鈀鉻濺射薄膜高溫壓力傳感器的製作方法

2023-05-15 22:55:51

專利名稱：鈀鉻濺射薄膜高溫壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種自補償合金薄膜高溫壓力傳感器。
背景技術：
高溫介質壓力測量的關鍵是耐高溫應變電阻材料的研製、材料防氧化措施以及保 證傳感器具有好的溫度性能。目前高溫壓力傳感器工作最高溫度約300°C，更高溫度下的介 質壓力測量需採用水冷式傳感器或加引壓管間接測量，導致測量不便，複雜程度增加，更限 制了此種測量方式只能用於地面測試；若利用傳感器直接測量高溫介質，則傳感器的彈性 膜片、敏感材料會在高溫下失效。因此，現有的壓力傳感器在測量高溫燃氣介質時存在較大 的局限性。
發明內容本實用新型目的是提供一種鈀鉻濺射薄膜高溫壓力傳感器，其解決了現有高溫壓 力傳感器測量範圍有限、可靠性差、測量複雜程度高的技術問題。本實用新型的技術方案為一種鈀鉻濺射薄膜高溫壓力傳感器，包括接管嘴1、膜片組件2、轉接座3、殼體4 和插座5，其特殊之處在於所述膜片組件2包括藍寶石膜片21以及設置在藍寶石膜片21 的薄膜層；所述薄膜層由內到外依次包括經離子束濺射形成的第一絕緣層22、第二絕緣層 23、應變電阻層24、補償電阻層25、焊盤層26和保護層27 ；所述第一絕緣層22為Ta205薄 膜，所述第二絕緣層23為Si02薄膜，所述應變電阻層24為PdCr13薄膜，所述補償電阻層25 為Pt薄膜，所述焊盤層26為Au薄膜，所述保護層27為A1A薄膜。上述應變電阻層24包括連接成惠斯頓電橋的四個應變電阻R1、R2、R3、R4和兩個 零點補償電阻R22、R44，所述補償電阻層25包括串聯在惠斯頓電橋中的兩個零點溫度補償 電阻Rll、R33和串聯在惠斯頓電橋電源端的兩個靈敏度溫度補償電阻R01、R02。上述零點補償電阻R22、R44中至少有一個為可調電阻；所述零點溫度補償電阻 Rll、R33中至少有一個為可調電阻；所述靈敏度溫度補償電阻R01、R02中至少有一個為可 調電阻。本實用新型的技術效果為1、本實用新型採用藍寶石作為彈性膜片、PdCr13作為應變敏感材料、Pt作為溫度 補償材料、ai2O3作為抗氧化保護層，該結構的傳感器具備了高溫環境下工作的能力；2、本實用新型由於補償電阻在膜片上通過離子束濺射沉積後進行光刻加工，和應 變電阻處在同一溫度區域，與傳統傳感器相比消除了應變電阻和補償電阻之間的溫度梯 度，補償精度明顯提高。

圖1是本實用新型高溫薄膜壓力傳感器的結構示意圖；[0012]圖2為本實用新型高溫薄膜壓力傳感器的膜片上通過離子束濺射形成的各層薄 膜的位置示意圖；圖3為本實用新型高溫薄膜壓力傳感器焊盤層(Au)的光刻設計版圖圖4為本實用新型高溫薄膜壓力傳感器補償電阻層(Pt)的光刻設計版圖；圖5為本實用新型高溫薄膜壓力傳感器應變電阻層(PdCr13)的光刻設計版圖；圖6為本實用新型高溫薄膜壓力傳感器的補償原理圖。附圖標記如下1-接管嘴，2-膜片組件，21-藍寶石膜片，22-第一絕緣層，23-第 二絕緣層，24-應變電阻層，25-補償電阻層，26-焊盤層，27-保護層，3-轉接座，4-殼體， 5-插座，附、1 2、1 3、1 4-應變電阻，R22、R44-零點補償電阻，R11、R33-零點溫度補償電阻， R0UR02-靈敏度溫度補償電阻。
具體實施方式
本實用新型的結構如圖1所示膜片組件2的一端通過釺焊焊接在接管嘴1上，另 一端利用高溫膠粘接在轉接座3上，接管嘴1和殼體4焊接，膜片組件2及轉接座3設置在 殼體4內部，轉接座3與插座5電連接，插座5用螺釘連接在殼體4上。膜片上利用離子束 濺射沉積的應變電阻薄膜經過光刻加工形成惠斯頓電橋，補償電阻通過離子束濺射沉積後 進行光刻加工，和應變電阻處在同一溫度區域；在藍寶石膜片上通過離子束濺射依次形成 Ta2O5, Si02、PdCr13、Pt、AiuAl2O3連續薄膜，其中Ta2O5和SiO2薄膜為絕緣層，PdCr13薄膜通 過光刻形成4個固定應變電阻和2個可修正電阻，2個可修正電阻串聯在惠斯頓電橋中，用 於通過雷射修正的方法補償傳感器的零點，Pt薄膜通過光刻形成4個可調補償電阻，其中2 個可修正Pt電阻串聯在惠斯頓電橋中，用於通過雷射修正的方法補償零點溫度係數，另兩 個可修正Pt電阻分別串聯在惠斯頓電橋的電源端，通過雷射修正的方法補償傳感器的靈 敏度溫度係數。Au用作焊盤，Al2O3為防氧化保護層；各電阻連接關係參見圖6。光刻版圖 的設計適用於採用雷射修正電阻的方法對傳感器的初始零點、零點溫度係數、靈敏度溫度 係數進行補償。電信號的連接為由膜片上的Au焊盤通過金絲球鍵合與轉接座3連接，高 溫導線連接轉接座3和插座5上的電連接插針，實現電信號的輸入和輸出。本實用新型工作原理本實用新型採用藍寶石作為彈性膜片、鈀鉻合金PdCr13作為敏感材料，採用雷射 調阻技術對傳感器溫度補償性能進行修正，使傳感器具備較高溫度下的測量能力和較低的
測量誤差。藍寶石是一種惰性材料，熔點2045°C，穩定性極好，其性質可以經歷多年而不變； 且藍寶石的遲滯幾乎為零，線性和重複性極好，能夠忠實而精確地追蹤輸入的壓力，確保測 量的精度；在破碎以前，藍寶石應力-應變特性同樣始終保持線性關係；另外，藍寶石的表 面光潔度高，平坦、沒有氣孔，相對易於加工。鈀鉻合金？(1&13在1000°C範圍內組織結構穩定，無相變(即有序-無序結構轉 變)，並且在空氣中自身能形成一層堅實的Cr2O3抗氧化層；鈀鉻合金的這些特性，使得其電 阻溫度特性的穩定性、重複性好，並且與升、降溫速率關係不大。另外，在1000°C以內，鈀鉻 合金的電阻溫度特性、靈敏度溫度特性均與溫度成良好線性關係，易於進行溫度補償或溫 度修正。[0023]本實用新型利用鉬(Pt)電阻對傳感器進行溫度補償，包括零點溫度補償和 靈敏度溫度補償。Pt電阻耐高溫、抗氧化能力較強，具有較大的電阻溫度係數(約 3. 98X 10_3/°C )，且電阻-溫度曲線具有較好的線性。如圖2所示，藍寶石膜片經過研磨和拋光，通過離子束濺射，依次形成Ta205、Si02、 PdCr13、Al203、Pt、Au、Al203連續薄膜。用圖3所示的版圖光刻腐蝕Au，用圖4所示的版圖光 刻腐蝕Pt、用圖5所示的版圖光刻腐蝕PdCr13。經過穩定性處理後粘接轉接座3，通過金絲 球鍵合連接膜片2和轉接座插針，高溫通電老化並測試傳感器的溫度係數。
權利要求一種鈀鉻濺射薄膜高溫壓力傳感器，包括接管嘴(1)、膜片組件(2)、轉接座(3)、殼體(4)和插座(5)，其特徵在於所述膜片組件(2)包括藍寶石膜片(21)以及設置在藍寶石膜片(21)的薄膜層；所述薄膜層由內到外依次包括經離子束濺射形成的第一絕緣層(22)、第二絕緣層(23)、應變電阻層(24)、補償電阻層(25)、焊盤層(26)和保護層(27)；所述第一絕緣層(22)為Ta2O5薄膜，所述第二絕緣層(23)為SiO2薄膜，所述應變電阻層(24)為PdCr13薄膜，所述補償電阻層(25)為Pt薄膜，所述焊盤層(26)為Au薄膜，所述保護層(27)為Al2O3薄膜。
2.根據權利要求1所述的鈀鉻濺射薄膜高溫壓力傳感器，其特徵在於所述應變電阻 層(24)包括連接成惠斯頓電橋的四個應變電阻(R1、R2、R3、R4)和兩個零點補償電阻(R22、 R44)，所述補償電阻層(25)包括串聯在惠斯頓電橋中的兩個零點溫度補償電阻(R11、R33) 和串聯在惠斯頓電橋電源端的兩個靈敏度溫度補償電阻(R01、R02)。
3.根據權利要求2所述的鈀鉻濺射薄膜高溫壓力傳感器，其特徵在於所述零點補償 電阻(R22、R44)中至少有一個為可調電阻；所述零點溫度補償電阻(R11、R33)中至少有一 個為可調電阻；所述靈敏度溫度補償電阻(R01、R02)中至少有一個為可調電阻。
專利摘要本實用新型涉及鈀鉻濺射薄膜高溫壓力傳感器，包括接管嘴、膜片組件、轉接座、殼體和插座，膜片組件包括藍寶石膜片以及設置在藍寶石膜片的薄膜層；薄膜層由內到外依次包括經離子束濺射形成的第一絕緣層、第二絕緣層、應變電阻層、補償電阻層、焊盤層和保護層；第一絕緣層為Ta2O5薄膜，所述第二絕緣層為SiO2薄膜，應變電阻層為PdCr13薄膜，補償電阻層為Pt薄膜，焊盤層為Au薄膜，保護層為Al2O3薄膜。本實用新型解決了現有高溫壓力傳感器測量範圍有限、可靠性差、測量複雜程度高的技術問題。本實用新型結構的傳感器具備了高溫環境下工作的能力。
文檔編號G01L19/04GK201600217SQ200920318460
公開日2010年10月6日 申請日期2009年12月24日 優先權日2009年12月24日
發明者李偉 申請人:中國航天科技集團公司第六研究院第十一研究所