國(guó)外能同時(shí)測(cè)量溫度壓力的傳感器，通常是利用電路中集成的溫度傳感器來(lái)測(cè)溫，由于測(cè)量介質(zhì)和電路之間存在熱障并且有一定的距離，因此有較大的溫度梯度，不能真實(shí)反應(yīng)測(cè)量介質(zhì)的溫度，尤其在溫度變化較快的場(chǎng)合，這個(gè)問(wèn)題尤其突出。

Kulite公司的HKL系列微型帶螺紋壓力傳感器，整合了RTD鉑溫度傳感器（PT1000）。壓力傳感器利用先進(jìn)的硅疊硅技術(shù)，RTD鉑電阻溫度傳感器突出在橫隔膜邊緣感測(cè)介質(zhì)的溫度，壓力測(cè)量和溫度測(cè)量是獨(dú)立的，輸出信號(hào)是隔離的，該系列產(chǎn)品適應(yīng)于宇航和戰(zhàn)車(chē)領(lǐng)域。HKL系列產(chǎn)品的工作溫度為-55℃～175℃，但誤差補(bǔ)償溫度范圍只25℃～85℃，測(cè)壓的最大量程25MPa。

IPT系列產(chǎn)品內(nèi)置溫度傳感器自補(bǔ)償，在175℃下具有優(yōu)越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和高精度，工作溫度-40℃～175℃，補(bǔ)償溫度范圍-18℃～175℃。但溫度傳感器只用來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，不能準(zhǔn)確反應(yīng)介質(zhì)的溫度。

國(guó)外最新的溫度壓力集成傳感器的研究主要是將測(cè)壓與測(cè)溫的敏感件在同一硅杯上集成，利用壓阻式或電容式測(cè)量壓力，采用半導(dǎo)體二極管等方式測(cè)量溫度，受硅杯的影響，產(chǎn)品不能經(jīng)受高強(qiáng)度的振動(dòng)和沖擊，量程也只能做到25MPa左右。

國(guó)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(cè)溫，采用壓阻或應(yīng)變測(cè)量壓力，通過(guò)兩個(gè)接口連接，輸出信號(hào)再接處理電路，處理電路與測(cè)量點(diǎn)分開(kāi)，這種方式的集成度不高，結(jié)構(gòu)不緊湊。

軍用薄膜高溫壓力溫度一體化傳感器的抗環(huán)境性能要求高，對(duì)工作的可靠性要求高，結(jié)構(gòu)要小巧，信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化易于采集、控制與處理。

一）研究目標(biāo)

本項(xiàng)目的研究目標(biāo)是：通過(guò)用離子束濺射鍍膜、離子束刻蝕等工藝研究，將薄膜合金應(yīng)變電阻與熱電阻在同一敏感芯片上進(jìn)行集成，研制一種高速飛機(jī)用新型的薄膜溫度壓力集成傳感器，通過(guò)一個(gè)安裝接口，同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量介質(zhì)的溫度與壓力，以減少飛機(jī)的開(kāi)口。打破國(guó)外的技術(shù)封鎖，滿(mǎn)足航空飛行器研究的設(shè)計(jì)需要和裝機(jī)要求。

二）主要技術(shù)指標(biāo)

1）基本性能 壓力測(cè)量范圍：0～60MPa；測(cè)量精度：0.1%；壓力過(guò)載：150%；壓力輸出信號(hào)：0～5V；絕緣電阻：≥1000MΩ/100VDC；

2）溫度基本性能 測(cè)量溫度范圍：-55℃～125℃；溫度測(cè)量精度：0.5%；溫度響應(yīng)時(shí)間：τ0.65≤60s；溫度輸出信號(hào)：0～5V；

3）環(huán)境性能指標(biāo)及其他 振動(dòng)和沖擊：沖擊滿(mǎn)足GJB150.18；振動(dòng)滿(mǎn)足GJB150.16；電磁兼容性：滿(mǎn)足GJB151-97和GJB152-97的要求。

三）研究?jī)?nèi)容

1、敏感元件版圖的設(shè)計(jì)；2、離子束濺射鍍膜與刻蝕工藝研究；3、薄膜鉑熱電阻制作工藝研究；4、薄膜電阻的熱處理工藝研究；5、激光修正工藝研究；6、傳感器的補(bǔ)償工藝與信號(hào)調(diào)理；7、引線(xiàn)、封裝技術(shù)研究。

四）擬采取的研究技術(shù)路線(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

（一）技術(shù)路線(xiàn)

溫度壓力一體化變送器是在同一芯片上實(shí)現(xiàn)壓力與溫度的測(cè)量，輸出兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。壓力測(cè)量原理是采用先進(jìn)的離子束濺射鍍膜技術(shù)，在周邊固支的平膜片的應(yīng)變區(qū)濺射四個(gè)薄膜合金電阻，連接成惠斯登全橋應(yīng)變電路，通過(guò)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(gè)與所感受壓力值成線(xiàn)性的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。溫度測(cè)量原理是通過(guò)離子束濺射鍍膜技術(shù)在彈性體的非應(yīng)變區(qū)濺射一個(gè)鉑熱電阻，將所測(cè)介質(zhì)的溫度通過(guò)彈性膜片的傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換為電阻阻值的變化，通過(guò)信號(hào)調(diào)理輸出一個(gè)與溫度成線(xiàn)性的標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。

其中合金薄膜應(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(duì)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(yàn)，在同一敏感芯片上做出合理的版圖設(shè)計(jì)。在本項(xiàng)目研究中，在同一芯片上刻蝕100Ω熱電阻2個(gè)，2000Ω鎳鉻電阻4個(gè)。因?yàn)闊犭娮璨荒芨惺芩鶞y(cè)介質(zhì)的壓力，所以熱電阻只能處于芯片的非應(yīng)變區(qū)。應(yīng)變電阻分別分布于正負(fù)應(yīng)變最大區(qū)域，即芯片中心2個(gè)，外圈2個(gè)。綜合穩(wěn)定性要求和工藝中光刻膠保護(hù)強(qiáng)度等，電阻薄膜厚度設(shè)計(jì)為0.4μm。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(jì)中還要帶入薄膜初步補(bǔ)償電阻，同時(shí)要設(shè)計(jì)激光調(diào)阻的位置。

（二）關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

澤天傳感已有成熟的薄膜技術(shù)基礎(chǔ)上研制本產(chǎn)品，在技術(shù)上是可行的。主要的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)如下：

1、敏感元件版圖的設(shè)計(jì)，由于兩種薄膜電阻的材料不同，工作原理不同，電阻率等性能參數(shù)不同，在版圖設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合傳感器的性能指標(biāo)、工藝試驗(yàn)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)電阻的合理布局，獲得兩種高性能的敏感電阻。

2、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。對(duì)電阻柵條采用腐蝕的濕法刻蝕工藝，會(huì)因工藝中操作中的可控性差而造成柵條過(guò)腐蝕，影響電阻橋路的匹配性。為保證兩種電阻膜的質(zhì)量，設(shè)計(jì)采用離子束刻蝕技術(shù)進(jìn)行光刻。離子束刻蝕精度高，對(duì)各種材料的膜層都適用。完成鍍膜后，對(duì)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(duì)不需保留的電阻膜用離子束轟擊掉。采用離子束刻蝕來(lái)提高刻蝕精度，保證電阻膜的質(zhì)量與阻值的均勻性。

3、薄膜電阻的穩(wěn)定性處理工藝，薄膜電阻的穩(wěn)定性性處理包含兩個(gè)方面，一是溫度系數(shù)的穩(wěn)定性，還有一個(gè)是電阻阻值的穩(wěn)定性。未經(jīng)處理的薄膜電阻性能不穩(wěn)定，電阻值容易發(fā)生漂移，溫度系數(shù)也比標(biāo)稱(chēng)值小。鍍膜以后的熱處理工藝對(duì)電阻膜的質(zhì)量起重要作用，有效的熱處理可以減少薄膜缺陷、位錯(cuò)等，從而改善薄膜的溫度性能和電性能。設(shè)計(jì)通過(guò)有效的熱處理方式，提高薄膜電阻的穩(wěn)定性。在傳感器的封裝前，再在芯片表面噴涂一層絕緣保護(hù)層，對(duì)薄膜電阻起雙層保護(hù)作用。

4、激光修正工藝技術(shù)研究，研究激光調(diào)阻技術(shù)對(duì)薄膜電橋的阻值進(jìn)行修正，取代現(xiàn)行的串聯(lián)電阻補(bǔ)償技術(shù)，提高傳感器在惡劣環(huán)境應(yīng)用的可靠性，同時(shí)提高產(chǎn)品批量生產(chǎn)時(shí)的質(zhì)量一致性。用于薄膜傳感器的激光調(diào)阻技術(shù)，是隨著薄膜傳感器在武器裝備中的應(yīng)用劇增而提出的新的重要攻關(guān)內(nèi)容。

濺射薄膜的均勻性為5%，設(shè)計(jì)橋臂電阻值為2 kΩ的電阻，制造工藝可能產(chǎn)生的偏差為±100Ω，雖然通過(guò)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)鍍膜臺(tái)，設(shè)計(jì)薄膜補(bǔ)償電阻等方法，可改善橋臂電阻的一致性，但不可避免仍有1%左右的偏差。傳感器靈敏度為1.2mV/V時(shí)，2 kΩ的橋臂電阻在最大量程壓力作用下的變化量?jī)H2 Ω?？梢?jiàn)，橋臂阻值不平衡偏差為20 Ω時(shí)，零點(diǎn)輸出將達(dá)到滿(mǎn)量程輸出的10倍。也就是說(shuō)，滿(mǎn)量程輸出10 mV的傳感器，零點(diǎn)輸出達(dá)到100 mV，后繼放大器將無(wú)法工作，這是不能接受的，必須對(duì)電橋的零點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。

由于外接繞制電阻在惡劣環(huán)境下時(shí)有發(fā)生失效現(xiàn)象，因此研究采用激光調(diào)阻的方案對(duì)電橋的零點(diǎn)平衡進(jìn)行調(diào)整，使橋臂電阻值滿(mǎn)足：R1×R3=R2×R4的關(guān)系。激光調(diào)阻技術(shù)是采用聚焦激光束，對(duì)多層薄膜的中間層膜阻值進(jìn)行修正。選擇阻值較小的橋臂進(jìn)行修正，電阻條寬30~40μm（與橋阻值設(shè)計(jì)有關(guān)），利用束徑小于20μm的YAG激光束對(duì)電阻條進(jìn)行切割或溶斷，使電阻值增加。仍以標(biāo)稱(chēng)橋臂電阻值為2 kΩ的電橋?yàn)槔?，零點(diǎn)不平衡輸出通常要求小于2%，即橋臂電阻的失衡≤0.04Ω，為2 kΩ的十萬(wàn)分之二，監(jiān)視與測(cè)量裝置的精度應(yīng)優(yōu)于十萬(wàn)分之一。因此，用于薄膜傳感器的激光調(diào)阻技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容包括：1）測(cè)量誤差小于十萬(wàn)分之一的薄膜電阻值監(jiān)視與測(cè)量裝置；2）精密微動(dòng)定位系統(tǒng)；3）合適的束能量和脈寬；4）調(diào)整范圍可達(dá)0.04Ω~2Ω的版圖設(shè)計(jì)；5）調(diào)阻后的穩(wěn)定性處理工藝。本文源自澤天傳感，版權(quán)所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留出處。