[发明专利]高温压力与温度的复合传感器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量压力与温度的传感器及其制备方法，特别是一种适用于液体或气体等被测介质在大加速度40g以上、高温400℃以下的环境条件下，可同时同点测量的高温压力和温度的复合传感器及制备方法。

背景技术

科技工作者知道，用于液体或气体等被测介质的压力与温度的同点测量，在宇宙飞船、飞机、高速列车、火箭（导弹）、核反应堆等特殊测量环境下，测量的可靠性要求是十分重要和必须的。但是现有传感器不仅在制作精度上，而更重要的是在大加速度、高温、强辐射、强振动等恶劣条件下，远远满足不了测量可靠性的要求。很多专业人员，一生都在寻求完美的解决前述问题的方法。好在目前世界上，高纯的三氧化二铝（Al₂O₃）γ单晶体，即莫氏硬度达9.0，响应频率达5×10¹⁸Hz的蓝宝石单晶体，已成为制造力敏和热敏传感器比较理想和几近完美的高弹性高温晶体。它可以外延生长出单晶硅，又极易同钛、铂等金属亲和，并且其热膨胀系数在-196℃～400℃温区内，同钛及绝大数钛合金非常匹配。这给制作传感器的高标准封接操作带来了方便。但在结构设计及工艺制作方面仍存在很多难题和困难。本发明人曾针对现有硅蓝宝石力敏传感器的加工工艺比较复杂等难以克服的问题，利用现代加工手段和新的思维方法，用它制造出了适用于高温测量的硅蓝宝石力敏传感器，详见专利公告号为CN1172169C的《硅蓝宝石力敏传感器及制备方法》的发明专利。该制作工艺是将外延生长有单晶硅膜的蓝宝石晶片，用静电封接或用分子键合方法，封接到钛合金应力杯上，以钛合金应力杯对称中心为基准，激光刻出硅应变电阻，在硅应变电阻的铂金盘上用金属弹性触头连接引线，进行封装连接外引线，使该传感器适用温度达-196℃～400℃。这种传感器虽解决了耐温等问题，但“触头”在强振动和大加速度下，容易磨损和失效。同时也解决不了压力与温度的同点测量问题。为解决同点测量问题，人们试图将压力传感器与温度传感器进行合并捆绑，如将Pt100铂温度传感器与压力传感器捆绑到一起。但其存在以下问题：1、体积大，占用空间多；2、结构不紧凑，测温与测压点分离；3、测温原件与测点存有间隙，测温易滞后或测不准。如果加胶等介质粘住温度传感器，又会带来漏电，特别是高温漏电，还存在温度系数不匹配，有失效的可能；4、引线很难处理，一般不抗振和不抗大加速度；5、适应温度不够；6、绝缘问题不好解决，外引线不好固定，抗振强度不够等等。因此，现有传感器远远满足不了同点测量和在恶劣条件下测量的高可靠性要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温压力与温度的复合传感器及制备方法，它解决了现有技术存在的满足不了同点测量压力与温度的高可靠性问题，它不仅保留现有硅蓝宝石力敏传感器的优点，而且与同类产品相比，具有制造工艺更加合理，操作快捷，相对成本低，生产效率高的特点，显著提高了在恶劣条件下测量的高可靠性。

本发明所采用的技术方案是：该高温压力与温度的复合传感器包括利用静电封接或分子键合在一起的蓝宝石晶片与钛合金应力杯、外引线及钛合金外壳，其技术要点是：以钛合金应力杯对称轴中心定位，在应力区制作有硅应变电阻和铂焊盘的同一蓝宝石晶片上的非应力区一隅设置有铂热敏电阻，焊接在钛合金应力杯上的钛固定爪的内腔利用银铜焊层封接有带印刷电路的绝缘引线转换板，作为内引线的金属箔条一端焊接在分别与硅应变电阻及铂热敏电阻连接的铂焊盘上，金属箔条另一端与固定有外引线的绝缘引线转换板焊接在一起。

所述绝缘引线转换板上的印刷电路是这样制作的：首先预制绝缘引线转换板，再将这个绝缘引线转换板上的引线、穿线孔及与钛固定爪封接表面，全部进行钨钼金属化厚膜工艺处理，在钨钼金属化膜层上，印制钯银引线浆料，在真空、900℃下烧结，于绝缘引线转换板的钨钼金属化膜层上制作内外引线所要的钯银引线焊盘、穿线孔、引线，形成完整的印刷电路。

上述高温压力与温度的复合传感器的制备方法包括如下操作步骤：

步骤一、光刻蓝宝石晶片上的内引线铂焊盘窗口

将外延单晶硅的蓝宝石晶片，用高温湿法氧化硅表面，形成致密的SiO₂层；以钛合金应力杯内径为应力区定位，按设计要求，在预定区域制出硅应变电阻的内引线铂焊盘位置和在非应力区一隅制出铂热敏电阻及内引线铂焊盘的位置，进行光刻；刻出硅应变电阻内引线铂焊盘窗口，露出硅表面，同时，刻出铂热敏电阻及内引线铂焊盘的窗口，露出适合做铂热敏电阻及内引线铂焊盘的蓝宝石表面；

步骤二、掩膜溅射铂，制作硅应变电阻内引线铂焊盘与铂热敏电阻的铂层及其内引线的铂焊盘；