合金薄膜电阻应变式压力传感器的发展史

　　我国国防、航空航天、工业生产和自动控制，如运载火箭燃料室的压力测量、发动机燃烧室压力监测、供油压力、导弹飞行的平衡控制以及石油工业的井下压力测量等，都需要高精度、高稳定性、耐恶劣环境的压力传感器，而且大多需要金属弹性衬底的薄膜电阻应变压力传感器，因为金属的机械性能优良，耐高温性能和耐腐蚀性能都很好，而薄膜电阻应变压力传感器敏感度高，能适应现代科技发展的要求。

　　研制能适应各种恶劣环境测压要求的压阻式薄膜传感器，其关键技术在于合金敏感薄膜的制备。高电阻稳定性的合金敏感薄膜是保证压力传感器在各种恶劣环境下仍具有稳定的高灵敏度的关键。

　　压力传感器制备工艺进展

　　典型合金薄膜应变压力传感器的功能模块主要由弹性敏感元件、转换元件等部分组成。弹性敏感元件是将被测物理量预先转换为一种易于变换成电信号的物理量的部件。转换元件是能将感受到的物理量直接转换成电信号的部件。

　　合金薄膜应变压力传感器的工作原理可简述为：压力引起电阻变化，通过电阻值变化转换为输出电压变化，实现对压力的准确测量。薄膜弹性元件质量的优劣直接影响到传感器的性能及精度。

　　利用电阻应变效应制造的电阻应变式压力传感器经历了以下3 个发展阶段：丝式电阻应变压力传感器、箔式电阻应变压力传感器和薄膜电阻应变压力传感器。

　　丝式电阻应变压力传感器主要由金属丝作为转换元件，用胶粘贴在敏感元件上。由于圆截面的金属丝与变形表面结合不够紧密，而且电阻丝末段输出线接头不易焊接，焊接接头极易损坏，所以该类传感器寿命短、稳定性差、精度不高。

　　随着半导体制造技术的发展，特别是光刻技术的发展，人们又成功研制出箔式电阻应变式压力传感器。它的转换元件是箔式应变片，其敏感栅是通过光刻、腐蚀工艺等制成，箔合金材料为康铜或改性镍铬合金。由于箔敏感栅断面为长方形, 表面积大、散热性能好、栅条均匀、尺寸小、应变片薄，所以相对于丝式电阻应变传感器, 箔式电阻应变式压力传感器的温度特性和精度都有了非常大的提高，能满足一般的自动控制和测量的需要。但是，由于粘贴胶本身固有的缺陷，胶在较高温度和较大湿度等恶劣环境下使用一定时间后，其力学性能明显变差，致使传感器稳定性变差，蠕变与迟滞增大。所以粘贴式传感器不能满足恶劣环境下使用。

　　随着现代科技的飞速发展，许多工业生产和自动控制，如运载火箭燃料室的压力测量、导弹飞行的平衡控制以及石油工业的井下压力测量等，都需要在耐高温、耐腐蚀恶劣环境下工作的压力传感器，这就促使人们采用新的技术和工艺手段来开发制作新型压力传感器，因此金属弹性衬底的金属薄膜应变压力传感器便应运而生了。

　　金属薄膜应变压力传感器的敏感薄膜是采用真空沉积或真空溅射等方法制成：直接在弹性衬底(表面有绝缘层的金属或石英、云母等无机材料)上溅射沉积一层导电金属薄膜，再采用光刻技术制成应变电阻，然后在应变电阻上溅射一层SiO2、Al2O3等绝缘保护膜来保护应变电阻，使其不暴露于大气，以免电阻条被氧化。如果是金属弹性衬底，一般应首先在金属弹性衬底上溅射一层或多层绝缘膜(如SiO2、Si3N4、Al2O3 等)。

　　相对于丝式与箔式压力传感器，薄膜应变式压力传感器在性能上有很大提高，能适应恶劣的环境。但是直接在金属弹性衬底上溅射或沉积薄膜需要解决3 个问题：高质量金属弹性衬底表面的制备、薄膜与衬底间的强粘附性、金属弹性衬底与纳米薄膜电阻间的高绝缘性等关键技术。目前，这仍然是一个尚待解决的技术难题。