CN201600217U - 钯铬溅射薄膜高温压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及钯铬溅射薄膜高温压力传感器，包括接管嘴、膜片组件、转接座、壳体和插座，膜片组件包括蓝宝石膜片以及设置在蓝宝石膜片的薄膜层；薄膜层由内到外依次包括经离子束溅射形成的第一绝缘层、第二绝缘层、应变电阻层、补偿电阻层、焊盘层和保护层；第一绝缘层为Ta₂O₅薄膜，所述第二绝缘层为SiO₂薄膜，应变电阻层为PdCr₁₃薄膜，补偿电阻层为Pt薄膜，焊盘层为Au薄膜，保护层为Al₂O₃薄膜。本实用新型解决了现有高温压力传感器测量范围有限、可靠性差、测量复杂程度高的技术问题。本实用新型结构的传感器具备了高温环境下工作的能力。

Description

钯铬溅射薄膜高温压力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种自补偿合金薄膜高温压力传感器。

背景技术

高温介质压力测量的关键是耐高温应变电阻材料的研制、材料防氧化措施以及保证传感器具有好的温度性能。目前高温压力传感器工作最高温度约300℃，更高温度下的介质压力测量需采用水冷式传感器或加引压管间接测量，导致测量不便，复杂程度增加，更限制了此种测量方式只能用于地面测试；若利用传感器直接测量高温介质，则传感器的弹性膜片、敏感材料会在高温下失效。因此，现有的压力传感器在测量高温燃气介质时存在较大的局限性。

发明内容

本实用新型目的是提供一种钯铬溅射薄膜高温压力传感器，其解决了现有高温压力传感器测量范围有限、可靠性差、测量复杂程度高的技术问题。

本实用新型的技术方案为：

一种钯铬溅射薄膜高温压力传感器，包括接管嘴1、膜片组件2、转接座3、壳体4和插座5，其特殊之处在于：所述膜片组件2包括蓝宝石膜片21以及设置在蓝宝石膜片21的薄膜层；所述薄膜层由内到外依次包括经离子束溅射形成的第一绝缘层22、第二绝缘层23、应变电阻层24、补偿电阻层25、焊盘层26和保护层27；所述第一绝缘层22为Ta₂O₅薄膜，所述第二绝缘层23为SiO₂薄膜，所述应变电阻层24为PdCr₁₃薄膜，所述补偿电阻层25为Pt薄膜，所述焊盘层26为Au薄膜，所述保护层27为Al₂O₃薄膜。

上述应变电阻层24包括连接成惠斯顿电桥的四个应变电阻R1、R2、R3、R4和两个零点补偿电阻R22、R44，所述补偿电阻层25包括串联在惠斯顿电桥中的两个零点温度补偿电阻R11、R33和串联在惠斯顿电桥电源端的两个灵敏度温度补偿电阻R01、R02。

上述零点补偿电阻R22、R44中至少有一个为可调电阻；所述零点温度补偿电阻R11、R33中至少有一个为可调电阻；所述灵敏度温度补偿电阻R01、R02中至少有一个为可调电阻。

本实用新型的技术效果为：

1、本实用新型采用蓝宝石作为弹性膜片、PdCr₁₃作为应变敏感材料、Pt作为温度补偿材料、Al₂O₃作为抗氧化保护层，该结构的传感器具备了高温环境下工作的能力；

2、本实用新型由于补偿电阻在膜片上通过离子束溅射沉积后进行光刻加工，和应变电阻处在同一温度区域，与传统传感器相比消除了应变电阻和补偿电阻之间的温度梯度，补偿精度明显提高。

附图说明

图1是本实用新型高温薄膜压力传感器的结构示意图；

图2为本实用新型高温薄膜压力传感器的膜片上通过离子束溅射形成的各层薄膜的位置示意图；

图3为本实用新型高温薄膜压力传感器焊盘层(Au)的光刻设计版图

图4为本实用新型高温薄膜压力传感器补偿电阻层(Pt)的光刻设计版图；

图5为本实用新型高温薄膜压力传感器应变电阻层(PdCr₁₃)的光刻设计版图；

图6为本实用新型高温薄膜压力传感器的补偿原理图。

附图标记如下：1-接管嘴，2-膜片组件，21-蓝宝石膜片，22-第一绝缘层，23-第二绝缘层，24-应变电阻层，25-补偿电阻层，26-焊盘层，27-保护层，3-转接座，4-壳体，5-插座，R1、R2、R3、R4-应变电阻，R22、R44-零点补偿电阻，R11、R33-零点温度补偿电阻，R01、R02-灵敏度温度补偿电阻。

具体实施方式

本实用新型的结构如图1所示：膜片组件2的一端通过钎焊焊接在接管嘴1上，另一端利用高温胶粘接在转接座3上，接管嘴1和壳体4焊接，膜片组件2及转接座3设置在壳体4内部，转接座3与插座5电连接，插座5用螺钉连接在壳体4上。膜片上利用离子束溅射沉积的应变电阻薄膜经过光刻加工形成惠斯顿电桥，补偿电阻通过离子束溅射沉积后进行光刻加工，和应变电阻处在同一温度区域；在蓝宝石膜片上通过离子束溅射依次形成Ta₂O₅、SiO₂、PdCr₁₃、Pt、Au、Al₂O₃连续薄膜，其中Ta₂O₅和SiO₂薄膜为绝缘层，PdCr₁₃薄膜通过光刻形成4个固定应变电阻和2个可修正电阻，2个可修正电阻串联在惠斯顿电桥中，用于通过激光修正的方法补偿传感器的零点，Pt薄膜通过光刻形成4个可调补偿电阻，其中2个可修正Pt电阻串联在惠斯顿电桥中，用于通过激光修正的方法补偿零点温度系数，另两个可修正Pt电阻分别串联在惠斯顿电桥的电源端，通过激光修正的方法补偿传感器的灵敏度温度系数。Au用作焊盘，Al₂O₃为防氧化保护层；各电阻连接关系参见图6。光刻版图的设计适用于采用激光修正电阻的方法对传感器的初始零点、零点温度系数、灵敏度温度系数进行补偿。电信号的连接为：由膜片上的Au焊盘通过金丝球键合与转接座3连接，高温导线连接转接座3和插座5上的电连接插针，实现电信号的输入和输出。

本实用新型工作原理：

本实用新型采用蓝宝石作为弹性膜片、钯铬合金PdCr₁₃作为敏感材料，采用激光调阻技术对传感器温度补偿性能进行修正，使传感器具备较高温度下的测量能力和较低的测量误差。

蓝宝石是一种惰性材料，熔点2045℃，稳定性极好，其性质可以经历多年而不变；且蓝宝石的迟滞几乎为零，线性和重复性极好，能够忠实而精确地追踪输入的压力，确保测量的精度；在破碎以前，蓝宝石应力-应变特性同样始终保持线性关系；另外，蓝宝石的表面光洁度高，平坦、没有气孔，相对易于加工。

钯铬合金PdCr₁₃在1000℃范围内组织结构稳定，无相变(即有序-无序结构转变)，并且在空气中自身能形成一层坚实的Cr₂O₃抗氧化层；钯铬合金的这些特性，使得其电阻温度特性的稳定性、重复性好，并且与升、降温速率关系不大。另外，在1000℃以内，钯铬合金的电阻温度特性、灵敏度温度特性均与温度成良好线性关系，易于进行温度补偿或温度修正。

本实用新型利用铂(Pt)电阻对传感器进行温度补偿，包括零点温度补偿和灵敏度温度补偿。Pt电阻耐高温、抗氧化能力较强，具有较大的电阻温度系数(约3.98×10^-3/℃)，且电阻-温度曲线具有较好的线性。

如图2所示，蓝宝石膜片经过研磨和抛光，通过离子束溅射，依次形成Ta₂O₅、SiO₂、PdCr₁₃、Al₂O₃、Pt、Au、Al₂O₃连续薄膜。用图3所示的版图光刻腐蚀Au，用图4所示的版图光刻腐蚀Pt、用图5所示的版图光刻腐蚀PdCr₁₃。经过稳定性处理后粘接转接座3，通过金丝球键合连接膜片2和转接座插针，高温通电老化并测试传感器的温度系数。

Claims (3)

1.一种钯铬溅射薄膜高温压力传感器，包括接管嘴(1)、膜片组件(2)、转接座(3)、壳体(4)和插座(5)，其特征在于：所述膜片组件(2)包括蓝宝石膜片(21)以及设置在蓝宝石膜片(21)的薄膜层；所述薄膜层由内到外依次包括经离子束溅射形成的第一绝缘层(22)、第二绝缘层(23)、应变电阻层(24)、补偿电阻层(25)、焊盘层(26)和保护层(27)；所述第一绝缘层(22)为Ta₂O₅薄膜，所述第二绝缘层(23)为SiO₂薄膜，所述应变电阻层(24)为PdCr1₃薄膜，所述补偿电阻层(25)为Pt薄膜，所述焊盘层(26)为Au薄膜，所述保护层(27)为Al₂O₃薄膜。

2.根据权利要求1所述的钯铬溅射薄膜高温压力传感器，其特征在于：所述应变电阻层(24)包括连接成惠斯顿电桥的四个应变电阻(R1、R2、R3、R4)和两个零点补偿电阻(R22、R44)，所述补偿电阻层(25)包括串联在惠斯顿电桥中的两个零点温度补偿电阻(R11、R33)和串联在惠斯顿电桥电源端的两个灵敏度温度补偿电阻(R01、R02)。

3.根据权利要求2所述的钯铬溅射薄膜高温压力传感器，其特征在于：所述零点补偿电阻(R22、R44)中至少有一个为可调电阻；所述零点温度补偿电阻(R11、R33)中至少有一个为可调电阻；所述灵敏度温度补偿电阻(R01、R02)中至少有一个为可调电阻。

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