專利名稱：一種超低溫薄膜壓力溫度復合傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種薄膜壓力溫度復合傳感器，特別是一種用于超低溫環(huán)境的薄膜式 壓力溫度復合傳感器。
技術背景 隨著航天總體技術的發(fā)展，提出了對超低溫環(huán)境下壓力參數(shù)和溫度參數(shù)的測量要 求。一方面，為了提高航天飛行器的有效載荷，集成化成為傳感器技術發(fā)展的趨勢。另一方 面，為了滿足超低溫環(huán)境壓力測量精度要求，要求靈敏度溫度系數(shù)很小，而由于薄膜壓力傳 感器的合金薄膜電阻在寬溫區(qū)范圍內(nèi)的靈敏度溫度系數(shù)比較大，因此導致傳感器低溫測量 誤差較大，需要對壓力傳感器的靈敏度溫度系數(shù)進行自補償。目前的薄膜壓力溫度復合傳 感器還不能在超低溫環(huán)境下使用。

實用新型內(nèi)容本實用新型的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種用于超低溫環(huán) 境(液氫或者液氧等)的薄膜式壓力溫度復合傳感器，通過在膜片上進行靈敏度溫度自補 償而實現(xiàn)在超低溫環(huán)境下的壓力參數(shù)和溫度參數(shù)的測量。本實用新型的技術解決方案是一種超低溫薄膜壓力溫度復合傳感器，包括基座、濺射膜片、內(nèi)支架、轉(zhuǎn)接板、夕卜 殼、屏蔽電纜和接插件，濺射膜片與基座焊接在一起，內(nèi)支架一端與基座焊接在一起，另一 端與轉(zhuǎn)接板裝配在一起，濺射膜片通過金絲電引線與轉(zhuǎn)接板連接，屏蔽電纜穿過外殼，一端 與轉(zhuǎn)接板連接，另一端與接插件連接，所述外殼一端與內(nèi)支架焊接在一起，另一端與屏蔽電 纜裝配固定在一起。所述濺射膜片由內(nèi)到外包括膜片、絕緣層、應變電阻層、電極層和保護 層，所述濺射膜片還包括設置在應變電阻層和電極層之間的靈敏度溫度自補償電阻和測溫 電阻層。所述應變電阻層包括連接成惠斯通電橋的四個應變電阻R1、R2、R3、R4，其中Rl和 R3分布在靠近應變區(qū)域中心的位置，R2和R4分布在靠近應變區(qū)域邊緣的位置。所述靈敏度溫度自補償電阻和測溫電阻層包括靈敏度溫度自補償電阻Rc和測溫 電阻Rt，靈敏度溫度自補償電阻Rc和測溫電阻Rt分布在固支邊區(qū)域，所述靈敏度溫度自補 償電阻Rc串聯(lián)到四個應變電阻組成的惠斯通電橋的輸入負端，所述測溫電阻Rt通過電阻 兩端的電極引出信號。所述應變區(qū)域是指當傳感器受到壓力時，濺射膜片發(fā)生形變的區(qū)域，所述固支邊 區(qū)域是指當傳感器受到壓力時，濺射膜片未發(fā)生形變的區(qū)域。本實用新型與現(xiàn)有技術相比的有益效果是(1)本實用新型通過在壓力參數(shù)測量的惠斯通電橋中進行靈敏度溫度自補償，提 高了壓力參數(shù)測量精度，而且將壓力參數(shù)測量和溫度參數(shù)測量集于一體，為總體提供了測 量環(huán)境的壓力和溫度參數(shù)，滿足集成化的要求，降低總體系統(tǒng)的載荷，其中的溫度信號也可提供給后序的變換器放大電路，為壓力測量進行有效的溫度補償提供參數(shù)，從而進一步提 高超低溫環(huán)境下壓力測量的精度。(2)本實用新型通過對傳感器的靈敏度溫度誤差進行補償，提高了傳感器的測量 精度，由于靈敏度溫度自補償電阻分布在膜片上，使應變電阻和靈敏度溫度誤差補償電阻 可以在同一時間感受溫度，這樣與在后續(xù)電路上進行溫度補償相比，溫度響應快，補償效果 好，補償后壓力傳感器的靈敏度溫度誤差小，因此可以用于超低溫介質(zhì)的壓力參數(shù)測量

圖1為本實用新型超低溫薄膜壓力溫度復合傳感器結構圖；圖2為本實用新型濺射膜片結構圖；圖3為本實用新型濺射膜片的應變電阻、靈敏度溫度自補償電阻、測溫電阻分布 圖；圖4為靈敏度溫度自補償原理圖具體實施方式
如圖1所示，本實用新型包括基座1、濺射膜片2、內(nèi)支架3、轉(zhuǎn)接板4、外殼5、屏蔽 電纜6和接插件7，濺射膜片2與基座1焊接在一起，內(nèi)支架3 —端與基座1焊接在一起，另 一端與轉(zhuǎn)接板4裝配在一起，濺射膜片2通過金絲電引線與轉(zhuǎn)接板4連接，屏蔽電纜6穿過 外殼5，一端與轉(zhuǎn)接板4連接，另一端與接插件7連接，外殼5 —端與內(nèi)支架3焊接在一起， 另一端與屏蔽電纜6裝配固定在一起。本實用新型的濺射膜片結構如圖2所示，采用離子束濺射沉積方法在膜片21上先 后沉積絕緣層221、應變電阻層222、靈敏度溫度自補償電阻和測溫電阻層223、電極層224、 保護層225，221到225各層薄膜材質(zhì)分別為SiO2, NiCr、Ni、Au、SiO20采用光刻工藝和離 子束刻蝕工藝獲得應變電阻圖形，采用光刻工藝和腐蝕工藝分別獲得靈敏度溫度自補償電 阻和測溫電阻圖形以及電極圖形。膜片21上的絕緣層221、應變電阻層222、靈敏度溫度自 補償電阻和測溫電阻層223、電極層224圖形加工完成后，再采用離子束濺射工藝方法，在 濺射膜片表面沉積Si02保護膜層225，這可以提高敏感元件的抗?jié)裥阅?，防止應變電阻層?靈敏度溫度自補償電阻和測溫電阻層被氧化和污染，有利于保證敏感元件的長期穩(wěn)定性和 可靠性。本實用新型的電阻分布如圖3所示，濺射膜片表面的4個應變電阻Rl、R2、R3、R4 分布在應變區(qū)域，其中2個分布在靠近膜片中心的應變區(qū)域，另外2個應變電阻分布在膜片 應變區(qū)域的邊緣位置。為了提高靈敏度，應變電阻內(nèi)電阻為環(huán)形電阻柵，外電阻為沿徑向的 電阻柵。靈敏度溫度自補償電阻Rc分布在膜片固支邊區(qū)域上，串聯(lián)入4個應變電阻組成的 惠斯通電橋的輸入負端。測溫電阻Rt分布在膜片固支邊區(qū)域上，不受壓力信號的影響，通 過電阻兩端的電極引出信號，從而得到溫度信號輸出，提供給后序電路處理，R1、R2、R3、R4、 Re、Rt均可采用薄膜激光修調(diào)的方法對電阻阻值進行修調(diào)。本實用新型的電路原理如圖4所示，濺射膜片表面的4個應變電阻Rl、R2、R3、R4 組成惠斯通電橋，靈敏度溫度自補償電阻Rc串聯(lián)在惠斯通電橋的輸入負端。本實用新型的工作原理濺射膜片2上的4個應變電阻R1、R2、R3、R4分布在膜片的應變區(qū)域，組成惠斯通電橋，當膜片受到外部壓力后應變區(qū)域發(fā)生形變，惠斯通電橋輸出 隨之發(fā)生變化，從而實現(xiàn)壓力測量功能，膜片受到外部壓力發(fā)生形變的區(qū)域成為應變區(qū)域； 濺射膜片2上的靈敏度溫度自補償電阻Rc分布在膜片固支邊區(qū)域，串聯(lián)在惠斯通電橋的輸 入負端，固支邊區(qū)域是指膜片受到外部壓力后不發(fā)生形變的區(qū)域。當溫度升高時，無靈敏度 溫度自補償?shù)膫鞲衅鬏敵鲭S溫度的升高而增大，而溫度補償電阻Rc的阻值也增大，則溫度 補償電阻Rc的分壓作用相當于使橋路中實際供橋電壓降低 ，從而使傳感器輸出減小，起到 補償作用；濺射膜片2上的測溫電阻Rt分布在膜片固支邊區(qū)域，通過后繼電路處理，實現(xiàn)溫 度測量功能。由于測溫電阻與應變電阻同在膜片上，因此傳感器可以實現(xiàn)壓力和溫度的同 步測量，考慮到產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的工藝操作，靈敏度溫度自補償電阻Rc和測溫電阻Rt均采 用金屬Ni和NiCr合金兩層金屬層。
權利要求一種超低溫薄膜壓力溫度復合傳感器，包括基座(1)、濺射膜片(2)、內(nèi)支架(3)、轉(zhuǎn)接板(4)、外殼(5)、屏蔽電纜(6)和接插件(7)，濺射膜片(2)與基座(1)焊接在一起，內(nèi)支架(3)一端與基座(1)焊接在一起，另一端與轉(zhuǎn)接板(4)裝配在一起，濺射膜片(2)通過金絲電引線與轉(zhuǎn)接板(4)連接，屏蔽電纜(6)穿過外殼(5)，一端與轉(zhuǎn)接板(4)連接，另一端與接插件(7)連接，所述外殼(5)一端與內(nèi)支架(3)焊接在一起，另一端與屏蔽電纜(6)裝配固定在一起，所述濺射膜片(2)由內(nèi)到外包括膜片(21)、絕緣層(221)、應變電阻層(222)、電極層(224)和保護層(225)，其特征在于所述濺射膜片(2)還包括設置在應變電阻層(222)和電極層(224)之間的靈敏度溫度自補償電阻和測溫電阻層(223)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種超低溫薄膜壓力溫度復合傳感器，其特征在于所述應 變電阻層(222)包括連接成惠斯通電橋的四個應變電阻1 1、1 2、1 3、1 4，其中1 1和R3分布 在靠近應變區(qū)域中心的位置，R2和R4分布在靠近應變區(qū)域邊緣的位置。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種超低溫薄膜壓力溫度復合傳感器，其特征在于所述靈 敏度溫度自補償電阻和測溫電阻層(223)包括靈敏度溫度自補償電阻Rc和測溫電阻Rt， 靈敏度溫度自補償電阻Rc和測溫電阻Rt分布在固支邊區(qū)域，所述靈敏度溫度自補償電阻 Rc串聯(lián)到四個應變電阻組成的惠斯通電橋的輸入負端，所述測溫電阻Rt通過電阻兩端的 電極引出信號。
專利摘要一種用于超低溫環(huán)境的薄膜式壓力溫度復合傳感器，包括基座、濺射膜片、內(nèi)支架、轉(zhuǎn)接板、外殼、屏蔽電纜和接插件，其中濺射膜片包括膜片、絕緣層、應變電阻層、靈敏度溫度自補償電阻和測溫電阻層、電極層和保護層，在濺射膜片的應變區(qū)域設有連接成惠斯通電橋的四個應變電阻，在非應變區(qū)域設有靈敏度溫度自補償電阻和測溫電阻，本實用新型能同時實現(xiàn)超低溫環(huán)境下的壓力信號和溫度信號的采集，使用溫度范圍廣，靈敏度溫度誤差小。
文檔編號G01K7/16GK201707167SQ20102019308
公開日2011年1月12日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權日2010年5月18日
發(fā)明者張世名, 李小換, 鄒其利 申請人:北京遙測技術研究所;航天長征火箭技術有限公司