一种薄膜压力传感器及制备方法技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种薄膜压力传感器及制备方法。
背景技术
传感器技术是与通信技术和计算机技术构成现代信息产业的三大支柱，是一项当
今世界令人瞩目的迅猛发展的高新技术，同时又是一项相对通信和计算机技术整体落后的
瓶颈工业。传统传感器因功能、特性、体积等难以满足现代计算机技术和通信技术对传感器
的精度、可靠性、抗环境性、信息处理能力等要求而被逐渐淘汰，薄膜压力传感器正是将现
代微机电系统(MEMS)制造技术成功引进传感器制造行业而产生的一种新型的传感器技术。
薄膜压力传感芯片是利用真空镀膜技术，将绝缘材料、敏感应变电阻材料、保护材料等以原
子形式沉积在弹性不锈钢膜片上，形成原子键合的绝缘薄膜、电阻敏感材料薄膜、保护薄膜
等薄膜，并与弹性不锈钢膜片融合为一体。再经过光刻、调阻等工艺，在弹性不锈钢膜片表
面上形成牢固而稳定的惠斯顿电桥。当被测介质作用于弹性不锈钢膜片时，惠斯顿电桥产
生正比于压力的电信号输出。将此信号经放大调节等处理，再配以适当的结构，就成为可广
泛应用于各个领域中的薄膜压力传感器。
然而，目前的薄膜压力传感器通常采用传统磁控溅射工艺制备，薄膜表面尖刻、凹
谷和针孔较多，影响了传感器的测量精度。另一方面，目前薄膜压力传感器的应变电阻主要
采用镍铬合金材料。但是镍铬材料的温度漂移较大，制成压力传感器后其温度性能不好，这
样就限制了这类压力传感器在恶劣环境下使用。因此，亟待开发一种测量精度高且温度漂
移小的高性能薄膜压力传感器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有薄膜压力传感器的测量精度低且温度漂移
大的缺陷，提供一种薄膜压力传感器及制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种薄膜压力传感器，至少包括：
弹性基底；
绝缘层，其位于所述弹性基底上；
应变电阻层，其位于所述绝缘层上构成惠斯通电桥电路；所述应变电阻层采用多
元素靶材通过离子束溅射沉积技术在所述绝缘层上沉积而成；所述多元素靶材包括镍、铬、
锰和硅元素，其中各个元素的质量份数为：镍，70～90份；铬，10～30份；锰，1～10份；硅，1～
10份；
引线膜，其位于所述应变电阻层上，用于将应变电阻层感应弹性基底形变产生的
电信号引出。
在根据本发明优选实施例所述的薄膜压力传感器中，所述多元素靶材中各个元素
的质量份数为：镍，80～85份；铬，15～25份；锰，4～6份；硅，4～6份。
在根据本发明优选实施例所述的薄膜压力传感器中，所述应变电阻层的厚度为
0.1～2.5μm。
在根据本发明优选实施例所述的薄膜压力传感器中，所述绝缘层为从下至上依次
设置的五氧化二钽打底膜和二氧化硅绝缘膜构成的复合绝缘膜。
本发明还提供了一种薄膜压力传感器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1、提供弹性基底；
S2、通过离子束溅射沉积技术在弹性基底上沉积绝缘层；
S3、在所述绝缘层上制作第一光刻胶，以所述第一光刻胶为掩模，采用多元素靶材
通过离子束溅射沉积技术在所述绝缘层上沉积应变电阻层，构成惠斯通电桥电路；所述多
元素靶材包括镍、铬、锰和硅元素，其中各个元素的质量份数为：镍，70～90份；铬，10～30
份；锰，1～10份；硅，1～10份；
S4、在所述应变电阻层和暴露的绝缘层上制作第二光刻胶，以所述第二光刻胶为
掩模，通过离子束溅射沉积技术在所述应变电阻层上沉积引线膜。
实施本发明的薄膜压力传感器及制备方法，具有以下有益效果：本发明采用含有
镍、铬、锰和硅的多元素靶材，通过离子束溅射沉积技术获得应变电阻层，制备的薄膜附着
力强、密度高，制得的薄膜压力传感器能很好地适应超高温、超低温介质环境以及介质温度
变化大的场合，并且薄膜表面尖刺、凹谷和针孔少，表面致密且缺陷更小，提高了传感器的
测量精度。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的薄膜压力传感器结构示意图；
图2为根据本发明优选实施例的薄膜压力传感器的制备方法流程图；
图3为四靶台双离子束反应溅射沉积设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优A+点更加清楚，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
是本发明的一部分实施例，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
人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范
围。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制
的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的
各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制
造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同
形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可
以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向
中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元
件“下”。
请参阅图1，为根据本发明优选实施例的薄膜压力传感器结构示意图。如图1所示，
该薄膜压力传感器至少包括：弹性基底1、绝缘层、应变电阻层5和引线膜4。
其中，弹性基底1可以采用不锈钢材料或金属铁材料通过机械加工呈倒“U”型。该
弹性基底1的顶面优选为圆形。
绝缘层采用离子束溅射沉积技术在弹性基底1上形成。在本发明优选的实施例中，
该绝缘层1为从下至上依次设置的五氧化二钽打底膜2和二氧化硅绝缘膜3构成的复合绝缘
膜。其中五氧化二钽打底膜2起缓冲作用，而二氧化硅绝缘膜3用于绝缘。通过该复合绝缘
膜，可以获得在250V直流电压下大于10000MΩ绝缘电阻。五氧化二钽打底膜2的厚度优选为
0.1～1.0μm，二氧化硅绝缘膜3的厚度优选为0.1～2.0μm。虽然该实施例中，绝缘层为双层
结构，但本发明不限于此，而是可以包含单层或者多层结构。例如，绝缘层可以采用离子束
溅射沉积技术在弹性基底1上使用二氧化硅、三氧化二铝、碳化硅、氮化硅中的一种或多种
制备，也可以采用其他具备绝缘作用的叠层结构。
应变电阻层5位于绝缘层上构成惠斯通电桥电路，用于将弹性基底1产生的形变转
变为电信号。本发明中采用多元素靶材通过离子束溅射沉积技术在绝缘层上沉积而成。该
多元素靶材包括镍(Ni)、铬(Cr)、锰(Mn)和硅(Si)元素，其中各个元素的质量份数为：镍，70
～90份；铬，10～30份；锰，1～10份；硅，1～10份。当弹性基底1受力时，其中受力变形部位7
产生形变，其形变通过绝缘膜传递到应变电阻层5，使应变电阻层5的惠斯通电桥电阻值发
生变化，它能输出与所受压力成比例的电信号，通过测量该电信号可以得到对应压力值。该
应变电阻层的厚度优选为0.5～2μm。
引线膜4位于应变电阻层5上，用于将应变电阻层产生的电信号引出，同时也能接
入该惠斯通电桥的电源。该引线膜4可以采用离子束溅射沉积技术在应变电阻层5上沉积而
成。在该实施例中，引线膜4由金制成。该引线膜4的厚度优选为5～10μm。虽然本实施例给出
了一种具体的引线膜材料，但本发明不限于此，而是可以采用其它适用的电极材料，例如铝
钴合金。
该薄膜压力传感器还可以进一步包括覆盖在暴露的绝缘层和应变电阻层5上的保
护膜6。该保护膜优选采用离子束溅射沉积技术轰击二氧化硅靶材制备。该保护膜6的厚度
优选为5～10μm。所述保护膜6能阻挡空气中的氧和水汽对传感器的侵蚀，提高薄膜压力传
感器的可靠性和稳定性。
本发明在制作薄膜压力传感器时，在镍铬的应变材料中加入了一定比例锰和硅，
并通过调节四种元素之间的质量比例获得很好的温度性能，使其电阻温度系数(TCR)不大
于±0.001％FS/℃，传感器能很好地适应超高温、超低温介质环境以及介质温度变化大的
场合。更优选地，采用以下比例的多元素靶材时电阻温度系数不大于±0.0008％FS/℃：镍，
80～85份；铬，15～25份；锰，4～6份；硅，4～6份。
多元素靶材的具体实例如下所示：
实例1：镍，70份；铬，10份；锰，10份；硅，10份；
实例2：镍，80份；铬，30份；锰，1份；硅，1份；
实例3：镍，90份；铬，20份；锰，5份；硅，10份；
实例4：镍，70份；铬，15份；锰，8份；硅，5份；
实例5：镍，75份；铬，25份；锰，7份；硅，7份；
实例6：镍，85份；铬，18份；锰，6份；硅，4份；
实例7：镍，88份；铬，22份；锰，4份；硅，6份；
实例8：镍，76份；铬，17份；锰，3份；硅，3份；
实例9：镍，82份；铬，28份；锰，2份；硅，1份；
实例10：镍，84份；铬，20份；锰，1份；硅，8份。
请参阅图2，为根据本发明优选实施例的薄膜压力传感器的制备方法流程图。如图
2所示，本发明还提供了一种薄膜压力传感器的制备方法，可以用于制备上述薄膜压力传感
器。该制备方法包括以下步骤：
首先，在步骤S1中，提供弹性基底1。
随后，在步骤S2中，通过离子束溅射沉积技术在弹性基底1上沉积绝缘层。该步骤
S2进一步包括：
S2-1、设置主离子源产生的氩离子束的离子能量为500～800eV，设置其离子束流
密度为0.4～0.6mA/cm2；并使真空仓的本底压强保持在3×10-3Pa及以下，控制薄膜沉积速
率为20～30nm/min；工件台自转速度为7～9rpm，沉积角度为45°；
S2-2、利用主离子源产生的氩离子束轰击靶台上的钽靶材，使靶材溅射出来的粒
子与辅离子源产生的氧离子束发生反应后沉积在弹性基底上，形成五氧化二钽打底膜；
S2-3、利用主离子源产生的氩离子束轰击靶台上的二氧化硅靶材，使靶材溅射出
来的粒子沉积在五氧化二钽打底膜上，形成二氧化硅绝缘膜；
随后，在步骤S3中，在绝缘层上制作第一光刻胶，以第一光刻胶为掩模，采用多元
素靶材通过离子束溅射沉积技术在绝缘层上沉积应变电阻层，构成惠斯通电桥电路。该多
元素靶材包括镍、铬、锰和硅元素，其中各个元素的质量份数为：镍，70～90份；铬，10～30
份；锰，1～10份；硅，1～10份。该步骤S3进一步包括：
S3-1、按照各个元素的质量份数称取镍、铬、锰和硅的金属粉末，混合均匀后压制
成多元素靶材，并将所述多元素靶材固定在靶台上；
S3-2、在沉积有绝缘层的弹性基底上制作第一光刻胶，并将弹性基底固定在工件
台上；
S3-3、设置主离子源产生的氩离子束的离子能量为500～800eV，设置其离子束流
密度为0.4～0.6mA/cm2；并使真空仓的本底压强保持在5×10-4Pa及以下，控制薄膜沉积速
率为20～30nm/min；设置工件台自转速度为7～9rpm，沉积角度为45°；
S3-4、利用主离子源产生的氩离子束轰击所述多元素靶材，使多元素靶材溅射出
来的粒子沉积在绝缘层上，形成应变电阻层。随后去除第一光刻胶。
随后，在步骤S4中，在应变电阻层和暴露的绝缘层上制作第二光刻胶，以第二光刻
胶为掩模，通过离子束溅射沉积技术在应变电阻层上沉积引线膜。随后去除第二光刻胶。
在本发明的优选实施例中，还包括在步骤S4之后执行的步骤S5，通过离子束溅射
沉积技术在暴露的绝缘层和应变电阻层5上沉积保护膜6。
在本发明的另一项优选实施例中，步骤S2～S4中主离子源在轰击靶材前还包括靶
材清洗步骤，该步骤中采用主离子源产生的低能氩离子束对靶材表面轰击2-4分钟，以去除
靶材表面杂质，该低能离子束的离子能量Ei＝200～500eV，离子束流密度为Jb＝0.2～
0.4mA/cm2。更优选地，在步骤S2～S4中主离子源在轰击靶材前还包括预处理步骤，该步骤
中采用辅离子源产生的低能氩离子束对需要镀膜的工件表面轰击2～4分钟，以增大工件表
面附着力，该低能离子束的离子能量Ei＝200～500eV，离子束流密度为Jb＝0.2～0.4mA/
cm2。
请参阅图3，为四靶台双离子束反应溅射沉积设备的结构示意图。本发明的薄膜压
力传感器的制备方法优选但不限于采用该四靶台双离子束反应溅射沉积设备制备。如图3
所示，该四靶台双离子束反应溅射沉积设备包括主离子源21、辅离子源26、工件台28和可旋
转的四靶台24。主离子源21和辅离子源26位于真空室29的两侧相对设置，两者的发射轴平
行且间隔预定距离。四靶台24位于真空室中部主离子源的离子束22发射方向上，具有四个
靶面，可分别用于固定钽靶材、二氧化硅靶材、多元素靶材和引线膜靶材。工件台28用于固
定工件，位于辅离子源的离子束27发射方向上，同时位于四靶台24工作靶面的离子束溅射
粒子25沉积的方向上。该工件台28上还设有用于遮挡工件台28上工件的可开关的挡板20。
如图所示，四靶台24与主离子源21呈45度设置，工件台28与辅离子源26呈45度设置。
下面结合图3的设备对薄膜压力传感器的制备过程进行具体描述。该实施例中以
不锈钢制备的弹性基底1作为工件，依次在上面镀上Ta2O5、SiO2、多元素、Au、SiO2五层薄膜。
一、环境准备：
1、工作气体用纯度为99.99％的Ar，反应气体用纯度为99.99％的O2。
2、将弹性基底1固定在工件台28上，将Ta、SiO2、多元素、Au四种靶材23固定在四靶
台24的四个靶面上。
3、关闭真空仓21，先用机械泵单机粗抽，当真空度达到10Pa时，启动分子泵双机精
抽，将本底真空度抽到：3×10-3Pa。
4、控制薄膜沉积速率为25nm/min，工件台自转速度为8rpm，沉积角度为45°。
二、提供弹性基底1，对表面进行清洗：
1、用机械抛光和常规化学清洗先对弹性基底1去油、去污、去氧化物。
2、打开工件台的挡板20，用辅离子源26产生的低能Ar离子束轰击弹性基底1表面
3min，在弹性基底1表面轰出的小坑将很大程度提高弹性基底1与Ta2O5打底膜的附着力。该
低能Ar离子束的离子能量Ei＝400eV，离子束流密度Jb＝0.35mA/cm2。
三、沉积Ta2O5打底膜：
1、旋转四靶台24选择Ta靶材；关闭工件台的挡板20，用主离子源21产生的低能Ar
离子束轰击Ta靶材表面3min，去除靶材表面杂质。该低能Ar离子束的离子能量Ei＝400eV，
离子束流密度为Jb＝0.35mA/cm2；
2、打开工件台的挡板20，用主离子源21产生的高能Ar离子束轰击Ta靶材，Ta靶材
溅射出来的粒子与辅离子源产生的O2离子束发生反应，形成Ta2O5化合物沉积在弹性基底1
上，生成Ta2O5打底膜。该高能Ar离子束的离子能量Ei＝700eV，离子束流密度为Jb＝0.55mA/
cm2。
四、沉积SiO2绝缘膜：
1、旋转四靶台24选择SiO2石英玻璃靶材；关闭工件台的挡板20，用主离子源21产
生的低能Ar离子束轰击SiO2靶材表面3min，去除靶材表面杂质。该低能Ar离子束的离子能
量Ei＝400eV，离子束流密度为Jb＝0.35mA/cm2。
2、打开工件台的挡板20，用辅离子源26产生的低能Ar离子束轰击工件台3min，增
强Ta2O5打底膜表面附着力。该低能离子束的离子能量Ei＝400eV，离子束流密度为Jb＝
0.35mA/cm2。
3、用主离子源21产生的高能Ar离子束轰击SiO2靶材，靶材溅射出来的粒子形成
SiO2化合物沉积在Ta2O5打底膜上，生成SiO2绝缘膜。该高能Ar离子束的离子能量Ei＝700eV，
离子束流密度Jb＝0.55mA/cm2。
五、沉积多元素应变电阻层：
1、旋转四靶台24选择多元素靶材，在SiO2绝缘膜上制作第一光刻胶，即用于沉积
应变电阻层的光刻胶。
2、关闭工件台的挡板20，用主离子源21产生的低能Ar离子束轰击多元素靶材表面
3min，去除靶材表面杂质。该低能Ar离子束的离子能量Ei＝400eV，离子束流密度Jb＝
0.35mA/cm2。
3、打开工件台的挡板20，用辅离子源26产生的低能Ar离子束轰击工件台3min，增
强SiO2绝缘膜表面附着力。该低能Ar离子束的离子能量Ei＝400eV，离子束流密度为Jb＝
0.35mA/cm2。
4、用主离子源21产生的高能Ar离子束轰击多元素靶材，靶材溅射出来的粒子沉积
在SiO2薄膜上，生成多元素应变电阻层。该高能Ar离子束的离子能量Ei＝700eV，离子束流密
度为Jb＝0.55mA/cm2。
六、沉积Au引线膜
1、旋转四靶台24选择Au靶材，清除工件上剩余的光刻胶，在工件上制作引线膜光
刻胶。
2、关闭工件台的挡板20，用主离子源21产生的低能Ar离子束轰击Au靶材表面
3min，去除靶材表面杂质。该低能Ar离子束的离子能量Ei＝400eV，离子束流密度Jb＝
0.35mA/cm2。
3、打开工件台的挡板20，用辅离子源26产生的低能Ar离子束轰击工件台3min，增
强现有薄膜表面附着力。该低能Ar离子束的离子能量Ei＝400eV，离子束流密度Jb＝0.35mA/
cm2。
4、用主离子源21产生的高能Ar离子束轰击Au靶材，Au靶材溅射出来的粒子沉积在
应变电阻层上，生成Au引线膜。该高能Ar离子束的离子能量Ei＝700eV，离子束流密度Jb＝
0.55mA/cm2。
七、沉积SiO2钝化保护膜
1、旋转四靶台24再次选择SiO2石英玻璃靶材，清除工件上剩余的光刻胶，在工件
上制作保护膜光刻胶。
2、关闭工件台的挡板20，用主离子源21产生的低能Ar离子束轰击SiO2靶材表面
3min，去除靶材表面杂质。该低能Ar离子束的离子能量Ei＝400eV，离子束流密度为Jb＝
0.35mA/cm2。
3、打开工件台挡板，用辅离子源26产生的低能Ar离子束轰击工件台3min，增强现
有薄膜表面附着力。该低能离子束的离子能量Ei＝400eV，离子束流密度Jb＝0.35mA/cm2。
4、用主离子源21产生的高能Ar离子束轰击SiO2靶材，靶材溅射出来的粒子沉积在
工件上，生成掩蔽性良好的SiO2纯化保护膜。该高能Ar离子束的离子能量Ei＝700eV，离子束
流密度Jb＝0.55mA/cm2。
八、打开真空仓沉积室，取出工件台28，清除工件表面剩余的光刻胶，得到薄膜压
力传感器。
本发明采用的双离子束反应溅射沉积(Double Ion Bean Reactive Sputtering
Deposition，简称DIBRSD)技术，是先用低能量的工作气体离子束对靶材和衬底进行清洗，
以充入工作气体的主离子源产生的主离子束轰击靶材，靶材溅射出来的粒子与充入反应气
体的辅离子源产生的辅离子束进行化学反应，产生稳定的化合物沉积在衬底上，生成化合
物薄膜。其具有以下显著特点：
1、薄膜的均匀度好，薄膜的应力小且附着力高，光学性质更加重复稳定；工作参数
独立控制自由度大，可以纳米级控制薄膜生长、薄膜微结构和薄膜晶格取向；
2、靶材粒子能量高，沉积的薄膜膜层密度高、杂质少，与衬底的结合力高；对靶材
和衬底进行预清洗，能提高薄膜和衬底的附着力；
3、低能离子束辅助轰击生长薄膜，可以制备小晶粒尺寸及低缺陷密度薄膜，提高
薄膜致密度和减少孔隙度，改变薄膜应力的性质和大小；与磁控溅射相比，薄膜表面尖刺、
凹谷和针孔更少，表面致密和缺陷更小；
4、适用除有机材料和易分解材料以外的众多材料，无环境污染干法镀膜，可制备
合金薄膜、氧化物薄膜、高熔点薄膜和绝缘薄膜。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管
参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可
以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；
而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和
范围。