专利名称：用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及压力传感器的产品制造技术，尤其是涉及用离子束溅射硅材料制 造压力传感器的核心部件即压力应变器件。
背景技术：
压力传感器作为现代信息化工业的一个关键器件，其特性和用途主要取决于其核 心部件敏感元件的技术和工艺。随着现代工业技术的不断发展，敏感元件的技术日新月异，主要体现在采用不同 力学结构的弹性体元件、或者采用各种新材料、又或者采用各种新的工艺技术和手段、又甚 而基于创新的物性原理等等。基于金属电阻应变效应或半导体压阻效应的技术及产品仍然占据重要地位和份 额。然而传统的金属电阻应变式技术特点是采用有机胶将箔式金属电阻应变片粘贴 在弹性元件上，有机胶既起粘结作用又起电气隔离作用。众所周知这类技术的产品性能有 许多不足和缺点体现在胶容易随时间的老化导致绝缘性能下降粘结强度不稳定从而导致 传感器蠕变，长期稳定性差等，特别是在恶劣的环境如高温高湿、高频压力工况等情况下尤 甚；金属箔式应变片的另一显著缺点是灵敏度低，其灵敏系数只有1 2毫伏每伏；在生产 工艺上由于需要手工粘贴导致重复性和一致性差以及规模生产效率低下。为克服上述缺点出现了薄膜式技术及相应的产品，其显著地消除了蠕变和改善了 长期稳定性，其技术特点是针对不同的应变材料采用相应不同的薄膜工艺如真空蒸发、磁 控溅射、各种物理化学气相沉积的办法制作电气隔离层和应变电阻，相对于以上薄膜工艺 采用离子束溅射沉积技术制作的薄膜具有显著的优点即非�：玫谋∧ぶ旅苄浴⒂氤牡椎母� 着力强和均勻可控的晶态结构。目前离子束溅射沉积薄膜主要仍用于传统的金属应变材料如镍铬合金薄膜，其灵 敏系数很低的不足依然存在，应变计灵敏系数低就必然要求传感器弹性元件设计时输出较 高的应变，这就必然降低传感器的耐疲劳度和高过载抗冲击能力，而这些都是现代工业应 用对传感器期盼的性能要求。另外采用离子束溅射沉积薄膜工艺以金属材料作为弹性体元件时，需要制作一层 电气绝缘层将应变层与金属弹性元件基底作电气隔离，通常的做法仍然是用离子束溅射绝 缘材料如二氧化硅(Si02)，五氧化二钽(Ta205)，或氧化铝(A12CX3)等，但这类金属氧化物 材料的溅射时间都很长，通常100纳米的厚度需要八个小时以上，而且用薄膜做电气隔离 层时，要求弹性体表面质量非常高，达到镜面的要求且无任何表面的微观缺陷如划痕、凹坑 等，这势必要对弹性元件表面做非常严格而复杂的预先处理如研磨和镜面抛光等，严重地 影响生产效率和成品率，这也是金属薄膜压力传感器难以实现批量化生产的关键原因。硅作为压力传感器的材料具有灵敏度高晶态稳定等许多优异特性，其应用多以硅 本身作为弹性材料的扩散硅充油敏感元件技术，也有以硅材料用各种物理化学气相沉积法成长在硅弹性体或金属弹性体上的绝缘膜(绝缘膜也用气相沉积法形成如二氧化硅Si02) 上的，但由于这类薄膜工艺所制成的薄膜的诸多缺点如成膜疏松、致密性不好、附着力不强 等难以实现商业化、工业化批量生产。
实用新型内容为了解决现有技术中存在的技术问题，本实用新型提出了一种灵敏度高、制作工 艺简便、性能稳定可靠、适合于大批量生产的硅薄膜压力应变器件，该器件用离子束溅射沉 积方法将其制作。本实用新型通过采用以下的技术来实现设计制造一种用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，所述压力应变器件包 括一引压连接体；与引压连接体制作在一起的金属弹性膜片；金属弹性膜片上有第一层的电气隔离层；在电气隔离层之上，有第二层为硅薄膜压阻层；在压阻材料层之上有绝缘介质胶覆盖，形成第三层保护层，所述金属弹性膜片、电 气隔离层、硅薄膜压阻层、保护层共同形成硅薄膜应变器件。所述电气隔离层厚度小于150微米。所述硅薄膜压阻层厚度小于1微米。在所述硅薄膜压阻层上有微细刻蚀加工工艺刻蚀而成的应变片物理形状结构，并 进一步将用硅薄膜压阻层制成的一个以上的应变电阻连接成惠斯登电桥，该电桥在激励电 压的作用下输出毫伏级电压信号，该信号与弹性膜片所受压强成正比。引压连接体和金属弹性膜片的连接结构形式包括，金属弹性膜片直接焊接在引 压连接体上；引压连接体材料和金属弹性膜片的材料都是金属材料。或者，引压连接体和金属弹性膜片是由单体金属加工成二者合一的无焊缝、无密 封圈密封的一体化结构；引压连接体材料和金属弹性膜片的材料都是金属材料。与现有技术相比较，本实用新型采用硅作为薄膜压阻材料所制作的压力应变器 件，由于其采用低能离子束溅射硅材料的方法，使得硅材料以纳米尺度逐层沉积，所形成的 薄膜致密性、稳定性好、与衬底附着力强，从而本实用新型的压力应变器件灵敏度高、寿命 长，稳定性好，同时本实用新型工艺简便，成品率高，适合于大批量生产。
图1是本实用新型用溅射法制作的硅薄膜压力应变器件示意图；图2是在本实用新型用溅射法制作的硅薄膜压力应变器件的硅薄膜压阻层上用 微细刻蚀加工工艺刻蚀应变片物理形状结构后，所形成的应变电阻连接成惠斯登电桥的电 原理图。
具体实施方式
为了进一步说明本实用新型，现结合本实用新型的一个优选实施例进行详细说 明，然而所述实施例仅为提供说明与解释之用，不能用来限制本实用新型的专利保护范围。如图1 图3所示，设计制造一种用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，所述 压力应变器件包括一引压连接体1;与引压连接体1制作在一起的金属弹性膜片2 ；金属弹性膜片2上有第一层的电气隔离层31 ；在电气隔离层之上，有第二层为硅薄膜压阻层32 ；在压阻材料层之上有绝缘介质胶覆盖，形成第三层保护层33，所述金属弹性膜片 2、电气隔离层、硅薄膜压阻层、保护层共同形成硅薄膜应变器件3。所述电气隔离层厚度小于150微米。所述硅薄膜压阻层厚度小于1微米。如图1、图2所示，在所述硅薄膜压阻层32上有微细刻蚀加工工艺刻蚀而成的应变 片物理形状结构，并进一步将用硅薄膜压阻层制成的一个以上的应变电阻R1-R4连接成惠 斯登电桥，该电桥的接头11、12在激励电压的作用下，接头13、14输出毫伏级电压信号，该 信号与弹性膜片所受压强成正比。引压连接体和金属弹性膜片的连接结构形式包括，金属弹性膜片直接焊接在引 压连接体上；引压连接体材料和金属弹性膜片的材料都是金属材料。或者，引压连接体和金属弹性膜片是由单体金属加工成二者合一的无焊缝、无密 封圈密封的一体化结构；引压连接体材料和金属弹性膜片的材料都是金属材料。本实用新型的硅薄膜应变器件3，当金属弹性膜片2改换为其它结构，如测力用传 感器的弹性体元件时，本实用新型亦可应用于测力传感器。本实用新型的，是采用低能离子束溅射硅材料的方法制得的，薄膜压阻材料以纳 米尺度逐层沉积，所形成的薄膜致密性、稳定性好，所制作的压力应变器件灵敏度高、寿命 长，稳定性好，本实用新型工艺简便高效，成品率高，适合于大批量生产。以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能 认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干采用硅作为简单推演或替 换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
权利要求1.一种用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，其特征在于 所述压力应变器件包括一引压连接体(1)；与引压连接体(1)制作在一起的金属弹性膜片(2)； 金属弹性膜片(2)上有第一层的电气隔离层； 在电气隔离层之上，有第二层为硅薄膜压阻层；在压阻材料层之上有绝缘介质胶覆盖，形成第三层保护层，所述金属弹性膜片O)、电 气隔离层、硅薄膜压阻层、保护层共同形成硅薄膜应变器件(3)。
2.根据权利要求1所述的用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，其特征在于 所述电气隔离层厚度小于150微米。
3.根据权利要求1所述的用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，其特征在于 所述硅薄膜压阻层厚度小于1微米。
4.根据权利要求1所述的用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，其特征在于 在所述硅薄膜压阻层上有用微细刻蚀加工工艺刻蚀而成的应变片物理形状结构所形成的一个以上的应变电阻，应变电阻并连接成惠斯登电桥以输出与弹性膜片所受压强成比 例的毫伏级电压信号。
5.根据权利要求书1所述的离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，其特征在于 引压连接体(1)和金属弹性膜片( 的连接结构形式包括，:金属弹性膜片( 直接焊接在引压连接体(1)上；引压连接体(1)材料和金属弹性膜片O)的材料都是金属材料。
6.根据权利要求书1所述的离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，其特征在于 引压连接体(1)和金属弹性膜片( 是由单体金属加工成二者合一的无焊缝、无密封圈密封的一体化结构；引压连接体(1)材料和金属弹性膜片( 的材料都是金属材料。
专利摘要一种用离子束溅射硅薄膜制作的压力应变器件，包括一引压连接体，以及与引压连接体制作在一起的金属弹性膜片；在金属弹性膜片上，有应用印刷烧结方法或溅射法制作第一层的电气隔离层；在电气隔离层之上，有应用离子束溅射沉积方法制成的硅薄膜压阻层；在硅薄膜压阻层上有用微细刻蚀加工工艺刻蚀成德应变片物理形状结构；一介质胶料作为保护层塗覆在压阻材料层之上。本实用新型压力应变器件由离子束溅射硅薄膜制作，硅材料以纳米尺度逐层沉积，所形成的薄膜致密性、稳定性好，所制作的压力应变器件灵敏度高、寿命长、稳定性好，同时采用印刷烧结法制作的电气隔离层工艺简便、成品率高，适合大批量生产。
文档编号G01L9/04GK201926529SQ201020701490
公开日2011年8月10日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者欧阳德利 申请人:东莞市百赛仪器有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
