從二十世紀(jì)五十年代到八十年代，真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)發(fā)展了近三十年，該項(xiàng)技術(shù)用于薄膜壓力傳感器的制造一直受到薄膜質(zhì)量的限制而得不到發(fā)展。1980年初，由瑞典和瑞士的材料公司NAF機(jī)構(gòu)承擔(dān)了用新型壓力傳感器取代老式機(jī)械壓力傳感器的發(fā)展計(jì)劃。他們開(kāi)始采用真空蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，得出結(jié)論是：高電阻薄膜用真空蒸發(fā)鍍Ni-Cr膜是不行的。理由是傳感器的薄膜電阻要達(dá)到5KΩ的同時(shí)要求膜很薄，而很薄的膜的不連續(xù)性導(dǎo)致傳感器的穩(wěn)定性、重復(fù)性都很差。

1980年代至1990年代期間，薄膜壓力傳感器的技術(shù)性能隨著磁控濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展，而不斷提高，但是由于工藝技術(shù)的復(fù)雜性，這種技術(shù)制造薄膜壓力傳感器僅少數(shù)公司掌握而且成品率不高約30%。同期，國(guó)內(nèi)有少數(shù)單位采用磁控濺射鍍膜技術(shù)制造薄膜壓力傳感器，由于技術(shù)原因目前已基本停滯。

物理氣相淀積方法（簡(jiǎn)稱(chēng)PVD方法）包括真空蒸發(fā)、磁控濺射、離子束濺射等，這些都是薄膜淀積技術(shù)，其薄膜質(zhì)量差異很大，原因是薄膜形成強(qiáng)烈依賴(lài)于各種工藝條件。在PVD法中，薄膜形成過(guò)程是：初始碰撞到基片上的材料的氣相粒子，被單個(gè)的吸附在基片的表面上，形成吸附相，它們互相結(jié)合形成原子團(tuán)，繼續(xù)長(zhǎng)大后，凝結(jié)成晶核，晶核繼續(xù)長(zhǎng)大聚合成小島，繼續(xù)長(zhǎng)大時(shí)，許多小島之間形成網(wǎng)狀的溝道連接，形成了不連續(xù)的薄膜。當(dāng)薄膜平均厚度達(dá)到一定值時(shí)，不連續(xù)的薄膜形成了性能穩(wěn)定的連續(xù)薄膜。目前薄膜壓力傳感器都是應(yīng)用的連續(xù)的薄膜。因?yàn)樗鼈兘?jīng)熱處理后逐漸趨向穩(wěn)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(zhì)污染等是決定薄膜質(zhì)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(cuò)。它是由膜中應(yīng)力產(chǎn)生而形成；也由于晶核形成小島的聚合、準(zhǔn)邊界構(gòu)成，膜與襯底熱膨脹系數(shù)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(zhì)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(xiàn)的缺陷輕重程度不同而已。

真空蒸發(fā)氣相過(guò)程發(fā)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(cuò)，雜質(zhì)污染等，它們導(dǎo)致膜表面粗糙和膨松，附著力差。因此，用于介質(zhì)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(xù)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(nèi)應(yīng)力，熱應(yīng)力大，導(dǎo)致零點(diǎn)飄移大。應(yīng)變電阻的合金成分變化大，橋路電阻不穩(wěn)定，又不重復(fù)，應(yīng)變系數(shù)也較難控制等。

直流和高頻濺射淀積的薄膜，由于氣相過(guò)程相對(duì)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(zhì)膜的絕緣性能也大大提高，橋臂電阻的穩(wěn)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(qū)內(nèi)形成的。所以等離子區(qū)內(nèi)的惡劣環(huán)境，使膜的質(zhì)量進(jìn)一步提高受到限制。主要缺陷是來(lái)自等離子位區(qū)內(nèi)雜質(zhì)的污染，固體雜質(zhì)的污染改變了應(yīng)變電阻膜的性能。介質(zhì)膜降低了絕緣性能，特別是局部高壓強(qiáng)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(zhǎng)過(guò)程中逐步擴(kuò)散而逸出，形成很多的空隙。由于雜質(zhì)污染和空隙的產(chǎn)生，薄膜針孔的增多，導(dǎo)致絕緣性能降低。企圖增加薄膜厚度提高絕緣強(qiáng)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(dá)到連續(xù)膜特征的平均膜厚，上世紀(jì)80年代大約為250 nm ,90年代末期已經(jīng)達(dá)到100 nm 。所以橋臂電阻可以達(dá)到2KΩ左右，但是電阻薄膜存在的那些缺陷特別是雜質(zhì)的污染，它的熱穩(wěn)定性差，在高溫時(shí)，零點(diǎn)輸出的漂移大。一般只能控制在萬(wàn)分之幾。而現(xiàn)代的要求要達(dá)到十萬(wàn)分之幾，甚至百萬(wàn)分之幾。據(jù)報(bào)道，國(guó)外公司生產(chǎn)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(shù)的極限。

離子束濺射薄膜技術(shù)和磁控濺射薄膜技術(shù)大致同期發(fā)展，但是直到美國(guó)卡夫曼等人發(fā)明了產(chǎn)生低能離子束的離子源，才使離子束濺射技術(shù)得到實(shí)際應(yīng)用。利用這個(gè)低量能離子束轟擊固體表面，產(chǎn)生動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，使靶材表面原子逸出來(lái)，稱(chēng)為離子束濺射，通常離子束能量大約是1Kev-2Kev。成膜機(jī)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(qū)的高真空、低溫環(huán)境，所以薄膜雜質(zhì)和氣體吸附污染少，薄膜的質(zhì)量較高，主要特點(diǎn)是較致密，附著力好。所以介質(zhì)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(shí)達(dá)到500MΩ以上，甚至達(dá)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(yīng)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(xiàn)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(xiàn)在高溫時(shí)傳感器的熱穩(wěn)定性能差，即熱零點(diǎn)漂移較大，大約控制在±0.2%F·S范圍。要進(jìn)一步降低零點(diǎn)漂移，需要對(duì)應(yīng)變材料進(jìn)行改性。目前澤天傳感已做到熱零點(diǎn)漂移小至0.0002%FS/℃，這是目前世界上領(lǐng)先的。

從真空蒸發(fā)到磁控濺射、離子束濺射等薄膜技術(shù)的發(fā)展，近代的薄膜壓力傳感器已發(fā)展到相當(dāng)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(shù)都是幾個(gè)到幾十個(gè)原子層的逸出。淀積速率還是相對(duì)較快，而且淀積原子先氣化后凝結(jié)，這個(gè)過(guò)程是很復(fù)雜的。甚低能加速器的問(wèn)世，使得逐原子層的淀積機(jī)理成為現(xiàn)實(shí)。本文源自澤天傳感，轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留出處。