基于飛秒激光復(fù)合技術(shù)的壓阻式厚膜壓力傳感器制備方法
【專利說明】基于飛秒激光復(fù)合技術(shù)的壓阻式厚膜壓力傳感器制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于壓力傳感器芯片技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于飛秒激光復(fù)合技術(shù)的壓阻式厚膜壓力傳感器制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]厚膜壓力傳感器是厚膜技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，集成了厚膜技術(shù)和壓力傳感器技術(shù)，具有對(duì)溫度不敏感、工藝簡(jiǎn)單、重復(fù)性好、適用于惡劣環(huán)境、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。壓阻式厚膜壓力傳感器是厚膜壓力傳感器應(yīng)用最廣的一種，其一般采用陶瓷(如氧化鋁)、金屬(如不銹鋼)等作為彈性體，采用含金屬氧化物的玻璃釉作為電阻，通過絲網(wǎng)印刷工藝層層印制后燒結(jié)而成。由于絲網(wǎng)制作工藝的燒結(jié)電阻膜厚在10微米左右，燒結(jié)后電阻阻值難以精確控制，誤差經(jīng)常在5-10%之間，造成批量調(diào)理和補(bǔ)償非常困難，導(dǎo)致厚膜壓力傳感器的精度偏低，往往需要修阻。
[0004]3D打印技術(shù)是一種運(yùn)用粉末狀材料通過選擇性激光燒結(jié)或熔化逐層堆積出制造產(chǎn)品的增材制造方法。相對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)而言，它可以輕松地制造出傳統(tǒng)技術(shù)難以生產(chǎn)的復(fù)雜、高難度的產(chǎn)品。但是，3D打印出的零件表面往往顯現(xiàn)出強(qiáng)度不高、吹粉、球化、殘余應(yīng)力高及表面粗糙高等缺點(diǎn)，需要對(duì)成型零件進(jìn)行除渣和拋光處理。當(dāng)前的3D打印過程中僅有利用視覺監(jiān)控來控制尺寸，沒有微觀結(jié)構(gòu)及成分的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，我們無從知道零部件的微觀結(jié)構(gòu)，也就不能對(duì)其機(jī)械性能進(jìn)行更好地控制。
[0005]近些年，短脈沖激光(如納秒激光、皮秒激光和飛秒激光)由于熱影響小，加工精度高，因而在精密加工領(lǐng)域備受關(guān)注。納秒激光的脈沖寬度為納秒(1(Γ9秒)級(jí)，其重復(fù)頻率一般為數(shù)百kHz，最高可達(dá)10MHz，因此可以達(dá)到很高的加工效率。皮秒(10_12秒)激光足以避免能量發(fā)生熱擴(kuò)散并達(dá)到這些消融臨界過程所需要的峰值能量密度，可以提供較高的平均功率(10 W)和良好的光束質(zhì)量(M2 < 1.5)，可以在有效工作距離內(nèi)聚焦成一個(gè)1ym或更小的光點(diǎn)。飛秒激光(10_15秒)在每一個(gè)激光脈沖與物質(zhì)相互作用的持續(xù)期內(nèi)，避免了熱擴(kuò)散的存在，在根本上消除了類似于長(zhǎng)脈沖加工過程中的熔融區(qū)，熱影響區(qū)，沖擊波等多種效應(yīng)對(duì)周圍材料造成的影響和熱損傷，將加工過程所涉及的空間范圍大大縮小，從而提高了準(zhǔn)確程度，其光束直徑可以聚焦到I μ m以內(nèi)，其精度可達(dá)10nm以內(nèi)，最高可以達(dá)到0.lnm。
[0006]納秒/皮秒/飛秒激光復(fù)合技術(shù)可以集成加工速度、精度和成本等方面的優(yōu)點(diǎn)，將其運(yùn)用于傳感器的燒結(jié)和微加工，可以快速、有效避免現(xiàn)今激光燒結(jié)過程中出現(xiàn)的吹粉，殘余應(yīng)力等復(fù)雜問題，可以省去補(bǔ)償步驟。目前還沒有出現(xiàn)使用該技術(shù)的3D打印傳感器產(chǎn)品O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)壓阻式厚膜壓力傳感器制作工藝中存在的精度不高、粘接材料過多導(dǎo)致界面強(qiáng)度下降等缺陷，本發(fā)明結(jié)合納秒-皮秒-飛秒激光復(fù)合技術(shù)，提出了一種基于飛秒激光復(fù)合技術(shù)的壓阻式厚膜壓力傳感器制備方法。
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
基于飛秒激光復(fù)合技術(shù)的壓阻式厚膜壓力傳感器制備方法，按照從上到下或從下到上逐層制備壓阻式厚膜壓力傳感器，當(dāng)彈性體為金屬?gòu)椥泽w時(shí)，壓阻式厚膜壓力傳感器從下到上依次為彈性體層、介質(zhì)層、電阻層、保護(hù)層，保護(hù)層有與電阻層相連的電極穿過；當(dāng)彈性體為絕緣陶瓷彈性體時(shí)，壓阻式厚膜壓力傳感器從下到上依次為彈性體層、電阻層、保護(hù)層，保護(hù)層有與電阻層相連的電極穿過；
各層的制作步驟如下:
(O真空環(huán)境中，在工作臺(tái)上加載當(dāng)前層原材料粉末并預(yù)熱；
(2)根據(jù)當(dāng)前層的精度要求確定原始激光，采用原始激光對(duì)原材料進(jìn)行掃描燒結(jié)熔化及固化；原始激光的選擇原則是:對(duì)精度要求高的當(dāng)前層選用脈沖較短的激光，對(duì)精度要求低的當(dāng)前層則選用脈沖較長(zhǎng)的激光；基于上述選擇原則并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)驗(yàn)證在納秒激光、皮秒激光和飛秒激光中確定制作當(dāng)前層所采用的原始激光；
(3)實(shí)時(shí)檢測(cè)和分析已成型當(dāng)前層的尺寸、晶相結(jié)構(gòu)、表面形貌和成分中的一項(xiàng)或多項(xiàng)，并將分析結(jié)果反饋至控制中心；
(4)將控制中心接收的分析結(jié)果與預(yù)設(shè)目標(biāo)比對(duì)，若分析結(jié)果達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)，則結(jié)束并開始制作下一層；否則，執(zhí)行步驟(5);
(5)使用精加工激光對(duì)已成型當(dāng)前層的特定區(qū)域進(jìn)行精加工，然后執(zhí)行步驟(3);所述的特定區(qū)域指分析結(jié)果未達(dá)到預(yù)設(shè)目標(biāo)的區(qū)域，所述的精加工激光選擇原則為:(a)為皮秒激光或飛秒激光；同時(shí)，(b)其加工精度高于原始激光。
[0009]上述原始激光和精加工激光均由多波長(zhǎng)集成光纖激光器提供，所述的多波長(zhǎng)集成光纖激光器包括控制器、納秒激光探頭、皮秒激光探頭和飛秒激光探頭，納秒激光探頭、皮秒激光探頭和飛秒激光探頭均與控制器相連，控制器用來控制納秒激光、皮秒激光和飛秒激光的發(fā)射和關(guān)閉。
[0010]步驟(3)中采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和分析，所述的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)儀器，檢測(cè)儀器與控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連，所述的檢測(cè)儀器包括尺寸檢測(cè)儀器、晶相結(jié)構(gòu)檢測(cè)儀器、表面形貌檢測(cè)儀器、成分檢測(cè)儀器中的一種或多種。
[0011]所述的檢測(cè)儀器包括掃描電鏡、X射線衍射儀、紅外攝像儀和質(zhì)譜儀中的一種或多種。
[0012]作為優(yōu)選:彈性體層的原材料為不銹鋼、氧化鋯或氧化鋁；介質(zhì)層的原材料為氧化鋁；電阻層的原材料為以氧化釕或釕酸鹽為基的玻璃釉；電極的原材料為金、鉑、銀、鈀、銅或镲。
[0013]本發(fā)明所采用的納秒-皮秒-飛秒激光復(fù)合技術(shù)，是采用可同時(shí)提供納秒激光、皮秒激光和飛秒激光的多波長(zhǎng)集成光纖激光器實(shí)現(xiàn)。首先，根據(jù)壓阻式壓力傳感器各層的精度要求，選擇納秒、皮秒或飛秒激光作為原始激光進(jìn)行掃描燒結(jié)熔化。然后，根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋選擇對(duì)特定區(qū)域使用皮秒或飛秒激光進(jìn)行精加工。根據(jù)壓阻式壓力傳感器加工的實(shí)際需要，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以為尺寸檢測(cè)、晶相結(jié)構(gòu)檢測(cè)、表面形貌檢測(cè)、成分檢測(cè)等。
[0014]和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果: 可實(shí)現(xiàn)更精確的尺寸控制和電阻阻值控制，省去了后續(xù)修阻等過程，可以達(dá)到不補(bǔ)償即可使用的精度。同時(shí)，還省去了傳統(tǒng)3D打印完成后所需的清理、拋光等工序，有效解決了吹粉、殘余應(yīng)力高、強(qiáng)度低等問題。
【附圖說明】
[0015]為了更清楚地說明本發(fā)明方法，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅為本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0016]圖1為金屬?gòu)椥泽w壓阻式厚膜壓力傳感器的剖面正視圖，圖中，101-支撐環(huán)，102-感知膜片，103-介質(zhì)層，104-保護(hù)層，105-電阻層，106-導(dǎo)電層，107-空腔；
圖2為絕緣彈性體壓阻式厚膜壓力傳感器的剖面正視圖，圖中，201-支撐環(huán)，202-感知膜片，204-電阻層，205-保護(hù)層，206-導(dǎo)電層，207-空腔；
圖3為本發(fā)明方法【具體實(shí)施方式】的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]壓阻式厚膜壓力傳感器包括一體化成型的彈性體，彈性體分為金屬?gòu)椥泽w和絕緣彈性體，金屬?gòu)椥泽w的感知膜片上先制作介電層后再制作電阻層，見圖1。絕緣彈性體的感知膜片上則直接制作電阻層來監(jiān)測(cè)應(yīng)變，見圖2。
[0018]見圖1，該金屬?gòu)椥泽w壓力傳感器主要包括保護(hù)層(104)、導(dǎo)電層(106)、電阻層(105)、介質(zhì)層(103)和彈性體。介質(zhì)層(103)設(shè)置于彈性體上，電阻層(105)和導(dǎo)電層(106)均設(shè)置在介質(zhì)層(103)上，保護(hù)層(104)設(shè)于電阻層(105)和導(dǎo)電層(106)上方用來保護(hù)電阻層(105)和導(dǎo)電層(106)。導(dǎo)電層(106)連通電阻層(105)，并將電阻層(105)信號(hào)引出到保護(hù)層(104)外。
[0019]彈性體為壓力傳感器主體，由支撐環(huán)(101)和感知膜片(102)構(gòu)成，支撐環(huán)(101)上端由感知膜片(102)密封，下端則開放，即支撐環(huán)(101)和感知膜片(102)形成空腔(107)。支撐環(huán)(101)用來支撐感知膜片(102)、保護(hù)層(104)、導(dǎo)電層(106)和電阻層(105)，感知膜片(102)是用來感受外界壓力的時(shí)應(yīng)變層，其厚度由壓力傳感器的量程和靈敏度等性能指標(biāo)確定。支撐環(huán)(101)和感知膜片(102)材料相同，可以為不銹鋼或其他金屬材料。
[0020]介質(zhì)層(103)用作電阻層(105)和彈性體的絕緣層，其材料可以為氧化鋁，且連通。電阻層(105)由四個(gè)電阻組成，通過布置在感知膜片(102)上不同位置，構(gòu)成壓力傳感器的惠斯通電橋，其材料是以氧化釕或釕酸鹽為基的玻璃釉。