薄膜壓力傳感器溫度靈敏度補償工藝研究

潘婷 藺露

陜西電器研究所 陜西 西安 710061

引言

由于壓力傳感器敏感彈性體的彈性模量容易受溫度變化的影響，導致傳感器在溫度變化時的輸出靈敏度與室溫時的靈敏度有差異，不能真實地反映傳感器的靈敏度，因此需要對壓力傳感器的溫度靈敏度進行補償，使傳感器保持準確的輸出靈敏度。傳統的補償工藝是采用鎳電阻元件在敏感元件外部進行補償，應變電阻和補償電阻沒有位于同一溫區，他們之間產生的溫度梯度使傳感器的補償結果存在誤差。本文提供了一種基于薄膜技術的溫度靈敏度補償工藝，通過離子束濺射沉積高純鎳膜，將補償電阻和應變電阻制作在敏感彈性體的同一表面，使他們位于同一溫區，提高了壓力傳感器的補償精度，同時使其結構更加簡捷，裝配更加方便。

采用薄膜鎳電阻進行傳感器溫度靈敏度補償的前提條件是保證薄膜鎳電阻溫度系數達到補償要求，通過以下試驗獲得薄膜鎳電阻溫度系數達標的工藝參數。

1 溫度靈敏度補償原理

傳感器裝配好后，應進行初步的測試和溫度補償試驗，為以后進行各種補償提供必要的數據，補償方法是在測量線路上加上各種補償電阻。傳感器中采用線路補償的目的有3個[1]：一是使傳感器的參數標準化；二是改善輸出特性；三是提高對環境溫度變化的適應性，全面線路補償包括初始不平衡補償（零點校正）、溫度補償、非線性補償、輸出靈敏度補償、輸入和輸出阻抗補償。本文主要是對溫度靈敏度補償進行研究，通過薄膜技術補償工藝使傳感器的溫度靈敏度補償精度得以提高。

由于彈性體材料的彈性模量E及應變片靈敏系數K隨溫度變化所致，通常情況下，溫度升高彈性模量E減小，根據虎克定律，當外力不變時，應變ε要增加，電橋輸出增加，使傳感器的靈敏度變大。

式中：αL—彈性體材料的熱膨脹系數；

αE—彈性體材料彈性模量的溫度系數；

αm—補償電阻RE的溫度系數。

通過以上公式可以看出，溫度靈敏度補償電阻應該選擇高溫度系數，穩定性好的電阻，雖然銅的溫度系數可以達標，但是銅容易氧化穩定性差，因此本文我們選用純鎳為補償電阻。

為了使傳感器達到一定的精度要求，對傳感器溫度靈敏度補償電阻的溫度系數有一定的要求，至少為5000ppmΩ/℃，本文通過鍍鎳膜試驗確定溫度系數達標時的薄膜厚度，其次根據傳感器電橋補償原理圖設計適合直徑7mm的敏感芯體的薄膜鎳電阻圖形，電阻計算如公式（2）。

2 溫度靈敏度補償鎳電阻溫度系數測試

采用薄膜鎳電阻進行傳感器溫度靈敏度補償的前提條件是保證鎳膜的電阻溫度系數達到補償要求，本文通過不同工藝參數的試驗逐步獲得符合要求的薄膜鎳電阻溫度系數（滿足傳感器補償要求的鎳電阻溫度系數≥5000ppmΩ/℃）。

2.1 鎳膜厚度與電阻溫度系數的關系

薄膜厚度對鎳電阻的溫度系數也有影響，薄膜越厚溫度系數越接近塊材，但是試驗過程中受光刻膠分辨率的影響，薄膜厚度有一定的范圍，光刻膠的分辨極限對應的鍍膜時間是30min，因此鍍膜時間要小于30min，表1是不同鍍膜時間對應的鎳電阻的溫度系數，同一鍍膜時間選取5個試驗件，取平均溫度系數。

表1 不同鎳膜厚度的電阻溫度系數（有過渡層鈦熱處理350℃）

通過表1可以看出電阻溫度系數隨著膜厚的增加而增加，但是當膜厚達到一定值時電阻溫度系數保持不變。

2.2 熱處理溫度與電阻溫度系數的關系

通過熱處理可以使鎳薄膜的結構和性能穩定，減少薄膜沉積過程中存在的缺陷，完成非晶體到晶體的轉化，使薄膜趨于穩定化。因此要選擇合適的熱處理溫度，表2列出了不同的熱處理溫度得出不同的鎳電阻溫度系數。

表2 熱處理溫度對鎳電阻溫度系數的影響

通過表2可以看出薄膜厚度相同時，隨著熱處理溫度的增加，薄膜電阻的溫度系數呈增加的趨勢，但達到一定溫度時保持不變。

通過上述對鎳電阻溫度系數影響因素的分析，最終獲得滿足傳感器補償要求的鎳電阻溫度系數為5000ppm，工藝要求為：鍍鎳膜前無過渡層鈦，鍍鎳膜時間為12min，熱處理溫度為400℃，但是目前還需要解決的問題是如何提高鎳膜的附著力。

3 提高鎳薄膜附著力的工藝

前期實驗得出由于光刻膠分辨率的影響，鎳電阻鍍制后清洗光刻膠時容易脫膜，因此改進工藝，將以前的鎳電阻線條鍍制變為線條刻蝕，脫膜現象得以消除，這是因為光刻膠保護的區域不同，改進后的保護區域和改進前鎳電阻絲柵線位置是互補的，曝光窗口比以前的寬，在光刻膠的分辨率范圍內，因此鎳電阻圖形可以很充分的曝光并得到干凈完整的鎳電阻圖形[2]。具體工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

經過改進后的工藝，薄膜鎳電阻溫度系數達到了傳感器補償的要求，薄膜附著力也得到提高，清洗光刻膠后，無脫膜現象，該工藝已通過小批量的生產驗證，并進行后續的傳感器裝調，可以達到溫度靈敏度補償的精度要求。

經過傳感器溫度靈敏度補償公式計算及實際的試驗驗證，得出溫度靈敏度補償系數為4.67%，根據一定的電橋輸入電阻值對應一定的補償電阻值，再通過激光調阻機對補償電阻進行微調，使傳感器的補償精度更準確。

4 壓力傳感器溫度性能試驗

濺射薄膜傳感器經過裝配后，首先進行溫度老化試驗對溫漂大的傳感器進行溫度零點補償，其次進行溫度靈敏度補償，不同量程壓力傳感器溫度靈敏度補償結果如表3和表4所示。

表3 薄膜壓力傳感器溫度靈敏度漂移試驗數據（補償前）

表4 薄膜壓力傳感器溫度靈敏度漂移試驗數據（補償后）

通過特定的工藝完成鎳電阻的制作，并對傳感器溫度性能進行驗證得出采用薄膜鎳電阻補償后的溫度靈敏度指標為0.003%F.S/℃，相比傳統的采用鎳電阻元件的補償精度得到很大的提高，對后續的傳感器裝調起到簡化的效果，使傳感器整體的結構尺寸得到優化[3]。

5 結束語

本文通過濺射鍍膜的方法將溫度靈敏度補償電阻制作在敏感元件表面，并且分析了影響溫度靈敏度補償電阻溫度系數的各種因素，采取一定的工藝改進方案使補償電阻溫度系數達到要求，通過理論計算與試驗驗證設計了合理的補償電阻絲柵圖形，通過小批量的生產驗證了工藝和設計的完整性，根據確定好的工藝完成傳感器溫度靈敏度的補償，補償后壓力傳感器溫度靈敏度漂移為0.003F.S/℃，優于傳統的采用鎳電阻元件補償結果，溫度靈敏度補償工藝改進后使濺射薄膜傳感器的優勢得以更大的擴展，同時可以將薄膜電阻的溫度靈敏度補償技術應用于更多形式的傳感器。