薄膜壓力傳感器敏感芯體薄膜的結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

薄膜壓力傳感器的薄膜襯底是圓形特種材料金屬彈性體。層功能薄膜是起隔離作用的介質(zhì)絕緣薄膜，通常采用SiO2、Al2O3或復合結(jié)構(gòu)。第二層薄膜是起應(yīng)變作用的金屬敏感薄膜，通過光刻工藝形成電橋應(yīng)變電阻，成為壓力敏感芯體的核心，其材料業(yè)內(nèi)一般采用Ni-Cr合金、NiCrMnSi合金制備。第三層是鈍化保護介質(zhì)薄膜，這層薄膜主要用來保護應(yīng)變電阻和隔離空氣、水氣，防止應(yīng)變薄膜氧化、腐蝕等造成應(yīng)變電阻的不穩(wěn)定性。鈍化保護介質(zhì)薄膜一般是采用SiO2、Al2O3等材料。第四層薄膜是金絲引線用的窗口鍍金薄膜，它與應(yīng)變電阻膜接觸，實現(xiàn)電氣引出。

根據(jù)薄膜壓力傳感器的薄膜所起作用的不同，對各層薄膜的質(zhì)量要求也不同，對于絕緣薄膜，要求應(yīng)變電阻與傳感器的殼體間的絕緣性電阻為100000MΩ以上，耐壓100VDC以上，而絕緣電阻5000MΩ以上。同時，絕緣薄膜與彈性體的表面粘附力高。在量程范圍內(nèi)，彎曲變形超過10000000次循環(huán)不失效。要求絕緣薄膜與彈性體的熱膨脹系數(shù)基本一致，不因它們之間的差異引起內(nèi)應(yīng)力，從而造成傳感器的輸出不穩(wěn)定，對制成的薄膜壓力傳感器蠕變要小。除金屬彈性體的嚴格熱處理外，要求沉積在其上的介質(zhì)絕緣薄膜附著力高、致密無針孔、空洞等缺陷。如有蠕變產(chǎn)生，則會增加零點漂移誤差，降低傳感器的非線性。絕緣薄膜含雜質(zhì)量少，無吸附氣體。這樣，能防止使用過程中雜質(zhì)的遷移和氣體釋放所造成絕緣性能降低，漏電流增大，甚至絕緣失效?？傊?，介質(zhì)絕緣膜層要具有高的電阻系數(shù)；高的擊穿電壓；優(yōu)良的絕緣性能；對彈性體的良好附著性；良好的彈性變形的傳遞性；高的熱穩(wěn)定性。

對于應(yīng)變金屬敏感薄膜，由于采用多種材料成分，一般是要求形成薄膜后的組成成分與體材一致，這樣保證它的溫度系數(shù)和靈敏度不變。對Ni-Cr薄膜而言，應(yīng)變金屬敏感薄膜在熱處理后殘余應(yīng)力要盡可能小。殘余應(yīng)力的存在，將引起零點漂移誤差。要求沉積的應(yīng)變金屬敏感薄膜與介質(zhì)絕緣薄膜的熱膨脹系數(shù)盡可能一致；薄膜的厚度應(yīng)該在保證穩(wěn)定的連續(xù)薄膜的平均厚度的前提下，盡量控制薄膜的理想厚度。膜太厚，膜內(nèi)晶格缺陷引起畸變增加，內(nèi)應(yīng)力增大，另外阻值也不穩(wěn)定；膜太薄，薄膜是不連續(xù)的，不能通過熱處理使其穩(wěn)定。同時考慮到電阻值要高，橋阻控制在（3～6）KΩ, 應(yīng)變金屬敏感薄膜的方塊電阻應(yīng)為50Ω左右。其膜厚大約為（50～90）nm。電阻值高，功耗小，可減少自熱引起電阻的不穩(wěn)定。制成的應(yīng)變電阻阻值在很寬的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定例如傳感器的穩(wěn)定性要求為0.1%FS，那么電阻的變化量應(yīng)小于0.05%范圍。對于長期工作穩(wěn)定性要求，則電阻穩(wěn)定性要求小于0.001%。保證這樣高的電阻穩(wěn)定性，其難度較大，需要采用一些特殊成份的材料改性技術(shù)，使其電阻穩(wěn)定性盡量小。總之，應(yīng)變金屬敏感薄膜層要具有電阻率對應(yīng)變的靈敏度高；應(yīng)變檢測受溫度影響小；高的電阻率；低的溫度電阻系數(shù)；可靠的化學和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

對于鈍化保護介質(zhì)薄膜的要求除了熱膨脹系數(shù)，粘附性要求以外，膜的厚度不能太厚，太厚容易龜裂損壞。一般在非常致密膜的情況下，盡可能的薄，大約300nm左右。鈍化保護介質(zhì)薄膜層要具有高電氣絕緣性；良好的防潮性與附著性；耐高溫（300度以上）；離子滲透的高抗性；低應(yīng)力。

對于引線區(qū)窗口鍍金薄膜，要求薄膜附著力好，球焊時不易剝離，也不能損壞絕緣層。因此窗口鍍金薄膜一般較厚約1500 nm。這層薄膜是金制備而成，金是重金屬，易擴散穿透Ni-Cr、SiO2 層引起絕緣損壞。所以Ni-Cr和SiO2層有一定的厚度，甚至需增加導電的阻擋層，防止金穿透。引線窗口鍍金薄膜層要具有與應(yīng)變層良好的電氣連接；低電阻率；與后序加工的兼容性；高的熱穩(wěn)定性；良好的附著性；電阻溫度系數(shù)與應(yīng)變層相匹配。

綜上所述，薄膜壓力傳感器對各層薄膜質(zhì)量總的要求主要是機械特性與電氣特性。機械特性包括：薄膜的附著力，內(nèi)應(yīng)力，熱應(yīng)力，受力形變后彈性好，熱膨脹系數(shù)小等。電氣特性主要是介質(zhì)膜的絕緣性能好，擊穿強度高，漏電流小，金屬薄膜的方塊電阻適中，電阻值的穩(wěn)定性好。薄膜壓力傳感器薄膜的機械特性、電特性，主要依賴于薄膜制備設(shè)備及制備工藝技術(shù)，由于薄膜形成過程非常復雜，即使是同一生產(chǎn)設(shè)備制造的薄膜，其質(zhì)量差異有時也有較大的差異。