溅射薄膜压力传感器

溅射薄膜压力传感器芯体特点

由于薄膜压力传感器芯体压力特性的研究主要集中在表面工程领域,因此,对于基于表面工程陶瓷等材料的压力传感器而言,其制造过程中可能会出现各种问题,从而导致压力传感器的性能和可靠性出现异常,需要解决以上问题并采用先进技术以确保其性能满足工业需求。因此,溅射薄膜压力传感器芯体中采用最先进的技术以保证其性能满足工业需求已经成为一种趋势。而溅射薄膜压力传感器芯体是由半导体材料溅射后形成微孔结构的薄膜层构成。作为传感器芯体内部由一层薄膜组成(如金属氧化物)并形成微孔结构,微孔结构既保证了内部压力传递、信号吸收等功能,又能同时提供与压力有关的内部电场信息和压电效应(力效应)。

溅射薄膜压力传感器

1、传统的压力传感器是通过机械方法将半导体材料切割成薄膜,通过机械方法加工获得一定的机械强度和材料组成的薄膜结构,当半导体被加工成所需压力的形状之后,就需要通过压力传感器来测量相应的压力。

传统的压力传感器采用电阻式或者半导体方式,通过测量压力的变化来判断压力变化。这种类型的压力传感器成本较高,且使用时需要使用专门的仪器对压力进行测量。在工业领域,如果不对半导体材料进行切割和表面处理,则很难获得与之相适应的温度和压力信号。同时由于半导体的薄膜压力是基于表面工程而成,所以其成本较高,且在工业领域有一定的局限性。为了降低成本和提高性能,降低材料厚度和尺寸难度是一种重要的选择因素。

2、由于薄膜压力传感器本身具有较高的抗高温性和抗压性特征,因此可以利用其具有良好的耐热、耐酸碱性、抗氧化氢腐蚀以及热导率较低等特点来满足工业应用对传感器件材料等方面要求。

目前,溅射薄膜压力传感器在工业领域主要应用于汽车行业、生物医疗领域等方面。比如,由于金属氧化物薄膜层材料本身具有良好的抗高温性,因此可以利用金属氧化物薄膜层作为原材料,采用表面处理工艺制成厚度为0.2~0.5 mm的金属氧化物膜,这样就使得溅射后陶瓷薄膜中压力分布较为均匀。通过进一步分析可以发现在溅射过程中还可以获得与半导体材料相匹配的微结构。这种方法对于基于陶瓷薄膜的压力传感器而言既实现了传感器在高温下的工作条件,又有效降低了器件成本。对于生物医疗领域而言,由于其自身具有较高的抗压性特点,因此通过采用微孔结构从而使压力传感器既能够实现抗高温(高于400℃)、抗酸性以及抗氧化腐蚀性等多种性能要求。并且还可以利用这些特点实现对各种金属氧化物膜层材料进行制备。

3、目前,薄膜压力传感器芯体结构中采用先进技术处理芯片加工成相应膜层,以保证芯体内部结构能达到一个与芯片温度相匹配而具有高稳定性和良好传感特性。

目前,国内有一种特殊的薄膜压力传感器芯体采用加工成膜层,而这种处理芯片可以根据需要对芯体内部进行不同的加工来形成不同膜层来满足传感要求。在溅射之后的金属氧化物膜的表面经过一层超薄的半导体薄膜与基体之间形成了微电流通道,通过这种通道可以提供压电效应。目前,国内一些高校已经研制出了多种适合工业应用需要的薄膜压力传感器芯体结构并进行了实验研究,如图3所示是溅射薄膜压力传感器芯体内部结构示意图。研究表明:溅射后微孔结构由半导体材料薄膜形成膜层构成,为保证膜层所承受的压力性能可达到合适大小而进行一定几何尺寸的切割处理(图4)。

4、由于在高速运行环境下工作,会产生较大的热冲击和热冲击损耗等问题,因此需要采用合适的冷却方法实现温度控制。

针对此问题,许多研究人员已经在薄膜压力传感器芯体内部的高速工作环境下开发了一种水冷系统,以确保其在高速运行时不会产生较大的热冲击和热损耗且可以在较短时间内完成整个压力检测过程。水冷系统不仅可以实现对高速运行环境下半导体材料的快速冷却(可在温度约500℃时对半导体材料进行快速冷却);同时也可以达到对温度约200℃时半导体材料迅速降温的目的,从而实现对温度约200℃时半导体材料快速冷却的目的。而水冷却系统的优点在于无需采用外部冷却器、设备简单以及成本低等特点,因此可广泛应用于半导体材料等对温度进行快速冷却的领域中。而作为标准部件之一,该系统可供测试和使用(例如:测量信号和测试信号之间有明确的相位差异,如信号与被测信号之间以较高相位差相匹配),以更好地体现测试精度和检测时间间隔内任意时刻被测目标物体、任何压力源及任何测量角度下物相变化。同时该系统可提供多种测试应用方案和设备选择,可满足不同领域中不同类型应用所需的测试需求。