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 микроэлектрических систем 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 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 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 их подвергают воздействию 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 Ψ_τ01=|(α₂+α₄)-(α₁+α₃)|, где α₁, α₂, α₃, α₄ - температурный коэффициент сопротивления соответственно первого, второго, третьего, четвертого тензорезистора НиМЭМС, и, если |Ψ_τ01|<|Ψ_ταΔ1|, где Ψ_ταΔ1 - предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.

Кроме того, в соответствии с предлагаемым изобретением тензоэлементы, перемычки, контактные площадки и выводные проводники соединяют в мостовую измерительную цепь и подвергают ее воздействию тестовых пониженных и повышенных температур, измеряют значения начальных выходных сигналов мостовой измерительной цепи при воздействующих температурах, вычисляют по ним критерий временной стабильности по соотношению где U_0T1 - начальный выходной сигнал при пониженной температуре; U_0T2 - начальный выходной сигнал при повышенной температуре; T₁ - пониженная температура; T₂ - повышенная температура; U_H - номинальный выходной сигнал в нормальных климатических условиях и, если |Ψ_τ02|<|Ψ_ταΔ2|, где Ψ_ταΔ2 - 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 низкомную 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 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°C тензорезисторы подвергают воздействию температуры минус 150°C при наличии высокоточного оборудования для задания такой температуры. При отсутствии такого оборудования целесообразнее тензорезисторы подвергать воздействию температуры жидкого азота (минус 196°C). 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_jT2 - сопротивление j-го тензорезистора при повышенной температуре; R_jT1 - сопротивление j-го тензорезистора при пониженной температуре. Вычисляют по определенным температурным коэффициентам сопротивления тензорезисторов критерий временной стабильности Ψ_τα по соотношению Ψ_τ01=|(α₂+α₄)-(α₁+α₃)|, и, если |Ψ_τ01|<|Ψ_ταΔ1|, где Ψ_ταΔ1 - 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. Кроме того, в соответствии с предлагаемым изобретением после включения тензоэлементов с перемычками и контактными площадками в мостовую измерительную цепь подвергают их воздействию до полного восприятия ими тестовых пониженных и повышенных температур. Подают на мостовую измерительную цепь напряжение питания. Измеряют значения начальных выходных сигналов мостовой измерительной цепи при воздействующих температурах. Вычисляют по ним критерий временной стабильности по соотношению где U_0T1 - начальный выходной сигнал при пониженной температуре; U_0T2 - начальный выходной сигнал при повышенной температуре; T₁ - пониженная температура; T₂ - повышенная температура; U_H - номинальный выходной сигнал в нормальных климатических условиях. Если |Ψ_τ02|<|Ψ_ταΔ2|, где Ψ_ταΔ2 - 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_τ02|>|Ψ_ταΔ2|, 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 1, тензорезистивный 2, адгезионный 5, 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 E - 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_PAj, R_AKj, 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_KПJ, 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-ого тензорезистора; ε_PJ, ε_PAJ, ε_AJ, ε_АКJ, ε_КJ, ε_KПJ, ε_ПJ - относительная деформация, воздействующая на соответствующие элементы и переходы; T_PJ, T_PAJ, T_AJ, T_AKJ, T_KJ, Т_KПJ, 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, 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 (7) и (8) была равна нулю, то есть

Для определения критерия стабильности НиМЭМС обратимся к выражению (4), 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

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. Изменение выходного сигнала мостовой измерительной цепи в зависимости от относительных деформаций ε тензорезисторов равно U(ε)=Ek(k+1)^-1(-ε₁+ε₂-ε₃+ε₄), где . Изменение выходного сигнала мостовой измерительной цепи в зависимости от температуры равно U(T)=Ek(k+1)^-1(-α₁+α₂-α₃+α₄)ΔT, где ΔT - изменение температуры тензорезисторов при тестовых испытаниях. Анализ выражений для U(ε) и U(T) показывает, что, несмотря на различие механизмов изменения сопротивлений тензорезисторов при воздействии температур и деформаций, аналитические выражения для этих воздействий аналогичны. Изменение выходного сигнала мостовой измерительной цепи в зависимости от температуры будет равно О при одинаковых структурах и характеристиках тензорезисторов включенных в противолежащие плечи мостовой цепи НиМЭМС, т.е. при выполнении условий стабильности. Приравняв выражение U(T)=Ek(k+1)^-1(-α₁+α₂-α₃+α₄)=0, получим заявляемое соотношение по п.1 формулы изобретения. Тогда в соответствии с выражением (9) разность температурных коэффициентов сопротивлений тензорезисторов может быть критерием временной стабильности НиМЭМС. Кроме того, учитывая, что в общем виде изменение сопротивления тензорезистора ΔR_j=α_JR_jΔT, а также равенство изменений температур тензорезисторов при тестовых испытаниях вследствие полного восприятия ими тестовых температур, выполнение условий (10) по равенству изменений сопротивлений тензорезисторов, включенных в противолежащие плечи мостовой цепи НиМЭМС, обеспечивается при (α₂+α₄)-(α₁+α₃)=0.

Так как это выражение определяет приведенное значение коэффициента функции влияния температуры на начальный выходной сигнал НиМЭМС, вычисляемое по соотношению то интегральным критерием временной стабильности НиМЭМС может быть приведенное значение коэффициента функции влияния температуры на начальный выходной сигнал. Преимуществом предлагаемого интегрального критерия является повышение точности прогнозирования временной стабильности НиМЭМС вследствие учета влияния на временную стабильность 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 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.

Источники известности

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

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