Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОСТАБИЛЬНОГО 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 микроэлектрических систем с мостовой измерительной цепью, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования.

Известен способ изготовления датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектрической системы (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 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 выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС, обеспечивающего пропуск на дальнейшую сборку тензорезисторов с одинаковым (в пределах выбранного критерия) временным изменением сопротивления, в том числе вследствие одинаковой скорости деградационных и релаксационных процессов в тензорезисторах, включенных в противолежащие плечи мостовой измерительной цепи.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления 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 до герметизации тензоэлементов с перемычками и контактными площадками подвергают их воздействию до полного восприятия ими тестовых пониженных и повышенных температур, значения которых по абсолютным величинам соответственно равны не менее максимально допустимой пониженной и повышенной температуре при эксплуатации датчика, измеряют сопротивления тензорезисторов при воздействующих температурах, определяют температурные коэффициенты сопротивлений тензорезисторов в диапазоне воздействующих температур, вычисляют по ним критерий временной стабильности по соотношению

где R₁, R₂, R₃, R₄ - сопротивление соответственно первого, второго, третьего, четвертого тензорезистора НиМЭМС в нормальных климатических условиях; α₁, α₂, α₃, α₄ - температурный коэффициент сопротивления соответственно первого, второго, третьего, четвертого тензорезистора НиМЭМС; R=0,25(R₁+R₂+R₃+R₄); α=0,25(α₁+α₂+α₃+α₄), и если Ψ_τα>Ψ_ταΔ, где Ψ_ταΔ - предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку списывают в технологический отход.

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 электрохимико-механической 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 3 л 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 до герметизации тензоэлементов с перемычками и контактными площадками помещают упругие элементы со сформированными на них тензорезисторами в специальное технологическое приспособление, обеспечивающее защиту от воздействия окружающей среды и электрическое контактирование с использованием микросварки выводных проводников с измерительной цепью, подвергают тензорезисторы воздействию до полного восприятия ими тестовых пониженных и повышенных температур, значения которых по абсолютным величинам соответственно равны не менее максимально допустимой пониженной и повышенной температуре при эксплуатации датчика. Например, при максимально допустимой пониженной температуре минус 150°С тензорезисторы подвергают воздействию температуры минус 150°С при наличии высокоточного оборудования для задания такой температуры. При отсутствии такого оборудования целесообразнее тензорезисторы подвергать воздействию температуры жидкого азота (минус 196°С). Измеряют сопротивления тензорезисторов при воздействующих температурах. При этом вследствие характерной особенности тонкопленочных тензорезисторов их сопротивления зависят не только от их температуры, но и от деформационного состояния. Определяют температурные коэффициенты сопротивлений тензорезисторов в диапазоне воздействующих температур по формуле

где α_j - температурный коэффициент сопротивления j-го тензорезистора НиМЭМС; R_j+ - сопротивление j-го тензорезистора при повышенной температуре; R_j- - сопротивление j-го тензорезистора при пониженной температуре.

Вычисляют по определенным температурным коэффициентам сопротивления тензорезисторов критерий временной стабильности Ψ_τα по соотношению (1) и, если Ψ_τα>Ψ_ταΔ, то данную сборку списывают в технологический отход. Если Ψ_τα<Ψ_ταΔ, то данную сборку извлекают из приспособления и после проведения необходимых операций герметизируют.

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 1, 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, находящихся 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 (5) выражения (4) 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_KПj - 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 (7), (8) представить сопротивления тонкопленочных тензорезисторов в виде следующих выражений:

где ρ_Рj, ρ_PAJ, ρ_AJ, ρ_AKJ, ρ_KJ, ρ_ПJ, ρ_KПJ - 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_KПJ, 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; Т_РJ, T_PAJ, Т_AJ, T_AKJ, Т_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 _РAJ, _AKJ, _KПJ 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 (9) и (10) была равна нулю, то есть

В связи с характерной особенностью тонкопленочного тензорезистора изменение его сопротивления при изменении температуры зависит не только от температуры, но и от деформационного состояния элементов и переходов тензорезистора. Тогда в соответствии с выражением (11) температурный коэффициент сопротивления может быть критерием временной стабильности тонкопленочного тензорезистора. Для определения критерия стабильности НиМЭМС обратимся к выражению (6), из которого, учитывая значительно меньшее влияние временного изменения сопротивлений тензорезисторов на сумму сопротивлений по сравнению с влиянием на их разность, получим упрощенное условие временной стабильности НиМЭМС

Учитывая, что в общем виде изменение сопротивления тензорезистора ΔR_j=α_JR_jΔT, где ΔT_J - изменение температуры j-го тензорезистора при тестовых испытаниях, а также равенство изменений температур тензорезисторов при тестовых испытаниях вследствие полного восприятия ими тестовых температур, выполнение условий (12) по равенству изменений сопротивлений тензорезисторов, включенных в противолежащие плечи мостовой цепи НиМЭМС, обеспечивается при R₂α₂R₄α₄-R₁α₁R₃α₃. Умножив полученное выражение на (R²α)^-1 для сохранения размерности °С^-1, получим заявляемое соотношение.

Внедрение заявляемого способа в производство тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления обеспечивает повышение временной стабильности при воздействии воздействующих факторов не менее чем в 1,7 раза 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 выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС, обеспечивающего пропуск на дальнейшую сборку тензорезисторов с одинаковым (в пределах выбранного критерия) временным изменением сопротивления, в том числе вследствие одинаковой скорости деградационных и релаксационных процессов в тензорезисторах, включенных в противолежащие плечи мостовой измерительной цепи.

Источники информации

1. Белозубов Е.М. Датчик давления и способ его изготовления. Патент RU №2095772. Бюл. №6. 10.11.97.

2. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Способ изготовления тонкопленочного тензорезисторного датчика давления. Патент РФ №2423678. Бюл. №19 от 10.07.11.