薄膜壓力傳感器溫度靈敏度補(bǔ)償工藝研究

潘婷 藺露

陜西電器研究所 陜西 西安 710061

引言

由于壓力傳感器敏感彈性體的彈性模量容易受溫度變化的影響，導(dǎo)致傳感器在溫度變化時(shí)的輸出靈敏度與室溫時(shí)的靈敏度有差異，不能真實(shí)地反映傳感器的靈敏度，因此需要對壓力傳感器的溫度靈敏度進(jìn)行補(bǔ)償，使傳感器保持準(zhǔn)確的輸出靈敏度。傳統(tǒng)的補(bǔ)償工藝是采用鎳電阻元件在敏感元件外部進(jìn)行補(bǔ)償，應(yīng)變電阻和補(bǔ)償電阻沒有位于同一溫區(qū)，他們之間產(chǎn)生的溫度梯度使傳感器的補(bǔ)償結(jié)果存在誤差。本文提供了一種基于薄膜技術(shù)的溫度靈敏度補(bǔ)償工藝，通過離子束濺射沉積高純鎳膜，將補(bǔ)償電阻和應(yīng)變電阻制作在敏感彈性體的同一表面，使他們位于同一溫區(qū)，提高了壓力傳感器的補(bǔ)償精度，同時(shí)使其結(jié)構(gòu)更加簡捷，裝配更加方便。

采用薄膜鎳電阻進(jìn)行傳感器溫度靈敏度補(bǔ)償?shù)那疤釛l件是保證薄膜鎳電阻溫度系數(shù)達(dá)到補(bǔ)償要求，通過以下試驗(yàn)獲得薄膜鎳電阻溫度系數(shù)達(dá)標(biāo)的工藝參數(shù)。

1 溫度靈敏度補(bǔ)償原理

傳感器裝配好后，應(yīng)進(jìn)行初步的測試和溫度補(bǔ)償試驗(yàn)，為以后進(jìn)行各種補(bǔ)償提供必要的數(shù)據(jù)，補(bǔ)償方法是在測量線路上加上各種補(bǔ)償電阻。傳感器中采用線路補(bǔ)償?shù)哪康挠?個(gè)[1]：一是使傳感器的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化；二是改善輸出特性；三是提高對環(huán)境溫度變化的適應(yīng)性，全面線路補(bǔ)償包括初始不平衡補(bǔ)償（零點(diǎn)校正）、溫度補(bǔ)償、非線性補(bǔ)償、輸出靈敏度補(bǔ)償、輸入和輸出阻抗補(bǔ)償。本文主要是對溫度靈敏度補(bǔ)償進(jìn)行研究，通過薄膜技術(shù)補(bǔ)償工藝使傳感器的溫度靈敏度補(bǔ)償精度得以提高。

由于彈性體材料的彈性模量E及應(yīng)變片靈敏系數(shù)K隨溫度變化所致，通常情況下，溫度升高彈性模量E減小，根據(jù)虎克定律，當(dāng)外力不變時(shí)，應(yīng)變ε要增加，電橋輸出增加，使傳感器的靈敏度變大。

式中：αL—彈性體材料的熱膨脹系數(shù)；

αE—彈性體材料彈性模量的溫度系數(shù)；

αm—補(bǔ)償電阻RE的溫度系數(shù)。

通過以上公式可以看出，溫度靈敏度補(bǔ)償電阻應(yīng)該選擇高溫度系數(shù)，穩(wěn)定性好的電阻，雖然銅的溫度系數(shù)可以達(dá)標(biāo)，但是銅容易氧化穩(wěn)定性差，因此本文我們選用純鎳為補(bǔ)償電阻。

為了使傳感器達(dá)到一定的精度要求，對傳感器溫度靈敏度補(bǔ)償電阻的溫度系數(shù)有一定的要求，至少為5000ppmΩ/℃，本文通過鍍鎳膜試驗(yàn)確定溫度系數(shù)達(dá)標(biāo)時(shí)的薄膜厚度，其次根據(jù)傳感器電橋補(bǔ)償原理圖設(shè)計(jì)適合直徑7mm的敏感芯體的薄膜鎳電阻圖形，電阻計(jì)算如公式（2）。

2 溫度靈敏度補(bǔ)償鎳電阻溫度系數(shù)測試

采用薄膜鎳電阻進(jìn)行傳感器溫度靈敏度補(bǔ)償?shù)那疤釛l件是保證鎳膜的電阻溫度系數(shù)達(dá)到補(bǔ)償要求，本文通過不同工藝參數(shù)的試驗(yàn)逐步獲得符合要求的薄膜鎳電阻溫度系數(shù)（滿足傳感器補(bǔ)償要求的鎳電阻溫度系數(shù)≥5000ppmΩ/℃）。

2.1 鎳膜厚度與電阻溫度系數(shù)的關(guān)系

薄膜厚度對鎳電阻的溫度系數(shù)也有影響，薄膜越厚溫度系數(shù)越接近塊材，但是試驗(yàn)過程中受光刻膠分辨率的影響，薄膜厚度有一定的范圍，光刻膠的分辨極限對應(yīng)的鍍膜時(shí)間是30min，因此鍍膜時(shí)間要小于30min，表1是不同鍍膜時(shí)間對應(yīng)的鎳電阻的溫度系數(shù)，同一鍍膜時(shí)間選取5個(gè)試驗(yàn)件，取平均溫度系數(shù)。

表1 不同鎳膜厚度的電阻溫度系數(shù)（有過渡層鈦熱處理350℃）

通過表1可以看出電阻溫度系數(shù)隨著膜厚的增加而增加，但是當(dāng)膜厚達(dá)到一定值時(shí)電阻溫度系數(shù)保持不變。

2.2 熱處理溫度與電阻溫度系數(shù)的關(guān)系

通過熱處理可以使鎳薄膜的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定，減少薄膜沉積過程中存在的缺陷，完成非晶體到晶體的轉(zhuǎn)化，使薄膜趨于穩(wěn)定化。因此要選擇合適的熱處理溫度，表2列出了不同的熱處理溫度得出不同的鎳電阻溫度系數(shù)。

表2 熱處理溫度對鎳電阻溫度系數(shù)的影響

通過表2可以看出薄膜厚度相同時(shí)，隨著熱處理溫度的增加，薄膜電阻的溫度系數(shù)呈增加的趨勢，但達(dá)到一定溫度時(shí)保持不變。

通過上述對鎳電阻溫度系數(shù)影響因素的分析，最終獲得滿足傳感器補(bǔ)償要求的鎳電阻溫度系數(shù)為5000ppm，工藝要求為：鍍鎳膜前無過渡層鈦，鍍鎳膜時(shí)間為12min，熱處理溫度為400℃，但是目前還需要解決的問題是如何提高鎳膜的附著力。

3 提高鎳薄膜附著力的工藝

前期實(shí)驗(yàn)得出由于光刻膠分辨率的影響，鎳電阻鍍制后清洗光刻膠時(shí)容易脫膜，因此改進(jìn)工藝，將以前的鎳電阻線條鍍制變?yōu)榫€條刻蝕，脫膜現(xiàn)象得以消除，這是因?yàn)楣饪棠z保護(hù)的區(qū)域不同，改進(jìn)后的保護(hù)區(qū)域和改進(jìn)前鎳電阻絲柵線位置是互補(bǔ)的，曝光窗口比以前的寬，在光刻膠的分辨率范圍內(nèi)，因此鎳電阻圖形可以很充分的曝光并得到干凈完整的鎳電阻圖形[2]。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

經(jīng)過改進(jìn)后的工藝，薄膜鎳電阻溫度系數(shù)達(dá)到了傳感器補(bǔ)償?shù)囊?，薄膜附著力也得到提高，清洗光刻膠后，無脫膜現(xiàn)象，該工藝已通過小批量的生產(chǎn)驗(yàn)證，并進(jìn)行后續(xù)的傳感器裝調(diào)，可以達(dá)到溫度靈敏度補(bǔ)償?shù)木纫蟆?/p>

經(jīng)過傳感器溫度靈敏度補(bǔ)償公式計(jì)算及實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證，得出溫度靈敏度補(bǔ)償系數(shù)為4.67%，根據(jù)一定的電橋輸入電阻值對應(yīng)一定的補(bǔ)償電阻值，再通過激光調(diào)阻機(jī)對補(bǔ)償電阻進(jìn)行微調(diào)，使傳感器的補(bǔ)償精度更準(zhǔn)確。

4 壓力傳感器溫度性能試驗(yàn)

濺射薄膜傳感器經(jīng)過裝配后，首先進(jìn)行溫度老化試驗(yàn)對溫漂大的傳感器進(jìn)行溫度零點(diǎn)補(bǔ)償，其次進(jìn)行溫度靈敏度補(bǔ)償，不同量程壓力傳感器溫度靈敏度補(bǔ)償結(jié)果如表3和表4所示。

表3 薄膜壓力傳感器溫度靈敏度漂移試驗(yàn)數(shù)據(jù)（補(bǔ)償前）

表4 薄膜壓力傳感器溫度靈敏度漂移試驗(yàn)數(shù)據(jù)（補(bǔ)償后）

通過特定的工藝完成鎳電阻的制作，并對傳感器溫度性能進(jìn)行驗(yàn)證得出采用薄膜鎳電阻補(bǔ)償后的溫度靈敏度指標(biāo)為0.003%F.S/℃，相比傳統(tǒng)的采用鎳電阻元件的補(bǔ)償精度得到很大的提高，對后續(xù)的傳感器裝調(diào)起到簡化的效果，使傳感器整體的結(jié)構(gòu)尺寸得到優(yōu)化[3]。

5 結(jié)束語

本文通過濺射鍍膜的方法將溫度靈敏度補(bǔ)償電阻制作在敏感元件表面，并且分析了影響溫度靈敏度補(bǔ)償電阻溫度系數(shù)的各種因素，采取一定的工藝改進(jìn)方案使補(bǔ)償電阻溫度系數(shù)達(dá)到要求，通過理論計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)了合理的補(bǔ)償電阻絲柵圖形，通過小批量的生產(chǎn)驗(yàn)證了工藝和設(shè)計(jì)的完整性，根據(jù)確定好的工藝完成傳感器溫度靈敏度的補(bǔ)償，補(bǔ)償后壓力傳感器溫度靈敏度漂移為0.003F.S/℃，優(yōu)于傳統(tǒng)的采用鎳電阻元件補(bǔ)償結(jié)果，溫度靈敏度補(bǔ)償工藝改進(jìn)后使濺射薄膜傳感器的優(yōu)勢得以更大的擴(kuò)展，同時(shí)可以將薄膜電阻的溫度靈敏度補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用于更多形式的傳感器。