康铜金属膜层厚度为200nm。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述第一引线焊接定位孔(5)和第二引线焊接定位孔(6)为三角形引线焊接定位孔。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第三引线焊接定位孔(7)、第四引线焊接定位孔(8)、第五引线焊接定位孔(9)、第六引线焊接定位孔(10)、第七焊接引出线(11)和第八引线焊接定位孔(12)均为矩形结构。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一拉断位置定位孔(3)和第二拉断位置定位孔(4)为三角形结构。
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