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CN113088873A - 一种乙醇蒸汽与间隙敏感元件及其研制方法 - Google Patents

一种乙醇蒸汽与间隙敏感元件及其研制方法 Download PDF

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CN113088873A CN202110284963.9A CN202110284963A CN113088873A CN 113088873 A CN113088873 A CN 113088873A CN 202110284963 A CN202110284963 A CN 202110284963A CN 113088873 A CN113088873 A CN 113088873A
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Abstract

本发明涉及一种乙醇蒸汽与间隙敏感元件，该敏感元件包括陶瓷衬底，线圈，绝缘层和电极；乙醇蒸汽与间隙敏感元件为线圈式；陶瓷衬底长度为50mm，宽度为38.5mm，厚度为1mm；线圈线宽和线距均为0.5mm，圈数为10圈；绝缘层结构为长方形，所述绝缘层材料为氧化铝，所述绝缘层长度为27.5mm，绝缘层宽度为3mm；电极结构为非叉指型，所述电极材料为二氧化锡，所述电极半径为2mm，长度为31.43mm，宽度为1mm；该敏感元件对乙醇蒸汽敏感且对非接触式间隙的变化敏感。本发明研制的乙醇蒸汽与间隙敏感元件尺寸小、厚度薄、结构简约、成本低，用单个敏感元件就可实现气体和非接触式间隙测量，适用于工业设备狭小层间气体和间隙测量，其关键技术还可用于多功能电子皮肤研制等领域。

Description

一种乙醇蒸汽与间隙敏感元件及其研制方法
技术领域
本发明属于传感器测量技术领域，特别涉及到气体间隙传感器。
背景技术
现代大型工业设备的关键部件存在着很多狭小层间结构，为确保系统安全，需要测量狭小曲面层间间隙和乙醇蒸汽。基于现有技术已经能够研制出薄型间隙敏感元件和薄型气体敏感元件，但是受到现场空间结构尺寸的限制，很难安装多个敏感元件，故而需要尽可能地减少放置于狭小层间结构中的敏感元件数量。然而，现有技术研制的敏感元件不具备同时测量气体与非接触式间隙的功能。因此，如何使单个敏感元件具有测量非接触式间隙和乙醇蒸汽的能力是亟需解决的难题。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足之处，提出一种乙醇蒸汽与间隙敏感同时测量的敏感元件方案及其制备方法。通过设计一种乙醇蒸汽与间隙敏感元件，该元件包括：陶瓷衬底，线圈，绝缘层，电极；
所述乙醇蒸汽与间隙敏感元件为线圈式；
所述陶瓷衬底的长度为50mm，宽度为38.5mm，厚度为1mm；
所述线圈的线宽和线距均为0.5mm，圈数为10圈；
所述绝缘层结构为长方形，所述绝缘层材料为氧化铝，所述绝缘层的长度为27.5mm，绝缘层宽度为3mm；
所述电极结构为非叉指型，所述电极材料为二氧化锡，所述电极的半径为2mm，长度为31.43mm，宽度为1mm；该敏感元件对乙醇蒸汽敏感且对非接触式间隙的变化敏感。
同时，本发明还提供了一种研制一种乙醇蒸汽与间隙敏感元件的制备方法，该方法包括以下步骤：
(f)陶瓷衬底清洗，通过丙酮，无水乙醇，去离子水分别超声清洗；
(g)溅射电极，通过磁控溅射镀膜机射频溅射制备电极；
(h)溅射绝缘层，通过磁控溅射镀膜机直流溅射制备绝缘层；
(i)溅射线圈，通过磁控溅射镀膜机射频溅射制备线圈；
(j)退火处理，在300℃大气环境中退火10小时；
所述陶瓷衬底清洗具体为：采用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声清洗陶瓷衬底各15分钟；使用氮气吹干放置在通风橱内备用；
所述溅射电极具体为：采用磁控溅射镀膜机，将二氧化锡靶材安装于磁控靶上，所述二氧化锡靶材的纯度为99.99％，将电极掩膜板覆盖在所述陶瓷衬底上，并放置于溅射台面上，依次开启机械泵和分子泵抽真空至真空腔体的真空度小于等于8×10-4Pa，开始溅射；同时以流速40sccm通入氩气，所述氩气纯度为99.999％，所述射频溅射工作压强为0.5Pa，溅射功率为150W，溅射时间为60分钟；
所述溅射绝缘层具体为：采用磁控溅射镀膜机，将铝靶材安装于磁控靶上，所述铝靶材纯度为99.99％，依次开启机械泵和分子泵开始抽真空至腔体的真空度小于等于8×10-4Pa，开始溅射，同时通入氩气和氧气，所述氩气流速为50sccm，所述氧气流速为1.2sccm，所述氩气和氧气的纯度均为99.999％，所述直流溅射工作压强为1Pa，溅射功率为150W，溅射时间为120分钟；
所述溅射线圈具体为：采用磁控溅射镀膜机，将二氧化锡靶材安装于磁控靶上，所述二氧化锡靶材的纯度为99.99％，将线圈掩膜板覆盖在所述陶瓷衬底上，并放置于溅射台面上，依次开启机械泵和分子泵抽真空至真空腔体的真空度小于等于8×10-4Pa，开始溅射；同时以流速40sccm通入氩气，所述氩气纯度为99.999％，所述射频溅射工作压强为0.5Pa，溅射功率为150W，溅射时间为60分钟；
所述退火处理具体为：在退火炉中300℃大气环境中退火10小时得到乙醇蒸汽与间隙敏感元件。
上述乙醇蒸汽与间隙敏感元件的有益效果在于：
(1)通过获取该元件的阻抗来实现非接触式间隙测量；通过获取该元件的电阻来实现气体测量；仅用一套传感器系统就可完成气体与非接触式间隙测量。
(2)该元件尺寸小、厚度薄，适合于安装在空间狭小的层间结构中完成测量任务。
(3)该元件结构简约、成本低，可应用于多功能电子皮肤的研制等领域。
上述乙醇蒸汽与间隙敏感元件的制备方法的有益效果在于：通过磁控溅射技术完成制备，工艺精度高，可重复性好，易于商用和工业化。
附图说明
图1为陶瓷衬底、电极掩膜板、绝缘层掩膜板和线圈掩膜板的尺寸图。
图2磁控溅射电极的示意图
图3为电极和陶瓷衬底的俯视图和剖面图。
图4为溅射绝缘层的示意图。
图5为绝缘层、电极、陶瓷衬底的俯视图和剖面图。
图6为溅射线圈的示意图。
图7为乙醇蒸汽与间隙敏感元件的俯视图和剖面图。
图1-图7中，a代表陶瓷衬底；b代表电极掩膜板；c代表绝缘层掩膜板；d代表线圈掩膜板；e代表二氧化锡靶材；f代表真空腔体；g代表电极；h代表铝靶材；i代表绝缘层；j代表线圈。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述，并给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以下结合实施例说明本发明提出的兼具气体与非接触式间隙测量功能的乙醇蒸汽与间隙敏感元件的研制方法：
陶瓷衬底(a)长度为50mm，宽度为38.5mm，厚度为1mm；电极掩膜板(b)长度为50mm，宽度为38.5mm，厚度为0.01mm，电极半径2mm，电极长度为31.43mm，电极宽度为1mm；绝缘层掩膜板(c)长度为50mm，宽度为38.5mm，厚度为0.01mm，绝缘层长度为27.5mm，绝缘层宽度为3mm；线圈掩膜板(d)长度为50mm，宽度为38.5mm，厚度为0.01mm，线圈的线宽和线距均为0.5mm，圈数为10圈；掩膜板(b、c、d)均为304不锈钢以光化学刻蚀工艺制成。
采用丙酮(分析纯)、无水乙醇(分析纯)、去离子水分别超声清洗陶瓷衬底(a)、电极掩膜板(b)、绝缘层掩膜板(c)和线圈掩膜板(d)各15分钟；然后使用氮气吹干放置在通风橱内备用。利用丙酮去除陶瓷衬底(a)和掩膜板(b、c、d)表面的有机物，利用无水乙醇去除陶瓷衬底(a)和掩膜板(b、c、d)表面残留的丙酮，利用去离子水去除陶瓷衬底(a)和掩膜板(b、c、d)表面残留的无水乙醇。
采用磁控溅射镀膜机，将二氧化锡靶材(e)安装于磁控靶上，二氧化锡靶材(e)的纯度为99.99％，将电极掩膜板(b)覆盖在陶瓷衬底(a)上，然后将它们放置于溅射台面上，开始抽真空。通过操作工控机，盖上真空腔体盖，依次开启机械泵和分子泵开始抽真空，当真空腔体(f)的真空度小于等于8×10-4Pa，开始溅射，如图2所示。通过操作工控机，通入氩气，氩气纯度为99.999％，氩气流速为40sccm，使用射频溅射模式，工作压强在0.5Pa，溅射功率为150W，溅射时间为30分钟至300分钟。
磁控溅射后，通过操作工控机，停止通入氩气，打开充气阀，待真空腔体(f)压强与大气压相同时取出电极掩膜板(b)和陶瓷衬底(a)。此时在陶瓷衬底(a)上形成一个电极(g)。
采用磁控溅射镀膜机，将铝靶材(h)安装于磁控靶上，铝靶材(h)的纯度为99.99％，将绝缘层掩膜板(c)覆盖在陶瓷衬底(a)上，然后将它们放置于溅射台面上，开始抽真空。通过操作工控机，盖上真空腔体盖，依次开启机械泵和分子泵开始抽真空，当真空腔体(f)的真空度小于等于8×10-4Pa，开始溅射，如图4所示。通过操作工控机，通入氩气和氧气，氩气和氧气纯度均为99.999％，氩气流速为50sccm，氧气流速为1.2sccm，使用直流溅射模式，工作压强在1Pa，溅射功率为150W，溅射时间为60分钟至600分钟。
磁控溅射后，通过操作工控机，停止通入氩气和氧气，打开充气阀，待真空腔体(f)压强与大气压相同时取出绝缘层掩膜板(c)和陶瓷衬底(a)。此时陶瓷衬底(a)上的形成绝缘层(i)。
采用磁控溅射镀膜机，将二氧化锡靶材(e)安装于磁控靶上，二氧化锡靶材(e)的纯度为99.99％，将线圈掩膜板(d)覆盖在陶瓷衬底(a)上，然后将它们放置于溅射台面上，开始抽真空。通过操作工控机，盖上真空腔体盖，依次开启机械泵和分子泵开始抽真空，当真空腔体(f)的真空度小于等于8×10-4Pa，开始溅射，如图6所示。通过操作工控机，通入氩气，氩气纯度为99.999％，氩气流速为40sccm，使用射频溅射模式，工作压强在0.5Pa，溅射功率为150W，溅射时间为30分钟至300分钟。
磁控溅射后，通过操作工控机，停止通入氩气，打开充气阀，待真空腔体(f)压强与大气压相同时取出线圈掩膜板(d)和陶瓷衬底(a)。此时陶瓷衬底(a)上形成线圈(j)。
在退火炉中300℃下大气环境中退火10小时，增强半导体材料的致密性和稳定性，得到兼具气体与非接触式间隙测量功能的乙醇蒸汽与间隙敏感元件。
实施例
陶瓷衬底长度为50mm，宽度为38.5mm，厚度为1mm；电极掩膜板长度为50mm，宽度为38.5mm，厚度为0.01mm，电极半径为2mm，电极长度为31.43mm，电极宽度为1mm；绝缘层掩膜板长度为50mm，宽度为38.5mm，厚度为0.01mm，绝缘层长度为27.5mm，绝缘层宽度为3mm；线圈掩膜板长度为50mm，宽度为38.5mm，厚度为0.01mm，线圈的线宽和线距均为0.5mm，圈数为10圈；掩膜板均为304不锈钢以光化学刻蚀工艺制成。
采用丙酮(分析纯)、无水乙醇(分析纯)、去离子水分别超声清洗陶瓷衬底、电极掩膜板、绝缘层掩膜板和线圈掩膜板各15分钟；然后使用氮气吹干放置在通风橱内备用。利用丙酮去除陶瓷衬底和掩膜板表面的有机物，利用无水乙醇去除陶瓷衬底和掩膜板表面残留的丙酮，利用去离子水去除陶瓷衬底和掩膜板表面残留的无水乙醇。
采用磁控溅射镀膜机，将二氧化锡靶材安装于磁控靶上，二氧化锡靶材的纯度为99.99％，将电极掩膜板覆盖在陶瓷衬底上，然后将它们放置于溅射台面上，开始抽真空。通过操作工控机，盖上真空腔体盖，依次开启机械泵和分子泵开始抽真空，当真空腔体的真空度小于等于8×10-4Pa，开始溅射。通过操作工控机，通入氩气，氩气纯度为99.999％，氩气流速为40sccm，使用射频溅射模式，工作压强在0.5Pa，溅射功率为150W，溅射时间为60分钟。
磁控溅射后，通过操作工控机，停止通入氩气，打开充气阀，待真空腔体压强与大气压相同时取出电极掩膜板和陶瓷衬底。此时在陶瓷衬底上形成一个电极。
采用磁控溅射镀膜机，将铝靶材安装于磁控靶上，铝靶材的纯度为99.99％，将绝缘层掩膜板覆盖在陶瓷衬底上，然后将它们放置于溅射台面上，开始抽真空。通过操作工控机，盖上真空腔体盖，依次开启机械泵和分子泵开始抽真空，当真空腔体的真空度小于等于8×10-4Pa，开始溅射。通过操作工控机，通入氩气和氧气，氩气和氧气纯度均为99.999％，氩气流速为50sccm，氧气流速为1.2sccm，使用直流溅射模式，工作压强在1Pa，溅射功率为150W，溅射时间为120分钟。
磁控溅射后，通过操作工控机，停止通入氩气和氧气，打开充气阀，待真空腔体压强与大气压相同时取出绝缘层掩膜板和陶瓷衬底。此时陶瓷衬底上的形成绝缘层。
采用磁控溅射镀膜机，将二氧化锡靶材安装于磁控靶上，二氧化锡靶材的纯度为99.99％，将线圈掩膜板覆盖在陶瓷衬底上，然后将它们放置于溅射台面上，开始抽真空。通过操作工控机，盖上真空腔体盖，依次开启机械泵和分子泵开始抽真空，当真空腔体的真空度小于等于8×10-4Pa，开始溅射。通过操作工控机，通入氩气，氩气纯度为99.999％，氩气流速为40sccm，使用射频溅射模式，工作压强在0.5Pa，溅射功率为150W，溅射时间为60分钟。
磁控溅射后，通过操作工控机，停止通入氩气，打开充气阀，待真空腔体压强与大气压相同时取出线圈掩膜板和陶瓷衬底。此时陶瓷衬底上形成线圈。
在退火炉中300℃下大气环境中退火10小时，增强半导体材料的致密性和稳定性，得到兼具气体与非接触式间隙测量功能的乙醇蒸汽与间隙敏感元件。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种乙醇蒸汽与间隙敏感元件，该元件包括：
陶瓷衬底，线圈，绝缘层，电极；
所述乙醇蒸汽与间隙敏感元件为线圈式；
所述陶瓷衬底的长度为50mm，宽度为38.5mm，厚度为1mm；
所述线圈的线宽和线距均为0.5mm，圈数为10圈；
所述绝缘层结构为长方形，所述绝缘层材料为氧化铝，所述绝缘层的长度为27.5mm，绝缘层宽度为3mm；
所述电极结构为非叉指型，所述电极材料为二氧化锡，所述电极的半径为2mm，长度为31.43mm，宽度为1mm；
其特征在于，该敏感元件对乙醇蒸汽敏感且对非接触式间隙的变化敏感。
2.一种研制如权利要求1所述乙醇蒸汽与间隙敏感元件的方法，包括：
(a)陶瓷衬底清洗，通过丙酮，无水乙醇，去离子水分别超声清洗；
(b)溅射电极，通过磁控溅射镀膜机射频溅射制备电极；
(c)溅射绝缘层，通过磁控溅射镀膜机直流溅射制备绝缘层；
(d)溅射线圈，通过磁控溅射镀膜机射频溅射制备线圈；
(e)退火处理，在300℃大气环境中退火10小时；
所述陶瓷衬底清洗具体为：采用丙酮、无水乙醇、去离子水分别超声清洗陶瓷衬底各15分钟；使用氮气吹干放置在通风橱内备用；
所述溅射电极具体为：采用磁控溅射镀膜机，将二氧化锡靶材安装于磁控靶上，所述二氧化锡靶材的纯度为99.99％，将电极掩膜板覆盖在所述陶瓷衬底上，并放置于溅射台面上，依次开启机械泵和分子泵抽真空至真空腔体的真空度小于等于8×10-4Pa，开始溅射；同时以流速40sccm通入氩气，所述氩气纯度为99.999％，所述射频溅射工作压强为0.5Pa，溅射功率为150W，溅射时间为60分钟；
所述溅射绝缘层具体为：采用磁控溅射镀膜机，将铝靶材安装于磁控靶上，所述铝靶材纯度为99.99％，依次开启机械泵和分子泵开始抽真空至腔体的真空度小于等于8×10-4Pa，开始溅射，同时通入氩气和氧气，所述氩气流速为50sccm，所述氧气流速为1.2sccm，所述氩气和氧气的纯度均为99.999％，所述直流溅射工作压强为1Pa，溅射功率为150W，溅射时间为120分钟；
所述溅射线圈具体为：采用磁控溅射镀膜机，将二氧化锡靶材安装于磁控靶上，所述二氧化锡靶材的纯度为99.99％，将线圈掩膜板覆盖在所述陶瓷衬底上，并放置于溅射台面上，依次开启机械泵和分子泵抽真空至真空腔体的真空度小于等于8×10-4Pa，开始溅射；同时以流速40sccm通入氩气，所述氩气纯度为99.999％，所述射频溅射工作压强为0.5Pa，溅射功率为150W，溅射时间为60分钟；
所述退火处理具体为：在退火炉中300℃大气环境中退火10小时得到乙醇蒸汽与间隙敏感元件。
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