氮化鉭薄膜壓力傳感器研究

謝貴久，周國方，何 峰，藍鎮立，王 棟，龔杰洪，季惠明

（1.中國電子科技集團公司第四十八研究所，長沙410111;2.薄膜傳感技術湖南省國防重點實驗室，長沙410111;3.天津大學，天津300072）

1 引 言

氮化鉭薄膜是一種優良的壓阻材料，其結構相對復雜，目前已知的相有11種之多[1-3]。氮化鉭具有高穩定性，較低電阻溫度系數、適中應變因子、優良耐磨性等優點，是一種廣泛應用用途航空航天、微電子、動力機械等領域的材料。此外，相較于目前常用的鎳鉻合金薄膜材料，TaN薄膜的具有更優異的自鈍化特性，能在空氣中生成一層致密的Ta2O3膜，并能在非密封狀態下工作，抵抗水氣侵蝕，從而具有優良的穩定性和可靠性。因此，氮化鉭薄膜壓力傳感器具有廣闊的應用前景，但氮化鉭為化合物材料，需研究制備及熱處理工藝得到穩定可靠的壓力傳感器。

2 工作原理

薄膜壓力傳感器的工作原理如圖1所示，薄膜應變傳感原理是氣體壓力P作用在金屬彈性體上使結構產生變形，采用直流離子束濺射等技術在彈性體結構上制作組成電橋的薄膜電阻，彈性體變形使應變電阻阻值發生變化，電橋輸出與壓力成比例的電信號。通過改變彈性體結構的厚度，將壓力量轉換為位移形變量，以便傳遞給薄膜電阻，使電阻產生相應的形變，可制造不同量程的壓力傳感器。

圖1 應變原理圖

3 結構及版圖設計

3.1 膜厚設計

設計時候采用的是圓形平薄膜片的結構作為壓力傳感器的感壓元件。設計鋼杯結構時，通過在膜片邊緣處通過R0.4內倒角解決膜片邊緣應力集中的問題，可以保證在過載200%滿量程條件下膜片不會達到彈性極限。

此時，圓形平薄膜片的厚度設計就是影響傳感器靈敏度的關鍵因素。膜片的設計厚度為0.5mm，通過研磨拋光減薄40μm后，經測試，在過載130MPa條件下，芯體性能未出現突變。

3.2 應變版圖設計

周邊固支平薄膜片的徑向應變和切向應變公式如下[4]：

其中：εr為徑向應變，εt為切向應變，p為均布壓力（Pa），μ為膜片材料泊松比，R為平薄膜片半徑（cm），r為膜片任意部位半徑（cm），E為膜片材料彈性模量（Pa），h為膜片厚度（cm）。版圖設計如圖2。

圖2 應變版圖設計

如圖2(a)所示，在圓心處徑向應變與切向應變為大小相等的拉應變，在平膜片邊緣徑向應變為壓應變，切向應變為零。薄膜電阻的版圖設計要最大化利用彈性體的應變區域，提高輸出靈敏度。由應變計原理可知，當應變電阻的圖形的幾何對稱完全與應力分布方向相吻合時，應變電阻產生的應變電阻值最大。因此，設計時最大化將應變量轉換為阻值變化，如圖2(b)所示。

3.3 封裝設計

傳感器結構如圖3所示。傳感器設計量程為50MPa，產品直徑小于20mm，最大破壞壓力為135MPa，因此傳感器結構設計時應考慮的主要難點為135MPa耐壓以及小型化封裝的設計。

圖3 封裝結構圖

在傳感器結構設計上采用端面密封結構，敏感芯片與基座通過激光焊密封，經過試驗驗證加壓結構和焊縫均可以承受135MPa壓力。

傳統的濺射薄膜芯片封裝采用焊錫固定內外引線板，導致產品直徑超過28mm。為減小傳感器封裝尺寸，選用引線支架引出芯片的輸入輸出，該引線直接直接固定5根Ф0.8 mm鍍金引針，基座通過激光焊與支架固定。內引線板穿過5根鍍金引針用焊錫固定在支架上，芯片與內引線板采用金絲球焊連接。固定環與支架通過激光焊連接，外引線板穿過5個鍍金引針用焊錫固定在固定環的卡槽上，從而實現了傳感器封裝小型化、輕質化。

4 實 驗

芯片用彈性體材料用17-4PH不銹鋼，其彈性模量大于197GPa。通過機械磨盤研磨拋光完成該不銹鋼彈性基底的平坦化處理。采用直流離子束濺射鍍膜的方法在經過處理的不銹鋼彈性基底上沉積緩沖層和絕緣層。采用直流離子束反應濺射沉積工藝，在絕緣層上沉積氮化鉭薄膜[5]，靶材為99.99%純度的Ta靶，尺寸為110 mm×100 mm×3 mm，濺射氣體采用99.99%的氬氣和氮氣混合氣，本底真空為9×10-4Pa，濺射氣壓為 2.7×10-2Pa，N2/Ar2流量比為3%，沉積時間30 min。

采用真空氣氛熱處理完成該氮化鉭薄膜的退火工藝，本底真空為5×10-2Pa，通入氬氣作為保護氣體，退火氣壓為0.1 Pa，退火溫度為700℃，退火時間為1 h。

通過離子束刻蝕經氮化鉭薄膜[6]，形成四個電阻橋組成惠斯通全橋電路，內電阻分布在靠近彈性體應變區域的中心，外電阻分布在靠近應變區域的邊緣。利用離子束濺射沉積工藝依次沉積金屬Ti（10nm）、金屬鉑（100nm）及金電極（800 nm）及鈍化層SiO2（250nm）。各層薄膜結構如圖4所示。

圖4 薄膜層示意圖

5 結果與討論

熱處理工藝對零點穩定性的影響如圖5。其中圖5(a)為未經退火工藝芯體零點輸出的長期穩定性數據，圖5(b)為退火處理后芯體零點輸出的長期穩定性數據。從圖中可以看到，未經退火工藝的樣品零點漂移十分嚴重，在同樣溫度環境下最大可以就漂移量可以達到200μV，而經過熱處理的傳感器的在同一溫度下的零點漂移量小于5μV。

圖5 熱處理工藝對零點穩定性的影響

由于TaN具有多種相，在沒有達到穩定的狀態下，在空氣或者濕氣的影響下，薄膜會發生性能的改變，導致薄膜電阻阻值發生長期漂移[7]。經適當的退火處理后，薄膜達到一個穩定的化學態，外界條件改變其電阻能力大幅下降，體現為傳感器的零點穩定性大幅度提高。

傳感器的性能測試結果如表1所列，從表中可以看出，采用TaN作為敏感材料的濺射薄膜壓力傳感器具有優異的非線性、高靈敏度等特點[8]。

表1 傳感器性能測試結果

6 結束語

針對氮化鉭薄膜壓力傳感器性能研究，設計了一種小型化、輕量化的結構及應變版圖，采用直流反應離子濺射的方法制備氮化鉭功能薄膜，利用高溫退火爐對傳感器進行熱處理，在退火溫度700℃，退火時間30min，得到了零點穩定性高的氮化鉭薄膜壓力傳感器芯片。

該傳感器所用TaN敏感材料，擁有優異的靜態性能特性，高靈敏度等特性。相對于傳統鎳鉻敏感材料存在工藝更復雜、溫度特性差等不足，可滿足溫度特性要求低、靈敏度要求高的型號產品應用。

參考文獻：

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