國外能同時(shí)測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測溫，由于測量介質(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)測量介質(zhì)的溫度，尤其在溫度變化較快的場合，這個(gè)問題尤其突出。

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介質(zhì)的溫度，壓力測量和溫度測量是獨(dú)立的，輸出信號是隔離的，該系列產(chǎn)品適應(yīng)于宇航和戰(zhàn)車領(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進(jìn)行溫度補(bǔ)償，不能準(zhǔn)確反應(yīng)介質(zhì)的溫度。

國外最新的溫度壓力集成傳感器的研究主要是將測壓與測溫的敏感件在同一硅杯上集成，利用壓阻式或電容式測量壓力，采用半導(dǎo)體二極管等方式測量溫度，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、熱電阻測溫，采用壓阻或應(yīng)變測量壓力，通過兩個(gè)接口連接，輸出信號再接處理電路，處理電路與測量點(diǎn)分開，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，對工作的可靠性要求高，結(jié)構(gòu)要小巧，信號標(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，通過一個(gè)安裝接口，同時(shí)準(zhǔn)確測量介質(zhì)的溫度與壓力，以減少飛機(jī)的開口。打破國外的技術(shù)封鎖，滿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 壓力測量范圍：0～60MPa；測量精度：0.1%；壓力過載：150%；壓力輸出信號：0～5V；絕緣電阻：≥1000MΩ/100VDC；

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

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

三）研究內(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)償工藝與信號調(diào)理；7、引線、封裝技術(shù)研究。

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

（一）技術(shù)路線

溫度壓力一體化變送器是在同一芯片上實(shí)現(xiàn)壓力與溫度的測量，輸出兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號。壓力測量原理是采用先進(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性的標(biāo)準(zhǔn)電信號。溫度測量原理是通過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，將所測介質(zhì)的溫度通過彈性膜片的傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換為電阻阻值的變化，通過信號調(diào)理輸出一個(gè)與溫度成線性的標(biāo)準(zhǔn)電信號。

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。對電阻柵條采用腐蝕的濕法刻蝕工藝，會因工藝中操作中的可控性差而造成柵條過腐蝕，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，對各種材料的膜層都適用。完成鍍膜后，對相應(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)，對不需保留的電阻膜用離子束轟擊掉。采用離子束刻蝕來提高刻蝕精度，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)稱值小。鍍膜以后的熱處理工藝對電阻膜的質(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，雖然通過設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)鍍膜臺，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僅2 Ω。可見，橋臂阻值不平衡偏差為20 Ω時(shí)，零點(diǎn)輸出將達(dá)到滿量程輸出的10倍。也就是說，滿量程輸出10 mV的傳感器，零點(diǎn)輸出達(dá)到100 mV，后繼放大器將無法工作，這是不能接受的，必須對電橋的零點(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)阻的方案對電橋的零點(diǎn)平衡進(jìn)行調(diào)整，使橋臂電阻值滿足：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激光束對電阻條進(jìn)行切割或溶斷，使電阻值增加。仍以標(biāo)稱橋臂電阻值為2 kΩ的電橋?yàn)槔泓c(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的十萬分之二，監(jiān)視與測量裝置的精度應(yīng)優(yōu)于十萬分之一。因此，用于薄膜傳感器的激光調(diào)阻技術(shù)的主要研究內(nèi)容包括：1）測量誤差小于十萬分之一的薄膜電阻值監(jiān)視與測量裝置；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)載請保留出處。