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1、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00.6MPa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
2、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
3、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。电 量物理量测量电路传感元件敏感元件件辅助电源图1 传感器的组成Fig.1 The composing of sensor其中： 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； 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； 测量电路是将传感元件输出的电信号转换
4、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； 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
5、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
6、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。图2 传统的电阻应变片Fig.2 The conventional resistance piece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
7、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。R1R
8、2R3R4图4 应变片电阻贴法Fig.4 The resistance piece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20mm，应变栅厚度300nm，栅宽20m，栅距20m。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。 图3 敏感栅Fig.3 The sensitive bar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。材
9、料准备真空镀膜光 刻坚膜腐蚀测 试焊接封装图5 工艺流程图Fig.5 Technics flow chart2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。图6 直流电桥Fig.6 electricity bridge测试条件为：供桥电压10V，00.6MPa压力范围内进行加载、卸载性能测试。表1、表2分别给出表1 石英压力传感器性能测试Tab.1 The capability of quartz pr
10、essure sensorP / MPaU1 / mVU2 / mV第一次第二次第一次第二次0.000.380.380.370.380.051.751.771.751.770.103.113.133.113.140.154.474.494.474.490.205.805.845.825.850.257.137.177.147.180.308.448.498.458.500.359.749.789.759.790.4011.0211.0711.0211.070.4512.2712.3312.2812.340.5013.5113.5713.5113.570.5514.7314.7914.7414.
11、800.6015.9115.9715.9115.97表2 陶瓷压力传感器性能测试Tab.2 The capability of ceramics pressure sensorP / MPaU1 / mVU2 / mV第一次第二次第一次第二次0.000.030.030.020.020.051.451.451.431.440.102.852.862.842.850.154.254.264.244.250.205.635.655.635.630.257.007.027.007.000.308.368.378.358.360.359.699.719.699.690.4011.0011.0211.00
12、11.010.4512.2912.3112.2912.300.5013.5613.5813.5613.570.5514.8114.8214.8014.810.6016.0216.0316.0216.03了高温石英薄膜压力传感器和高温Al2O3陶瓷薄膜压力传感器的测试结果。其中外加压力为P，加载时输出电压为U1，卸载时输出电压为U2。高温石英薄膜压力传感器，是由石英作为弹性元件的金属薄膜应变栅为芯片组成的压力传感器。其主要特点为：成本低、成品率高、耐高温、耐酸碱腐蚀、工艺简单、稳定性好等。高温陶瓷薄膜压力传感器，是由Al2O3精细陶瓷片作为弹性元件的金属薄膜应变栅为芯片组成的压力传感器。陶瓷材料
13、的特性之一，是受到压力作用时，其应力-应变特性在其断裂之前均保持良好的线性关系8，并且陶瓷材料具有各向同性的特点，这决定了Al2O3陶瓷压力传感器具有灵敏、测试准确、稳定性好等特点。另外，陶瓷材料本身的特性决定了Al2O3陶瓷压力传感器亦具有耐高温、耐酸碱、耐恶劣工作环境的性质。3测试结果分析分析表1、表2的两次测试数据可知，在石英压力传感器性能测试中，两次测量结果几乎相同，在陶瓷压力传感器性能测试中，两次测量结果也几乎相同。为使测试结果直观、清晰地说明问题，将表1所得数据绘制成如图7所示的输出电压-压力曲线；将表2所得数据绘制成如图8所示的输出电压-压力曲线。从表1、2及图7、8可知，我们研
14、制的压力传感器,尤其是Al2O3陶瓷压力传感器的压力-应变线性很好，其工作点与拟和直线非常接近，这一特性保证了该传感器具有测试准确的特点。图7 石英压力传感器性能分析Fig.7 The capability of quartz sensor由表1、表2可以看出，两种压力传感器在各自的加载、卸载过程中，两次加载测量数据基本相同；两次卸载测量数据也基本相同，这说明该传感器重复性较好。如对陶瓷压力传感器的重复性进行计算，在外加压力P相同的情况下，两次加载输出电压U1的差值最大为0.02mV；两次卸载输出电压U2的差值最大为0.01mV，其非重复性约为0.02 / (16.030.03)100%，即为
15、满量程的0.125%。表1、表2数据说明，两种压力传感器在相同外加压力P作用下，加载、卸载时输出电压差值（U2- U1）即回差（U）很小，最大为0.02mV，这充分保证了该传感器具有很好的测试稳定性及测试准确性。一般压力传感器，都有一定的机械迟滞现象，但石英（尤其是Al2O3陶瓷）压力传感器，由于材料本身具有较好的应力-应变线性特性与它的高稳定特性8，在撤掉外力后，弹性基片残余应变很小，因此该传感器的机械滞后相对较小，稳定性比较高。图8 陶瓷压力传感器性能分析Fig.8 The capability of ceramics sensor另外，对于传统方法制作的压力传感器，产生蠕变的主要原因是敏
16、感栅的载体绝缘脂膜和弹性基片粘合的胶层，本文改进敏感栅结构，将电阻敏感栅直接刻录在弹性基片上，弹性元件与敏感栅密切接触，这种新方法使得传感器的滞后和蠕变大为减少。4结论 由上述测试结果及讨论分析得知，我们制作的薄膜电阻应变式压力传感器和传统压力传感器相比具有：线性度好、回差小、测量准确、灵敏度高、重复性好、机械滞后及蠕变小等特点；同时器件亦有良好的工作稳定性，具有很好的应用前景。另外，本文所采用的真空镀膜方法及光刻技术，是将成熟的半导体制作工艺，用于薄膜电阻应变式压力传感器的制作，该生产工艺简单、精确度高、成品率也高，可进行压力传感器的批量生产，因而具有很好的经济前景。这种改进传感器敏感栅结构
17、的方法，对高温、高性能传感器的生产制作有着重要的意义。5存在问题及拟解决途径1）金属膜蒸镀是传感器制作工艺中一个重要环节，膜的厚度直接影响电桥臂阻值的一致性，采用新型高精度的高真空镀膜设备来完成金属膜的蒸镀，是该工艺的一个关键。2）陶瓷材料由于在测量极限范围内，都具有非常好的应力应变线性度8，而成为制作压力传感器弹性元件的首选材料。但其不易进行表面抛光，从而使光刻工艺的进行具有一定难度，直接影响产品的成品率。如果能将陶瓷基片表面光洁度提高，将会使批量生产制作高精度、高稳定性、耐高温的“三高”压力传感器成为可能。3）弹性元件的厚度直接影响传感器的灵敏度，在材料所能承受的压力范围内，适当减小基片厚
18、度，将会大大提高器件的灵敏度。4）近年来，传感器有向小型化、集成化方向发展的趋势，小尺寸、轻重量、高强度且性能优良的一体化器件，是目前压力传感器研究的方向。参考文献：1 HACHOL A, DZIUBAN J, BOCHENEK A. Ophthalmic tenomemter with silicon micromachined structureJ. Sensors and Actuators A Physical, 1996, 57(10): 23-33.2 唐敏,黄刚. 传感器技术的现状与未来J. 传感器世界, 1996, 7: 12-16.3 单成祥. 传感器的理论与设计基础及其应用
19、M. 北京: 国防工业出版社, 1999.4 中国电子学会. 2000/2001传感器与执行器大全(年卷)Z. 北京:电子工业出版社, 2001.5 苏铁力, 关振海, 孙立红, 等. 传感器及其接口技术M. 北京: 中国石化出版社, 2000.6 鲍敏杭, 沈绍群. 微机械力敏传感器及其发展动向J. 电子科技导报(传感器专辑), 1996, 10: 8-12.7 严钟豪, 谭祖根. 非电量电测技术M. 北京: 机械工业出版社, 2001.8 金格瑞W D. 陶瓷导论M. 清华大学无机非金属材料教研组译. 北京: 建筑工业出版社, 1987. （编辑曹大刚）Research of thin f
20、ilm resistance pressure sensorWAN Yun, ZHOU Yin-sui, LIANG Ju, WANG Hui(Department of Physics, Northwest University, Xian, 710069,China)Abstract: The sensitive bar of strain-resistance pressure sensor is designed and fabricated using vacuum evaporation technology and ordinary photolithography with q
21、uartz and ceramics AL2O3. The properties of the devices are measured within 00.6MPa. The results show that all sensors can work normally in this load. Its linear degree and sensitive degree are more excellent than conventional sensor. The characteristic of the device in high temperature and forbear
22、cauterization are very valuable in industry. Key words: pressure sensor; thin film; sensitive bar 作 者 简 介万云，女，陕西西安人，生于1963年11月，西北大学物理学系副教授。1987年毕业于清华大学无机非金属材料专业。 20022003年期间，作为访问学者在清华大学材料科学与工程系工作、学习。讲授过材料学、陶瓷工艺、物理学、科技文献检索、工程制图基础、英语(成人班)、材料物理实验、基础物理实验等课程。主要从事固体氧化物材料、固体材料应用及高温超导电子学等方面的研究。1998年以来负责承担科研
23、项目4项，其中：国家自然科学基金项目1项（固体电解质材料的结构缺陷及导电机制研究），陕西省科技攻关项目1项（高精、高稳、高温压力传感器研制），西北大学科研基金项目1项（高温超导薄膜约瑟夫逊结的研究），西北大学教学基金项目1项（大学物理双语教学多媒体课件开发）；参与合作研究项目4项，其中陕西省自然科学基金项目2项，陕西省教委专项科研基金项目1项，西北大学科研基金项目1项。1998年以来在Materials Letters、Key Engineering Materials、光电子、激光、光子学报、激光与红外、红外技术、低温与超导、西北大学学报（自然科学版）、高等理科教育、高压电器、电瓷避雷器等刊物上发表科研、教学论文24篇，其中SCI收录2篇，EI收录3篇。8
