СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ С ВЫСОКОЙ ВРЕМЕННОЙ И ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
METHOD OF MAKING A TENSORESISTOR PRESSURE SENSOR WITH HIGH TIME AND TEMPERATURE STABILITY 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 факторов, определении сопротивлений тензорезисторов при тестовых воздействиях, вычислении по ним критериев стабильности и сравнении их 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 нелинейностей и разностей нелинейностей вольтамперных характеристик тензоэлементов и мостовой измерительной цепи НиМЭМС.
м
Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления тензорезисторного датчика давления с высокой временной и температурной стабильностью 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 факторов, определении сопротивлений тензорезисторов при тестовых воздействиях, вычислении по ним критериев стабильности и сравнении их с тестовыми значениями, в соответствии с заявляемым изобретением после присоединения выводных проводников к контактным площадкам тензорезисторы НиМЭМС подвергают воздействию ряда тестовых напряжений, полярность которых совпадает с рабочей полярностью, и ряда тестовых напряжений, полярность которых противоположна рабочей полярности, а величины напряжений при обеих полярностях последовательно равны  где N - количество интервалов разбиения величины максимально допустимого напряжения питания U тензорезисторов, и измеряют токи, протекающие через тензорезисторы при каждом тестовом значении напряжения, а критерии стабильности определяют по соотношениям
j+
j+
где I - ток, измеренный при тестовых напряжениях U, полярность которых совпадает с рабочей полярностью;
j-
j-
I - ток, измеренный при тестовых напряжениях U, полярность которых противоположна рабочей полярности,
1
+
1
max
1
-
1
max
2
2
max
1
max
2
max
и, если |ψ(R)|<|ψ(R)|, |ψ(R)|<|ψ(R)|, |ψ(R)|<|ψ(R)|, где ψ(R), ψ(R) - соответственно предельно допустимое значение первого и второго критерия стабильности, которые определяются экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.
c
мс
cj
cj
Кроме того, в соответствии с предлагаемым изобретением тензорезисторы, контактные площадки и выводные проводники соединяют в мостовую измерительную цепь и подвергают ее воздействию ряда тестовых напряжений, полярность которых совпадает с рабочей полярностью, и ряда тестовых напряжений, полярность которых противоположна рабочей полярности, а величины напряжений при обеих полярностях последовательно равны  где N - количество интервалов разбиения величины максимально допустимого напряжения питания U мостовой измерительной цепи, и измеряют ток I, протекающий через мостовую измерительную цепь при напряжении U, а критерий стабильности определяют по соотношению
cj+
cj+
cj-
cj-
3
+
3
max
3
-
3
max
4
4
max
3
max
4
max
где I - ток мостовой измерительной цепи, измеренный при тестовых значениях напряжения U, полярность которого совпадает с рабочей полярностью; I - ток мостовой измерительной цепи, измеренный при тестовых значениях напряжения U, полярность которого противоположна рабочей полярности, и, если |ψ(R)|<|ψ(R)|, |ψ(R)|<|ψ(R)|, |ψ(R)|<|ψ(R)|, где ψ(R) и ψ(R) - соответственно предельно допустимое значение третьего и четвертого критерия стабильности, которые определяются экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.
2
м
м
м
м
м
м
м
м
м
м
-1
-1
-1
-1
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 таким образом тензорезисторами в специальное технологическое приспособление, обеспечивающее защиту от воздействия окружающей среды и электрическое контактирование с использованием микросварки выводных проводников с измерительной цепью. Тензорезисторы НиМЭМС подвергают воздействию ряда тестовых напряжений, полярность которых совпадает с рабочей полярностью, и ряда тестовых напряжений, полярность которых противоположна рабочей полярности, а величины напряжений при обеих полярностях последовательно равны NU, 2NU, 3NU, … NNU, где N - количество интервалов разбиения величины максимально допустимого напряжения питания U тензорезисторов. Например, при N=5 величины напряжений при обеих полярностях последовательно равны 0,2U, 0,4U, 0,6U, 0,8U, 1,0U. Измеряют токи, протекающие через тензорезисторы при каждом тестовом значении напряжения. Критерии стабильности определяют по соотношениям (1), (2).
1
+
1
max
1
-
1
max
2
2
max
1
max
2
max
c
см
см
см
см
см
см
cj
cj
3
+
3
max
3
-
3
max
4
4
max
3
max
4
max
Если |ψ(R)|<|ψ(R)|, |ψ(R)|<|ψ(R)|, |ψ(R)|<|ψ(R)|, где ψ(R), ψ(R), - соответственно предельно допустимое значение первого и второго критерия стабильности, которые определяются экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции. В соответствии с п. 2 формулы изобретения тензорезисторы, контактные площадки и выводные проводники соединяют в мостовую измерительную цепь и подвергают ее воздействию ряда тестовых напряжений, полярность которых совпадает с рабочей полярностью, и ряда тестовых напряжений, полярность которых противоположна рабочей полярности. Величины напряжений при обеих полярностях последовательно равны  где N - количество интервалов разбиения величины максимально допустимого напряжения питания U мостовой измерительной цепи. Например, при N=5 величины напряжений при обеих полярностях последовательно равны 0,2U, 0,4U, 0,6U, 0,8U, 1,0U. Измеряют ток I, протекающий через мостовую измерительную цепь при напряжении U. Критерии стабильности определяют по соотношениям (3), (4). Если |ψ(R)|<|ψ(R)|, |ψ(R)|<|ψ(R)|, |ψ(R)|<|ψ(R)|, где ψ(R) и ψ(R) - соответственно предельно допустимое значение третьего и четвертого критерия стабильности, которые определяются экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.
2
3
n
2n-1
2
6
13
2
5
x
7
13
Установление причинно-следственной связи заявляемых признаков и достигаемого технического эффекта проведем исходя из установленной в результате теоретических и экспериментальных исследований зависимости величины электрического сопротивления тензорезисторов тонкопленочной НиМЭМС с структурой X20H75Ю-V-Au, при наличии в ней примесей, дефектов, окислов, от величины и полярности приложенного напряжения. При этом вольтамперная характеристика тензорезисторов носит нелинейный характер, закон Ома в классическом понимании не соблюдается, т.к. на вольтамперной характеристике могут быть участки, характерные для отрицательных сопротивлений. При отсутствии внутренних дефектов структуры величина сопротивления тензорезисторов тонкопленочной НиМЭМС не зависит от величины и полярности приложенного напряжения и подчиняется закону Ома. Несовершенство внутренней структуры НиМЭМС возникает в результате различных причин - нарушение режимов технологического процесса, скорости напыления, концентрации остаточного газа и температуры подложки, отсутствие единого вакуумного цикла при формировании тензорезисторов. В результате происходит образование широкой гаммы окислов хрома и ванадия. 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. Таким образом, наличие окислов, примесей и дефектов приводит к образованию двухфазных систем типа «металл-диэлектрик» и «металл-полупроводник». Отклонения состава от необходимых концентраций для двухфазных систем типа «металл-диэлектрик» и «металл-полупроводник» ведут к значительному отклонения от термодинамического равновесия внутренней структуры, нелинейности вольтамперной характеристики тонкопленочных тензорезисторов, различию их сопротивления в зависимости от полярности приложенного напряжения и плохой временной и температурной стабильности НиМЭМС. В то же время значительные отклонения от равновесия обязательно приведут к последующему равновесию и изменению вольтамперной характеристики НиМЭМС (в течение ресурса работы НиМЭМС). Поэтому отличительным свойством оксидов переходных металлов является то, что в них наблюдается переходы "металл-изолятор", "металл-полупроводник", "изолятор-металл", "полупроводник-металл", при некоторой критической температуре. Величина критической температуры перехода зависит 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 типа проводимости высока, что не допустимо. В соответствии с изложенным определение нелинейности вольтамперной характеристики тензорезисторов и мостовой измерительной цепи на их основе при воздействии ряда тестовых напряжений, полярность которых совпадает с рабочей полярностью, и ряда тестовых напряжений, полярность которых противоположна рабочей полярности, и первого критерия стабильности, вычисляемого по заявляемому соотношению (1), а также сравнение его с предельно допустимым значением обеспечивает выявление на ранней стадии изготовления НиМЭМС с недопустимой нелинейностью вольтамперной характеристики тензоэлементов. При этом исключаются из производства тензоэлементы НиМЭМС, имеющие аномально большие значения нелинейности вольтамперной характеристики, а следовательно, имеющие помимо металлического типа проводимости полупроводниковый и диэлектрический тип проводимости, т.е. имеющие несовершенные внутренние структуры. Выполнение неравенства по соотношению (2) обеспечивает дополнительное исключение попадания на последующую сборку тензорезисторов, имеющих хотя бы в одном поддиапазоне воздействующего напряжения питания различной полярности отклонение сопротивлений от заданных границ, а следовательно, уменьшает вероятность пропуска НиМЭМС, имеющих концентрацию примесей, дефектов и окислов переходных металлов выше предельно допустимой. Иными словами физический смысл соотношений (1) состоит в определении нелинейностей вольтамперных характеристик тензорезисторов при различных полярностях напряжения питания, а соотношения (2) - в определении разности нелинейностей вольтамперных характеристик тензорезисторов при различных полярностях напряжения питания. Аналогично определение нелинейностей вольтамперных характеристик мостовой измерительной цепи НиМЭМС при различных полярностях напряжения питания, в соответствии с соотношениями (3) и разностей этих нелинейностей в соответствии с соотношением (4) обеспечивает исключение попадания на последующую сборку НиМЭМС с мостовой измерительной цепью, имеющей хотя бы в одном поддиапазоне воздействующего напряжения питания различной полярности отклонение нелинейностей вольтамперных характеристик от заданных границ, а следовательно, уменьшает вероятность пропуска мостовых измерительных цепей НиМЭМС в целом, имеющих концентрацию примесей, дефектов и окислов переходных металлов выше предельно допустимой (интегральный критерий).
Внедрение заявляемого способа в производство тензорезисторных датчиков давления на основе тонкопленочных НиМЭМС обеспечивает повышение временной и температурной стабильности при сравнительно небольших материальных и временных затратах, что позволяет увеличить ресурс и срок службы датчиков. Кроме того, жесткая регламентация величин нелинейности тензоэлементов и мостовой измерительной цепи в целом обеспечивает уменьшение времени готовности, погрешности в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений, а также возможность использования диагонали питания в качестве датчика температуры тензорезисторов диагонали питания мостовой измерительной цепи интеллектуальных датчиков давления на основе НиМЭМС. Таким образом, техническим результатом 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 нелинейностей и разностей нелинейностей вольтамперных характеристик тензорезисторов и мостовой измерительной цепи НиМЭМС.
Источники известности
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.