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薄膜压力传感器敏感芯体薄膜的结构及技术要求

2019-11-30 16:45:48  来源:大河网   阅读:2

    薄膜压力敏感芯体的功能薄膜一般采用多层薄膜结构,这些功能薄膜一般是采用真空离子束溅射工艺生产,由于敏感薄膜厚度一般在100nm以下,因此我们也称其为纳米薄膜,采用离子束溅射工艺生产制造的有时称为纳米薄膜压力传感器。泽天是这种薄膜压力传感器的专业制造厂家。


    薄膜压力传感器的薄膜衬底是圆形特种材料金属弹性体。第一层功能薄膜是起隔离作用的介质绝缘薄膜,通常采用SiO2、Al2O3或复合结构。第二层薄膜是起应变作用的金属敏感薄膜,通过光刻工艺形成电桥应变,成为压力敏感芯体的核心,其材料业内一般采用Ni-Cr合金、NiCrMnSi合金制备。第三层是钝化保护介质薄膜,这层薄膜主要用来保护应变电阻和隔离空气、水气,防止应变薄膜氧化、腐蚀等造成应变电阻的不稳定性。钝化保护介质薄膜一般是采用SiO2、Al2O3等材料。第四层薄膜是金丝引线用的窗口镀金薄膜,它与应变电阻膜接触,实现电气引出。


    根据薄膜压力传感器的薄膜所起作用的不同,对各层薄膜的质量要求也不同,对于绝缘薄膜,要求应变电阻与传感器的壳体间的绝缘性电阻为100000MΩ以上,耐压100VDC以上,而绝缘电阻5000MΩ以上。同时,绝缘薄膜与弹性体的表面粘附力高。在量程范围内,弯曲变形超过10000000次循环不失效。要求绝缘薄膜与弹性体的热膨胀系数基本一致,不因它们之间的差异引起内应力,从而造成传感器的输出不稳定,对制成的薄膜压力传感器蠕变要小。除金属弹性体的严格热处理外,要求沉积在其上的介质绝缘薄膜附着力高、致密无针孔、空洞等缺陷。如有蠕变产生,则会增加零点漂移误差,降低传感器的非线性。绝缘薄膜含杂质量少,无吸附气体。这样,能防止使用过程中杂质的迁移和气体释放所造成绝缘性能降低,漏电流增大,甚至绝缘失效。总之,介质绝缘膜层要具有高的电阻系数;高的击穿电压;优良的绝缘性能;对弹性体的良好附着性;良好的弹性变形的传递性;高的热稳定性。


    对于应变金属敏感薄膜,由于采用多种材料成分,一般是要求形成薄膜后的组成成分与体材一致,这样保证它的温度系数和灵敏度不变。对Ni-Cr薄膜而言,应变金属敏感薄膜在热处理后残余应力要尽可能小。残余应力的存在,将引起零点漂移误差。要求沉积的应变金属敏感薄膜与介质绝缘薄膜的热膨胀系数尽可能一致;薄膜的厚度应该在保证稳定的连续薄膜的平均厚度的前提下,尽量控制薄膜的理想厚度。膜太厚,膜内晶格缺陷引起畸变增加,内应力增大,另外阻值也不稳定;膜太薄,薄膜是不连续的,不能通过热处理使其稳定。同时考虑到电阻值要高,桥阻控制在(3~6)KΩ, 应变金属敏感薄膜的方块电阻应为50Ω左右。其膜厚大约为(50~90)nm。电阻值高,功耗小,可减少自热引起电阻的不稳定。制成的应变电阻阻值在很宽的温度范围内稳定例如传感器的稳定性要求为0.1%FS,那么电阻的变化量应小于0.05%范围。对于长期工作稳定性要求,则电阻稳定性要求小于0.001%。保证这样高的电阻稳定性,其难度较大,需要采用一些特殊成份的材料改性技术,使其电阻稳定性尽量小。总之,应变金属敏感薄膜层要具有电阻率对应变的灵敏度高;应变检测受温度影响小;高的电阻率;低的温度电阻系数;可靠的化学和结构稳定性。


    对于钝化保护介质薄膜的要求除了热膨胀系数,粘附性要求以外,膜的厚度不能太厚,太厚容易龟裂损坏。一般在非常致密膜的情况下,尽可能的薄,大约300nm左右。钝化保护介质薄膜层要具有高电气绝缘性;良好的防潮性与附着性;耐高温(300度以上);离子渗透的高抗性;低应力。


    对于引线区窗口镀金薄膜,要求薄膜附着力好,球焊时不易剥离,也不能损坏绝缘层。因此窗口镀金薄膜一般较厚约1500 nm。这层薄膜是金制备而成,金是重金属,易扩散穿透Ni-Cr、SiO2 层引起绝缘损坏。所以Ni-Cr和SiO2层有一定的厚度,甚至需增加导电的阻挡层,防止金穿透。引线窗口镀金薄膜层要具有与应变层良好的电气连接;低电阻率;与后序加工的兼容性;高的热稳定性;良好的附着性;电阻温度系数与应变层相匹配。


    综上所述,薄膜压力传感器对各层薄膜质量总的要求主要是机械特性与电气特性。机械特性包括:薄膜的附着力,内应力,热应力,受力形变后弹性好,热膨胀系数小等。电气特性主要是介质膜的绝缘性能好,击穿强度高,漏电流小,金属薄膜的方块电阻适中,电阻值的稳定性好。薄膜压力传感器薄膜的机械特性、电特性,主要依赖于薄膜制备设备及制备工艺技术,由于薄膜形成过程非常复杂,即使是同一生产设备制造的薄膜,其质量差异有时也有较大的差异。本文源自泽天电子,版权所有,转载请保留出处。


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