СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ С ТЕНЗОРЕЗИСТОРАМИ
METHOD OF STABILIZATION OF ELASTIC ELEMENT OF PRESSURE SENSOR WITH TENSORESISTORS

Изобретение относится к области электронной техники, в частности технологии изготовления датчиков, преимущественно тензометрических датчиков давления.
0
При разработке высокотемпературных датчиков, основанных на использовании тензоэффекта, предъявляются повышенные требования по стабильности тензорезисторов. Для получения требуемого значения стабильности нулевого выходного сигнала U датчиков давления (0,1-0.8)% в течение 15-25 лет необходима прецизионная стабильность номинала сопротивления тензорезистивных элементов (ΔR/R)·100% относительно друг друга не хуже 0,001%. В настоящее время достигнутый уровень стабильности составляет (0,1-0,01) за 1 год хранения. Для достижения предъявляемых параметров необходимо решить проблему уменьшения дрейфа параметров сопротивления номиналов тензорезисторов, связанную с диффузионными процессами, происходящими между сформированными пленками.
Известен способ изготовления высокотемпературного тензорезистивного элемента, включающий последовательное нанесение на металлическую подложку изоляционного, тензорезистивного и проводящего слоев и термообработку после нанесения каждого слоя [Авт. св. СССР №1128694, Н01С 17/00, G01B 7/18. Опубл. 05.11.1982].
Недостатком данного способа является нестабильность тонкопленочных резисторов, вызванная дрейфом сопротивления в рабочих условиях за счет окислительных процессов на поверхности тензорезисторов и диффузионных процессов между изоляционными, резистивными и проводящими слоями, высокая трудоемкость процессов термообработки.
Известен способ стабилизация упругого элемента датчика давления с тензорезисторами, заключающийся в циклической термостабилизации перепадом температур и последующим воздействием механической нагрузки, превышающей максимальную рабочую, охлаждение упругого элемента перед механическим нагружением жидким азотом и контроле выходного сигнала, циклическом разогревом упругого элемента постоянным током с одновременным действием механической нагрузки до момента становления постоянного выходного сигнала [Авт. св. СССР №1182289. Опубл. 30.09.1985].
Недостатком этого способа является сложность, высокая трудоемкость процесса термостабилизации упругого элемента, сокращение ресурса работы за счет критичного использования воздействующих, в том числе, разрушающих факторов.
Наиболее близким аналогом к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами, заключающийся в термостабилизации с одновременным контролем выходного сигнала и циклическим разогревом, разогрев тензорезисторов проводят импульсным электрическим током до температур, обеспечивающих высокотемпературный отжиг перед его термостабилизацией, термостабилизацию проводят при температуре 80°C с циклическим воздействием на схему тензорезисторов повышенного напряжения питания с осуществлением контроля по скорости изменения начального выходного сигнала [Патент на изобретение №2301977, G01L 7/02. Опубл. 27.06.2007].
Недостатками данного способа являются высокая трудоемкость, обусловленная стабилизацией непосредственно каждого датчика на поздней стадии изготовления, нестабильность тензорезисторов из-за процессов взаимодиффузии в пленках, обусловленная стабилизацией непосредственно тензорезистора, а не всей структуры в целом.
Целью изобретения является уменьшение трудоемкости, повышение выхода годных изделий за счет отбраковки потенциально негодных элементов на ранней стадии изготовления, повышение стабильности тензорезисторов и всего устройства в целом путем оптимального выбора режимов циклической комбинированной термостабилизации.
Поставленная цель достигается тем, что в способе стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами, заключающемся в термостабилизации упругого элемента с циклическим разогревом тензорезисторов до температур, обеспечивающих высокотемпературный отжиг, согласно изобретению разогрев проводят в вакууме в три цикла до температуры 350±10°C, с выдержкой по ее достижению в течение 30 минут с последующим понижением температуры до 100±10°C после каждого цикла. После чего проводят термостабилизацию на воздухе при температуре 250±10°C до устойчивого состояния номиналов тензорезисторов с последующим контролем изменения (ухода) номиналов сопротивлений тензорезисторов для отбраковки потенциально негодных элементов. Причем термостабилизацию в вакууме и на воздухе проводят на стадии формирования схемы чувствительного элемента с воздействием на всю структуру упругого элемента датчика давления. Термостабилизацию проводят на всю партию изготавливаемых элементов.
2
3
4
2
3
Циклическая термостабилизация в вакууме и термостабилизация на воздухе позволяют активизировать внутренние и поверхностные окислительные процессы в тонкопленочных структурах, связать в устойчивые химические соединения молекулы (атомы) кислорода, воды, азота и т.д., а также свободные атомы материалов тонкопленочных структур, например, Si, Al в изолирующих пленках SiO SiO SiN AlO; Cr, Ni, Ti в резистивных пленках типа Х20Н80, П65ХС, Х20Н75Ю и др. как внутри них, так и в зонах контактирования тонких пленок между собой в окислы, силициды и другие формы устойчивых соединений. Это резко снижает интенсивность дрейфа значений сопротивлений в эксплуатационных условиях и при хранении, ухудшающих упругие характеристики, а также достаточности, чтобы в тонкопленочной структуре произошли необходимые соединения свободных элементов применяемых материалов (сплавов) и не уменьшилась адгезия контактной группы, что приводит к повышению точности измерения давления. В результате последующего контроля (ухода) номиналов тензорезисторов осуществляется отбраковка потенциально негодных элементов на стадии формирования схемы. Контрольная величина ухода сопротивлений после термостабилизации, равная средней нестабильности тензорезисторов в пределах 0,3-1,5%, установлена на основании технологических тренировок анализа статистических данных изготовления, испытаний и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления, а также анализа отказавших изделий.
Термостабилизация на воздухе при температуре 250±10°C в течение 4-6 часов способствует снятию напряжений от локальных микропластических деформаций в тонкопленочных структурах, вызванных образованием внутри пленочных окислов, силицидов и других соединений после термообработки, и является достаточной для достижения устойчивого состояния номиналов тензорезисторов, эксплуатируемых при рабочих температурах до 200°C.
2
Осуществление стабилизации упругого элемента датчика давления проводилось на упругих элементах с тензорезисторами из многокомпонентных звеньев (проводник-резистор-проводник и т.д.). Режимы стабилизации опробованы на структурах, где в качестве проводящего слоя использовалось золото с подслоем ванадия, резистивного - сплавы Х20Н75Ю, П65ХС. В качестве диэлектрика использовались пленки SiO и SiO.
-5
-6
Упругий элемент датчика давления подвергают воздействию температур в вакууме в три цикла с поднятием температуры до 350°C и выдержкой после достижения максимальной в течение 30 минут с последующим понижением температуры до 100±10°C после каждого цикла. Тем самым имитируются перепады температур, связанные с последующими стадиями изготовления, хранения, испытаний и эксплуатации. После стабилизируют элементы на воздухе в течение 4-6 часов при температуре 250°C. После завершения термостабилизации проводят измерение номиналов тензорезисторов на предмет изменения параметров (ухода номиналов сопротивления ΔR) относительно друг друга и соответствию требованиям КД с целью отбраковки потенциально негодных элементов на стадии формирования схемы. Температурный диапазон обработки 350±10°C в вакууме со временем выдержки 30 минут с последующим понижением температуры до 100±10°C после каждого цикла и температурный диапазон 250±10°C на воздухе выбраны из условия достаточности энергетического воздействия для завершения протекания процессов окислообразования, образования силицидов металлов и других соединений. Ограничение по давлению остаточных газов в вакуумной камере, равное P=(1·10-5·10) мм рт.ст., вызвано необходимостью исключения загрязнения пленок атмосферными загрязнителями в процессе обработки и достаточностью количества молекул остаточного газа поверхностной пассивации (окисления) резистивных пленок.
Элементы тензорезистивных датчиков с многокомпонентными звеньевыми тензорезисторами, изготовленные по данному способу термостабилизации, подвергали тренировке (имитация условий эксплуатации) с элементами, изготовленными по конструкторской и технологической документации (таблица 1). Результаты наибольших изменений номиналов тензорезисторов представлены на диаграмме (фиг. 1).
Из таблицы 1 и фиг. 1 видно, что после длительных температурных тренировок уход номиналов резисторов с использованием новой стабилизации значительно меньше, чем при стабилизации, выполненной по действующей КД и ТД. Причем он составляет десятые доли (Ом), что может быть вызвано погрешностью приборов измерения. Номиналы элементов, изготовленных по действующей технологии, изменяются на большие величины, что может привести к отказам приборов на дальнейших стадиях изготовления и при эксплуатации.
Способ стабилизации упругого элемента с тензорезисторами приводит к повышению стабильности и надежности упругого элемента датчика давления, обеспечивает высокую точность измерения давления в течение длительного времени их работы, повышает процент выхода годных и позволяет дополнительно управлять окончанием процесса стабилизации в зависимости от топологических решений по формированию рисунка схемы.