CN102221429A - 高温压力与温度的复合传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高温压力与温度的复合传感器及制备方法，它是在本发明人的在先专利“硅蓝宝石力敏传感器及其制备方法”的结构基础上改进的，在制作有硅应变电阻的同一蓝宝石晶片上的非应力区一隅制作与应变电阻引线铂焊盘同质的铂热敏电阻及内引线的铂焊盘，采用焊接金属箔条代替原弹性金属触头或其他形式的内引线，制成抗强振动，抗大加速度的高温压力与温度复合传感器。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，该高温压力与温度的复合传感器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。

Description

高温压力与温度的复合传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种测量压力与温度的传感器及其制备方法，特别是一种适用于液体或气体等被测介质在大加速度40g以上、高温400℃以下的环境条件下，可同时同点测量的高温压力和温度的复合传感器及制备方法。

背景技术

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、火箭（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。本发明人曾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，详见专利公告号为CN1172169C的《硅蓝宝石力敏传感器及制备方法》的发明专利。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合方法，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：1、体积大，占用空间多；2、结构不紧凑，测温与测压点分离；3、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；4、引线很难处理，一般不抗振和不抗大加速度；5、适应温度不够；6、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。

发明内容

本发明的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。

本发明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片与钛合金应力杯、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敏电阻，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敏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，于绝缘引线转换板的钨钼金属化膜层上制作内外引线所要的钯银引线焊盘、穿线孔、引线，形成完整的印刷电路。

上述高温压力与温度的复合传感器的制备方法包括如下操作步骤：

步骤一、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，刻出铂热敏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；

步骤二、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；

步骤三、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敏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；

步骤四、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敏电阻；

步骤五、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；

步骤六、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。

本发明具有的优点及积极效果是：由于本发明是在“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敏电阻；铂热敏电阻在制作过程与已有专利《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。

本发明从结构上看优点如下：1、采用激光焊金属箔条连接铂焊盘于绝缘引线转换板上，实现内外引线连接。好处是，金属箔条可焊接面积大，易形成合金，如钯银箔条与铂极易形成可耐400℃以上的合金，抗剪强度高。这种结构因钯银等合金箔条，比重小，抗振强度高，决定了它比金铝、铝铝等在抗大加速度、抗振强度高近1个数量级。同时金铝、铝与铝结构不耐高温（一般在150℃左右）。

2、同一蓝宝石晶片上，同一平面，几乎同一点（因为钛合金应力杯直径为3～10mm）测压与测温，实现了同点工作。

3、体积小，质量轻，便于航空航天等特殊应用。

4、耐温性好，耐温范围取决于整体材料。整体材料满足-200℃至400℃温区使用。

5、由于采用钛固定爪支撑绝缘引线转换板结构，整体材料温度系数匹配，结构上又有隔离及悬浮构架，因此，温度及振动引起的误差很小。

6、外引线穿过绝缘引线转换板的引线孔，点焊到绝缘引线转换板的钯银焊盘上，相对牢固，不仅抗振，抗大加速度，又抗拉。

7、因外引线带有同钛合金外壳相连的屏蔽结构，带有外绝缘皮，钛合金外壳带有表压分子筛透气不透水的膜窗孔，传感器适合全天候，又具有一定的防电磁干扰性能。

硅力敏应变电阻与铂热敏电阻处于同一钛合金应力杯底上。杯子与外壳之间及与其它结构件尚有间隙及空间隔离，在测量时，测量点的压力与温度变化小，硅应变电阻和铂热敏电阻处于同一等温温度场，受外界影响小，做到了同点测压与测温。

这样的传感器，压力值不用做零点与满度温度补偿，不用做非线性修正。测温效果达到了国际电工委员会（IEC）标准的A级标准。这样的复合传感器，完全符合航天航空、核反应堆、舰船、制导高速武器、高铁、石油测井等特殊要求。由于本发明几乎不用化学药品，所以环保。因制作工艺紧凑快捷，故成本比较低，生产效率高。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明复合传感器的一种结构示意图。

图2是图1中钛固定爪的一种结构示意图；

图3是图2沿A-A线的剖视图；

图4是图1中绝缘引线转换板的一种结构示意图；

图5是图4沿B-B线的剖视图；

图6是图1中的绝缘引线转换板、金属箔条、钛固定爪及外引线的总成结构示意图；

图7是图1中的硅应变电阻、铂电阻平面分布示意图。

图中序号说明：1钛合金应力杯、2蓝宝石晶片、3硅应变电阻、4铂焊盘、5金属箔条、6印刷电路、7外引线、8绝缘引线转换板、9钛固定爪、10银铜焊层、11钛合金外壳、12金属屏蔽网、13外绝缘皮、14绝缘填充物、15铂热敏电阻。

具体实施方式

根据图1～7详细说明本发明的具体结构及制备方法。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片2与钛合金应力杯1、铂焊盘4、绝缘引线转换板8、钛固定爪9、外引线7及钛合金外壳11等部件。其中以钛合金应力杯1的对称轴中心（应力杯内径）定位，在应力区制作有硅应变电阻3和铂焊盘4的同一蓝宝石晶片2上的非应力区一隅设置有铂热敏电阻15。焊接在钛合金应力杯1上的钛固定爪9的内腔，利用银铜焊层10封接有绝缘引线转换板8。作为内引线的金属箔条5一端焊接在分别与硅应变电阻3及铂热敏电阻15连接的铂焊盘4上，金属箔条5另一端与固定有外引线7的绝缘引线转换板8焊接在一起。为确保可靠连接，采用已有钨钼金属化厚膜工艺，在绝缘引线转换板8的引线、钯银引线焊盘、穿线孔及与钛固定爪9封接面等全部制作有钨钼金属化膜，在这个绝缘引线转换板8上制作印刷电路6。外引线7的外周包覆有内部填装绝缘填充物14的金属屏蔽网12和外绝缘皮13（200℃的可选聚酰亚胺，400℃以下选玻璃纤维填充氧化硅套管）。测量检测传感器引线铂焊盘4（电测）；用微热氩弧焊焊接钛合金外壳11（上边带有只透空气不透水及不透其它有机大分子膜窗孔）。检定打标，即为成品。

以上提到的绝缘引线转换板8上的印刷电路6是这样制作的：首先预制绝缘引线转换板8，再将这个绝缘引线转换板8上的引线、穿线孔及与钛固定爪9的封接表面，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，于绝缘引线转换板8的钨钼金属化膜层上制作内外引线所要的钯银引线焊盘、穿线孔、引线，形成完整的印刷电路6。

前述高温压力与温度的复合传感器的制备方法包括如下操作步骤：

步骤一、光刻蓝宝石晶片2上的内引线铂焊盘4窗口。

将蓝宝石外延单晶硅的蓝宝石晶片2，用高温湿法氧化硅表面，形成致密的SiO₂层；按设计要求，在预定区域制出硅应变电阻3的内引线铂焊盘4位置，同时在这同一蓝宝石晶片2的非应力区一隅，制出铂热敏电阻15及内引线铂焊盘4的位置，即制出光刻版图板，进行光刻；刻出硅应变电阻3的内引线铂焊盘4窗口，即去除相应的SiO₂膜，露出硅表面，同时，刻出铂热敏电阻15及内引线铂焊盘4的窗口，即去除相应的SiO₂与硅膜层，露出适合做铂热敏电阻15及内引线铂焊盘4的蓝宝石表面。

步骤二、掩膜溅射铂，制作硅应变电阻3的内引线铂焊盘4与铂热敏电阻15的铂层及其内引线的铂焊盘4。

因为铂金属没有什么物质能快速腐蚀它，不能用传统的平面工艺光刻法制出完好的图形。因此，采用掩膜法，即溅射确定的图形，不光刻，用激光修正（烧蚀）还是比较好的办法。硅应变电阻3的内引线焊盘4、铂热敏电阻15及内引线铂焊盘4，采用同等厚度即可，一次溅成就行了，在溅射环节不增加工序和成本。一般厚度在1～2μm足矣。

步骤三、封装蓝宝石晶片2到钛合金应力杯1上。

将溅射好铂焊盘4与铂热敏电阻15的蓝宝石晶片2划片。在400℃温度下，在真空（1×10^-5㎜Hg）环境，加2000V.DC电场，将蓝宝石晶片2蓝宝石面封接到钛合金应力杯1上。表面光洁度与平整度达0级或Ⅰ级光圈，时间5分钟。封完，顺便在真空下加温到670℃，时间30分钟，进行铂硅、铂蓝宝石合金化，并消除应力。

步骤四、以钛合金应力杯1对称轴中心定位，用激光刻阻。

在激光刻阻机上，以应力杯对称轴中心定位，确定应力区与非应力区。将蓝宝石晶片有内引线焊盘面调平，定位。首先在应力区按单晶硅晶向，刻硅应变电阻3，将硅应变电阻3的引线铂焊盘4连起来，实时测量，制出惠斯顿电桥；完后，也实时测量，在非应力区修调出铂热敏电阻15。

步骤五、定位装绝缘引线转换板8到钛合金应力杯1底座上。

先预制绝缘引线转换板8，即采用与蓝宝石晶片2同质的蓝宝石晶体，用宝石加工机冷加工出相应的结构与表面的绝缘引线转换板8；再将这个绝缘引线转换板8上的引线、穿线孔及与钛固定爪9的封接面等，采用已有钨钼金属化厚膜工艺，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8的穿线孔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6。把这个带有印刷电路6的绝缘引线转换板8，在真空、700℃下，用银铜焊层10焊接到钛固定爪9上。外引线7的外周包有内部填装绝缘填充物14的金属屏蔽网12构成的屏蔽套，在屏蔽套设置外绝缘皮13（200℃的可选聚酰亚胺套管，400℃以下选玻璃纤维填充氧化硅套管）。外引线7经穿线孔点焊到绝缘引线转换板8的印刷电路6的钯银引线焊盘上。然后把作为内引线的金属箔条5一端焊接到绝缘引线转换板8上的钯银焊盘上。将内腔利用银铜焊层10封接有绝缘引线转换板8的钛固定爪9通过微热氩弧焊，焊接到钛合金应力杯1上。焊接钛固定爪9时，一定将内引线金属箔条5对准相应的铂焊盘4。

步骤六、激光焊接作为内引线金属箔条5的另一端于铂焊盘4上，焊上钛合金外壳11。

将激光焊接用的波导软管上的焊接头对准作为内引线金属箔条5的另一端（压在铂焊盘4上），小功率多次点焊到铂焊盘4上。显微镜下金属箔条焊点表面由瓷白出现明显的金属亮白色（铂、钯、银合金色）为好。此时抗拉力在50克以上。最后焊上带有只透空气不透水及不透其它有机大分子膜窗孔的钛合金外壳11，即组成一个完整的复合传感器。

步骤七、检测与打标。检测：在标准压力计检测压力值，在标准温度场下检测温度值，直到测试检定合格；打标：激光刻出钛合金外壳11上的编号与量程等，即成为可以测量高温压力与温度的复合传感器。

Claims (3)

1.一种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片与钛合金应力杯、外引线及钛合金外壳，其特征在于：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敏电阻，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敏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。

2.根据权利要求1所述的高温压力与温度的复合传感器，其特征在于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，于绝缘引线转换板的钨钼金属化膜层上制作内外引线所要的钯银引线焊盘、穿线孔、引线，形成完整的印刷电路。

3.一种权利要求1所述的高温压力与温度的复合传感器的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：

步骤一、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，刻出铂热敏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；

步骤二、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；

步骤三、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敏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；

步骤四、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敏电阻；

步骤五、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；

步骤六、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。

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