研制能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境測(cè)壓要求的壓阻式薄膜傳感器，其關(guān)鍵技術(shù)在于合金敏感薄膜的制備。高電阻穩(wěn)定性的合金敏感薄膜是保證壓力傳感器在各種惡劣環(huán)境下仍具有穩(wěn)定的高靈敏度的關(guān)鍵。

 

1、壓力傳感器制備工藝進(jìn)展

 

典型合金薄膜應(yīng)變壓力傳感器的功能模塊主要由彈性敏感元件、轉(zhuǎn)換元件等部分組成。彈性敏感元件是將被測(cè)物理量預(yù)先轉(zhuǎn)換為一種易于變換成電信號(hào)的物理量的部件。轉(zhuǎn)換元件是能將感受到的物理量直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的部件。

 

合金薄膜應(yīng)變壓力傳感器的工作原理可簡(jiǎn)述為：壓力引起電阻變化，通過電阻值變化轉(zhuǎn)換為輸出電壓變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的準(zhǔn)確測(cè)量。薄膜彈性元件質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到傳感器的性能及精度。

 

利用電阻應(yīng)變效應(yīng)制造的電阻應(yīng)變式壓力傳感器經(jīng)歷了以下3 個(gè)發(fā)展階段：絲式電阻應(yīng)變壓力傳感器、箔式電阻應(yīng)變壓力傳感器和薄膜電阻應(yīng)變壓力傳感器。

 

 

絲式電阻應(yīng)變計(jì)

 

絲式電阻應(yīng)變壓力傳感器主要由金屬絲作為轉(zhuǎn)換元件，用膠粘貼在敏感元件上。由于圓截面的金屬絲與變形表面結(jié)合不夠緊密，而且電阻絲末段輸出線接頭不易焊接，焊接接頭極易損壞，所以該類傳感器壽命短、穩(wěn)定性差、精度不高。

 

 

 

箔式電阻應(yīng)變計(jì)

 

隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展，特別是光刻技術(shù)的發(fā)展，人們又成功研制出箔式電阻應(yīng)變式壓力傳感器。它的轉(zhuǎn)換元件是箔式應(yīng)變片，其敏感柵是通過光刻、腐蝕工藝等制成，箔合金材料為康銅或改性鎳鉻合金。由于箔敏感柵斷面為長(zhǎng)方形, 表面積大、散熱性能好、柵條均勻、尺寸小、應(yīng)變片薄，所以相對(duì)于絲式電阻應(yīng)變傳感器, 箔式電阻應(yīng)變式壓力傳感器的溫度特性和精度都有了非常大的提高，能滿足一般的自動(dòng)控制和測(cè)量的需要。但是，由于粘貼膠本身固有的缺陷，膠在較高溫度和較大濕度等惡劣環(huán)境下使用一定時(shí)間后，其力學(xué)性能明顯變差，致使傳感器穩(wěn)定性變差，蠕變與遲滯增大。所以粘貼式傳感器不能滿足惡劣環(huán)境下使用。

 

 

 

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，許多工業(yè)生產(chǎn)和自動(dòng)控制，如運(yùn)載火箭燃料室的壓力測(cè)量、導(dǎo)彈飛行的平衡控制以及石油工業(yè)的井下壓力測(cè)量等，都需要在耐高溫、耐腐蝕惡劣環(huán)境下工作的壓力傳感器，這就促使人們采用新的技術(shù)和工藝手段來(lái)開發(fā)制作新型壓力傳感器，因此金屬?gòu)椥砸r底的金屬薄膜應(yīng)變壓力傳感器便應(yīng)運(yùn)而生了。

 

金屬薄膜應(yīng)變壓力傳感器的敏感薄膜是采用真空沉積或真空濺射等方法制成：直接在彈性襯底（表面有絕緣層的金屬或石英、云母等無(wú)機(jī)材料）上濺射沉積一層導(dǎo)電金屬薄膜，再采用光刻技術(shù)制成應(yīng)變電阻，然后在應(yīng)變電阻上濺射一層SiO2、Al2O3等絕緣保護(hù)膜來(lái)保護(hù)應(yīng)變電阻，使其不暴露于大氣，以免電阻條被氧化。如果是金屬?gòu)椥砸r底，一般應(yīng)首先在金屬?gòu)椥砸r底上濺射一層或多層絕緣膜（如SiO2、Si3N4、Al2O3 等）。

 

相對(duì)于絲式與箔式壓力傳感器，薄膜應(yīng)變式壓力傳感器在性能上有很大提高，能適應(yīng)惡劣的環(huán)境。但是直接在金屬?gòu)椥砸r底上濺射或沉積薄膜需要解決3 個(gè)問題：高質(zhì)量金屬?gòu)椥砸r底表面的制備、薄膜與襯底間的強(qiáng)粘附性、金屬?gòu)椥砸r底與納米薄膜電阻間的高絕緣性等關(guān)鍵技術(shù)。目前，這仍然是一個(gè)尚待解決的技術(shù)難題。

 

2、壓力敏感合金薄膜的制備方法

 

薄膜制備的方法可分為物理方法和化學(xué)方法兩大類。制備合金薄膜主要采用物理氣相沉積（PVD）法，它又可分為真空蒸發(fā)法與濺射法兩種。

 

（1）真空蒸發(fā)法

 

蒸發(fā)法是在真空下將蒸發(fā)源加熱，由于蒸發(fā)室內(nèi)被蒸發(fā)物質(zhì)的分壓低于該物質(zhì)的平衡蒸氣壓，源物質(zhì)就會(huì)變?yōu)闅鈶B(tài)，并沉積在基片上形成薄膜。相對(duì)于濺射法的優(yōu)點(diǎn)是：相對(duì)較高的真空度，較高的沉積速率。但蒸發(fā)法沉積薄膜有方向性，存在厚度均勻性差和粘附性差，成分及微觀組織難以控制等缺點(diǎn)。

 

（2）濺射法

 

濺射法是利用帶有電荷的離子在電場(chǎng)中加速后具有一定動(dòng)能的特點(diǎn)，將離子引向欲被濺射的靶電極。入射的離子與靶原子發(fā)生碰撞并將其濺射出來(lái)。這些被濺射出來(lái)的原子帶有一定的動(dòng)能，并且會(huì)沿著一定的方向射向襯底，從而實(shí)現(xiàn)在襯底上沉積薄膜的目的。目前較常采用的方法有磁控濺射法、離子束輔助沉積法等。

 

直流/射頻磁控濺射方法

 

使用直流濺射可以很方便地濺射沉積各類金屬薄膜，但前提是靶材應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性， 導(dǎo)電性太差就需要大幅度增加電壓。射頻（5~30 MHz）濺射是適用于各種非金屬材料的一種濺射沉積方法。采用高頻電源可以使靶材不受到導(dǎo)電性約束。磁控濺射的主要特點(diǎn)是將永久磁鐵或電磁線圈放置在靶的后方，在空間獲得磁場(chǎng)與電場(chǎng)垂直的等離子體區(qū)，從而延長(zhǎng)了電子運(yùn)動(dòng)軌跡，提高了電子參與原子碰撐和電離的幾率。磁控濺射技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）高的濺射速率；2）基片的工作溫度較低；3）膜層緊密，附著力強(qiáng)；4）均勻性好，臺(tái)階攫蓋性好；5）膜層純度高。磁控濺射技術(shù)已成為當(dāng)代大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中不可缺少的關(guān)鍵技術(shù)。磁控濺射設(shè)備是許多國(guó)家在大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備， 國(guó)內(nèi)也有許多生產(chǎn)廠家引進(jìn)了各種類型的磁控濺射設(shè)備，但就性能而言引進(jìn)的大多數(shù)設(shè)備都比國(guó)外生產(chǎn)線中的設(shè)備要差，國(guó)產(chǎn)的同類設(shè)備則更差一些。

 

離子束濺射薄膜

 

離子束濺射薄膜設(shè)備的工作原理是采用低能（幾十電子伏特到1000 eV）離子束轟擊固體表面，入射一個(gè)離子從固體表面上把一個(gè)原子轟擊出來(lái)，而入射的離子也跟隨離去，對(duì)近旁的固體原子位置不造成任何影響。離子轟擊固體原子完全是彈性碰撞過程，根據(jù)核物理理論可以精確描述在該能量范圍內(nèi)如何產(chǎn)生單原子層的逸出。這樣在襯底上就能沉積成單原子層的薄膜（納米膜）。采用多離子束轟擊（或共轟擊）靶材，以動(dòng)能轉(zhuǎn)換靶原子搬遷新技術(shù)，將靶原子轟擊出來(lái)，并以納米尺寸的粒子有序沉積形成厚度為幾納米至幾微米的薄膜， 能獲得大面積致密、平整光潔、無(wú)污染、內(nèi)應(yīng)力小、幾乎無(wú)缺陷的優(yōu)質(zhì)薄膜。它與真空蒸發(fā)、等離子體濺射（直流、高頻磁控濺射）等設(shè)備相比具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前和未來(lái)獲得高質(zhì)量單質(zhì)、合金、絕緣介質(zhì)的單層和多層薄膜的最有前途的薄膜沉積設(shè)備。