高可靠薄膜高温压力传感器的研制初步方案
一、国内外研究状况
国外最典型的高温薄膜压力传感器是硅-蓝宝石薄膜压力传感器，代表生产厂商有俄罗斯工业集团，其测量介质温度范围为-65℃～150℃，传感器补偿工作温度为-40℃～80℃。其他目前正在研究的有SiC高温压力传感器以及SOI材料制作的高温压力传感器，但工艺尚不成熟。美国公司生产一种半导体高温压力传感器，工作温度可达300℃，但是需要通水冷却。
我国的高温薄膜压力传感器技术研究虽然相对国外比较滞后，目前只有少数厂家正在研制高温传感器，但大多数产品的工作环境温度为-40℃～125℃，介质工作温度-50℃～150℃，目前的制造工艺还不太成熟。
二、研究目标、主要技术指标及研究内容
（一） 研究目标
通过对离子束溅射镀膜、离子束溅射刻蚀等工艺进行研究，将合金薄膜电阻集成在感压膜片上，然后通过电路处理，将感受的外部压力变化转化为电信号的变化，制作出满足应用的设计需要和装机要求的分体式高温薄膜压力传感器。形成完整的研制报告和工艺技术文件，固化生产工艺。
（二） 主要技术指标
1、压力测量范围：0～120MPa；2、工作温度：-55℃～200℃；3、测量精度；±0.1%FS；4、输出信号：模拟信号；5、过载：150%；6、绝缘电阻；≥1000MΩ/100VDC；7、振动、冲击：按照GJB150中的相关内容；8、湿热要求：按照GJB150中的相关内容；9、电磁兼容性：满足GJB151-97和GJB152-97的要求。
（三） 研究内容
要制作符合既定性能的军用高温薄膜压力传感器，重点在工艺研究，本项目主要研究内容如下：
1、应变基底材料的研究；2、离子束溅射镀膜的工艺研究；3、薄膜电阻的稳定性处理工艺研究；4、激光调阻工艺研究；5、传感器的抗强电磁干扰设计。
三、拟采取的研究技术路线及关键技术难点
（一）技术路线
根据传感器的性能指标要求，高温薄膜压力变送器分为两部分：敏感元件部分（图31）信号处理电路部分。基本路线是在泽天传感现有的技术基础上，重点解决弹性材料和封装材料的耐高温问题，重点研究制造性能稳定、耐高温的多层复合薄膜，设计抗强电磁干扰的电路。
采用离子束溅射镀膜技术将绝缘膜和合金电阻材料镀在高温性能好的金属弹性体上，经过光刻腐蚀制成栅条应变电阻，使被测压力转化成弹性体的形变，进而引起合金薄膜应变电阻的阻值变化，通过组成惠斯登电桥获得与压力成一定比例关系的电信号。
（二）关键技术难点
1、高温薄膜淀积工艺研究
实现高精度测量的桥式薄膜温度压力集成传感器，薄膜的性能质量是关键。对组成传感器的各种功能膜的质量要求主要有以下几点：
a. 同种电阻材料的温度系数一致、稳定；b. 同种电阻材料的电阻率一致、稳定；c. 绝缘膜的绝缘性能好，大于1000MΩ/100VDC；d. 保护膜致密，能防电阻受潮与氧化，抗腐蚀性强；e. 引线焊盘的膜层可焊性好。
膜层的性能与成膜工艺过程有关。镀膜的方式、镀膜的溅射能量、成膜时间等都将影响所镀膜层的质量。要获得高性能的薄膜，就必须对成膜的工艺进行研究，找出最适合的工艺参数。
在桥式薄膜温度压力传感器中，共设计了绝缘膜、铂热电阻膜、合金电阻膜、保护膜、引线膜五种。要制造好薄膜传感器，就必须对主要的功能膜的工艺一一进行研究。
为了获得优良的绝缘性能，设计薄膜温度压力传感器的绝缘层采用双层绝缘膜形式，即先在基底材料上镀一层绝缘膜，再在其上溅射不同材料的绝缘膜。增强弹性元件衬底之间的粘附，提高绝缘与耐压，从而保证获得大于1000MΩ/100VDC的绝缘膜。薄膜厚度不一样，成膜的结晶过程不一样，膜层的性能也就有差别。设计合适的薄膜厚度，使薄膜电阻性能更接近于体材，有利于产品稳定性的提高。通过工艺实验研究，找到最佳镀膜参数与镀膜时间，确定薄膜厚度，可以获得高性能的电阻膜。为了保证薄膜的稳定性，不受环境的影响，比如受潮、氧化、腐蚀等，设计在电阻膜的表面溅镀一层膜保护膜。
2、薄膜的处理工艺
薄膜电阻的稳定性性处理包含两个方面，一是温度系数的稳定性，还有一个是电阻阻值的稳定性，这两方面都是影响薄膜压力传感器的精度的重要因素。
薄膜的稳定性与以下几方面有关：1）材料本身的性能；2）成膜的工艺条件；3）薄膜的稳定性处理工艺（包含热处理工艺与保护膜工艺）。
在确定的材料和成膜工艺下，只有通过后期的处理来提高产品的性能。未经处理的热电阻性能不稳定，电阻值容易发生漂移，温度系数也比标称值小。镀膜以后的热处理工艺对电阻膜的质量起重要作用，有效的热处理可以减少薄膜缺陷、位错等，从而改善薄膜的温度电性能。而薄膜电阻热处理工艺研究，主要在于热处理温度的高低、温度上升速率、保温时间和热处理的气氛对电阻稳定性的影响。热处理的工艺形式多样，有通大气、通N2气、真空热处理或多种形式相结合。不同的处理方式对薄膜的稳定性影响不同。如：金属薄膜在空气中进行热处理时，可能会吸氧，影响电阻的稳定性，可以在镀保护膜后再进行热处理。在合适的镀膜参数、合理的版图设计、恰当的热处理工艺下，可以获得高稳定性的电阻膜。在前期的薄膜研究基础中，通过这些方面的工艺研究，获得了高性能的合金薄膜电阻。本文源自泽天传感，版权所有，转载请保留出处。