壓力與溫度復合傳感器及制備方法簡介

技術特點

科技工作者知道，用于液體或氣體等被測介質的壓力與溫度的同點測量，在宇宙飛船、飛機、高速列車，箭（導彈）、核反應堆等特殊測量環境下，測量的可靠性要求是十分重要和必須的。但是現有傳感器不僅在制作精度上，而更重要的是在大加速度、高溫、強輻射、強振動等惡劣條件下，遠遠滿足不了測量可靠性的要求。很多專業人員，一生都在尋求完美的解決前述問題的方法。好在目前世界上，高純的三氧化二鋁（Al2O3）γ單晶體，即莫氏硬度達9.0，響應頻率達5×1018Hz的藍寶石單晶體，已成為制造力敏和熱敏傳感器比較理想和幾近完美的高彈性高溫晶體。它可以外延生長出單晶硅，又極易同鈦、鉑等金屬親和，并且其熱膨脹系數在-196℃～400℃溫區內，同鈦及絕大數鈦合金非常匹配。這給制作傳感器的高標準封接操作帶來了方便。但在結構設計及工藝制作方面仍存在很多難題和困難。針對現有硅藍寶石力敏傳感器的加工工藝比較復雜等難以克服的問題，利用現代加工手段和新的思維方法，用它制造出了適用于高溫測量的硅藍寶石力敏傳感器，該制作工藝是將外延生長有單晶硅膜的藍寶石晶片，用靜電封接或用分子鍵方法，封接到鈦合金應力杯上，以鈦合金應力杯對稱中心為基準，激光刻出硅應變電阻，在硅應變電阻的鉑金盤上用金屬彈性觸頭連接引線，進行封裝連接外引線，使該傳感器適用溫度達-196℃～400℃。這種傳感器雖解決了耐溫等問題，但“觸頭”在強振動和大加速度下，容易磨損和失效。同時也解決不了壓力與溫度的同點測量問題。為解決同點測量問題，人們試圖將壓力傳感器與溫度傳感器進行合并捆綁，如將Pt100鉑溫度傳感器與壓力傳感器捆綁到一起。但其存在以下問題：體積大，占用空間多；結構不緊湊，測溫與測壓點分離；測溫原件與測點存有間隙，測溫易滯后或測不準。如果加膠等介質粘住溫度傳感器，又會帶來漏電，特別是高溫漏電，還存在溫度系數不匹配，有失效的可能；引線很難處理，一般不抗振和不抗大加速度；適應溫度不夠；絕緣問題不好解決，外引線不好固定，抗振強度不夠等等。因此，現有傳感器遠遠滿足不了同點測量和在惡劣條件下測量的高可靠性要求。

研究目的是提供一種高溫壓力與溫度的復合傳感器及制備方法，它解決了現有技術存在的滿足不了同點測量壓力與溫度的高可靠性問題，它不僅保留現有硅藍寶石力敏傳感器的優點，而且與同類產品相比，具有制造工藝更加合理，操作快捷，相對成本低，生產效率高的特點，顯著提高了在惡劣條件下測量的高可靠性。

所采用的技術方案是：該高溫壓力與溫度的復合傳感器包括利用靜電封接或分子鍵合在一起的藍寶石晶與鈦合金應力杯、外引線及鈦合金外殼，其技術要點是：以鈦合金應力杯對稱軸中心定位，在應力區制作有硅應變電阻和鉑焊盤的同一藍寶石晶片上的非應力區一隅設置有鉑熱電阻，焊接在鈦合金應力杯上的鈦固定爪的內腔利用銀銅焊層封接有帶印刷電路的絕緣引線轉換板，作為內引線的金屬箔條一端焊接在分別與硅應變電阻及鉑熱電阻連接的鉑焊盤上，金屬箔條另一端與固定有外引線的絕緣引線轉換板焊接在一起。

所述絕緣引線轉換板上的印刷電路是這樣制作的：首先預制絕緣引線轉換板，再將這個絕緣引線轉換板上的引線、穿線孔及與鈦固定爪封接表面，全部進行鎢鉬金屬化厚膜工藝處理，在鎢鉬金屬化膜層上，印制鈀銀引線漿料，在真空、900℃下燒結，于絕緣引銀引線焊盤、穿線孔、引線，形成完整的印刷電路。

高溫壓力與溫度復合傳感器的制備方法包括如下研究步驟：

光刻藍寶石晶片上的內引線鉑焊盤窗口

將外延單晶硅的藍寶石晶片，用高溫濕法氧化硅表面，形成致密的SiO2層；以鈦合金應力杯內徑為應力區定位，按設計要求，在預定區域制出硅應變電阻的內引線鉑焊盤位置和在非應力區一隅制出鉑熱敏電阻及內引線鉑焊盤的位置，進行光刻；刻出硅應變電阻內引線鉑焊盤窗口，露出硅表面，同時，刻出鉑熱電阻及內引線鉑焊盤的窗口，露出適合做鉑熱敏電阻及內引線鉑焊盤的藍寶石表面；

掩膜濺射鉑，制作硅應變電阻內引線鉑焊盤與鉑熱敏電阻的鉑層及其內引線的鉑焊盤；

封裝藍寶石晶片到鈦合金應力杯上

將濺射好鉑焊盤與鉑熱電阻的藍寶石晶片劃片，在400℃溫度下，在高真空環境，加2000V.DC電場，將藍寶石晶片藍寶石面封接到鈦合金應力杯上；

以鈦合金應力杯對稱軸中心定位，用激光刻阻

在激光刻阻機上，以鈦合金應力杯對稱軸中心定位，確定應力區與非應力區，將藍寶石晶片的有內引線鉑焊盤面調平，定位，首先在應力區按單晶硅晶向刻硅應變電阻，將硅應變電阻的內引線鉑焊盤連起來，制出惠斯頓電橋，在非應力區修調出鉑熱電阻；

定位裝絕緣引線轉換板到鈦合金應力杯底座上

先預制絕緣引線轉換板，再將絕緣引線轉換板上的引線、穿線孔及與鈦固定爪的封接面，全部制作鎢鉬金屬化膜；在真空、900℃高溫下，于絕緣引線轉換板的鎢鉬金屬化膜層上制作鈀銀引線焊盤及引線層，制成印刷電路；將帶有印刷電路的絕緣引線轉換板，在真空、700℃下，用銀銅焊層連接到鈦固定爪上，外引線經穿線孔焊到絕緣引線轉換板上，作為內引線的金屬箔條一端焊接在絕緣引線轉換板上；

作為內引線金屬箔條的另一端焊到鉑焊盤上，焊上鈦合金外殼，測試檢定，即成為高溫壓力與溫度的復合傳感器。

本研究具有的優點及積極效果是：由于本研究是在“硅藍寶石力敏傳感器及其制備方法”基礎上改進而成，在同一藍寶石晶體片上，制成測量高溫介質的硅壓力與鉑溫度的復合傳感器，所以既保留了現有硅藍寶石力敏傳感器的優點，又拓展傳感器的新功能，解決了現有技術存在的滿足不了同點測量壓力與溫度的高可靠性問題。在同一藍寶石晶片上制作測壓力（力）的單晶硅應變電阻橋和鉑熱電阻；鉑熱電阻在制作過程已有專利《硅藍寶石力敏傳感器及制備工藝》制造應變片的工藝過程完全兼容；用金屬箔條代替彈性金屬觸頭，抗剪、抗拉、無應力，在實現耐高溫的同時，耐強振動與耐大加速度；外引線點焊或釬焊到引線轉換板上，有了固定點，抗拉。與同類產品相比，具有制造工藝更加合理，操作快捷，相對制作成本低，生產效率高的特點。因此，顯著提高了其在惡劣條件下測量的高可靠性和利于推廣應用。(end)