薄膜电阻应变式压力传感器的研制.doc

薄膜电阻应变式压力传感器的研制
万 云,周引穗,梁 举,王 辉
(西北大学 物理学系, 陕西 西安,710069)
摘 要:基于应变片式压力传感器工作原理,采用镀膜、光刻技术,以石英、Al2O3陶瓷为基底,蒸镀金属薄膜并将其制成电阻应变式压力传感器敏感栅。在0~0.6MPa压力范围内进行相关性能测试。结果表明:所得传感器均能在此负载范围内正常工作,薄膜电阻应变式压力传感器与传统压力传感器相比,具有应力应变线性度好、重复性好、回差小、蠕变小等优点。另外,由于它们还具有耐高温、耐腐蚀的特点而在工业、生产领域有相当高的实用价值。
关 键 词:压力传感器;薄膜;敏感栅
中图分类号:O484.2 文献标识码:A 文章编号:1000-274X(2003)0042-08
人类迈入21世纪,信息处理技术、微处理器和计算机技术的快速发展和广泛应用,都需要在传感器的开发方面有相应的进展。随着现代科学技术的进步,非电物理量的测试与控制技术,已越来越广泛地应用于航天、航空、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、化工、轻工、生物医学工程、自动检测与计量、称重等技术领域[1],而且也正在逐步引入人们的日常生活中。可以说测试技术与自动控制技术水平的高低,是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。传感器是信息采集系统的感应单元,所以,它是自动化系统和控制设备的关键部件,作为系统中的一个结构组成,在科技、生产自动化领域中的作用越来越重要[2]。
传感器亦称换能器,是将各种非电量(包括物理量,化学量,生物学量等)按一定的规律转换成便于处理和传输的另外一种物理量(一般为电量、磁量等)的装置[3],它能把某种形式的能量转换成另一种形式的能量。传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路3部分组成,有时还需加上辅助电源。其原理如图1所示。
其中:① 敏感元件直接感受被测物理量,如在应变式传感器中为弹性元件;② 传感元件将感受到的非电量直接转换成电量,是转换元件,如固态压阻式压力传感器;③ 测量电路是将传感元件输出的电信号转换为便于显示、控制和处理的有用电信号的电路,使用较多的是电桥电路。由于传感器元件输出的信号一般较小,大多数的测量电路还包括放大电路,有的还包括显示器,直接在传感器上显示出所测量的物理量;④ 辅助电源是供给传感元件和测量电路工作电压和电流的器件。
国际电工委员会IEC(International electrotechnical committee)则将传感器定义为测量系统中的一种前置部件,它将输入变量转换成可供测量的信号[4]。传感器是传感器系统的一个组成部分,是被测量信号输入的第一道关口。对传感器在技术方面有一定的要求,比如:高灵敏度、高稳定性 、线性度好、迟滞小、可重复、低成本、小尺寸、重量轻和强度高等等,而同时亦要考虑尽可能低的零点漂移、温度漂移及蠕变等[5]。近年来,传感器有向小型化、集成化、智能化、系列化 、标准化方向发展的趋势[6]。
电阻式传感器的工作原理是将被测的非电量转换成电阻值,通过测量此电阻值达到测量非电量的目的。这类传感器大致分为两类:电阻应变式和电位计式。利用电阻式传感器可以测量形变、压力、力、位移、加速度和温度等非电量参数。
压力传感器是将压力这个物理量转换成电信号的一种电阻应变式传感器。传统的电阻应变式压力传感器是一种由敏感栅和弹性敏感元件组合起来的传感器[7]。如图2所示,将应变片用粘合剂粘贴在弹性敏感元件上,当弹性敏感元件受到外施压力作用时,弹性敏感元件将产生应变,电阻应变片将它们转换成电阻变化,再通过电桥电路及补偿电路输出电信号。它是目前应用较多的压力传感器之一,因具有结构简单、使用方便、测量速度快等特点而广泛应用于航空、机械、电力、化工、建筑、医学等诸多领域。
传统的电阻应变式压力传感器的电阻敏感栅是刻录在一层绝缘脂薄膜上,而薄膜又通过粘结剂粘合到弹性基片上,由于弹性元件与粘结剂及绝缘脂膜之间的弹性模量不同,弹性元件的应变不能直接传递给敏感栅,而是要通过粘结剂、绝缘脂膜才能到达敏感栅,从而产生较大的蠕变和滞后,影响传感器的灵敏度、响应度、线性度等性能。另外,由于粘结剂不能在高温条件下使用,这也使它的应用范围受到限制。
为了消除绝缘薄膜层和粘结剂层对传感器性能的影响,本文尝试采用真空镀膜方法及光刻技术,在弹性元件上直接刻录敏感栅,弹性元件与敏感栅直接接触,以克服常规工艺导致的滞后和蠕变大的缺陷。另外,如果弹性材料和结构选择恰当,还可制成耐高温、耐腐蚀的全隔膜式薄膜压力传感器。
1 器件研制
采用真空镀膜技术在弹性基片上蒸镀一层约300nm金属栅材料的薄膜,用半导体光刻技术,在弹性基片上直接形成电阻敏感栅,最后利用耐高温、耐酸碱腐蚀的环氧树脂粘结剂,将制作好的芯片封装在工件中,组成压力传感器探头。
在经过热老化、电老化,待封装应力趋于稳定后,进行电性能测试。
本实验设计的掩膜板为圆形,如图3所示。敏感栅外观尺寸为Ф20mm,应变栅厚度300nm,栅宽20μm,栅距20μm。应变栅电阻的排列方式如图4所示,电阻R2、R3尽量靠近圆心,R1、R4尽量靠近边缘,以保证最大限度地利用应变特性,提高灵敏度,增大信号输出量。
经光刻、腐蚀得到的4个敏感栅电阻条,可以组成一个惠斯通电桥,用来进行压力检测,应调节4个栅电阻条阻值尽量相同,以保证电桥的对称性。
综上所述,在制作薄膜电阻应变式压力传感器中,我们采用的工艺流程如图5所示。
2 器件特性测试
为了精确测量弹性元件受到的外施压力,我们设计使用惠斯通电桥电路,当弹性基片受到压力作用时,敏感栅将产生的应变转换成栅条电阻值的变化,再通过电桥电路输出信号,测量电路如图6所示。其中Ui为供桥电压,U0为输出电压,RL为电桥负载。
测试条件为:供桥电压10V,0~0.6MPa压力范围内进行加载、卸载性能测试。表1、表2分别给出
P / MPa
U1 / mV
U2 / mV
第一次
第二次
第一次
第二次
0.00
0.38
0.38
0.37
0.38
0.05
1.75
1.77
1.75
1.77
0.10
3.11
3.13
3.11
3.14
0.15
4.47
4.49
4.47
4.49
0.20
5.80
5.84
5.82
5.85
0.25
7.13
7.17
7.14
7.18
0.30
8.44
8.49
8.45
8.50
0.35
9.74
9.78
9.75
9.79
0.40
11.02
11.07
11.02
11.07
0.45
12.27
12.33
12.28
12.34
0.50
13.51
13.57
13.51
13.57
0.55
14.73
14.79
14.74
14.80
0.60
15.91
15.97
15.91
15.97
P / MPa
U1 / mV
U2 / mV
第一次
第二次
第一次
第二次
0.00
0.03
0.03
0.02
0.02
0.05
1.45
1.45
1.43
1.44
0.10
2.85
2.