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      合金薄膜電阻應變式壓力傳感器的發展史

         來源:   發表日期:2022年03月05日    瀏覽次數:

        我國國防、航空航天、工業生產和自動控制,如運載火箭燃料室的壓力測量、發動機燃燒室壓力監測、供油壓力、導彈飛行的平衡控制以及石油工業的井下壓力測量等,都需要高精度、高穩定性、耐惡劣環境的壓力傳感器,而且大多需要金屬彈性襯底的薄膜電阻應變壓力傳感器,因為金屬的機械性能優良,耐高溫性能和耐腐蝕性能都很好,而薄膜電阻應變壓力傳感器敏感度高,能適應現代科技發展的要求。

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

        壓力傳感器制備工藝進展

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

        合金薄膜應變壓力傳感器的工作原理可簡述為:壓力引起電阻變化,通過電阻值變化轉換為輸出電壓變化,實現對壓力的準確測量。薄膜彈性元件質量的優劣直接影響到傳感器的性能及精度。

        利用電阻應變效應制造的電阻應變式壓力傳感器經歷了以下3 個發展階段:絲式電阻應變壓力傳感器、箔式電阻應變壓力傳感器和薄膜電阻應變壓力傳感器。

        絲式電阻應變壓力傳感器主要由金屬絲作為轉換元件,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、穩定性差、精度不高。

        隨著半導體制造技術的發展,特別是光刻技術的發展,人們又成功研制出箔式電阻應變式壓力傳感器。它的轉換元件是箔式應變片,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方形, 表面積大、散熱性能好、柵條均勻、尺寸小、應變片薄,所以相對于絲式電阻應變傳感器, 箔式電阻應變式壓力傳感器的溫度特性和精度都有了非常大的提高,能滿足一般的自動控制和測量的需要。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境下使用一定時間后,其力學性能明顯變差,致使傳感器穩定性變差,蠕變與遲滯增大。所以粘貼式傳感器不能滿足惡劣環境下使用。

        隨著現代科技的飛速發展,許多工業生產和自動控制,如運載火箭燃料室的壓力測量、導彈飛行的平衡控制以及石油工業的井下壓力測量等,都需要在耐高溫、耐腐蝕惡劣環境下工作的壓力傳感器,這就促使人們采用新的技術和工藝手段來開發制作新型壓力傳感器,因此金屬彈性襯底的金屬薄膜應變壓力傳感器便應運而生了。

        金屬薄膜應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、云母等無機材料)上濺射沉積一層導電金屬薄膜,再采用光刻技術制成應變電阻,然后在應變電阻上濺射一層SiO2、Al2O3等絕緣保護膜來保護應變電阻,使其不暴露于大氣,以免電阻條被氧化。如果是金屬彈性襯底,一般應首先在金屬彈性襯底上濺射一層或多層絕緣膜(如SiO2、Si3N4、Al2O3 等)。

        相對于絲式與箔式壓力傳感器,薄膜應變式壓力傳感器在性能上有很大提高,能適應惡劣的環境。但是直接在金屬彈性襯底上濺射或沉積薄膜需要解決3 個問題:高質量金屬彈性襯底表面的制備、薄膜與襯底間的強粘附性、金屬彈性襯底與納米薄膜電阻間的高絕緣性等關鍵技術。目前,這仍然是一個尚待解決的技術難題。


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