CN109238524A - 宽温区高精度溅射薄膜压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种宽温区高精度溅射薄膜压力传感器及其制作方法，该传感器中的敏感元件包括设置在压力接口端部的过渡层、绝缘层及电路层；电路层设置压力测量电路及温度补偿电路；转接座固定设置在敏感元件上，多个电连接件在转接座上圆周均匀设置，每个电连接件包括相连接的弧形焊盘及插针，弧形焊盘水平设置在转接座上，插针垂直于转接座设置且底部通过凸块固定；敏感元件的引出信号穿过转接座与弧形焊盘连接；保护板设置在凸块的上方对转接座形成遮盖，插针穿过保护板与导线的一端焊接，插针与导线焊接后的整体外侧还通过金属丝绕焊加固。解决了现有压力传感器使用温度范围较窄、压力测量不准确及不适于在强振动、大冲击等恶劣条件下应用的技术问题。

Description

宽温区高精度溅射薄膜压力传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种带有温度补偿的压力传感器及其制作方法。

背景技术

传感器技术贯穿于液体火箭发动机研制的全过程，高精度、高稳定、高可靠的特种传感器技术是液体火箭发动机研制的重要保证条件。随着新一代液氧煤油发动机及重型发动机的研制，大推力及清洁推进剂的应用使传感器的测量范围增大，工作环境条件更加恶劣，需同时承受高低温、强振动、大冲击等恶劣条件。

液氧煤油发动机液氧管路、燃气发生器等的压力测量必须要解决的问题是：

1、温度范围宽：要求传感器在全温区范围内具备较高的测量精度，且能保证良好的密封(100MPa)；

2、耐振动及冲击问题，振动量级大于400Grms。

压力测量一般采用应变式压力传感器和压阻式压力传感器。当被测介质温度与校准温度差异较大时，压力测量准确性下降，需要利用介质温度对压力测量数据进行校准。

发明内容

为了解决现有压力传感器使用温度范围较窄、压力测量不准确及不适于在强振动、大冲击等恶劣条件下应用的技术问题，本发明提供了一种宽温区高精度溅射薄膜压力传感器及其制作方法。

本发明的技术解决方案是：

宽温区高精度溅射薄膜压力传感器，包括壳体、压力接口、敏感元件及转接组件，所述压力接口、敏感元件及转接组件依次连接，所述敏感元件及转接组件设置在壳体内；转接组件与压力接口固定设置在壳体的两端，所述转接组件包括通过导线连接的信号输入端转接组件和信号输出端转接组件，其特征在于：

所述敏感元件包括设置在压力接口端部的过渡层、绝缘层及电路层；所述电路层设置压力测量电路及温度补偿电路；

所述信号输入端转接组件包括具有中心通孔的转接座、保护板及多个电连接件；所述转接座固定设置在敏感元件上，所述多个电连接件在转接座上圆周均匀设置，每个电连接件包括相连接的弧形焊盘及插针，所述弧形焊盘水平设置在转接座上，所述插针垂直于转接座设置且底部通过凸块固定；所述敏感元件的引出信号穿过转接座的中心通孔与弧形焊盘连接；

所述保护板设置在凸块的上方对转接座形成遮盖，所述插针穿过保护板与导线的一端焊接，插针与导线焊接后的整体外侧还通过金属丝绕焊加固，加固部位的外侧还设置有套管，套管内灌封有加固胶，套管的底部外侧设置有加固胶层；

所述信号输入端转接组件和信号输出端转接组件之间还设置有灌封胶。

进一步地，所述电路层有三层，从下至上依次是应变电阻层、补偿电阻层及焊盘层，

所述电路层有三层，从下至上依次是应变电阻层、补偿电阻层及焊盘层，

所述压力测量电路设置在应变电阻层；

所述温度补偿电路设置在应变电阻层和补偿电阻层的复合层上；

所述压力测量电路及温度补偿电路的焊盘设置在应变电阻层、补偿电阻层及焊盘层的复合层上。

进一步地，所述绝缘层为Ta₂O₅和SiO₂薄膜。这两种薄膜绝缘性能优良，工艺性好。两者配合使用，可以相互填补另一种材料晶格中的缺陷，绝缘性能优于单一使用。

进一步地，所述应变电阻层为6J22合金薄膜。6J22合金薄膜可通过工艺方法调节合金薄膜的温度系数，使得薄膜的温度系数与膜片膨胀系数等相互匹配，提高产品温度性能。

进一步地，所述补偿电阻层为Ni薄膜。Ni薄膜与6J22合金薄膜两层复合薄膜的温度系数大而且稳定，线性好，利于补偿。

进一步地，所述金属丝绕焊加固部位还设置有搪锡加固层。

进一步地，所述套管为聚四氟依稀套管。

同时，本发明还提供了一种上述宽温区高精度溅射薄膜压力传感器的制作方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)敏感元件的制作

1.1)在压力接口端部通过薄膜溅射工艺依次制备过渡层、绝缘层、应变电阻层、补偿电阻层及焊盘层；

1.2)按照应变电阻层的光刻版图对应变电阻层33、补偿电阻层34及焊盘层35进行蚀刻，形成压力测量电路及温度补偿电路；所述应变电阻层的光刻版图既包括压力测量电路也包括温度补偿电路；

1.3)按照补偿电阻层的光刻版图对补偿电阻层34及焊盘层35蚀刻，形成温度补偿电路，所述补偿电阻层的光刻版图包括温度补偿电路；

1.4)按照焊盘层光刻版图对焊盘层35进行蚀刻，留出压力测量电路及温度补偿电路的焊盘，敏感元件3制作完成；

2)装配

将壳体、压力接口、敏感元件及转接组件按结构进行装配，形成宽温区高精度溅射薄膜压力传感器。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1、本发明的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器，敏感元件上同时设置有压力测量电量电路和温度补偿电路，压力测量电量电路和温度补偿电路处于同一环境，因此温度补偿的精度更高。

2、本发明的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器，该传感器中的信号输入端转接组件采用了独特的焊点绕焊加固及灌封技术，使传感器的耐振动、冲击能力满足要求，解决了传感器在大振动环境下的电连接可靠性问题。

3、本发明的敏感元件是直接压力接口端部通过薄膜溅射工艺制备的，因此，具有非常高的可靠性，能够适应振动、冲击环境。

4、本发明的温度补偿电路相对与半导体测温元件来说具有更宽的温度适应范围。另外，本发明的压力测量电量电路和温度补偿电路便于采用激光电阻修正技术进行传感器的零点补偿、零点温度补偿和灵敏度温度补偿，减小传感器在宽温区下的测量误差；一体化零点与灵敏度温度补偿设计，提高了温度补偿精度，提高了宽温区下的测量精度。

5、本发明的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器，其中的温度补偿电路和压力测量电路同时生产制作，提高了敏感电路可靠性。

6、本发明的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器适用范围广，可用于液氧煤油火箭发动机液氧管路、燃气发生器等的压力测量，亦可应用于一般环境条件下的介质压力测量。

附图说明

图1为本发明实施例宽温区高精度溅射薄膜压力传感器的结构图；

图2为图1中A处的放大图；

图3为图1中转接座处的展开图；

图4为图3中转接座处的俯视图；

图5为未进行蚀刻处理的敏感元件结构图；

图6为本发明实施例中焊盘层的光刻版图；

图7为本发明实施例中补偿电阻层的光刻版图；

图8为本发明实施例中应变电阻层的光刻版图；

图9为发明的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器的补偿原理图。

其中的附图标记为：1-壳体、2-压力接口、3-敏感元件、31-过渡层、32-绝缘层、33-应变电阻层、34-补偿电阻层、35-焊盘层、4-转接组件、41-信号输入端转接组件、42-导线、43-信号输出端转接组件、411-转接座、412-弧形焊盘、413-插针、414-凸块、415-保护板、416-加固胶层、417-金属丝、418-搪锡加固层、419-套管、420-加固胶、421-灌封胶。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1-5所示，本发明的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器，包括壳体1、压力接口2、敏感元件3及转接组件4，压力接口2、敏感元件3及转接组件4依次连接，敏感元件3及转接组件4设置在壳体1内；转接组件与压力接口固定设置在壳体的两端，转接组件4包括通过导线42连接的信号输入端转接组件41和信号输出端转接组件43，敏感元件3包括设置在压力接口2端部的过渡层31、绝缘层32及电路层；电路层设置压力测量电路及温度补偿电路；信号输入端转接组件41包括具有中心通孔的转接座411、保护板415及多个电连接件；转接座411固定设置在敏感元件3上，4个电连接件在转接座411上圆周均匀设置，每个电连接件包括相连接的弧形焊盘412及插针413，弧形焊盘412水平设置在转接座411上，插针413垂直于转接座411设置且底部通过凸块414固定；敏感元件3的引出信号穿过转接座411的中心通孔与弧形焊盘412连接；保护板415设置在凸块414的上方对转接座411形成遮盖，插针413穿过保护板415与导线42的一端焊接，插针413与导线42焊接后的整体外侧还通过金属丝417绕焊加固，金属丝417绕焊加固部位还设置有搪锡加固层418。加固部位的外侧还设置有套管419，套管419内灌封有加固胶420，保护板的上方套管419的底部外侧还设置有加固胶层416；信号输入端转接组件41和信号输出端转接组件43之间还设置有灌封胶421。其中的电路层有三层，从下至上依次是应变电阻层33、补偿电阻层34及焊盘层35，压力测量电路设置在应变电阻层33；温度补偿电路设置在应变电阻层33和补偿电阻层34的复合层上；压力测量电路及温度补偿电路的焊盘设置在应变电阻层33、补偿电阻层34及焊盘层35的复合层上，压力测量电路、温度补偿电路位于同一温度区域。

本发明的过渡层31用于压力接口2基底与电路层的过渡，主要起增加附着力作用。绝缘层32是使电路层与金属基底隔离、绝缘。应变电阻层33感受压力应变，转换为电信号，实现压力测量；补偿电阻层34与其下的应变电阻层33组成复合膜，制作温度补偿电路，补偿压力测量电路的温度误差。焊盘层35实现内部电路与外部连接。其中的绝缘层32为Ta₂O₅和SiO₂薄膜。应变电阻层33为6J22合金薄膜。补偿电阻层34为Ni薄膜。焊盘层35为Au薄膜。

用图6所示的版图光刻腐蚀Au薄膜，焊盘层35为键合连接层，实现与外部电路连接；用图7所示的版图光刻腐蚀Ni；用图8所示的版图光刻腐蚀6J22，形成4个固定应变电阻R1、R2、R3、R4和8个可调电阻R11、R12、R21、R22、R31、R32、R41、R42，其中R11、R21、R31、R41为零点调节电阻，其中R12、R22、R32、R42为零点温度补偿调节电阻，利用激光切割电阻实现零点补偿；通过高温老化测试传感器的温度系数，并依此计算零点温度补偿电阻值，切割实现零点温度补偿；传感器的灵敏度温度系数分散性很小，与膜片材料的弹性模量的温度系数基本一致，可计算获得补偿电阻值，通过激光切割膜片上的电阻R01或R02进行修正，实现灵敏度温度补偿。图9所示为发明的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器的补偿原理图。

宽温区高精度溅射薄膜压力传感器的制作方法，包括以下步骤：

1)敏感元件3的制作

1.1)在压力接口2端部通过薄膜溅射工艺依次制备过渡层31、绝缘层32、应变电阻层33、补偿电阻层34及焊盘层35，本发明的压力接口2的端部为弹性膜片；弹性膜片采用高强度不锈钢，并进行深冷处理、热处理制作而成。

1.2)按照应变电阻层的光刻版图对应变电阻层33、补偿电阻层34及焊盘层35进行蚀刻，形成压力测量电路及温度补偿电路；所述应变电阻层的光刻版图既包括压力测量电路也包括温度补偿电路；

1.3)按照补偿电阻层的光刻版图对补偿电阻层34及焊盘层35蚀刻，形成温度补偿电路，所述补偿电阻层的光刻版图包括温度补偿电路；

1.4)按照焊盘层光刻版图对焊盘层35进行蚀刻，留出压力测量电路及温度补偿电路的焊盘，敏感元件3制作完成；

2)装配：将壳体1、压力接口2、敏感元件3及转接组件4按产品结构进行组装、装配，形成宽温区高精度溅射薄膜压力传感器。

工作时，传感器压力接口2与发动机压力接口2连接，实现压力连接；转接组件4通过电缆和电连接器与测量系统连接，实现电气连接。

介质压力测量的基本原理为：被测介质从压力接口进入传感器，敏感元件3上的压力敏感电路感应压力，产生与介质压力呈线性关系的电信号，称压力信号；温度补偿电路感应介质温度，对温度引起的压力信号误差进行补偿，从而提高全温区内的压力测量精度。

Claims (8)

1.宽温区高精度溅射薄膜压力传感器，包括壳体(1)、压力接口(2)、敏感元件(3)及转接组件(4)，所述压力接口(2)、敏感元件(3)及转接组件(4)依次连接，所述敏感元件(3)及转接组件(4)设置在壳体(1)内；转接组件与压力接口固定设置在壳体的两端，所述转接组件(4)包括通过导线(42)连接的信号输入端转接组件(41)和信号输出端转接组件(43)，其特征在于：

所述敏感元件(3)包括设置在压力接口(2)端部的过渡层(31)、绝缘层(32)及电路层；所述电路层设置压力测量电路及温度补偿电路；

所述信号输入端转接组件(41)包括具有中心通孔的转接座(411)、保护板(415)及多个电连接件；所述转接座(411)固定设置在敏感元件(3)上，所述多个电连接件在转接座(411)上圆周均匀设置，每个电连接件包括相连接的弧形焊盘(412)及插针(413)，所述弧形焊盘(412)水平设置在转接座(411)上，所述插针(413)垂直于转接座(411)且底部通过凸块(414)固定；所述敏感元件(3)的引出信号穿过转接座(411)的中心通孔与弧形焊盘(412)连接；

所述保护板(415)设置在凸块(414)的上方对转接座(411)形成遮盖，所述插针(413)穿过保护板(415)与导线(42)的一端焊接，插针(413)与导线(42)焊接后的整体外侧还通过金属丝(417)绕焊加固，加固部位的外侧还设置有套管(419)，套管(419)内灌封有加固胶(420)，保护板的上方套管(419)的底部外侧还设置有加固胶层(416)；

所述信号输入端转接组件(41)和信号输出端转接组件(43)之间还设置有灌封胶(421)。

2.根据权利要求1所述的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器，其特征在于：

所述电路层有三层，从下至上依次是应变电阻层(33)、补偿电阻层(34)及焊盘层(35)，

所述压力测量电路设置在应变电阻层(33)；

所述温度补偿电路设置在应变电阻层(33)和补偿电阻层(34)的复合层；

所述压力测量电路及温度补偿电路的焊盘设置在应变电阻层(33)、补偿电阻层(34)及焊盘层(35)的复合层。

3.根据权利要求1或2所述的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器，其特征在于：

所述绝缘层(32)为Ta₂O₅和SiO₂薄膜。

4.根据权利要求3所述的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器，其特征在于：

所述应变电阻层(33)为6J22合金薄膜。

5.根据权利要求4所述的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器，其特征在于：

所述补偿电阻层(34)为Ni薄膜。

6.根据权利要求1所述的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器，其特征在于：

所述金属丝(417)绕焊加固部位还设置有搪锡加固层(418)。

7.根据权利要求6所述的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器，其特征在于：

所述套管(419)为聚四氟依稀套管。

8.权利要求1-7任一所述的宽温区高精度溅射薄膜压力传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)敏感元件(3)的制作

1.1)在压力接口(2)端部通过薄膜溅射工艺依次制备过渡层(31)、绝缘层32、应变电阻层(33)、补偿电阻层(34)及焊盘层(35)；

1.2)按照应变电阻层的光刻版图对应变电阻层(33)、补偿电阻层(34)及焊盘层(35)进行蚀刻，形成压力测量电路及温度补偿电路；所述应变电阻层的光刻版图既包括压力测量电路也包括温度补偿电路；

1.3)按照补偿电阻层的光刻版图对补偿电阻层(34)及焊盘层(35)蚀刻，形成温度补偿电路，所述补偿电阻层的光刻版图包括温度补偿电路；

1.4)按照焊盘层光刻版图对焊盘层(35)进行蚀刻，留出压力测量电路及温度补偿电路的焊盘，得敏感元件(3)；

2)装配

将壳体(1)、压力接口(2)、敏感元件(3)及转接组件(4)按结构进行装配，形成宽温区高精度溅射薄膜压力传感器。