利用溫度與壓力雙結(jié)合研制傳感器的方法

科學(xué)技術(shù)人員知道，在液體和氣體等測(cè)量介質(zhì)的壓力和溫度的同點(diǎn)測(cè)量、宇宙飛船、飛機(jī)、高速列車、箭(導(dǎo)彈)、核反應(yīng)堆等特殊測(cè)量環(huán)境下，測(cè)量的可靠性要求非常重要。但現(xiàn)有傳感器不僅在制作精度上，更重要的是在大加速度、高溫、強(qiáng)輻射、強(qiáng)振動(dòng)等惡劣條件下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足測(cè)量可靠性的要求。很多專業(yè)人士，一生都在尋求完美解決上述問(wèn)題的方法。幸運(yùn)的是，在現(xiàn)在的世界里，高純度的三氧化鋁(Al2O3)γ單晶體，即莫氏硬度達(dá)到9.0，響應(yīng)頻率達(dá)到5×1018Hz的藍(lán)寶石單晶體，成為制造力敏感和熱敏感傳感器的理想和幾乎完美的高彈性高溫晶體。單晶硅可以外延生長(zhǎng)，與鈦、白金等金屬容易親和，熱膨脹系數(shù)在-196℃~400℃的溫度區(qū)域內(nèi)，與鈦和絕大多數(shù)鈦合金非常一致。這便于制作傳感器的高標(biāo)準(zhǔn)封閉操作。但是，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)制作方面仍有很多難題和困難。針對(duì)現(xiàn)有硅藍(lán)寶石力敏傳感器的加工技術(shù)比較復(fù)雜等難以克服的問(wèn)題，利用現(xiàn)代加工手段和新的思維方法，制作適合高溫測(cè)量的硅藍(lán)寶石力敏傳感器，該制作技術(shù)以單晶硅膠膜的藍(lán)寶石晶片外延生長(zhǎng)，以靜電封接或分子鍵方法封接鈦合金應(yīng)力杯，以鈦合金應(yīng)力杯對(duì)稱中心為基準(zhǔn)，激光刻出硅應(yīng)變電阻，硅應(yīng)變電阻的白金盤用金屬?gòu)椥杂|頭連接引線，封裝連接外部引線該傳感器解決了耐溫等問(wèn)題，但觸頭在強(qiáng)振動(dòng)和大加速度下容易磨損和故障。同時(shí)，壓力和溫度的同點(diǎn)測(cè)量問(wèn)題無(wú)法解決。為了解決同點(diǎn)測(cè)量問(wèn)題，人們?cè)噲D將壓力傳感器與溫度傳感器合并捆綁，例如將Pt100鉑溫度傳感器與壓力傳感器捆綁在一起。但是，體積大，占有空間多的結(jié)構(gòu)不緊湊，測(cè)溫和測(cè)壓點(diǎn)分離的測(cè)溫原件和測(cè)量點(diǎn)有間隙，測(cè)溫容易滯后或測(cè)量不正確。粘合劑等介質(zhì)粘接溫度傳感器，會(huì)帶來(lái)漏電，特別是高溫漏電，溫度系數(shù)不一致，有可能發(fā)生故障的引線難以處理，一般不抗振動(dòng)和不抗大加速度適應(yīng)溫度不足的絕緣問(wèn)題難以解決，外引線不固定，抗振強(qiáng)度不足等。因此，現(xiàn)有傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足同點(diǎn)測(cè)量和惡劣條件下測(cè)量的高可靠性要求。

研究目的是提供高溫壓力和溫度的復(fù)合傳感器和制備方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的不能滿足同點(diǎn)測(cè)量壓力和溫度的高可靠性問(wèn)題，不僅保留了現(xiàn)有硅藍(lán)寶石力傳感器的優(yōu)點(diǎn)，而且與同類產(chǎn)品相比，制造技術(shù)合理，操作快，相對(duì)成本低，生產(chǎn)效率高

采用的技術(shù)方案是，該高溫壓力和溫度的復(fù)合傳感器包括使用靜電封接或分子鍵結(jié)合的藍(lán)寶石晶體和鈦合金應(yīng)力杯、引線和鈦合金外殼，其技術(shù)要點(diǎn)是以鈦合金應(yīng)力杯對(duì)稱軸中心定位，在應(yīng)力區(qū)制作硅應(yīng)變電阻和鉑合金焊盤的同一藍(lán)寶石晶體上的非應(yīng)力區(qū)域設(shè)置白金熱電阻，在鈦合金應(yīng)力杯上焊接的鈦固定爪的內(nèi)腔使用銀銅焊層封接帶印刷電路的絕緣引線轉(zhuǎn)換板，作為引線的金屬箔一端焊接在與硅應(yīng)變電阻和白金熱電阻相連接的白金焊盤的另一端，由于絕緣引線的轉(zhuǎn)換板的絕緣。

所述絕緣導(dǎo)線轉(zhuǎn)換板的印刷電路是首先預(yù)制絕緣導(dǎo)線轉(zhuǎn)換板，然后將該絕緣導(dǎo)線轉(zhuǎn)換板的導(dǎo)線、穿線孔和鈦固定爪密封表面，均進(jìn)行鎢鉬金屬化厚膜技術(shù)處理，在鎢鉬金屬化膜層印刷鈀銀導(dǎo)線漿料，在真空、900℃燒結(jié)，絕緣導(dǎo)線焊盤、穿線孔、導(dǎo)線

高溫壓力和溫度復(fù)合傳感器的制備方法包括以下研究步驟：

光刻藍(lán)寶石晶片上的內(nèi)引線白金焊盤窗口。

將外延單晶硅的藍(lán)寶石晶片以高溫濕法氧化硅表面形成致密的SiO2層鈦合金應(yīng)力杯內(nèi)徑作為應(yīng)力區(qū)定位，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在預(yù)定區(qū)域制作硅應(yīng)變電阻的內(nèi)引線白金焊盤的位置和在非應(yīng)力區(qū)域的一角制作白金熱電阻和內(nèi)引線白金焊盤的位置，雕刻出適合制作白金熱電阻和內(nèi)引線白金焊盤的藍(lán)寶石表面

口罩濺射白金，制作硅應(yīng)變電阻內(nèi)引線白金焊盤和白金熱敏電阻的白金層及其內(nèi)引線白金焊盤；

將藍(lán)寶石晶片封裝在鈦合金應(yīng)力杯上；

將白金焊盤和白金熱電阻飛濺的藍(lán)寶石晶片切片，在400℃的溫度下，在高真空環(huán)境中，加入2000V.DC電場(chǎng)，將藍(lán)寶石晶片藍(lán)寶石面封在鈦合金應(yīng)力杯上；

以鈦合金應(yīng)力杯對(duì)稱軸中心定位，用激光刻印阻止。

激光刻印機(jī)以鈦合金應(yīng)力杯對(duì)稱軸中心定位，確定應(yīng)力區(qū)和非應(yīng)力區(qū)，平整藍(lán)寶石晶片的有內(nèi)引線白金焊盤面，定位，首先在應(yīng)力區(qū)按單晶硅晶對(duì)刻印硅應(yīng)變電阻，連接硅應(yīng)變電阻的內(nèi)引線白金焊盤，制作惠斯頓橋

將絕緣導(dǎo)線轉(zhuǎn)換板定位到鈦合金應(yīng)力杯的底座；

首先預(yù)制絕緣引線轉(zhuǎn)換板，在絕緣引線轉(zhuǎn)換板的引線、穿線孔和鈦固定爪的封面上，制作所有鎢鉬金屬化膜的真空、900℃的高溫下，在絕緣引線轉(zhuǎn)換板的鎢鉬金屬化膜層上制作鈀銀引線焊盤和引線層，制作印刷電路的印刷電路的絕緣引線轉(zhuǎn)換板，在真空、700℃下，用銀銅焊接層連接鈦固定爪，外引線通過(guò)線孔焊接絕緣引線轉(zhuǎn)換板

作為內(nèi)引線金屬箔的另一端焊接到白金焊盤上，焊接鈦合金外殼，測(cè)試檢定，成為高溫壓力和溫度的復(fù)合傳感器。

本研究的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是，本研究基于硅藍(lán)寶石力敏傳感器及其制備方法，在同一藍(lán)寶石晶體片上制作測(cè)量高溫介質(zhì)的硅壓力和白金溫度的復(fù)合傳感器，保留了現(xiàn)有硅藍(lán)寶石力敏傳感器的優(yōu)點(diǎn)，擴(kuò)大了傳感器的新功能，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的同點(diǎn)測(cè)量壓力和溫度的高可靠性問(wèn)題。在同一藍(lán)寶石晶片上制作測(cè)量壓力(力)的單晶硅應(yīng)變電阻橋和白金熱電阻的白金熱電阻在制作過(guò)程中已經(jīng)有專利的硅藍(lán)寶石力敏感傳感器和制備技術(shù)，制作應(yīng)變電阻的技術(shù)過(guò)程完全兼容的金屬箔代替彈性金屬觸頭，具有剪切、拉伸、無(wú)應(yīng)力，在實(shí)現(xiàn)高溫的同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)振動(dòng)和強(qiáng)加速度的外引線點(diǎn)焊或焊接到引線轉(zhuǎn)換板上，具有固定點(diǎn)、拉伸。與同類產(chǎn)品相比，具有制造工藝更合理、操作快、制造成本低、生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)。因此，在惡劣條件下測(cè)量的可靠性和推廣應(yīng)用顯著提高。

深圳市力準(zhǔn)傳感技術(shù)有限公司是測(cè)力傳感器、扭矩傳感器、稱重傳感器、柱式傳感器的專業(yè)制造商，也是集生產(chǎn)、銷售、售后為一體的綜合性技術(shù)創(chuàng)新企業(yè)。

我們的產(chǎn)品有適用于各種惡劣環(huán)境的高、中、低溫傳感器和高防護(hù)等級(jí)傳感器。也可廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、紡織、電子、油田、化工、機(jī)械加工、能源、環(huán)保、醫(yī)療、交通、建材等領(lǐng)域自動(dòng)化工程的檢測(cè)和過(guò)程控制。

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