压力与温度复合传感器及制备方法简介

技术特点

科技工作者知道，用于液体或气体等被测介质的压力与温度的同点测量，在宇宙飞船、飞机、高速列车，箭（导弹）、核反应堆等特殊测量环境下，测量的可靠性要求是十分重要和必须的。但是现有传感器不仅在制作精度上，而更重要的是在大加速度、高温、强辐射、强振动等恶劣条件下，远远满足不了测量可靠性的要求。很多专业人员，一生都在寻求完美的解决前述问题的方法。好在目前世界上，高纯的三氧化二铝（Al2O3）γ单晶体，即莫氏硬度达9.0，响应频率达5×1018Hz的蓝宝石单晶体，已成为制造力敏和热敏传感器比较理想和几近完美的高弹性高温晶体。它可以外延生长出单晶硅，又极易同钛、铂等金属亲和，并且其热膨胀系数在-196℃～400℃温区内，同钛及绝大数钛合金非常匹配。这给制作传感器的高标准封接操作带来了方便。但在结构设计及工艺制作方面仍存在很多难题和困难。针对现有硅蓝宝石力敏传感器的加工工艺比较复杂等难以克服的问题，利用现代加工手段和新的思维方法，用它制造出了适用于高温测量的硅蓝宝石力敏传感器，该制作工艺是将外延生长有单晶硅膜的蓝宝石晶片，用静电封接或用分子键方法，封接到钛合金应力杯上，以钛合金应力杯对称中心为基准，激光刻出硅应变电阻，在硅应变电阻的铂金盘上用金属弹性触头连接引线，进行封装连接外引线，使该传感器适用温度达-196℃～400℃。这种传感器虽解决了耐温等问题，但“触头”在强振动和大加速度下，容易磨损和失效。同时也解决不了压力与温度的同点测量问题。为解决同点测量问题，人们试图将压力传感器与温度传感器进行合并捆绑，如将Pt100铂温度传感器与压力传感器捆绑到一起。但其存在以下问题：体积大，占用空间多；结构不紧凑，测温与测压点分离；测温原件与测点存有间隙，测温易滞后或测不准。如果加胶等介质粘住温度传感器，又会带来漏电，特别是高温漏电，还存在温度系数不匹配，有失效的可能；引线很难处理，一般不抗振和不抗大加速度；适应温度不够；绝缘问题不好解决，外引线不好固定，抗振强度不够等等。因此，现有传感器远远满足不了同点测量和在恶劣条件下测量的高可靠性要求。

研究目的是提供一种高温压力与温度的复合传感器及制备方法，它解决了现有技术存在的满足不了同点测量压力与温度的高可靠性问题，它不仅保留现有硅蓝宝石力敏传感器的优点，而且与同类产品相比，具有制造工艺更加合理，操作快捷，相对成本低，生产效率高的特点，显著提高了在恶劣条件下测量的高可靠性。

所采用的技术方案是：该高温压力与温度的复合传感器包括利用静电封接或分子键合在一起的蓝宝石晶与钛合金应力杯、外引线及钛合金外壳，其技术要点是：以钛合金应力杯对称轴中心定位，在应力区制作有硅应变电阻和铂焊盘的同一蓝宝石晶片上的非应力区一隅设置有铂热电阻，焊接在钛合金应力杯上的钛固定爪的内腔利用银铜焊层封接有带印刷电路的绝缘引线转换板，作为内引线的金属箔条一端焊接在分别与硅应变电阻及铂热电阻连接的铂焊盘上，金属箔条另一端与固定有外引线的绝缘引线转换板焊接在一起。

所述绝缘引线转换板上的印刷电路是这样制作的：首先预制绝缘引线转换板，再将这个绝缘引线转换板上的引线、穿线孔及与钛固定爪封接表面，全部进行钨钼金属化厚膜工艺处理，在钨钼金属化膜层上，印制钯银引线浆料，在真空、900℃下烧结，于绝缘引银引线焊盘、穿线孔、引线，形成完整的印刷电路。

高温压力与温度复合传感器的制备方法包括如下研究步骤：

光刻蓝宝石晶片上的内引线铂焊盘窗口

将外延单晶硅的蓝宝石晶片，用高温湿法氧化硅表面，形成致密的SiO2层；以钛合金应力杯内径为应力区定位，按设计要求，在预定区域制出硅应变电阻的内引线铂焊盘位置和在非应力区一隅制出铂热敏电阻及内引线铂焊盘的位置，进行光刻；刻出硅应变电阻内引线铂焊盘窗口，露出硅表面，同时，刻出铂热电阻及内引线铂焊盘的窗口，露出适合做铂热敏电阻及内引线铂焊盘的蓝宝石表面；

掩膜溅射铂，制作硅应变电阻内引线铂焊盘与铂热敏电阻的铂层及其内引线的铂焊盘；

封装蓝宝石晶片到钛合金应力杯上

将溅射好铂焊盘与铂热电阻的蓝宝石晶片划片，在400℃温度下，在高真空环境，加2000V.DC电场，将蓝宝石晶片蓝宝石面封接到钛合金应力杯上；

以钛合金应力杯对称轴中心定位，用激光刻阻

在激光刻阻机上，以钛合金应力杯对称轴中心定位，确定应力区与非应力区，将蓝宝石晶片的有内引线铂焊盘面调平，定位，首先在应力区按单晶硅晶向刻硅应变电阻，将硅应变电阻的内引线铂焊盘连起来，制出惠斯顿电桥，在非应力区修调出铂热电阻；

定位装绝缘引线转换板到钛合金应力杯底座上

先预制绝缘引线转换板，再将绝缘引线转换板上的引线、穿线孔及与钛固定爪的封接面，全部制作钨钼金属化膜；在真空、900℃高温下，于绝缘引线转换板的钨钼金属化膜层上制作钯银引线焊盘及引线层，制成印刷电路；将带有印刷电路的绝缘引线转换板，在真空、700℃下，用银铜焊层连接到钛固定爪上，外引线经穿线孔焊到绝缘引线转换板上，作为内引线的金属箔条一端焊接在绝缘引线转换板上；

作为内引线金属箔条的另一端焊到铂焊盘上，焊上钛合金外壳，测试检定，即成为高温压力与温度的复合传感器。

本研究具有的优点及积极效果是：由于本研究是在“硅蓝宝石力敏传感器及其制备方法”基础上改进而成，在同一蓝宝石晶体片上，制成测量高温介质的硅压力与铂温度的复合传感器，所以既保留了现有硅蓝宝石力敏传感器的优点，又拓展传感器的新功能，解决了现有技术存在的满足不了同点测量压力与温度的高可靠性问题。在同一蓝宝石晶片上制作测压力（力）的单晶硅应变电阻桥和铂热电阻；铂热电阻在制作过程已有专利《硅蓝宝石力敏传感器及制备工艺》制造应变片的工艺过程完全兼容；用金属箔条代替弹性金属触头，抗剪、抗拉、无应力，在实现耐高温的同时，耐强振动与耐大加速度；外引线点焊或钎焊到引线转换板上，有了固定点，抗拉。与同类产品相比，具有制造工艺更加合理，操作快捷，相对制作成本低，生产效率高的特点。因此，显著提高了其在恶劣条件下测量的高可靠性和利于推广应用。(end)