СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОСТАБИЛЬНОГО ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
METHOD OF PRODUCING HIGH-STABLE TENSORESISTOR PRESSURE SENSOR BASED ON THIN-FILM NANO- AND MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования.
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 [1].
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 и температурному изменению сопротивлений тензорезисторов НиМЭМС, в том числе вследствие различной скорости деградационных и релаксационных процессов в тензорезисторах, включенных в противолежащие плечи мостовой измерительной схемы. Недостаточная временная и температурная стабильность приводит к увеличению временной и температурной погрешности и уменьшению ресурса и срока службы датчика.
Известен способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной НиМЭМС, предназначенного для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования, выбранный в качестве прототипа, 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, воздействии тестовых пониженных и повышенных температур, измерении сопротивлений тензорезисторов при воздействующих температурах, определении температурных коэффициентов сопротивлений тензорезисторов в диапазоне воздействующих температур, вычислении по ним критерия стабильности и сравнении его с тестовыми значениями [2].
Недостатком известного способа изготовления является сравнительно низкая временная и температурная стабильность тензорезисторов вследствие отсутствия выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС с несовершенной внутренней структурой. Отсутствие такого выявления приводит к разному временному и температурному изменению сопротивлений тензорезисторов НиМЭМС в процессе эксплуатации, а следовательно, к увеличению временной и температурной погрешности и уменьшению ресурса и срока службы датчика. Кроме того, низкая временная и температурная стабильность тензорезисторов НиМЭМС является причиной сравнительно высоких значений времени готовности и погрешности при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений.
Целью предлагаемого изобретения является повышение временной и температурной стабильности, ресурса, срока службы, а также уменьшение времени готовности и погрешности в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений за счет более точного выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС, обеспечивающего пропуск на дальнейшую сборку тензорезисторов и мостовой измерительной цепи НиМЭМС с необходимой внутренней структурой (в пределах выбранных критериев) при помощи жесткой регламентации величин и знака температурных коэффициентов сопротивления тензорезисторов и мостовой измерительной цепи.
τ01j
2j
4j
1j
3j
ij02
ij
1j
2j
3j
4j
ij
τ01j
τ01jmax
ij02min
ij02
ij02max
τ01jmax
ij02min
ij02max
Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления высокостабильного 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, воздействии тестовых пониженных и повышенных температур, измерении сопротивлений тензорезисторов при воздействующих температурах, определении температурных коэффициентов сопротивлений тензорезисторов в диапазоне воздействующих температур, вычислении по ним критерия стабильности и сравнении его с тестовыми значениями, в соответствии с заявляемым изобретением определение температурных коэффициентов сопротивлений тензорезисторов проводят в поддиапазонах воздействующих температур, охватывающих в совокупности весь диапазон температур при эксплуатации, и определяют соответственно первый и вторые критерии стабильности по соотношениям ψ=|(α+α)-(α+α)|, ψ(α)=α, где α, α, α, α, - температурный коэффициент сопротивления 1, 2, 3, 4-ого тензорезистора НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне; α, - температурный коэффициент сопротивления i-ого тензорезистора НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне, и, если |ψ|<|ψ|, ψ<ψ(α)<ψ, где ψ, ψ, ψ - соответственно предельно допустимое максимальное значение первого критерия стабильности, предельно допустимое минимальное и максимальное значение вторых критериев стабильности i-ого тензорезистора НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне, которые определяются экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.
kj03
kj
kj
kj03min
kj03
kj03max
kj03min
kj03max
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, определяют температурные коэффициенты сопротивлений диагоналей мостовой измерительной цепи в поддиапазонах воздействующих температур, охватывающих в совокупности весь диапазон температур при эксплуатации, и определяют третьи критерии стабильности по соотношениям ψ(α)=α, где α - температурный коэффициент сопротивления k-ой диагонали мостовой измерительной цепи НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне, и, если ψ<ψ<ψ, где ψ, ψ - соответственно предельно допустимое минимальное и максимальное значение третьих критериев стабильности k-ой диагонали мостовой измерительной цепи НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне, которые определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.
2
τ01j
2j
4j
1j
3j
ij02
ij
1j
2j
3j
4j
ij
τ01j
τ01jmax
ij02min
ij02
ij02max
τ01jmax
ij02min
ij02max
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-SiO с подслоем хрома (поз. 1, Фиг. 1), тензочувствительную пленку из сплава Х20Н75Ю (поз. 2, Фиг. 1). При формировании перемычек и контактных площадок методом фотолитографии низкомную пленку V-Au, (золото с подслоем ванадия) (поз. 3, 4, Фиг. 1) наносят сплошным слоем на тензочувствительную пленку (из сплава Х20Н75Ю). Формируют перемычки и контактные площадки методом фотолитографии с использованием шаблона перемычек и контактных площадок. 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. Воздействуют на НиМЭМС тестовыми пониженными и повышенными температурами. Измеряют сопротивления тензорезисторов при воздействующих температурах. Определение температурных коэффициентов сопротивлений тензорезисторов проводят в поддиапазонах воздействующих температур, охватывающих в совокупности весь диапазон температур при эксплуатации. Например, если весь диапазон температур при эксплуатации датчика находится в пределах от минус 196°С до 100°С, то определение температурных коэффициентов сопротивлений тензорезисторов проводят в поддиапазонах температур минус 196°С… минус 150°С, минус 150°С… минус 100°С, минус 100°С… минус 50°С, минус 50°С…0°С, 0°С…50°С, 50°С…100°С. При этом, вследствие характерной особенности тонкопленочных тензорезисторов их сопротивления зависят не только от их температуры, но и от деформационного состояния. Определяют соответственно первый и вторые критерии стабильности по соотношениям ψ=|(α+α)-(α+α)|, ψ(α)=α, где α, α, α, α, - температурный коэффициент сопротивления 1, 2, 3, 4-ого тензорезистора НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне; α, - температурный коэффициент сопротивления i-ого тензорезистора НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне. Если |ψ|<|ψ|, ψ<ψ(α)<ψ, где ψ, ψ, ψ - соответственно предельно допустимое максимальное значение первого критерия стабильности, предельно допустимое минимальное и максимальное значение вторых критериев стабильности, i-ого тензорезистора НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне, которые определяются экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.
kj03
kj
kj
kj03min
kj03
kj03max
kj03min
kj03max
τ01jmax
ij02min
ij02max
-6
-1
-5
-1
-5
-1
Кроме того, в соответствии с предлагаемым изобретением тензоэлементы, перемычки, контактные площадки и выводные проводники соединяют в мостовую измерительную цепь (Фиг. 2) и подвергают ее воздействию тестовых пониженных и повышенных температур. Определяют температурные коэффициенты сопротивлений диагоналей мостовой измерительной цепи в поддиапазонах воздействующих температур, охватывающих в совокупности весь диапазон температур при эксплуатации. Определяют третьи критерии стабильности по соотношениям ψ(α)=α, где α - температурный коэффициент сопротивления k-ой диагонали мостовой измерительной цепи НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне, и, если ψ<ψ<ψ, где ψ, ψ - соответственно предельно допустимое минимальное и максимальное значение третьих критериев стабильности k-ой диагонали мостовой измерительной цепи НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне, которые определяются экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции. Типичные реальные значения ψ=1×10 °C, ψ=1×10 °C, ψ=5×10 °C.
kj
kj
kj
kjmin
kj
kjmax
kjmin
kjmax
kjmin
kjmax
-5
-1
-5
В соответствии с п. 2 формулы изобретения тензоэлементы, перемычки, контактные площадки и выводные проводники соединяют в мостовую измерительную цепь и подвергают ее воздействию тестовых пониженных и повышенных температур. Определяют температурные коэффициенты сопротивлений диагоналей мостовой измерительной цепи в поддиапазонах воздействующих температур, охватывающих в совокупности весь диапазон температур при эксплуатации. Определяют критерии стабильности по соотношениям ψ(α)=α, где α - температурный коэффициент сопротивления k-ой диагонали мостовой измерительной цепи НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне, и, если ψ<ψ(α)<ψ, где ψ, ψ - соответственно предельно допустимое минимальное и максимальное значение критерия временной стабильности k-ой диагонали мостовой измерительной цепи НиМЭМС в j-ом температурном диапазоне, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции. Типичные реальные значения ψ=1×10 °C, ψ=5×10.
2
3
n
2n-1
2
6
13
2
5
x
7
13
τ01j
τ01jmax
ij02min
ij02
ij02max
ij02
ij
kjmin
kj
kjmax
kjmin
kj
kjmax
Установление причинно-следственной связи заявляемых признаков и достигаемого технического эффекта проведем исходя из установленных в результате теоретических и экспериментальных исследований зависимости величины и знака ТКС тензорезисторов НиМЭМС из X20H75Ю-V-Au от их внутренней структуры (наличие примесей, дефектов, окислов и т.п.). Характерным примером является спонтанное изменение температурных коэффициентов сопротивлений, наблюдаемых на тензорезисторах НиМЭМС в некоторых температурных диапазонах. При этом часто анализ тонкопленочных структур не позволяет даже при значительном увеличении выявить видимые дефекты, которые могли бы привести к таким изменениям. Одной из причин случайных изменений температурных коэффициентов сопротивлений тензорезисторов является влияние наноструктур оксидов переходных металлов. Переходные металлы хром, ванадий используются в тензорезисторах НиМЭМС как в качестве компонента тензорезистивного сплава (хром в сплаве Х20Н75Ю), так и в качестве пленки, обеспечивающей адгезию контактных площадок и тензорезисторов (ванадий). Исследования показали, что при использовании термического метода напыления тонкопленочных тензорезисторов они структурированы в виде более тонких слоев хрома, никеля и т.д. В результате различных причин - нарушение режимов технологического процесса, отсутствие единого вакуумного цикла при формировании тензорезисторов и контактных площадок происходит образование широкой гаммы окислов хрома и ванадия. Степень окисления хрома зависит от скорости напыления, концентрации остаточного газа и температуры подложки, от количества хрома на поверхности пленки. При этом температурный коэффициент сопротивления становится отрицательным для пленок с высоким содержанием хрома. Что особенно важно для тензорезисторов НиМЭМС, по типу проводимости окислы переходных металлов могут быть диэлектриками, полупроводниками или металлами. Например, ванадий с кислородом образует большое количество оксидных фаз, в кристаллической решетке атомы ванадия могут иметь различную степень окисления: VO, VO, фазы гомологического ряда VO, VO, VO и VO. Субоксиды VO(x<l), монооксид VO, а также VO проявляют металлические свойства. Пятиокись ванадия - диэлектрик с широкой запрещенной зоной. Остальные оксиды в основном состоянии являются полупроводниками с относительно невысоким удельным сопротивлением. Благодаря существованию незаполненных электронных d-оболочек, в соединениях с кислородом элементы переходных групп образуют сложные системы с переменной валентностью, обладающие различными свойствами. Таким образом, отличительным свойством оксидов переходных металлов является то, что в них наблюдается переходы "металл-изолятор", "металл-полупроводник" при некоторой критической температуре. Изменение температурного коэффициента сопротивления и величина критической температуры перехода зависят от типа окисла. При этом, например, для оксидов ванадия критическая температура принимает значения в пределах от 70 до 450 К. Указанный диапазон температур для современных тонкопленочных НиМЭМС является рабочим. Поэтому вероятность изменения температурного коэффициента сопротивления окислов переходных металлов высока. Наличие примесей и дефектов, также приводит к образованию двухфазных систем типа «металл-диэлектрик» и «металл-полупроводник». Отклонения состава от необходимых концентраций для двухфазных систем типа «металл-диэлектрик» ведут к высоким температурным коэффициентам сопротивления и плохой стабильности пленки. Наличие двухфазных систем типа «металл-полупроводник» приводит к отрицательному значению температурного коэффициента сопротивления и низкой стабильности. Пористые пленки по соотношению общей толщины к толщине проводящего слоя подобны двухфазным системам. Отрицательной чертой таких пленок является их повышенная окисляемость вследствие того, что они имеют большую поверхность, а, следовательно, низкую временную и температурную стабильность. В частности установлено, что наличие примесей, дефектов, окислов в количестве, превышающем условия термодинамического равновесия, приводит к заниженному значению температурного коэффициента сопротивления. В то же время значительные отклонения от равновесия обязательно приведут к последующему равновесию и изменению температурного коэффициента сопротивления тензорезистора (в течение ресурса работы НиМЭМС). В соответствии с изложенным, определение температурных коэффициентов сопротивлений тензорезисторов в поддиапазонах воздействующих температур, охватывающих в совокупности весь диапазон температур при эксплуатации, и первого дополнительного критерия стабильности, вычисляемого по заявляемому соотношению, и сравнение его с предельно допустимым максимальным значением |ψ|<|ψ| обеспечивает выявление на ранней стадии изготовления НиМЭМС с минимальной разностью температурных коэффициентов сопротивления тензорезисторов противолежащих плеч НиМЭМС во всех поддиапазонах воздействующих температур, охватывающих в совокупности весь диапазон температур при эксплуатации. При этом исключаются из производства НиМЭМС, имеющие аномально большие значения разностей температурных коэффициентов сопротивления противолежащих плеч НиМЭМС, а, следовательно, имеющих различные внутренние структуры. Выполнение неравенства ψ<ψ(α)<ψ, для вторых критериев стабильности ψ(α)=α обеспечивает исключение попадания на последующую сборку НиМЭМС с тензорезисторами, имеющими хотя бы в одном поддиапазоне воздействующих температур отклонение температурного коэффициента сопротивления от заданных границ, а, следовательно, уменьшает вероятность пропуска НиМЭМС с тензорезисторами, имеющими концентрацию примесей, дефектов и окислов переходных металлов выше предельно допустимой. Аналогично выполнение неравенства ψ<ψ(α)<ψ, обеспечивает исключение попадания на последующую сборку НиМЭМС с мостовыми измерительными цепями, имеющими хотя бы в одном поддиапазоне воздействующих температур отклонение температурного коэффициента сопротивления от заданных границ, а, следовательно, уменьшает вероятность пропуска НиМЭМС с мостовыми измерительными цепями, имеющими концентрацию примесей, дефектов и окислов переходных металлов выше предельно допустимой. Кроме того, выполнение неравенства ψ<ψ(α)<ψ, обеспечивает поступление на дальнейшую сборку только НиМЭМС с монотонным изменением сопротивлений диагоналей от температуры, что делает возможным использование диагонали питания мостовой измерительной цепи в качестве датчика температуры тензорезисторов интеллектуальных датчиков давления на основе НиМЭМС.
Внедрение заявляемого способа в производство тензорезисторных датчиков давления на основе тонкопленочных НиМЭМС обеспечивает повышение временной и температурной стабильности при воздействии влияющих факторов при сравнительно небольших затратах, что позволяет соответственно увеличить ресурс и срок службы датчиков. Кроме того, жесткая регламентация величин и знака температурных коэффициентов сопротивления тензорезисторов и мостовой измерительной цепи в целом обеспечивает уменьшение времени готовности, погрешности в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений, а также использование диагонали питания в качестве датчика температуры тензорезисторов интеллектуальных датчиков давления на основе НиМЭМС.
Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение временной и температурной стабильности, ресурса, срока службы, а также уменьшение времени готовности и погрешности в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений, а также возможность использования диагонали питания в качестве датчика температуры тензорезисторов интеллектуальных датчиков давления на основе НиМЭМС за счет более точного выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС, обеспечивающего пропуск на дальнейшую сборку тензорезисторов и мостовой измерительной цепи НиМЭМС с необходимой внутренней структурой (в пределах выбранных критериев) при помощи жесткой регламентации величин и знака температурных коэффициентов сопротивления тензорезисторов и мостовой измерительной цепи.
Источники информации
1 RU. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Способ изготовления тонкопленочного тензорезисторного датчика давления. Патент РФ №2442115. Бюл. №4 от 10.02.12.
2 RU. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е., Козлова Н.А. Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы. Патент РФ №2498249. Бюл. №31 от 10.11.13.