一、濺射膜壓力溫度集成變送器項目研制背景、意義

傳感技術(shù)是新技術(shù)革命和信息技術(shù)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，是信息技術(shù)中采集、處理、傳播三大關(guān)鍵技術(shù)之一，涉及國民經(jīng)濟(jì)、國防科研、部隊武器裝備研制和保障的各個領(lǐng)域，各發(fā)達(dá)國家都將傳感技術(shù)視為現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，將它作為本世紀(jì)重點(diǎn)技術(shù)加以發(fā)展。傳感器在軍事上的作用得到世界各國的重視，需求逐年上升，以美國為例，軍事上用來測溫度、壓力等五種主要傳感器年平均增長率達(dá)12%，約占傳感器市場總額的15%，1995年產(chǎn)值12.5億美元。其中溫度傳感器與壓力傳感器的用量最多。

溫度與壓力是傳感器中應(yīng)用最廣泛的兩種，在航天、航空、導(dǎo)彈、各類武器裝備中都需要對介質(zhì)的溫度與壓力進(jìn)行測量與控制。一般測試系統(tǒng)是通過溫度傳感器與壓力傳感器兩個傳感器對這兩種參數(shù)同時進(jìn)行測量。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，集成化、智能化是測量儀表發(fā)展的趨勢，傳感器技術(shù)也在集成、智能與數(shù)字化上大力發(fā)展。由于對同點(diǎn)介質(zhì)溫度與壓力同時測量的場合相當(dāng)多，將壓力與溫度測量進(jìn)行集成，由同一傳感器實現(xiàn)，簡化安裝與調(diào)試，具有廣泛的軍事應(yīng)用前景。

國外能同時測量溫度壓力的傳感器，部分產(chǎn)品的溫度是通過電路中集成芯片對環(huán)境溫度的一個測量，這種測量方式不能準(zhǔn)確反應(yīng)引壓端介質(zhì)的溫度，只是給壓力傳感器提供一個溫度補(bǔ)償參考；部分在壓力傳感器內(nèi)置一個熱電偶或鉑電阻溫度傳感器，但受封裝的影響，最高量程只能做到25MPa左右，美國公司的溫度壓力集成傳感器產(chǎn)品外采用的是鉑電阻溫度傳感器，輸出標(biāo)準(zhǔn)電阻值。

新溫度壓力集成傳感器的研究主要是將測壓與測溫的敏感件在同一硅杯上集成，利用壓阻式或電容式測量壓力，采用半導(dǎo)體二極管測量溫度，這還處于研制階段。國內(nèi)現(xiàn)有的壓力、溫度集成的傳感器采用熱電偶、熱電阻測溫，采用壓阻或應(yīng)變測量壓力，通過兩個接口連接，輸出信號再接處理電路，處理電路與測量點(diǎn)分開，這種方式的集成度不高，結(jié)構(gòu)不緊湊。

對于嚴(yán)酷的戰(zhàn)場環(huán)境，軍用傳感器的抗環(huán)境性能要求高，對工作的可靠性要求高，要求微結(jié)構(gòu)，要求信號標(biāo)準(zhǔn)化易于采集、控制與處理。在高振動、沖擊、粉塵、酸堿等惡劣環(huán)境下，熱電偶、熱電阻及二次儀表在測量精度與測量可靠性上都將受到影響。

半導(dǎo)體傳感器，具有體積小、重量輕、工藝成本較低等特點(diǎn)，在武器裝備中應(yīng)用廣泛，國內(nèi)有引進(jìn)芯片的生產(chǎn)廠，自行研制的工藝水平較低，無法批量生產(chǎn)。半導(dǎo)體傳感器對溫度較敏感，不耐腐蝕，大多數(shù)測量場所應(yīng)用的產(chǎn)品密封腔和充油腔，因此抗振動、沖擊和耐高、低溫性能有限。

在20世紀(jì)80年代之后，德國、俄羅斯等國也相繼開發(fā)出利用磁控濺射等方法制造的濺射膜傳感器，它的優(yōu)良性能突顯出來，得到了實際應(yīng)用。目前，該類傳感器主要用于軍事、核工業(yè)、油井等惡劣環(huán)境下的壓力測試。例如美國用于阿波羅飛船、Viking火星探測器（CEC公司產(chǎn)1000-02型）,俄羅斯用于聯(lián)盟號飛船和暴風(fēng)雪-能源號航天飛機(jī)（奔薩研究所產(chǎn)BT-212型）,法國用于阿迪亞娜Ⅳ號和Ⅴ號運(yùn)載火箭（Fagor公司產(chǎn)27 N型），僅Viking火星探測器就使用了傳感器8000只，其中溫度和壓力測量點(diǎn)最多。

由于濺射膜傳感器的彈性敏感材料由耐腐蝕不銹鋼制成，可直接與腐蝕性介質(zhì)接觸。濺射膜傳感器的敏感電阻是合金材料，受溫度的影響極小，在-100℃～+250℃范圍內(nèi)的溫度漂移小于50ppm/℃。通過先進(jìn)的離子束鍍膜技術(shù)，制備的濺射膜熱電阻，能在中、低溫區(qū)準(zhǔn)確測量。通過離子濺射與離子刻蝕，將熱電阻與應(yīng)變電阻制備在同一芯片上，進(jìn)行溫度、壓力的測量，可以實現(xiàn)傳感器的高度集成。這種一體化傳感器通過一個接口測量兩種參數(shù)，信號互不干擾，輸出標(biāo)準(zhǔn)的信號，無需外接儀表，測量精度高，性能優(yōu)越，是軍用溫度壓力傳感器的發(fā)展方向。自主開發(fā)和生產(chǎn)高精度的濺射膜溫度壓力集成傳感器，保證軍事上的可靠應(yīng)用，打破國外技術(shù)的封鎖，具有重要軍事意義。

二、項目研制的主要內(nèi)容

(一)研究目標(biāo)    本項目的研究目標(biāo)是:通過對離子束濺射鍍膜、離子束濺射刻蝕等工藝進(jìn)行研究，將濺射膜應(yīng)變電阻與熱電阻在同一敏感芯片上進(jìn)行集成，研制一種新型的濺射膜壓力溫度集成傳感器，同時準(zhǔn)確測量介質(zhì)的溫度與壓力。新型濺射膜溫度壓力集成傳感器具有響應(yīng)快、測量精度高、穩(wěn)定性好、抗振動、沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足航空、航天、軍事裝備、戰(zhàn)場環(huán)境等方面的應(yīng)用。

(二)技術(shù)指標(biāo)   濺射膜溫度壓力一體化變送器主要實現(xiàn)以下技術(shù)指標(biāo)；  測量壓力范圍：    0～60MPa；  測量溫度范圍：   -50℃～150℃；  溫度測量精度：    0.1℃；  壓力測量精度：     0.1級。

(三)研究內(nèi)容    制作符合既定性能的軍用濺射膜溫度壓力集成傳感器，重點(diǎn)在工藝研究，本項目主要研究內(nèi)容如下：

1．敏感元件版圖的設(shè)計

要根據(jù)對溫度與壓力的不同測量要求，選用不同材料，利用不同的原理來實現(xiàn)溫度與壓力在同一芯片上的集成測試。應(yīng)變電阻要獲得高的應(yīng)變系數(shù)、低的溫度敏感性，而熱電阻要有高的溫度靈敏度但對壓力不敏感，這需要結(jié)合成膜的工藝參數(shù)進(jìn)行工藝試驗，在同一敏感芯片上做出合理的版圖設(shè)計。

2．離子束濺射鍍膜的工藝研究

制作新型的濺射膜溫度壓力集成變送器，濺射膜的質(zhì)量至關(guān)重要。采用先進(jìn)的離子束鍍膜技術(shù)，可以獲得性能優(yōu)越的絕緣膜與電阻膜。在工藝研究中，要通過工藝實驗，找到濺鍍各種濺射膜的最佳工藝參數(shù)，保證濺射膜溫度壓力集成變送器的絕緣性能與穩(wěn)定性能滿足項目要求。

3．離子束刻蝕的工藝研究

在基底材料上將濺鍍熱電阻膜與合金電阻膜兩種不同材質(zhì)的濺射膜，通過刻蝕工藝形成兩種柵條電阻。采用先進(jìn)的離子束濺射刻蝕技術(shù)，避免濕法刻蝕的固有缺陷，保證濺射膜電阻的均勻性，從而保證電阻膜橋路的匹配。

4．濺射膜電阻的穩(wěn)定性處理工藝研究

要獲得高可靠、高精度的產(chǎn)品，電阻的穩(wěn)定性和可靠性是基礎(chǔ)。除了鍍膜、刻蝕工藝外，對電阻膜的后期穩(wěn)定性處理也是關(guān)鍵。通過采取一系列的穩(wěn)定性處理措施，如熱處理、膜表面保護(hù)處理、老化處理等，使濺射膜電阻的溫度系數(shù)更加穩(wěn)定并有高的線性度，使膜電阻材料的阻值在測溫范圍內(nèi)具有高穩(wěn)定性。

5．傳感器的補(bǔ)償工藝與信號調(diào)理

同一傳感器測量溫度與壓力，需要對兩路信號進(jìn)行補(bǔ)償與放大。在現(xiàn)有的壓力傳感器的基礎(chǔ)上，補(bǔ)償與信號調(diào)理技術(shù)已成熟，只要針對溫度測量的特點(diǎn)，重新設(shè)計電路對溫度傳感器信號進(jìn)行補(bǔ)償與放大。在電路的設(shè)計過程中，主要考慮的是減少環(huán)境溫度對測量的影響，保證介質(zhì)溫度測量的準(zhǔn)確性。這需要結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計、版圖設(shè)計進(jìn)行。

三、項目研制方案、技術(shù)難度、解決途徑

(一)總體設(shè)計方案

1、濺射膜壓力溫度一體化變送器工作原理設(shè)計：溫度壓力一體化變送器是在同一芯片上實現(xiàn)壓力與溫度的同時測量，輸出兩個標(biāo)準(zhǔn)信號。壓力測量原理是采用先進(jìn)的離子束濺射鍍膜技術(shù)，在圓形平膜片的應(yīng)變區(qū)濺射四個濺射膜合金電阻，連接成Wheastone全橋應(yīng)變電路，通過膜片的形變將壓力轉(zhuǎn)換成合金膜電阻阻值的變化，從而輸出一個與所受壓力值成線性的標(biāo)準(zhǔn)電信號。溫度測量原理是通過離子束濺射鍍膜技術(shù)在平膜片的非應(yīng)變區(qū)濺射一個標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻，將所測液體、氣體的溫度通過平膜片的傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換為熱電阻阻值的變化，通過信號調(diào)理輸出一個與溫度成線性的標(biāo)準(zhǔn)電信號。

2、濺射膜壓力溫度一體化變送器的測量橋路設(shè)計：在本項目中，熱電阻材料選用99.9%的鉑金，在版圖上設(shè)計2個1000Ω左右的鉑金電阻，再與精密金屬膜電阻配成輸入輸出阻抗為2KΩ的電橋橋路，將溫度信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。測量壓力的濺射膜應(yīng)變電阻是根據(jù)電阻的形變來測量壓力值，為獲得盡可能高的應(yīng)變靈敏度，應(yīng)變電阻要處于芯片的最大應(yīng)變區(qū)，而且采用全橋應(yīng)變電路。這種橋路在版圖設(shè)計時帶入濺射膜電阻的零點(diǎn)補(bǔ)償，濺射膜橋路本身具有溫度自補(bǔ)償性，測量介質(zhì)溫度與電路環(huán)境溫度對測量壓力結(jié)果影響非常小，保證測壓的準(zhǔn)確性。

(二)技術(shù)難度

1、濺射膜的制備工藝：新型的濺射膜溫度壓力集成變送器，要求在惡劣環(huán)境中長期穩(wěn)定可靠工作，因此制備高穩(wěn)定性的濺射膜電阻是研究的難點(diǎn)。濺射膜的性能要“再現(xiàn)”原材的性能，還要具備濺射膜材料的優(yōu)點(diǎn)。濺射膜電阻在制作工藝過程中，要盡量去除或減少摻雜、污染、氧化等不利因素，要保證膜層的致密度，保證相同工藝參數(shù)下電阻膜的電阻性能與溫度性能的一致性，保證濺射膜電阻的長期電穩(wěn)定性。

2、鍍膜、光刻的工藝流程設(shè)計：在本項目的研究中，要求制備的功能濺射膜多，為了保證產(chǎn)品的高絕緣程度與耐壓程度，絕緣膜采用雙層絕緣膜形式。對熱電阻膜與合金電阻膜，穩(wěn)定性處理工藝也不相同。膜層多、刻蝕多，集成傳感器工藝復(fù)雜，如何在保證質(zhì)量的前提下，在工藝上實現(xiàn)多層膜的濺鍍、刻蝕與有效熱處理，是濺射膜溫度壓力集成傳感器的工藝難點(diǎn)。

(三)技術(shù)途徑

澤天傳感已有較成熟的濺射膜制備技術(shù)，研制、開發(fā)了多種濺射膜壓力傳感器，對多種金屬材料如銅、金、鎳等的溫度性能有一定的研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行濺射膜熱電阻的研究，實現(xiàn)溫度壓力的集成測量，在技術(shù)上是切實可行的。通過以下技術(shù)途徑，取得工藝、設(shè)計上的突破，實現(xiàn)該項目的目標(biāo)要求，制作高穩(wěn)定性的濺射膜溫度壓力集成變送器。

1．敏感元件版圖的設(shè)計：一般的熱電阻傳感器都制作標(biāo)準(zhǔn)的電阻，對阻值的準(zhǔn)確性要求高，柵條的形狀要結(jié)合濺射膜厚度、電阻值大小、工藝上的可實現(xiàn)性等來設(shè)計。應(yīng)變電阻分別分布于正負(fù)應(yīng)變最大區(qū)域。為了保證熱電阻阻值的精確與合金電阻橋路的匹配，在版圖的設(shè)計中還要帶入濺射膜初步補(bǔ)償電阻，同時要設(shè)計激光調(diào)阻的位置。

2．工藝設(shè)計

2.1 工藝流程設(shè)計：溫度壓力集成變送器中有兩種電阻膜，要保證各層膜的工藝之間不互相干擾，要對濺射膜的成膜工藝過程進(jìn)行設(shè)計。在確定好工藝順序后，就要對每一步具體的工藝過程進(jìn)行試驗，尋找最佳參數(shù)工藝參數(shù)。

2.2 離子束濺射鍍膜的工藝研究：在本項目的研究中，選用離子束濺射鍍膜技術(shù)來進(jìn)行各種功能膜的濺鍍。離子束鍍膜的性能與濺射靶材的性能基本一致，膜層的穩(wěn)定性好。要制造好濺射膜傳感器，就必須對主要的功能膜的工藝一一進(jìn)行研究。濺射膜厚度不一樣，成膜的結(jié)晶過程不一樣，膜層的性能也就有差別。膜厚達(dá)到一定程度，濺射材料成分的細(xì)微變化、膜層雜質(zhì)、光刻腐蝕過程中的差異等對電阻阻值的影響就會減小，這些都有利于濺射膜電阻溫度系數(shù)的一致性與阻值的均勻性。

2.3離子束刻蝕的工藝研究：溫度壓力集成傳感器需要在同一基底上濺射二種不同材質(zhì)的金屬膜，獲得兩種材料的柵條電阻。離子束刻蝕精度高，對各種材料的膜層都適用。完成鍍膜后，對應(yīng)相應(yīng)的電阻膜進(jìn)行柵條形狀的曝光、涂膠，然后再采用離子束刻蝕技術(shù)，對不需保留的電阻膜用離子束轟擊掉。離子束刻蝕提高了刻蝕精度，保證了電阻膜的質(zhì)量與阻值的均勻性。

2.4 濺射膜電阻的穩(wěn)定性處理工藝：濺射膜電阻的穩(wěn)定性性處理包含兩個方面，一是溫度系數(shù)的穩(wěn)定性，還有一個是電阻阻值的穩(wěn)定性。未經(jīng)處理的濺射膜電阻性能不穩(wěn)定，電阻值容易發(fā)生漂移，溫度系數(shù)也比標(biāo)稱值小。

3傳感器的補(bǔ)償工藝與信號調(diào)理：由于工藝誤差的存在，每次鍍膜熱電阻阻值不可能完全一致，同一芯片上的四個應(yīng)變電阻組成的橋路也不能完全匹配，這需要對濺射膜電阻阻值進(jìn)行修正和補(bǔ)償橋路。為保證橋路的匹配性，在設(shè)計柵條電阻的同時，帶入一系列濺射膜補(bǔ)償電阻，通過補(bǔ)償阻值的選取來達(dá)到零點(diǎn)的初步補(bǔ)償。為保證信號的遠(yuǎn)距離傳輸或數(shù)字化處理，設(shè)計信號調(diào)理電路對應(yīng)變壓力信號與熱電阻溫度信號進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的0～5V輸出。在電路的設(shè)計上，參考了澤天傳感原有的成熟電路，著重考慮抗干擾性能。

通過以上技術(shù)途徑進(jìn)行工藝研究，可以獲得高性能的濺射膜，制作出新型的濺射膜溫度壓力集成傳感器。濺射膜溫度壓力集成傳感器響應(yīng)速度快，測試精度高，穩(wěn)定性能好，而且抗環(huán)境性能強(qiáng)，適合各種惡劣環(huán)境領(lǐng)域的壓力溫度測量。在濺射膜壓力傳感器與溫度傳感器的技術(shù)基礎(chǔ)上，研究開發(fā)新型的濺射膜溫度壓力集成變送器，為軍事領(lǐng)域提供高可靠性、高穩(wěn)定性的軍用傳感器，對我國國防事業(yè)的發(fā)展有重大的意義。本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請保留出處。