技术领域
[0001] 本发明涉及压力传感器技术领域，具体涉及一种纳米薄膜高温绝压压力传感器。
相关背景技术
[0002] 常规的单晶硅扩散式压阻压力传感器在超过120°C环境下使用时，会由于内部PN结出现漏电而导致传感器性能急剧下降，进而导致失效。而特殊工业、航天航空、半导体等领域使用的压力传感器需要满足2个基本需求：高温和高可靠性。通常把这类压力传感器称为高温压力传感器。对MEMS高温压力传感器最基本的需求是在至少125°C环境下工作。以传感器实现高温的特征进行分类，目前高温压力传感器主要包括多晶硅压力传感器、SOI压力传感器、SOS压力传感器和SiC压力传感器。
[0003] 表1 几种现有高温压力传感器技术对比；。
[0004] 以上技术均是基于MEMS工艺制造，生产工艺复杂，在高温下仍存在较大问题，精度难以提高。多晶硅式的热应力较大、压阻温度漂移严重，只能工作在200℃以下，且精度较低。
具体实施方式
[0020] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021] 实施例一，请参阅图1所示，本发明为一种纳米薄膜高温绝压压力传感器，包括传感器组件和桥臂4，所述桥臂4可拆卸的安装在所述传感器组件内，所述桥臂4的表面设置有多层由纳米尺度的颗粒或结构组成的膜层5，多层所述膜层5从里到外依次为过渡层13、绝缘层14、应变层15、焊盘层16和保护层17；所述过渡层13采用氮化钽材料，用于匹配镍基合金InconelX‑750与所述绝缘层14的热失配系数，所述过渡层13厚度为50；
所述绝缘层14采用高介电常数材料，所述绝缘层14厚度为0.5；
所述应变层15采用优化Ni‑Cr材料：NiCrAlMnSiTa，质量分数优选Ni69%、Cr16%、Al3%、Mn7%、Si0.8%和Ta4.2%，所述应变层15的膜层厚度为50nm；
所述焊盘层16采用金材料，所述焊盘层16的膜层厚度为0.5；
所述保护层17采用高介电常数材料，所述保护层17的膜层厚度为0.5。
[0022] 实施例二，请参阅图1所示，本发明为一种纳米薄膜高温绝压压力传感器，包括传感器组件和桥臂4，所述桥臂4可拆卸的安装在所述传感器组件内，所述桥臂4的表面设置有多层由纳米尺度的颗粒或结构组成的膜层5，多层所述膜层5从里到外依次为过渡层13、绝缘层14、应变层15、焊盘层16和保护层17；所述过渡层13采用氮化钽材料，用于匹配镍基合金InconelX‑750与所述绝缘层14的热失配系数，所述过渡层13厚度为200nm；
所述绝缘层14采用高介电常数材料，所述绝缘层14厚度为6um；
所述应变层15采用优化Ni‑Cr材料：NiCrAlMnSiTa，质量分数优选Ni69%、Cr16%、Al3%、Mn7%、Si0.8%和Ta4.2%，所述应变层15的膜层厚度为300nm；
所述焊盘层16采用金材料，所述焊盘层16的膜层厚度为5um；
所述保护层17采用高介电常数材料，所述保护层17的膜层厚度为50um。
[0023] 实施例三，请参阅图1所示，本发明为一种纳米薄膜高温绝压压力传感器，包括传感器组件和桥臂4，所述桥臂4可拆卸的安装在所述传感器组件内，所述桥臂4的表面设置有多层由纳米尺度的颗粒或结构组成的膜层5，多层所述膜层5从里到外依次为过渡层13、绝缘层14、应变层15、焊盘层16和保护层17；所述过渡层13采用氮化钽材料，用于匹配镍基合金InconelX‑750与所述绝缘层14的热失配系数，所述过渡层13的膜层厚度为80nm；
所述绝缘层14采用高介电常数材料，绝缘层14中的高介电常数材料具体是氮化
硅，所述绝缘层14的膜层厚度为2um；
所述应变层15采用优化Ni‑Cr材料：NiCrAlMnSiTa，质量分数优选Ni69%、Cr16%、Al3%、Mn7%、Si0.8%和Ta4.2%，应变层15的膜层厚度为100nm；
所述焊盘层16采用金材料，所述焊盘层16的膜层厚度为1um；
所述保护层17采用高介电常数材料，所述保护层17中的高介电常数材料为PI，所
述保护层17的膜层厚度为5um。
[0024] 请参阅图1‑6所示，实施例四，在实施例一、实施例二、实施例三的基础上的补充：绝缘层14还可以采用氮化硅、SiO2、PI聚酰亚胺等高介电常数材料。
[0025] 保护层17还可以采用氮化硅、SiO2、PI聚酰亚胺等高介电常数材料。
[0026] 膜层所有材料均具有高熔点和热稳定性，从本质上解决高温测量的问题。
[0027] 实施例五，在以上实施例的基础下的补充，所述传感器组件包括有外壳9、真空腔体6和封压盖7，所述封压盖7可拆卸的安装在所述真空腔体6顶部的开口处，所述真空腔体6设置在所述外壳9内，所述真空腔体6与所述封压盖7内壁镀有真空吸附剂。
[0028] 所述真空腔体6上通过玻璃烧结固定有引线针22，所述真空腔体6上装有转接板8，所述转接板8与所述引线针22锡焊用于将信号引出，所述真空腔体6上还设置有用于温度补偿测量的温度传感器21。
[0029] 所述传感器组件还包括有弹膜腔体3和引压嘴2，所述弹膜腔体3设置在所述桥臂4底部，所述引压嘴2固定在所述外壳9底部，所述引压嘴2顶部与所述弹膜腔体3底部卡接，所述引压嘴2底部固定有VCR接头1，所述VCR接头1通过引压嘴2与所述弹膜腔体3连通；所述引压嘴2和所述弹膜腔体3均为高温镍基合金Inconel X‑750材质，两者表面
均采用电解抛光技术，两者的表面粗糙度均≤Ra0.15。
[0030] 引压嘴2材料采用高温镍基合金Inconel X‑750，具有良好的热稳定性和极好的耐腐蚀性，表面采用电解抛光技术，表面粗糙度≤Ra0.15，提高耐高纯气体的腐蚀性。
[0031] 弹膜腔体3材料采用高温镍基合金Inconel X‑750，具有良好的热稳定性和极好的耐腐蚀性，表面采用电解抛光技术，表面粗糙度≤Ra0.15，提高耐高纯气体的腐蚀性。弹性膜片18厚度控制在0.05 3mm之间，用于感受压力的大小。~
[0032] 所述弹膜腔体3顶部形成有弹性膜片18，所述桥臂4底部向内凹陷对称形成有桥洞19，所述桥臂4顶部位于所述桥洞19上方形成有应变梁20；
桥臂4安装在弹膜腔体3的弹性膜片18上，用于将弹性膜片18的微小变形在桥洞19
位置通过应变梁20变形放大，从而提高灵敏度。
[0033] 外壳9顶部安装有连接螺母10，而连接螺母10上设置有葛兰头11，葛兰头11和连接螺母10的连通的腔体内穿插有高温线缆12。
[0034] 实现原理：高温高纯腐蚀性气体或液体通过VCR接头1及引压嘴2引入弹膜腔体3的腔内，气体或液体压力使弹膜腔的弹性膜片18变形，弹膜腔的微小变形被安装在其上的桥臂4放大，桥臂4的桥洞19位置产生较大应变。应变使采用纳米镀膜技术生成在桥臂4表面的应变电阻的阻值发生改变，当施加电压时，产生微弱的变化的电信号输出，再被采集放大和处理，输出标准的信号，实现整个测量。因应变膜层5被封装在真空中，参考压力为0，因此可实现绝对压力的测量。绝压腔上装配温度传感器21，用于温度补偿测量。
[0035] 本发明实现一种采用纳米薄膜技术的高温绝压压力传感器，满足400℃及以下环境的使用要求，主要用于半导体设备行业对腐蚀性气体的压力监测及控制。
[0036] 本发明采用纳米薄膜镀膜技术，在高温耐腐蚀合金上直接原子级别生成应变电路，实现感压。
[0037] 弹性体为Inconel X‑750（国内牌号：GH4145）高温镍基合金，在600℃以下，弹性模量几乎不变；镀膜过渡层13为Ti2O5，熔点1800℃，热稳定性好；
镀膜介质绝缘层14为SiO2，熔点1723℃，热稳定好；
应变层为改进Ni‑Cr材料，温漂系数达到2PPM/℃，熔点大于1300℃；
焊盘层16采用金层，具有良好的耐高温特性；
保护层17采用SiO2。
[0038] 因此整个传感器核心具有先天的耐高温优势。
[0039] 请注意：弹性体除Inconel X‑750以外，还可以是2.4711/UNS R30003 、Hastelloy C22/C26 、316L等。
[0040] 本发明采用Inconel X‑750材质做弹膜腔体3、桥臂4及引压嘴2，弹膜腔体3及引压嘴2采用电解抛光工艺，表面粗糙度达到Ra0.15，能有效耐腐蚀性气体的侵蚀。
[0041] 压力测量采用纳米镀膜技术，将测量电路直接原子级生成在桥臂4上，实现精确测量，并通过优化膜层材料，实现耐高温测量。
[0042] 采用玻璃烧结及真空电子焊技术，将测量电路封装在真空腔内，并在真空腔内涂覆真空吸附剂，实现高精度绝压测量。
[0043] 以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的权利要求涵盖范围之内。
