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        薄膜鍍膜技術的發展推動薄膜壓力傳感器性能提高

        發布時間:2019-9-12??????發布人:澤天公司??????點擊:

        從二十世紀五十年代到八十年代,真空蒸發鍍膜技術發展了近三十年,該項技術用于薄膜壓力傳感器的制造一直受到薄膜質量的限制而得不到發展。1980年初,由瑞典和瑞士的材料公司NAF機構承擔了用新型壓力傳感器取代老式機械壓力傳感器的發展計劃。他們開始采用真空蒸發鍍膜技術,得出結論是:高電阻薄膜用真空蒸發鍍Ni-Cr膜是不行的。理由是傳感器的薄膜電阻要達到5KΩ的同時要求膜很薄,而很薄的膜的不連續性導致傳感器的穩定性、重復性都很差。

        1980年代至1990年代期間,薄膜壓力傳感器的技術性能隨著磁控濺射鍍膜技術的發展,而不斷提高,但是由于工藝技術的復雜性,這種技術制造薄膜壓力傳感器僅少數公司掌握而且成品率不高約30%。同期,國內有少數單位采用磁控濺射鍍膜技術制造薄膜壓力傳感器,由于技術原因目前已基本停滯。

        物理氣相淀積方法(簡稱PVD方法)包括真空蒸發、磁控濺射、離子束濺射等,這些都是薄膜淀積技術,其薄膜質量差異很大,原因是薄膜形成強烈依賴于各種工藝條件。在PVD法中,薄膜形成過程是:初始碰撞到基片上的材料的氣相粒子,被單個的吸附在基片的表面上,形成吸附相,它們互相結合形成原子團,繼續長大后,凝結成晶核,晶核繼續長大聚合成小島,繼續長大時,許多小島之間形成網狀的溝道連接,形成了不連續的薄膜。當薄膜平均厚度達到一定值時,不連續的薄膜形成了性能穩定的連續薄膜。目前薄膜壓力傳感器都是應用的連續的薄膜。因為它們經熱處理后逐漸趨向穩定。顯然,初始形成的晶核尺寸大小、致密程度、附著力大小和雜質污染等是決定薄膜質量的重要因素。這些因素的影響使制成的薄膜主要缺陷是位錯。它是由膜中應力產生而形成;也由于晶核形成小島的聚合、準邊界構成,膜與襯底熱膨脹系數不同而引起等等。其它的缺陷是空位、空洞、空隙、晶粒邊界。填充缺陷以及表面粗糙度雜質染污等。物理氣相淀積成膜方式中,這些缺陷都存在,只是不同方法表現的缺陷輕重程度不同而已。

        真空蒸發氣相過程發生很快,淀積速率也快,初始形成的氣相粒子也大,薄膜的缺陷的特征是大量的空位,其次是比較多的空洞,位錯,雜質污染等,它們導致膜表面粗糙和膨松,附著力差。因此,用于介質的膜的厚度限于1000 nm,厚了易龜裂。絕緣膜承受擊穿壓低,形成連續薄膜的平均厚度大約500 nm左右。這樣做出薄膜電阻的橋阻只能為幾百歐姆左右,不能做到高阻值。特別是,這些缺陷造成薄膜內應力,熱應力大,導致零點飄移大。應變電阻的合金成分變化大,橋路電阻不穩定,又不重復,應變系數也較難控制等。

        直流和高頻濺射淀積的薄膜,由于氣相過程相對慢,合金膜的組分比也易控制,薄膜晶核較小,比較致密,附著力也高。薄膜缺陷也大大減少。這些使介質膜的絕緣性能也大大提高,橋臂電阻的穩定性也提高,工作溫度范圍也變寬。但是,由于薄膜是在高溫300℃以上的等離子體區內形成的。所以等離子區內的惡劣環境,使膜的質量進一步提高受到限制。主要缺陷是來自等離子位區內雜質的污染,固體雜質的污染改變了應變電阻膜的性能。介質膜降低了絕緣性能,特別是局部高壓強的氣體Ar引起薄膜的吸附,薄膜中吸附大量的氣體在薄膜生長過程中逐步擴散而逸出,形成很多的空隙。由于雜質污染和空隙的產生,薄膜針孔的增多,導致絕緣性能降低。企圖增加薄膜厚度提高絕緣強度,也受到高于2000nm厚膜易龜裂的限制。絕緣性能一般為100MΩ/50V。電阻膜達到連續膜特征的平均膜厚,上世紀80年代大約為250 nm ,90年代末期已經達到100 nm 。所以橋臂電阻可以達到2KΩ左右,但是電阻薄膜存在的那些缺陷特別是雜質的污染,它的熱穩定性差,在高溫時,零點輸出的漂移大。一般只能控制在萬分之幾。而現代的要求要達到十萬分之幾,甚至百萬分之幾。據報道,國外公司生產的成品率大約30%,失效原因主要是絕緣性能差,這也許是直流和高頻濺射淀積工藝技術的極限。

        離子束濺射薄膜技術和磁控濺射薄膜技術大致同期發展,但是直到美國卡夫曼等人發明了產生低能離子束的離子源,才使離子束濺射技術得到實際應用。利用這個低量能離子束轟擊固體表面,產生動能的轉換,使靶材表面原子逸出來,稱為離子束濺射,通常離子束能量大約是1Kev-2Kev。成膜機理仍屬PVD原理,只是淀積速度較慢,由于成膜的靶和基片處在非等離子區的高真空、低溫環境,所以薄膜雜質和氣體吸附污染少,薄膜的質量較高,主要特點是較致密,附著力好。所以介質薄膜可以淀積較厚4000 nm 以上,其絕緣性能大幅度提高。一般100VDC時達到500MΩ以上,甚至達到1000MΩ。不僅耐壓比磁控濺射薄膜提高一倍,而且絕緣電阻提高5至10倍。作為應變電阻的Ni-Cr薄膜的平均厚度一般在100 nm 至150 nm 。橋臂電阻可以做到4KΩ左右。離子束濺射的薄膜缺陷,主要表現在PVD原理中薄膜所存在的那些固有缺陷。因此,它的性能差異,主要表現在高溫時傳感器的熱穩定性能差,即熱零點漂移較大,大約控制在±0.2%F·S范圍。要進一步降低零點漂移,需要對應變材料進行改性。目前澤天傳感已做到熱零點漂移小至0.0002%FS/℃,這是目前世界上領先的。

        從真空蒸發到磁控濺射、離子束濺射等薄膜技術的發展,近代的薄膜壓力傳感器已發展到相當高的水平。在磁控濺射和離子束濺射中,從靶上逸出的原子數都是幾個到幾十個原子層的逸出。淀積速率還是相對較快,而且淀積原子先氣化后凝結,這個過程是很復雜的。甚低能加速器的問世,使得逐原子層的淀積機理成為現實。本文源自澤天傳感,轉載請保留出處。

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