薄膜壓力傳感器系列10：制造微壓薄膜壓力傳感器的關鍵技術研究

濺射薄膜壓力傳感器由于同時具有綜合精度高、工作溫度范圍寬、長期穩定性好、量程范圍大等優點，廣泛應用于航天、航天、軍工、石化、冶金、核工業、交通等領域，得到用戶的廣泛好評。但是由于其傳統工藝的限制，常規濺射薄膜壓力傳感器不能制造小于1000KPa的產品，在小量程應用領域不能得到很好的應用。

根據廣大用戶的要求，我們著力研究低量程濺射薄膜壓力傳感器產品，重點解決彈性體材料及其加工技術、薄膜制備技術、批量化光刻和調阻技術、產品穩定性技術等方面的技術難題。目前在保持常規薄膜壓力傳感器的精度高、工作溫度范圍寬、長期穩定性好等優點外，使產品的量程范圍降低，彌補了不能測量小量程的缺陷，量程有0～200KPa、0～500KPa、0～1000KPa等多種范圍，同時使其體積縮小，最小可至Φ10×5（單位：mm）。
1、彈性材料及其加工技術
  由于微壓薄膜傳感器彈性材料的厚度將減薄到0.25mm以下，給彈性體加工帶來很大困難。如果仍然采用常規鋼杯形式，在表面機械研磨拋光時帶來很大的困難。我們采用楊氏模量小、熱穩定性好、表面光潔度高的特制材料充當彈性體，取得了滿意的效果。

   彈性體膜片減薄以后，加工是主要難題之一。由于膜片很薄，要保證膜片的厚度尺寸、平行度、光潔度等技術指標，現有壓力傳感器的彈性體的機械研磨拋光加工方法已不能適用，需研究新的彈性材料加工技術、手段和工藝，包括專用加工設備、工裝等。我們采用大片的彈性體材料，通過特殊的化學方法和離子束精密拋光等方法對彈性膜片作減薄、研磨、精密拋光，再利用激光分離技術等手段得到符合要求的彈體，如下圖所示。

2、薄膜制備技術
  采用多層絕緣膜組合方式，是提高彈性體的絕緣性能的有效解決方案，同時要采用低能離子束原子薄膜濺射技術，制備致密、均勻、附著力強、均勻性好的納米薄膜也是最基本的保證。通過以上方法，鍍膜時間大大減少的情況下，彈性體的絕緣強度大于5000MΩ／100VDC。另外，我們研究敏感材料的性能，采用極低溫度系數和較高的靈敏度系數的靶材制作敏感材料，使得傳感器的靈敏度較普通濺射薄膜產品提高３倍，而溫度漂移低至0.001%FS/℃。這使得傳感器的性能得到大大提高，傳感器的整體性能達到世界先進水平。

3、批量化光刻和激光調阻技術

  常規的濺射薄膜壓力傳感器的光刻工藝是一次只能光刻一只或幾只彈性體鋼杯，生產效率非常低。采用大片彈性體材料后，一次可光刻100只彈性體，生產效率提高很多，產品成品率也大大提高。

激光調阻的目的是采用激光束對多層薄膜的應變敏感材料，即組成電橋的薄膜電阻條阻值進行修正，取代人工繞制電阻串聯在橋臂中進行補償的方法，大大提高產品的可靠性和生產效率。下圖是常規彈性體鋼杯和微壓膜片式彈性體對照圖。

4、產品穩定性技術
    穩定性是壓力傳感器重要的指標之一，穩定性技術主要包括：彈性體加工后的應力、薄膜內應力、產品裝配等應力的加速去除技術以及薄膜晶格及結構缺陷的穩定性處理技術等。通過低能離子加速技術制備均勻、致密、結合力好、污染少的優先納米薄膜以及高低溫時效、疲勞、退火、通電老化等多種方法提高產品的穩定性。
    以上關鍵技術的研究和解決，對于提高我國薄膜壓力傳感器產業的整體技術水平具有重要的意義。目前我們研究的極小量程的高性能納米薄膜壓力傳感器可廣泛應用于軍工、食品、醫藥、釀酒、水處理等許多行業或領域。