專利名稱：高溫壓力與溫度的復合傳感器及制備方法
技術領域：
本發明涉及一種測量壓力與溫度的傳感器及其制備方法，特別是一種適用于液體或氣體等被測介質在大加速度40g以上、高溫400°C以下的環境條件下，可同時同點測量的高溫壓力和溫度的復合傳感器及制備方法。
背景技術：
科技工作者知道，用于液體或氣體等被測介質的壓力與溫度的同點測量，在宇宙飛船、飛機、高速列車、火箭(導彈)、核反應堆等特殊測量環境下，測量的可靠性要求是十分重要和必須的。但是現有傳感器不僅在制作精度上，而更重要的是在大加速度、高溫、強輻射、強振動等惡劣條件下，遠遠滿足不了測量可靠性的要求。很多專業人員，一生都在尋求完美的解決前述問題的方法。好在目前世界上，高純的三氧化二鋁(Al2O3) γ單晶體，即莫氏硬度達9. 0，響應頻率達5X IO18Hz的藍寶石單晶體，已成為制造力敏和熱敏傳感器比較理想和幾近完美的高彈性高溫晶體。它可以外延生長出單晶硅，又極易同鈦、鉬等金屬親和，并且其熱膨脹系數在-196°C 400°C溫區內，同鈦及絕大數鈦合金非常匹配。這給制作傳感器的高標準封接操作帶來了方便。但在結構設計及工藝制作方面仍存在很多難題和困難。本發明人曾針對現有硅藍寶石力敏傳感器的加工工藝比較復雜等難以克服的問題，利用現代加工手段和新的思維方法，用它制造出了適用于高溫測量的硅藍寶石力敏傳感器， 詳見專利公告號為CN1172169C的《硅藍寶石力敏傳感器及制備方法》的發明專利。該制作工藝是將外延生長有單晶硅膜的藍寶石晶片，用靜電封接或用分子鍵合方法，封接到鈦合金應力杯上，以鈦合金應力杯對稱中心為基準，激光刻出硅應變電阻，在硅應變電阻的鉬金盤上用金屬彈性觸頭連接引線，進行封裝連接外引線，使該傳感器適用溫度達-196°C 400°C。這種傳感器雖解決了耐溫等問題，但“觸頭”在強振動和大加速度下，容易磨損和失效。同時也解決不了壓力與溫度的同點測量問題。為解決同點測量問題，人們試圖將壓力傳感器與溫度傳感器進行合并捆綁，如將PtlOO鉬溫度傳感器與壓力傳感器捆綁到一起。但其存在以下問題1、體積大，占用空間多；2、結構不緊湊，測溫與測壓點分離；3、測溫原件與測點存有間隙，測溫易滯后或測不準。如果加膠等介質粘住溫度傳感器，又會帶來漏電， 特別是高溫漏電，還存在溫度系數不匹配，有失效的可能；4、引線很難處理，一般不抗振和不抗大加速度；5、適應溫度不夠；6、絕緣問題不好解決，外引線不好固定，抗振強度不夠等等。因此，現有傳感器遠遠滿足不了同點測量和在惡劣條件下測量的高可靠性要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種高溫壓力與溫度的復合傳感器及制備方法，它解決了現有技術存在的滿足不了同點測量壓力與溫度的高可靠性問題，它不僅保留現有硅藍寶石力敏傳感器的優點，而且與同類產品相比，具有制造工藝更加合理，操作快捷，相對成本低，生產效率高的特點，顯著提高了在惡劣條件下測量的高可靠性。本發明所采用的技術方案是該高溫壓力與溫度的復合傳感器包括利用靜電封接
3或分子鍵合在一起的藍寶石晶片與鈦合金應力杯、外引線及鈦合金外殼，其技術要點是以鈦合金應力杯對稱軸中心定位，在應力區制作有硅應變電阻和鉬焊盤的同一藍寶石晶片上的非應力區一隅設置有鉬熱敏電阻，焊接在鈦合金應力杯上的鈦固定爪的內腔利用銀銅焊層封接有帶印刷電路的絕緣引線轉換板，作為內引線的金屬箔條一端焊接在分別與硅應變電阻及鉬熱敏電阻連接的鉬焊盤上，金屬箔條另一端與固定有外引線的絕緣引線轉換板焊接在一起。所述絕緣引線轉換板上的印刷電路是這樣制作的首先預制絕緣引線轉換板，再將這個絕緣引線轉換板上的引線、穿線孔及與鈦固定爪封接表面，全部進行鎢鉬金屬化厚膜工藝處理，在鎢鉬金屬化膜層上，印制鈀銀引線漿料，在真空、900°C下燒結，于絕緣引線轉換板的鎢鉬金屬化膜層上制作內外引線所要的鈀銀引線焊盤、穿線孔、引線，形成完整的印刷電路。上述高溫壓力與溫度的復合傳感器的制備方法包括如下操作步驟 步驟一、光刻藍寶石晶片上的內引線鉬焊盤窗口
將外延單晶硅的藍寶石晶片，用高溫濕法氧化硅表面，形成致密的SiO2層；以鈦合金應力杯內徑為應力區定位，按設計要求，在預定區域制出硅應變電阻的內引線鉬焊盤位置和在非應力區一隅制出鉬熱敏電阻及內引線鉬焊盤的位置，進行光刻；刻出硅應變電阻內引線鉬焊盤窗口，露出硅表面，同時，刻出鉬熱敏電阻及內引線鉬焊盤的窗口，露出適合做鉬熱敏電阻及內引線鉬焊盤的藍寶石表面；
步驟二、掩膜濺射鉬，制作硅應變電阻內引線鉬焊盤與鉬熱敏電阻的鉬層及其內引線的鉬焊盤；
步驟三、封裝藍寶石晶片到鈦合金應力杯上
將濺射好鉬焊盤與鉬熱敏電阻的藍寶石晶片劃片，在400°c溫度下，在高真空環境，加 2000V. DC電場，將藍寶石晶片藍寶石面封接到鈦合金應力杯上； 步驟四、以鈦合金應力杯對稱軸中心定位，用激光刻阻
在激光刻阻機上，以鈦合金應力杯對稱軸中心定位，確定應力區與非應力區，將藍寶石晶片的有內引線鉬焊盤面調平，定位，首先在應力區按單晶硅晶向刻硅應變電阻，將硅應變電阻的內引線鉬焊盤連起來，制出惠斯頓電橋，在非應力區修調出鉬熱敏電阻； 步驟五、定位裝絕緣弓I線轉換板到鈦合金應力杯底座上
先預制絕緣引線轉換板，再將絕緣引線轉換板上的引線、穿線孔及與鈦固定爪的封接面，全部制作鎢鉬金屬化膜；在真空、900°C高溫下，于絕緣引線轉換板的鎢鉬金屬化膜層上制作鈀銀引線焊盤及引線層，制成印刷電路；將帶有印刷電路的絕緣引線轉換板，在真空、 700°C下，用銀銅焊層連接到鈦固定爪上，外引線經穿線孔焊到絕緣引線轉換板上，作為內引線的金屬箔條一端焊接在絕緣引線轉換板上；
步驟六、作為內引線金屬箔條的另一端焊到鉬焊盤上，焊上鈦合金外殼，測試檢定，即成為高溫壓力與溫度的復合傳感器。本發明具有的優點及積極效果是由于本發明是在“硅藍寶石力敏傳感器及其制備方法”基礎上改進而成，在同一藍寶石晶體片上，制成測量高溫介質的硅壓力與鉬溫度的復合傳感器，所以既保留了現有硅藍寶石力敏傳感器的優點，又拓展傳感器的新功能，解決了現有技術存在的滿足不了同點測量壓力與溫度的高可靠性問題。在同一藍寶石晶片上制
4作測壓力(力)的單晶硅應變電阻橋和鉬熱敏電阻；鉬熱敏電阻在制作過程與已有專利《硅藍寶石力敏傳感器及制備工藝》制造應變片的工藝過程完全兼容；用金屬箔條代替彈性金屬觸頭，抗剪、抗拉、無應力，在實現耐高溫的同時，耐強振動與耐大加速度；外引線點焊或釬焊到引線轉換板上，有了固定點，抗拉。與同類產品相比，具有制造工藝更加合理，操作快捷，相對制作成本低，生產效率高的特點。因此，顯著提高了其在惡劣條件下測量的高可靠性和利于推廣應用。本發明從結構上看優點如下1、采用激光焊金屬箔條連接鉬焊盤于絕緣引線轉換板上，實現內外引線連接。好處是，金屬箔條可焊接面積大，易形成合金，如鈀銀箔條與鉬極易形成可耐400°C以上的合金，抗剪強度高。這種結構因鈀銀等合金箔條，比重小，抗振強度高，決定了它比金鋁、鋁鋁等在抗大加速度、抗振強度高近1個數量級。同時金鋁、鋁與鋁結構不耐高溫(一般在150°C左右)。2、同一藍寶石晶片上，同一平面，幾乎同一點(因為鈦合金應力杯直徑為3 IOmm)測壓與測溫，實現了同點工作。3、體積小，質量輕，便于航空航天等特殊應用。4、耐溫性好，耐溫范圍取決于整體材料。整體材料滿足-200°C至400°C溫區使用。5、由于采用鈦固定爪支撐絕緣引線轉換板結構，整體材料溫度系數匹配，結構上又有隔離及懸浮構架，因此，溫度及振動引起的誤差很小。6、外引線穿過絕緣引線轉換板的引線孔，點焊到絕緣引線轉換板的鈀銀焊盤上， 相對牢固，不僅抗振，抗大加速度，又抗拉。7、因外引線帶有同鈦合金外殼相連的屏蔽結構，帶有外絕緣皮，鈦合金外殼帶有表壓分子篩透氣不透水的膜窗孔，傳感器適合全天候，又具有一定的防電磁干擾性能。硅力敏應變電阻與鉬熱敏電阻處于同一鈦合金應力杯底上。杯子與外殼之間及與其它結構件尚有間隙及空間隔離，在測量時，測量點的壓力與溫度變化小，硅應變電阻和鉬熱敏電阻處于同一等溫溫度場，受外界影響小，做到了同點測壓與測溫。這樣的傳感器，壓力值不用做零點與滿度溫度補償，不用做非線性修正。測溫效果達到了國際電工委員會(IEC)標準的A級標準。這樣的復合傳感器，完全符合航天航空、核反應堆、艦船、制導高速武器、高鐵、石油測井等特殊要求。由于本發明幾乎不用化學藥品， 所以環保。因制作工藝緊湊快捷，故成本比較低，生產效率高。
以下結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
圖1是本發明復合傳感器的一種結構示意圖。圖2是圖1中鈦固定爪的一種結構示意圖； 圖3是圖2沿A-A線的剖視圖4是圖1中絕緣引線轉換板的一種結構示意圖； 圖5是圖4沿B-B線的剖視圖6是圖1中的絕緣引線轉換板、金屬箔條、鈦固定爪及外引線的總成結構示意圖； 圖7是圖1中的硅應變電阻、鉬電阻平面分布示意圖。圖中序號說明1鈦合金應力杯、2藍寶石晶片、3硅應變電阻、4鉬焊盤、5金屬箔
5條、6印刷電路、7外引線、8絕緣引線轉換板、9鈦固定爪、10銀銅焊層、11鈦合金外殼、12金屬屏蔽網、13外絕緣皮、14絕緣填充物、15鉬熱敏電阻。
具體實施例方式根據圖1 7詳細說明本發明的具體結構及制備方法。該高溫壓力與溫度的復合傳感器包括利用靜電封接或分子鍵合在一起的藍寶石晶片2與鈦合金應力杯1、鉬焊盤4、絕緣引線轉換板8、鈦固定爪9、外引線7及鈦合金外殼11等部件。其中以鈦合金應力杯1的對稱軸中心(應力杯內徑)定位，在應力區制作有硅應變電阻3和鉬焊盤4的同一藍寶石晶片2上的非應力區一隅設置有鉬熱敏電阻15。焊接在鈦合金應力杯1上的鈦固定爪 9的內腔，利用銀銅焊層10封接有絕緣引線轉換板8。作為內引線的金屬箔條5 —端焊接在分別與硅應變電阻3及鉬熱敏電阻15連接的鉬焊盤4上，金屬箔條5另一端與固定有外引線7的絕緣引線轉換板8焊接在一起。為確保可靠連接，采用已有鎢鉬金屬化厚膜工藝， 在絕緣引線轉換板8的引線、鈀銀引線焊盤、穿線孔及與鈦固定爪9封接面等全部制作有鎢鉬金屬化膜，在這個絕緣引線轉換板8上制作印刷電路6。外引線7的外周包覆有內部填裝絕緣填充物14的金屬屏蔽網12和外絕緣皮13 (200°C的可選聚酰亞胺，400°C以下選玻璃纖維填充氧化硅套管)。測量檢測傳感器引線鉬焊盤4 (電測);用微熱氬弧焊焊接鈦合金外殼11 (上邊帶有只透空氣不透水及不透其它有機大分子膜窗孔)。檢定打標，即為成品。以上提到的絕緣引線轉換板8上的印刷電路6是這樣制作的首先預制絕緣引線轉換板8，再將這個絕緣引線轉換板8上的引線、穿線孔及與鈦固定爪9的封接表面，全部進行鎢鉬金屬化厚膜工藝處理，在鎢鉬金屬化膜層上，印制鈀銀引線漿料，在真空、900°C下燒結，于絕緣引線轉換板8的鎢鉬金屬化膜層上制作內外引線所要的鈀銀引線焊盤、穿線孔、 引線，形成完整的印刷電路6。前述高溫壓力與溫度的復合傳感器的制備方法包括如下操作步驟 步驟一、光刻藍寶石晶片2上的內引線鉬焊盤4窗口。將藍寶石外延單晶硅的藍寶石晶片2，用高溫濕法氧化硅表面，形成致密的SiO2 層；按設計要求，在預定區域制出硅應變電阻3的內引線鉬焊盤4位置，同時在這同一藍寶石晶片2的非應力區一隅，制出鉬熱敏電阻15及內引線鉬焊盤4的位置，即制出光刻版圖板，進行光刻；刻出硅應變電阻3的內引線鉬焊盤4窗口，即去除相應的SiO2膜，露出硅表面，同時，刻出鉬熱敏電阻15及內引線鉬焊盤4的窗口，即去除相應的SiO2與硅膜層，露出適合做鉬熱敏電阻15及內弓丨線鉬焊盤4的藍寶石表面。步驟二、掩膜濺射鉬，制作硅應變電阻3的內引線鉬焊盤4與鉬熱敏電阻15的鉬層及其內引線的鉬焊盤4。因為鉬金屬沒有什么物質能快速腐蝕它，不能用傳統的平面工藝光刻法制出完好的圖形。因此，采用掩膜法，即濺射確定的圖形，不光刻，用激光修正(燒蝕)還是比較好的辦法。硅應變電阻3的內引線焊盤4、鉬熱敏電阻15及內引線鉬焊盤4，采用同等厚度即可， 一次濺成就行了，在濺射環節不增加工序和成本。一般厚度在1 2μπι足矣。步驟三、封裝藍寶石晶片2到鈦合金應力杯1上。將濺射好鉬焊盤4與鉬熱敏電阻15的藍寶石晶片2劃片。在400°C溫度下，在真空(IX 10_5mmHg)環境，加2000V. DC電場，將藍寶石晶片2藍寶石面封接到鈦合金應力杯
61上。表面光潔度與平整度達0級或I級光圈，時間5分鐘。封完，順便在真空下加溫到 670°C，時間30分鐘，進行鉬硅、鉬藍寶石合金化，并消除應力。步驟四、以鈦合金應力杯1對稱軸中心定位，用激光刻阻。在激光刻阻機上，以應力杯對稱軸中心定位，確定應力區與非應力區。將藍寶石晶片有內引線焊盤面調平，定位。首先在應力區按單晶硅晶向，刻硅應變電阻3，將硅應變電阻3的引線鉬焊盤4連起來，實時測量，制出惠斯頓電橋；完后，也實時測量，在非應力區修調出鉬熱敏電阻15。步驟五、定位裝絕緣引線轉換板8到鈦合金應力杯1底座上。先預制絕緣引線轉換板8，即采用與藍寶石晶片2同質的藍寶石晶體，用寶石加工機冷加工出相應的結構與表面的絕緣引線轉換板8 ；再將這個絕緣引線轉換板8上的引線、 穿線孔及與鈦固定爪9的封接面等，采用已有鎢鉬金屬化厚膜工藝，全部制作鎢鉬金屬化膜；在真空、900°C高溫下，于絕緣引線轉換板8的穿線孔的鎢鉬金屬化膜層上制作鈀銀引線焊盤及引線層，制成印刷電路6。把這個帶有印刷電路6的絕緣引線轉換板8，在真空、 700°C下，用銀銅焊層10焊接到鈦固定爪9上。外引線7的外周包有內部填裝絕緣填充物 14的金屬屏蔽網12構成的屏蔽套，在屏蔽套設置外絕緣皮13(200°C的可選聚酰亞胺套管， 4000C以下選玻璃纖維填充氧化硅套管)。外引線7經穿線孔點焊到絕緣引線轉換板8的印刷電路6的鈀銀引線焊盤上。然后把作為內引線的金屬箔條5—端焊接到絕緣引線轉換板 8上的鈀銀焊盤上。將內腔利用銀銅焊層10封接有絕緣引線轉換板8的鈦固定爪9通過微熱氬弧焊，焊接到鈦合金應力杯1上。焊接鈦固定爪9時，一定將內引線金屬箔條5對準相應的鉬焊盤4。步驟六、激光焊接作為內引線金屬箔條5的另一端于鉬焊盤4上，焊上鈦合金外殼 11。將激光焊接用的波導軟管上的焊接頭對準作為內引線金屬箔條5的另一端(壓在鉬焊盤4上)，小功率多次點焊到鉬焊盤4上。顯微鏡下金屬箔條焊點表面由瓷白出現明顯的金屬亮白色(鉬、鈀、銀合金色)為好。此時抗拉力在50克以上。最后焊上帶有只透空氣不透水及不透其它有機大分子膜窗孔的鈦合金外殼11，即組成一個完整的復合傳感器。步驟七、檢測與打標。檢測在標準壓力計檢測壓力值，在標準溫度場下檢測溫度值，直到測試檢定合格；打標激光刻出鈦合金外殼11上的編號與量程等，即成為可以測量高溫壓力與溫度的復合傳感器。
權利要求
1.一種高溫壓力與溫度的復合傳感器，包括利用靜電封接或分子鍵合在一起的藍寶石晶片與鈦合金應力杯、外引線及鈦合金外殼，其特征在于以鈦合金應力杯對稱軸中心定位，在應力區制作有硅應變電阻和鉬焊盤的同一藍寶石晶片上的非應力區一隅設置有鉬熱敏電阻，焊接在鈦合金應力杯上的鈦固定爪的內腔利用銀銅焊層封接有帶印刷電路的絕緣引線轉換板，作為內引線的金屬箔條一端焊接在分別與硅應變電阻及鉬熱敏電阻連接的鉬焊盤上，金屬箔條另一端與固定有外引線的絕緣引線轉換板焊接在一起。
2.根據權利要求1所述的高溫壓力與溫度的復合傳感器，其特征在于所述絕緣引線轉換板上的印刷電路是這樣制作的首先預制絕緣引線轉換板，再將這個絕緣引線轉換板上的引線、穿線孔及與鈦固定爪封接表面，全部進行鎢鉬金屬化厚膜工藝處理，在鎢鉬金屬化膜層上，印制鈀銀引線漿料，在真空、900°C下燒結，于絕緣引線轉換板的鎢鉬金屬化膜層上制作內外引線所要的鈀銀引線焊盤、穿線孔、引線，形成完整的印刷電路。
3.—種權利要求1所述的高溫壓力與溫度的復合傳感器的制備方法，其特征在于包括以下操作步驟步驟一、光刻藍寶石晶片上的內引線鉬焊盤窗口將外延單晶硅的藍寶石晶片，用高溫濕法氧化硅表面，形成致密的SiO2層；以鈦合金應力杯內徑為應力區定位，按設計要求，在預定區域制出硅應變電阻的內引線鉬焊盤位置和在非應力區一隅制出鉬熱敏電阻及內引線鉬焊盤的位置，進行光刻；刻出硅應變電阻內引線鉬焊盤窗口，露出硅表面，同時，刻出鉬熱敏電阻及內引線鉬焊盤的窗口，露出適合做鉬熱敏電阻及內引線鉬焊盤的藍寶石表面；步驟二、掩膜濺射鉬，制作硅應變電阻內引線鉬焊盤與鉬熱敏電阻的鉬層及其內引線的鉬焊盤；步驟三、封裝藍寶石晶片到鈦合金應力杯上將濺射好鉬焊盤與鉬熱敏電阻的藍寶石晶片劃片，在400°C溫度下，在高真空環境，加 2000V. DC電場，將藍寶石晶片藍寶石面封接到鈦合金應力杯上；步驟四、以鈦合金應力杯對稱軸中心定位，用激光刻阻在激光刻阻機上，以鈦合金應力杯對稱軸中心定位，確定應力區與非應力區，將藍寶石晶片的有內引線鉬焊盤面調平，定位，首先在應力區按單晶硅晶向刻硅應變電阻，將硅應變電阻的內引線鉬焊盤連起來，制出惠斯頓電橋，在非應力區修調出鉬熱敏電阻；步驟五、定位裝絕緣弓I線轉換板到鈦合金應力杯底座上先預制絕緣引線轉換板，再將絕緣引線轉換板上的引線、穿線孔及與鈦固定爪的封接面，全部制作鎢鉬金屬化膜；在真空、900°C高溫下，于絕緣引線轉換板的鎢鉬金屬化膜層上制作鈀銀引線焊盤及引線層，制成印刷電路；將帶有印刷電路的絕緣引線轉換板，在真空、 700°C下，用銀銅焊層連接到鈦固定爪上，外引線經穿線孔焊到絕緣引線轉換板上，作為內引線的金屬箔條一端焊接在絕緣引線轉換板上；步驟六、作為內引線金屬箔條的另一端焊到鉬焊盤上，焊上鈦合金外殼，測試檢定，即成為高溫壓力與溫度的復合傳感器。
全文摘要
一種高溫壓力與溫度的復合傳感器及制備方法，它是在本發明人的在先專利“硅藍寶石力敏傳感器及其制備方法”的結構基礎上改進的，在制作有硅應變電阻的同一藍寶石晶片上的非應力區一隅制作與應變電阻引線鉑焊盤同質的鉑熱敏電阻及內引線的鉑焊盤，采用焊接金屬箔條代替原彈性金屬觸頭或其他形式的內引線，制成抗強振動，抗大加速度的高溫壓力與溫度復合傳感器。它解決了現有技術存在的滿足不了同點測量壓力與溫度的高可靠性問題，該高溫壓力與溫度的復合傳感器不僅保留現有硅藍寶石力敏傳感器的優點，而且與同類產品相比，具有制造工藝更加合理，操作快捷，相對成本低，生產效率高的特點，顯著提高了在惡劣條件下測量的高可靠性。
文檔編號G01K7/22GK102221429SQ20111016124
公開日2011年10月19日 申請日期2011年6月16日 優先權日2011年6月16日
發明者段磊, 段祥照 申請人:沈陽市傳感技術研究所