【微纳加工】溅射薄膜式压力传感器的工艺流程是怎么样的？

文摘 2024-12-16 23:59 江苏

溅射薄膜式压力传感器，凭借其高精度、高稳定性和广泛的应用领域，成为传感器领域的佼佼者。本文从弹性体设计与制造到最终的老化、试验，梳理了溅射薄膜式压力传感器的制造工艺流程。

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一、弹性体设计与制造

弹性体设计与制造是溅射薄膜式压力传感器制造工艺流程的起点，也是最为关键的一环。它直接决定了传感器的输入-输出关系，即压力与电信号之间的转换效率。

结构设计与机械加工

弹性体，通常采用高强度、高韧性的合金钢材料制成，其形状多为杯状，被称为“弹性体钢杯”。在结构设计时，需要综合考虑压力范围、灵敏度、线性度等多个因素，通过精确的力学计算，确定弹性体膜片的基本参数，如膜片厚度、直径等。这些参数将直接影响传感器的性能。

机械加工过程中，需采用高精度的数控机床进行加工，确保弹性体的尺寸精度和形状精度。加工完成后，还需进行去应力热处理，以消除加工过程中产生的应力，提高弹性体的稳定性和使用寿命。

弹性体建模与计算

弹性体的建模与计算是设计过程中的重要环节。通过建立精确的力学模型，利用有限元分析等现代计算方法，对弹性体在压力作用下的变形进行预测和分析，从而优化结构设计，提高传感器的性能。这一过程需要深厚的力学基础和计算能力，是制造高精度传感器的关键。

二、研磨与抛光

经过机械加工和热处理后的弹性体钢杯，表面往往存在微小的瑕疵和不平整。为了制备高质量的溅射薄膜，需要对弹性体表面进行研磨和抛光处理。

研磨过程中，采用不同粒度的研磨膏和研磨盘，对弹性体表面进行逐步细化处理，去除表面的毛刺和划痕。抛光过程则进一步细化表面，使其达到光洁度要求。这一步骤不仅提高了表面的平整度，还为后续的镀膜和刻蚀工艺打下了坚实的基础。

三、镀膜与刻蚀

镀膜与刻蚀是溅射薄膜式压力传感器制造工艺流程中的核心环节。通过离子束溅射淀积技术，在弹性体表面制备出粘附力强、膜层均匀、致密、性能稳定的多层薄膜电路。

镀膜工艺

镀膜工艺采用离子束溅射技术，将金属或合金材料溅射到弹性体表面，形成一层或多层薄膜。这些薄膜具有良好的导电性、机械强度和化学稳定性，是构成传感器敏感元件的关键部分。镀膜过程中，需要精确控制溅射参数，如溅射电流、电压、靶材与基片的距离等，以确保薄膜的质量和性能。

刻蚀工艺

刻蚀工艺采用半导体光刻和腐蚀的方法，或离子束刻蚀工艺，将镀膜后的电阻膜刻蚀成惠斯登电桥的电阻条图形，同时将引线膜刻蚀成引线电极。这一步骤需要高精度的光刻和腐蚀设备，以及熟练的操作技术，以确保刻蚀图形的精度和完整性。

四、电桥微调与焊接

电桥微调

电桥微调是传感器制造过程中的重要环节。通过采用薄膜电阻对惠斯登电桥的桥臂电阻进行补偿，将传感器的输出调整到设计范围内（即理想零点）。这一过程需要精确的测量和调试设备，以及丰富的调试经验，以确保传感器的输出精度和稳定性。

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焊接工艺

焊接是将合格芯片和支架、壳体等焊接到带有压力测试口的基座上的关键工序。采用大功率激光焊机或电子束焊机进行焊接，焊缝深度可达2.2mm。焊接过程中，需要精确控制焊接参数，如焊接电流、电压、焊接速度等，以确保焊缝的质量和强度。同时，还需进行大量的焊接工艺试验，以优化焊接参数，消除焊接应力对传感器性能的不良影响。

五、引线内封装与稳定性处理

引线内封装

引线内封装是将芯片引线从薄膜应变电阻的电极连接到支架的关键步骤。采用金丝球焊或压焊工艺进行焊接，确保引线的连接牢固可靠。这一步骤需要高精度的焊接设备和熟练的操作技术，以确保焊接质量和引线的稳定性。

稳定性处理

稳定性处理是对传感器进行各项环境试验，并反复测量其输出的过程。通过模拟实际工作环境中的温度、湿度、压力等条件，对传感器进行长时间的稳定性和可靠性测试。这一步骤有助于发现传感器在制造过程中可能存在的问题，并进行相应的调整和优化，以提高传感器的稳定性和使用寿命。

六、数字修正与整体封装

数字修正

数字修正是在稳定性处理后，根据事前设计的各项参数对传感器进行温度灵敏度、非线性等零点补偿的过程。通过采用先进的数字信号处理技术，对传感器的输出信号进行精确修正，以提高传感器的测量精度和稳定性。

整体封装

整体封装是将补偿好的传感器敏感芯片进行喷涂等表面处理的过程。目的在于防止传感器敏感芯片的膜层和电路受环境因素的影响，如湿度、腐蚀等。采用高性能的喷涂材料和工艺，对传感器表面进行保护和封装，以提高传感器的可靠性和使用寿命。

七、老化、试验

老化、试验是对封装好的传感器进行高低温、电应力老化试验和振动、冲击、疲劳、湿热、热真空等各种可靠性环境试验的过程。

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