薄膜壓力傳感器敏感芯體薄膜的結構及技術要求

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絕緣薄膜，通常采用SiO2、Al2O3或復合結構。第二層薄膜是起應變作用的金屬敏感薄膜，通過光刻工藝形成電橋應變電阻，成為壓力敏感芯體的核心，其材料業內一般采用Ni-Cr合金、NiCrMnSi合金制備。第三層是鈍化保護介質薄膜，這層薄膜主要用來保護應變電阻和隔離空氣、水氣，防止應變薄膜氧化、腐蝕等造成應變電阻的不穩定性。鈍化保護介質薄膜一般是采用SiO2、Al2O3等材料。第四層薄膜是金絲引線用的窗口鍍金薄膜，它與應變電阻膜接觸，實現電氣引出。

根據薄膜壓力傳感器的薄膜所起作用的不同，對各層薄膜的質量要求也不同，對于絕緣薄膜，要求應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，彎曲變形超過10000000次循環不失效。要求絕緣薄膜與彈性體的熱膨脹系數基本一致，不因它們之間的差異引起內應力，從而造成傳感器的輸出不穩定，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絕緣薄膜附著力高、致密無針孔、空洞等缺陷。如有蠕變產生，則會增加零點漂移誤差，降低傳感器的非線性。絕緣薄膜含雜質量少，無吸附氣體。這樣，能防止使用過程中雜質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。總之，介質絕緣膜層要具有高的電阻系數；高的擊穿電壓；優良的絕緣性能；對彈性體的良好附著性；良好的彈性變形的傳遞性；高的熱穩定性。

對于應變金屬敏感薄膜，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和靈敏度不變。對Ni-Cr薄膜而言，應變金屬敏感薄膜在熱處理后殘余應力要盡可能小。殘余應力的存在，將引起零點漂移誤差。要求沉積的應變金屬敏感薄膜與介質絕緣薄膜的熱膨脹系數盡可能一致；薄膜的厚度應該在保證穩定的連續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，膜內晶格缺陷引起畸變增加，內應力增大，另外阻值也不穩定；膜太薄，薄膜是不連續的，不能通過熱處理使其穩定。同時考慮到電阻值要高，橋阻控制在（3～6）KΩ, 應變金屬敏感薄膜的方塊電阻應為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定。制成的應變電阻阻值在很寬的溫度范圍內穩定例如傳感器的穩定性要求為0.1%FS，那么電阻的變化量應小于0.05%范圍。對于長期工作穩定性要求，則電阻穩定性要求小于0.001%。保證這樣高的電阻穩定性，其難度較大，需要采用一些特殊成份的材料改性技術，使其電阻穩定性盡量小。總之，應變金屬敏感薄膜層要具有電阻率對應變的靈敏度高；應變檢測受溫度影響小；高的電阻率；低的溫度電阻系數；可靠的化學和結構穩定性。

對于鈍化保護介質薄膜的要求除了熱膨脹系數，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；低應力。

對于引線區窗口鍍金薄膜，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；高的熱穩定性；良好的附著性；電阻溫度系數與應變層相匹配。

綜上所述，薄膜壓力傳感器對各層薄膜質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，內應力，熱應力，受力形變后彈性好，熱膨脹系數小等。電氣特性主要是介質膜的絕緣性能好，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備及制備工藝技術，由于薄膜形成過程非常復雜，即使是同一生產設備制造的薄膜，其質量差異有時也有較大的差異。