薄膜压力传感器温度灵敏度补偿工艺研究

潘婷 蔺露

陕西电器研究所 陕西 西安 710061

引言

由于压力传感器敏感弹性体的弹性模量容易受温度变化的影响，导致传感器在温度变化时的输出灵敏度与室温时的灵敏度有差异，不能真实地反映传感器的灵敏度，因此需要对压力传感器的温度灵敏度进行补偿，使传感器保持准确的输出灵敏度。传统的补偿工艺是采用镍电阻元件在敏感元件外部进行补偿，应变电阻和补偿电阻没有位于同一温区，他们之间产生的温度梯度使传感器的补偿结果存在误差。本文提供了一种基于薄膜技术的温度灵敏度补偿工艺，通过离子束溅射沉积高纯镍膜，将补偿电阻和应变电阻制作在敏感弹性体的同一表面，使他们位于同一温区，提高了压力传感器的补偿精度，同时使其结构更加简捷，装配更加方便。

采用薄膜镍电阻进行传感器温度灵敏度补偿的前提条件是保证薄膜镍电阻温度系数达到补偿要求，通过以下试验获得薄膜镍电阻温度系数达标的工艺参数。

1 温度灵敏度补偿原理

传感器装配好后，应进行初步的测试和温度补偿试验，为以后进行各种补偿提供必要的数据，补偿方法是在测量线路上加上各种补偿电阻。传感器中采用线路补偿的目的有3个[1]：一是使传感器的参数标准化；二是改善输出特性；三是提高对环境温度变化的适应性，全面线路补偿包括初始不平衡补偿（零点校正）、温度补偿、非线性补偿、输出灵敏度补偿、输入和输出阻抗补偿。本文主要是对温度灵敏度补偿进行研究，通过薄膜技术补偿工艺使传感器的温度灵敏度补偿精度得以提高。

由于弹性体材料的弹性模量E及应变片灵敏系数K随温度变化所致，通常情况下，温度升高弹性模量E减小，根据虎克定律，当外力不变时，应变ε要增加，电桥输出增加，使传感器的灵敏度变大。

式中：αL—弹性体材料的热膨胀系数；

αE—弹性体材料弹性模量的温度系数；

αm—补偿电阻RE的温度系数。

通过以上公式可以看出，温度灵敏度补偿电阻应该选择高温度系数，稳定性好的电阻，虽然铜的温度系数可以达标，但是铜容易氧化稳定性差，因此本文我们选用纯镍为补偿电阻。

为了使传感器达到一定的精度要求，对传感器温度灵敏度补偿电阻的温度系数有一定的要求，至少为5000ppmΩ/℃，本文通过镀镍膜试验确定温度系数达标时的薄膜厚度，其次根据传感器电桥补偿原理图设计适合直径7mm的敏感芯体的薄膜镍电阻图形，电阻计算如公式（2）。

2 温度灵敏度补偿镍电阻温度系数测试

采用薄膜镍电阻进行传感器温度灵敏度补偿的前提条件是保证镍膜的电阻温度系数达到补偿要求，本文通过不同工艺参数的试验逐步获得符合要求的薄膜镍电阻温度系数（满足传感器补偿要求的镍电阻温度系数≥5000ppmΩ/℃）。

2.1 镍膜厚度与电阻温度系数的关系

薄膜厚度对镍电阻的温度系数也有影响，薄膜越厚温度系数越接近块材，但是试验过程中受光刻胶分辨率的影响，薄膜厚度有一定的范围，光刻胶的分辨极限对应的镀膜时间是30min，因此镀膜时间要小于30min，表1是不同镀膜时间对应的镍电阻的温度系数，同一镀膜时间选取5个试验件，取平均温度系数。

表1 不同镍膜厚度的电阻温度系数（有过渡层钛热处理350℃）

通过表1可以看出电阻温度系数随着膜厚的增加而增加，但是当膜厚达到一定值时电阻温度系数保持不变。

2.2 热处理温度与电阻温度系数的关系

通过热处理可以使镍薄膜的结构和性能稳定，减少薄膜沉积过程中存在的缺陷，完成非晶体到晶体的转化，使薄膜趋于稳定化。因此要选择合适的热处理温度，表2列出了不同的热处理温度得出不同的镍电阻温度系数。

表2 热处理温度对镍电阻温度系数的影响

通过表2可以看出薄膜厚度相同时，随着热处理温度的增加，薄膜电阻的温度系数呈增加的趋势，但达到一定温度时保持不变。

通过上述对镍电阻温度系数影响因素的分析，最终获得满足传感器补偿要求的镍电阻温度系数为5000ppm，工艺要求为：镀镍膜前无过渡层钛，镀镍膜时间为12min，热处理温度为400℃，但是目前还需要解决的问题是如何提高镍膜的附着力。

3 提高镍薄膜附着力的工艺

前期实验得出由于光刻胶分辨率的影响，镍电阻镀制后清洗光刻胶时容易脱膜，因此改进工艺，将以前的镍电阻线条镀制变为线条刻蚀，脱膜现象得以消除，这是因为光刻胶保护的区域不同，改进后的保护区域和改进前镍电阻丝栅线位置是互补的，曝光窗口比以前的宽，在光刻胶的分辨率范围内，因此镍电阻图形可以很充分的曝光并得到干净完整的镍电阻图形[2]。具体工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图

经过改进后的工艺，薄膜镍电阻温度系数达到了传感器补偿的要求，薄膜附着力也得到提高，清洗光刻胶后，无脱膜现象，该工艺已通过小批量的生产验证，并进行后续的传感器装调，可以达到温度灵敏度补偿的精度要求。

经过传感器温度灵敏度补偿公式计算及实际的试验验证，得出温度灵敏度补偿系数为4.67%，根据一定的电桥输入电阻值对应一定的补偿电阻值，再通过激光调阻机对补偿电阻进行微调，使传感器的补偿精度更准确。

4 压力传感器温度性能试验

溅射薄膜传感器经过装配后，首先进行温度老化试验对温漂大的传感器进行温度零点补偿，其次进行温度灵敏度补偿，不同量程压力传感器温度灵敏度补偿结果如表3和表4所示。

表3 薄膜压力传感器温度灵敏度漂移试验数据（补偿前）

表4 薄膜压力传感器温度灵敏度漂移试验数据（补偿后）

通过特定的工艺完成镍电阻的制作，并对传感器温度性能进行验证得出采用薄膜镍电阻补偿后的温度灵敏度指标为0.003%F.S/℃，相比传统的采用镍电阻元件的补偿精度得到很大的提高，对后续的传感器装调起到简化的效果，使传感器整体的结构尺寸得到优化[3]。

5 结束语

本文通过溅射镀膜的方法将温度灵敏度补偿电阻制作在敏感元件表面，并且分析了影响温度灵敏度补偿电阻温度系数的各种因素，采取一定的工艺改进方案使补偿电阻温度系数达到要求，通过理论计算与试验验证设计了合理的补偿电阻丝栅图形，通过小批量的生产验证了工艺和设计的完整性，根据确定好的工艺完成传感器温度灵敏度的补偿，补偿后压力传感器温度灵敏度漂移为0.003F.S/℃，优于传统的采用镍电阻元件补偿结果，温度灵敏度补偿工艺改进后使溅射薄膜传感器的优势得以更大的扩展，同时可以将薄膜电阻的温度灵敏度补偿技术应用于更多形式的传感器。