СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования.

Известен способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе НиМЭМС, предназначенного для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования, заключающийся в полировании поверхности мембраны, нанесении на нее диэлектрика, формировании на нем тензочувствительной схемы, присоединении контактной колодки к упругому элементу и присоединении контактов колодки к контактным площадкам тензочувствительной схемы, в котором перед нанесением диэлектрика изготавливают диэлектрическую втулку непосредственно в выемке упругого элемента, полируют поверхность мембраны одновременно с полировкой торца втулки, после чего наносят диэлектрик на мембрану упругого элемента и торец втулки и формируют тензосхему на диэлектрике мембраны и втулки [1].

Недостатком известного способа изготовления является сравнительно большая временная нестабильность вследствие различной формы окружных и радиальных тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи. Это связано с тем, что различная форма тензорезисторов приводит к разному временному изменению сопротивления этих тензорезисторов, в том числе вследствие различной скорости деградационных и релаксационных процессов в окружных и радиальных тензорезисторах.

Известен способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной НиМЭМС, предназначенного для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования, заключающийся в полировании поверхности мембраны, формировании на ней диэлектрической пленки и тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними с использованием шаблона тензочувствительного слоя, имеющего конфигурацию тензоэлементов в зонах, совмещаемых с низкоомными перемычками и контактными площадками, в виде полос, включающих изображения тензоэлементов и их продолжения в два противоположных направления, а в зонах, совмещаемых с контактными площадками - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков, присоединении выводных проводников к контактным площадкам в областях, удаленных от полос участков [2].

Недостатком известного способа изготовления является сравнительно низкая временная стабильность вследствие отсутствия выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС. Отсутствие такого выявления при эксплуатации приводит к разному временному изменению сопротивления тензорезисторов НиМЭМС, в том числе вследствие различной скорости деградационных и релаксационных процессов в тензорезисторах, включенных в противолежащие плечи мостовой измерительной схемы. Недостаточная временная стабильность приводит к увеличению временной погрешности и уменьшению ресурса и срока службы датчика.

Целью предлагаемого изобретения является повышение временной стабильности, ресурса, срока службы за счет более точного выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС, обеспечивающего пропуск на дальнейшую сборку тензорезисторов и мостовых измерительных цепей из этих тензорезисторов с одинаковым (в пределах выбранных критериев) временным изменением сопротивления, в том числе вследствие одинаковой скорости деградационных и релаксационных процессов в тензорезисторах, включенных в противолежащие плечи мостовой измерительной цепи, и проводящих элементах, соединяющих тензорезисторы в мостовую измерительную цепь.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной НиМЭМС, заключающемся в полировании поверхности мембраны, формировании на ней диэлектрической пленки и тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними с использованием шаблона тензочувствительного слоя, имеющего конфигурацию тензоэлементов в зонах, совмещаемых с низкоомными перемычками и контактными площадками, в виде полос, включающих изображения тензоэлементов и их продолжения в два противоположных направления, а в зонах, совмещаемых с контактными площадками - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков, присоединении выводных проводников к контактным площадкам в областях, удаленных от полос участков в соответствии с заявляемым изобретением, после присоединения выводных проводников к контактным площадкам тензоэлементов НиМЭМС последовательно подвергают воздействию тестовых значений нижнего Р₀ и верхнего предела P_H измеряемого давления при полном восприятии нормальной T₀₀, пониженной Т₁ и повышенной Т₂ температур, значения которых соответственно равны температуре нормальных климатических условий, максимально допустимой пониженной температуре и максимально допустимой повышенной температуре при эксплуатации датчика, измеряют выходные сигналы U₀₀, U_H00, U_0T1, U_HT1, U_0T2, U_HT2 НиМЭМС при одновременно воздействующих давлениях и температурах P₀ и T₀₀, P_H и T₀₀, P₀ и Т₁, P_H и Т₁, Р₀ и Т₂, P_H и Т₂ и вычисляют по ним критерий временной стабильности по соотношению Ψ_τ05=[(U_HT1-U_0T1)-(U_HT2-U_0T2)](T₁-T₂)^-1 (U_H00-U₀₀)^-1, и, если |Ψ_τ05|<|Ψ_ταΔ5|, где Ψ_ταΔ5 - предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. Изготавливают (например, из сплава 36НКВХБТЮ) мембрану с периферийным основанием в виде оболочки вращения методами лезвийной обработки с применением на последних стадиях электроэрозионной обработки. Полируют поверхность мембраны с использованием электрохимикомеханической доводки и полировки или алмазной доводки и полировки. Методами тонкопленочной технологии на планарной поверхности мембраны последовательно наносят сплошными слоями диэлектрическую пленку в виде структуры SiO-SiO₂ с подслоем хрома, тензочувствительную пленку (к примеру, из сплава Х20Н75Ю). При формировании перемычек и контактных площадок методом фотолитографии низкоомную пленку (например, из золота Зл 999,9 м), с подслоем (ванадия) наносят сплошным слоем на тензочувствительную пленку (из сплава Х20Н75Ю). Формируют перемычки и контактные площадки методом фотолитографии с использованием шаблона перемычек и контактных площадок. Формирование перемычек и контактных площадок можно проводить масочным методом. В этом случае, низкоомная пленка сплошным слоем не наносится, а напыляется через маску. Формирование тензоэлементов проводят методом фотолитографии с использованием ионно-химического травления в среде аргона и шаблона тензочувствительного слоя, имеющего конфигурацию тензоэлементов в зонах, совмещаемых с низкоомными перемычками и контактными площадками, в виде полос, включающих изображения тензоэлементов и их продолжения в два противоположных направления, а в зонах, совмещаемых с контактными площадками - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков. После присоединения выводных проводников к контактным площадкам НиМЭМС помещают в специальное технологическое приспособление, обеспечивающее подачу измеряемого давления на мембрану и защиту внутренней полости от воздействия окружающей среды, а также электрическое контактирование с использованием микросварки выводных проводников с измерительной цепью. НиМЭМС последовательно подвергают воздействию тестовых значений нижнего P₀ и верхнего предела P_H измеряемого давления при полном восприятии нормальной T₀₀, пониженной Т₁ и повышенной Т₂ температур, значения которых соответственно равны температуре нормальных климатических условий, максимально допустимой пониженной температуре и максимально допустимой повышенной температуре при эксплуатации датчика. Измеряют выходные сигналы U₀₀, U_H00, U_0T1, U_HT1, U_0T2, UHT₂ НиМЭМС при одновременно воздействующих давлениях и температурах Р₀ и T₀₀, P_H и T₀₀, P₀ и T₁, P_H и Т₁, P₀ и Т₂, P_H и Т₂. Вычисляют критерий временной стабильности по соотношению Ψ_τ05=[(U_HT1-U_0T1)-(U_HT2-U_0T2)](T₁-T₂)^-1 (U_H00-U₀₀)^-1. Если |Ψ_τ05|<|Ψ_ταΔ5|, где Ψ_ταΔ5 - предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции. Если Ψ_τα>Ψ_ταΔ1, то данную сборку списывают в технологический отход или реставрируют.

Для установления причинно-следственной связи заявляемых признаков и достигаемого технического эффекта рассмотрим наиболее общие элементы тонкопленочных тензорезисторов, используемые при создании НиМЭМС. Анализ известных решений показал, что к таким элементам можно отнести следующие тонкопленочные элементы, изображенные на фиг.1: диэлектрический 7, тензорезистивный 2, адгезионный 3, контактный 4, а также соответствующие переходы между этими элементами.

Назначение вышеперечисленных элементов ясно из их названия. К элементам тонкопленочных тензорезисторов, влияющих на стабильность, необходимо отнести также и тонкопленочные проводящие элементы. На фиг.1 соотношения между толщинами тонкопленочных элементов и клины травления условно не изображены. Проводящие элементы тензорезисторов соединены последовательно с контактными элементами и используются для соединения тензорезисторов в мостовую измерительную цепь и с цепью питания и преобразования сигнала. С точки зрения повышения стабильности будем рассматривать только проводящие элементы, находящиеся в областях от контактных элементов до узлов мостовой измерительной цепи. Как правило, эти узлы совпадают с местами присоединения выводных проводников, соединяющих мостовую цепь с цепью питания и преобразования сигнала. При выполнении НиМЭМС с мостовой измерительной цепью из четырех рабочих тензорезисторов, как это изображено на фиг.2, при отсутствии элементов термокомпенсации выходной сигнал НиМЭМС в стационарном температурном режиме будет равен

где Е - напряжение питания мостовой измерительной цепи; R₁, R₂, R₃, R₄ - сопротивление тензорезисторов R₁, R₂, R₃, R₄.

Проведя необходимые преобразования, получим

Определим условие временной стабильности НиМЭМС в виде

где U(τ+Δτ) - начальный выходной сигнал в момент времени (τ+Δτ); U(τ) - начальный выходной сигнал в момент времени τ.

После подстановки в выражение (3) выражения (2) и обеспечения необходимой стабильности источника питания E(τ+Δτ)=E(τ), получим условие стабильности НиМЭМС в развернутом виде

Анализ полученного условия показывает, что его с точки зрения математики можно обеспечить при бесчисленном множестве сочетаний сопротивлений тензорезисторов и их функциональных зависимостей от времени. В то же время, любые сочетания в случае неравенства сопротивлений различных тензорезисторов мостовой измерительной цепи НиМЭМС потребуют для выполнения условий стабильности различных, взаимосвязанных и точных функциональных зависимостей сопротивлений тензорезисторов от времени.

В результате анализа взаимосвязи тонкопленочных элементов тензорезистора (фиг.1) можно определить сопротивление j-го тонкопленочного тензорезистора в момент времени τ и (τ+Δτ) соответственно

где R_Pj, R_Aj, R_Kj, R_Пj - соответственно сопротивление тензорезистивного, адгезионного, контактного, проводящего элемента j-го тензорезистора;

R_РАj, R_АКj, R_КПj - соответственно сопротивление переходов элементов тензорезистивный - адгезионный, адгезионный - контактный, контактный - проводящий j-го тензорезистора.

В самом общем случае сопротивление каждого элемента тонкопленочного тензорезистора полностью определяется удельным поверхностным сопротивлением, эффективной длиной и эффективной шириной элемента или перехода. Причем экспериментальные исследования долговременного влияния внешних воздействующих факторов на датчики давления на основе тонкопленочных НиМЭМС показали, что в наибольшей степени на параметры, определяющие сопротивление тензорезисторов, влияют деформации, температуры и время. Поэтому можно в соответствии с выражениями (5), (6) представить сопротивления тонкопленочных тензорезисторов в виде следующих выражений:

где ρ_Pj, ρ_PAJ, ρ_AJ, ρ_AKJ, ρ_KJ, ρ_ПJ, ρ_КПJ - эффективное удельное поверхностное сопротивление соответствующих элементов и переходов;

l_PJ, l_PAJ l_AJ, l_AKJ, l_KJ, l_КПJ, l_ПJ - эффективная длина соответствующих элементов и переходов;

b_PJ, b_PAJ, b_AJ, b_AKJ, b_KJ, b_КПJ, b_ПJ - эффективная ширина соответствующих элементов и переходов j-го тензорезистора;

ε_РJ, ε_PAJ, ε_AJ, ε_AKJ, ε_KJ, ε_КПJ, ε_ПJ - относительная деформация, воздействующая на соответствующие элементы и переходы;

T_PJ, T_PAJ, T_AJ, T_AKJ, T_KJ, T_КПJ, T_ПJ - температура, воздействующая на соответствующие элементы и переходы; индексы PJ, AJ, KJ, ПJ означают принадлежность соответствующих характеристик или факторов адгезионному, контактному, проводящему элементам j-тензорезистора;

индексы PAJ, AKJ, КПJ означают принадлежность соответствующих характеристик или факторов переходам резистивный - адгезионный, адгезионный - контактный, контактный - проводящий j-тензорезистора;

j=1, 2, 3, 4 - номер тензорезистора в мостовой схеме; τ - начало отсчета времени; Δτ - тестовый интервал времени.

Для обеспечения независимости сопротивлений тензорезисторов от времени необходимо, чтобы разность выражений (7) и (8) была равна нулю, то есть

Полученные расширенные частные условия стабильности могут выполняться при бесчисленном множестве сочетаний сопротивлений элементов тензорезисторов и их функциональных зависимостей от деформаций, температуры и времени. Любые сочетания в случае неравенства сопротивлений элементов тензорезисторов мостовой схемы НиМЭМС и неидентичности их функциональных зависимостей от воздействующих факторов потребуют для выполнения расширенных частных условий стабильности различных, взаимосвязанных и точных функциональных зависимостей сопротивлений тензорезисторов. Учитывая, что такие функциональные зависимости очень трудно реализуемы, можно записать частные условия стабильности НиМЭМС в виде

Анализ выражения (10) показывает, что в результате нового подхода, который можно назвать структурно-факторным подходом, можно сформулировать структурно-факторные условия стабильности тонкопленочных НиМЭМС в виде необходимости обеспечения идентичности структур тонкопленочных тензорезисторов, размеров и характеристик их элементов и переходов, а также идентичности деформаций и температур, воздействующих на эти элементы и переходы при изготовлении и эксплуатации.

Сравнение выражения (10) и структурно-факторных условий стабильности с предлагаемым критерием временной стабильности Ψ_τ05=[(U_HT1-U_0T1)-(U_HT2-U_0T2)] (T₁-T₂)^-1 (U_H00-U₀₀)^-1 показывает, что предлагаемый критерий обеспечивает выполнение соотношений выражения (10) и структурно-факторных условий стабильности. Учитывая равенство изменений температур тензорезисторов при тестовых испытаниях вследствие полного восприятия ими тестовых температур, изменение выходного сигнала мостовой измерительной цепи в зависимости от деформаций и температур будет равно нулю при идентичности структур тонкопленочных тензорезисторов, размеров и характеристик их элементов и переходов, включенных в противолежащие плечи мостовой цепи НиМЭМС, т.е. при выполнении условий стабильности. Кроме того, так как предлагаемый критерий временной стабильности НиМЭМС учитывает влияние температуры и деформаций от измеряемого давления и температуры, то он является интегральным критерием стабильности НиМЭМС, характеризующим температурный и деформационный аспекты структурно-факторных условий стабильности.

Преимуществом предлагаемого решения является повышение точности прогнозирования временной стабильности НиМЭМС вследствие учета влияния на временную стабильность упругого элемента и всех элементов мостовой измерительной цепи НиМЭМС, используемых для соединения тензорезисторов в мостовую измерительную цепь и с цепью питания и преобразования выходного сигнала.

Внедрение заявляемого способа в производство тензорезисторных датчиков давления на основе тонкопленочных НиМЭМС обеспечивает повышение временной стабильности при воздействии влияющих факторов при сравнительно небольших затратах, что позволяет соответственно увеличить ресурс и срок службы датчиков. Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение временной стабильности, ресурса, срока службы за счет более точного выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС, обеспечивающего пропуск на дальнейшую сборку НиМЭМС с одинаковым (в пределах выбранных критериев) временным изменением сопротивления тензорезисторов, в том числе вследствие одинаковой скорости деградационных и релаксационных процессов в тензорезисторах, включенных в противолежащие плечи мостовой измерительной цепи, и проводящих элементах, соединяющих тензорезисторы в мостовую измерительную цепь. Кроме того, предлагаемый способ вследствие обеспечения пропуска на дальнейшую сборку НиМЭМС с близким изменением сопротивлением при воздействии температур позволяет изготавливать датчики давления с меньшей погрешностью в условиях воздействия нестационарных температур, вызванных, в том числе повышенными виброускорениями.

Источники известности

1 RU патент №2095772, C1, G01L 9/04. Опубл.: 10.11.1997 г. БИ №6.

2 RU патент №2423678, C1, G01L 9/00. Опубл.: 10.07.2011 г. БИ №19.