СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ С ТЕНЗОРЕЗИСТОРАМИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
METHOD FOR STABILISATION OF ELASTIC ELEMENT IN PRESSURE SENSOR WITH PRESSURISED RESISTIVE-STRAIN GAGES

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии изготовления датчиков, преимущественно тонкопленочных тензометрических датчиков давления.
Известен способ температурной компенсации мостовых схем тонкопленочных тензорезисторных датчиков, заключающийся в регулировании сопротивлений и температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Регулирование сопротивления резистора осуществляют пропусканием через него постоянного тока, а регулирование ТКС - пропусканием импульсного тока, причем величину как импульсного, так и постоянного тока выбирают в 10-15 раз больше номинального рабочего [1].
Недостатком известного способа является высокая трудоемкость и сложность в определении вида обработки постоянным или импульсным током для конкретного размера, контроля номиналов тензорезисторов, ТКС и начального выходного сигнала.
Другим близким по технической сущности является способ стабилизации упругого элемента датчика давления (УЭ ДД), заключающийся в циклической термостабилизации перепадом температур и последующем воздействии механической нагрузки, превышающей максимально рабочую, охлаждении упругого элемента перед механическим нагружением жидким азотом и контроле выходного сигнала, циклическом разогреве упругого элемента постоянным током с одновременным действием механической нагрузки до момента становления постоянного выходного сигнала [2].
Недостатком этого способа является техническая сложность реализации, высокая трудоемкость процесса термостабилизации УЭ, заключающегося в циклическом воздействии температур, механической нагрузки и воздействии постоянного тока до установления постоянного выходного сигнала.
0
0
0
Наиболее близким по технической сущности является следующий способ стабилизации УЭ ДД с тензорезисторами. При этом способе УЭ ДД со сформированной схемой подвергают импульсной токовой обработке. Затем для выявления потенциально нестабильных металлопленочных модулей измерительных (МИ) проводят термообработку. Одновременно проводят замеры начального выходного сигнала U в нормальных условиях до термообработки и после термообработки. Затем проводят расчет скорости изменения величины U за период времени между замерами U по формуле:
, где
i
ΔV - скорость изменения величины начального выходного сигнала через каждый час, мВ/час;
0ti
n
i
U - начальный выходной сигнал при напряжении U=(6,0±0,05)В, при температуре 80°С после термообработки за время t, мВ;
0ti+1
n
i+1
U - начальный выходной сигнал при напряжении U=(6,0±0,05)В, при температуре 80°С после термообработки за время t, мВ;
i=1…5 - количество измерений;
Т - 1 час.
i
Если ΔV>0,1 мВ/час, то УЭ ДД браковать [3].
Недостатком этого способа является отсутствие деформационного воздействия на мембрану УЭ ДД в процессе термообработки, что не обеспечивает полной релаксации напряжений в тонкопленочной гетероструктуре.
Целью изобретения является повышение качества и надежности УЭ ДД, повышение стабильности начального выходного сигнала УЭ ДД и выявление скрытых дефектов в тонкопленочной гетероструктуре на ранних стадиях изготовления УЭ ДД.
0
0ti
Поставленная цель достигается тем, что в способе стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами, заключающемся в термостабилизации упругого элемента с одновременным циклическим разогревом тензорезисторов импульсным электрическим током до температур, обеспечивающих их высокотемпературный отжиг, и контроле начального выходного сигнала по скорости изменения величин начального выходного сигнала при температуре 80°С, при этом замеряют начальный выходной сигнал U в нормальных условиях при рабочем напряжении питания, помещают упругий элемент в сушильный шкаф при температуре 80°C с одновременной подачей на схему повышенного напряжения питания, по истечении одного часа устанавливают рабочее напряжение питания, выдерживают упругий элемент в течение пяти минут, замеряют начальный выходной сигнал U, проводят еще четыре таких цикла, упругий элемент остужают в течение одного часа, замеряют снова начальный выходной сигнал при рабочем напряжении питания и проводят отбраковку нестабильных тензорезисторов, причем скорость изменения начального выходного сигнала определяют по формуле:
, где
i
ΔV - скорость изменения величины начального выходного сигнала через каждый час, мВ/час;
0ti
n
i
U - начальный выходной сигнал при напряжении U=(6,0±0,05)В, температуре 80°С после термообработки за время t, мВ;
0ti+1
n
i+1
U - начальный выходной сигнал при напряжении U=(6,0±0,05)В, температуре 80°С после термообработки за время t, мВ;
i=1…5 - количество измерений;
Т - время термообработки, час,
согласно изобретению термостабилизацию проводят при температуре 50°C с одновременным воздействием повышенного давления на мембрану.
Разогрев тензорезисторов импульсным электрическим током позволяет обнаружить на ранней стадии изготовления УЭ ДД скрытые дефекты тонкопленочных тензорезисторов, а подача на мембрану повышенного давления и повышенной температуры 50°С позволяет активировать потенциально ненадежные элементы тонкопленочной гетероструктуры с последующей отбраковкой потенциально ненадежных УЭ ДД.
На фиг.1 представлен график распределения скорости изменения величины начального выходного сигнала УЭ ДД при импульсной токовой отбраковке за период с 2007 по 2008 год.
На фиг.2 представлен график изменения начального выходного сигнала в процессе испытаний датчиков давления, прошедших импульсную токовую обработку с подачей давления и при повышенной температуре.
Способ осуществляют следующим образом.
ном
0
n
n
n
0ti
0
n
i
УЭ ДД со сформированной схемой подвергают импульсной токовой обработке при температуре 50°C с одновременным воздействием повышенного (до 1,5 Р) давления на мембрану ДД. Термостабилизацию с одновременным воздействием на схему повышенного напряжения питания и осуществление контроля по скорости изменения величины начального выходного сигнала проводят в следующем порядке. Предварительно замеряют начальный выходной сигнал U в нормальных условиях (22±4)°C при рабочем напряжении питания электрической схемы U=(6,0±0,05)В. Затем УЭ, со сформированной на них тензосхемой, помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 80°C с одновременной подачей на схему повышенного напряжения питания U=(9,0±0,1)В. По истечении одного часа устанавливают рабочее напряжение питания электрической схемы U=(6,0±0,05)В, выдерживают в течение пяти минут и замеряют начальный выходной сигнал U. Проводят еще четыре таких цикла, не извлекая УЭ ДД из сушильного шкафа при температуре 80°С. Затем упругие элементы остужают до нормальных условий (22±4)°С в течение одного часа и замеряют начальный выходной сигнал U при рабочем напряжении питания электрической схемы U=(6,0±0,05)В. Отбраковку потенциально нестабильных тензорезисторов, сформированных на упругом элементе, проводят в следующем порядке. По полученным данным проводят расчет скорости изменения величины начального выходного сигнала ΔV согласно формуле:
, где
i
ΔV - скорость изменения величины начального выходного сигнала через каждый час, мВ/час;
0ti
n
i
U - начальный выходной сигнал при напряжении U=(6,0±0,05)B, температуре 80°С после термообработки за время t, мВ;
0ti+1
n
i+1
U - начальный выходной сигнал при напряжении U=(6,0±0,05)B, температуре 80°С после термообработки за время t, мВ;
i=1…5 - количество измерений;
Т - время термообработки, час.
i
Если ΔV>0,08 мВ/час, то УЭ ДД браковать.
Пример. Подложки из коррозионностойкого сплава после очистки помещают в вакуумную камеру и производят напыление тонкой диэлектрической пленки на основе моноокиси кремния, затем формируют тензорезисторы методом термического напыления в вакууме тонкой пленки из резистивного сплава на основе нихрома и через трафарет контактные площадки тензорезисторов из проводящего слоя золота с адгезионным подслоем ванадия. Формирование топологического рисунка тензорезисторов осуществляют методом прямой фотолитографии. После формирования электрической схемы чувствительные элементы разваривают в приспособление для настройки и тензорезисторы подвергают подгонке по номиналам для балансировки тензомоста. Затем извлекают чувствительный элемент из приспособления для настройки и собирают до той степени сборки датчика, при которой возможна подача давления на мембрану.
ном
Собранный таким образом УЭ ДД соединяют с технологическим штуцером, соединяют его со специальной оснасткой для подачи давления и помещают в камеру с повышенной температурой 50°С. Подачу давления 1,5 P на мембрану УЭ ДД осуществляют с помощью грузопоршневого манометра или какого-либо другого источника давления.
Импульсным током кратковременно разогревают обрабатываемую пленку тонкопленочных тензорезисторов до высоких температур (порядка +(1300-1500)°С), что значительно выше, чем разогрев постоянным электрическим током. При этом можно получить эффект высокотемпературного отжига конкретных тензорезисторов или тензомоста в целом. Высокотемпературный отжиг приводит к изменению структуры тонкой пленки в первую очередь в местах наибольшей дефектности пленки и, таким образом, выявляются потенциально нестабильные тензорезисторы. Применение способа импульсной токовой обработки позволяет достичь контролируемого упорядочения структуры пленки тензорезисторов и образования мостиков проводимости между отдельными зернами. Обработка тензосхемы проводится в течение 10 минут. После этого давление с мембраны УЭ ДД снимается и они извлекаются из камеры.
n
0
n
n
n
0ti
0
n
i
Затем, для выявления потенциально нестабильных УЭ ДД, проводят термообработку при температуре 80°C с одновременным циклическим воздействием на схему тензорезисторов повышенного напряжения питания U=(9,0±0,1)В. Термообработку с одновременным циклическим воздействием на схему тензорезисторов повышенного напряжения питания и осуществление контроля по скорости изменения величины начального выходного сигнала проводят в следующем порядке. Предварительно замеряют начальный выходной сигнал U в нормальных условиях (22±4)°С при рабочем напряжении питания электрической схемы U=(6,0±0,05)В. Затем УЭ ДД помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 80°C с одновременной подачей на схему повышенного напряжения питания U=(9,0±0,1)В. По истечении одного часа устанавливают рабочее напряжение питания электрической схемы U=(6,0±0,05)В, выдерживают в течение пяти минут и замеряют начальный выходной сигнал U. Проводят еще четыре таких цикла, не извлекая из сушильного шкафа при температуре 80°С. Затем УЭ ДД остужают до нормальных условий (22±4)°С в течение одного часа и замеряют начальный выходной сигнал U при рабочем напряжении питания электрической схемы U=(6,0±0,05)В. Отбраковку потенциально нестабильных тензорезисторов, сформированных на упругом элементе, проводят в следующем порядке. По полученным данным проводят расчет скорости изменения величины начального выходного сигнала ΔV согласно формуле:
, где
i
ΔV - скорость изменения величины начального выходного сигнала через каждый час, мВ/час;
0ti
n
i
U - начальный выходной сигнал при напряжении U=(6,0±0,05)B, температуре 80°С после термообработки за время t, мВ;
0ti+1
n
i+1
U - начальный выходной сигнал при напряжении U=(6,0±0,05)В, температуре 80°С после термообработки за время t, мВ;
i=1…5 - количество измерений;
T - время термообработки, час.
i
Если ΔV>0,08 мВ/час, то УЭ ДД браковать.
Несложное оборудование и простота управления процессом являются несомненным преимуществом данного способа.
Данный способ опробован в производстве тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления для выявления потенциально ненадежных УЭ ДД на ранней стадии изготовлении.
i
Отбраковочный уровень скорости изменения величины начального выходного сигнала ΔV определялся исходя из статистических данных по импульсной токовой отбраковке УЭ ДД, проводившейся в соответствии с внедренной в производство тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления методикой (см. Патент №2301977). Директивно утвержденный процент выхода годных по сборке УЭ ДД составляет 96,0%, фактический средний процент выхода годных за период с 2005 по 2008 гг. составил 97,41%, то есть разница между утвержденным и фактическим процентами выхода годных составляет 1,41% (см. табл.1 и фиг.1). Таким образом, допустимый технологический отход при импульсной токовой обработке и отбраковке не должен превышать эту величину. Исходя из этого критерия и учитывая данные таблицы 1 и фиг.1, допустимый приемочный диапазон по циклам должен укладываться в 1,41%, что соответствует отбраковочному уровню ±0,08 мВ/час.
Результаты испытаний тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления с импульсной токовой обработкой тензосхемы под давлением приведены на фиг.2. Испытания проводились на безотказность и назначенный ресурс. Интегральные характеристики результатов испытаний по уровню нестабильности начального выходного сигнала представлены в таблице 2.
Таблица 1
Процент выхода годных УЭ ДД в приемочном диапазоне по циклам в зависимости от критерия отбраковки
Диапазон изменения начального выходного сигнала
Циклы
Процент выхода годных УЭ ДД в приемочном диапазоне
от минус 0,08 до +0,08 мВ
1-й цикл
99,40
2-й цикл
99,53
3-й цикл
99,77
4-й цикл
99,91
от минус 0,06 до +0,06 мВ
1-й цикл
97,86
2-й цикл
98,51
3-й цикл
99,30
4-й цикл
99,44
от минус 0,04 до +0,04 мВ
1-й цикл
94,94
2-й цикл
96,70
3-й цикл
98,09
4-й цикл
98,61
от минус 0,02 до +0,02 мВ
1-й цикл
88,20
2-й цикл
90,88
3-й цикл
93,72
4-й цикл
95,31
Таблица 2
Обсчет результатов испытаний тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления с импульсной токовой обработкой тензосхемы под давлением на безотказность и назначенный ресурс
Заводской номер датчика/диапазон давления кгс/см<sup>2</sup>
Среднее значение начального выходного сигнала за весь период испытаний, %
Максимальное изменение величины начального выходного сигнала за весь период испытаний, %
Дисперсия изменения величины начального выходного сигнала за весь период испытаний
Среднее отклонение величины начального выходного сигнала за весь период испытаний, %
Среднее квадратичное отклонение величины начального выходного сигнала за весь период испытаний
05009441/80
2,14
0,64
0,269
0,200
19,92
05009445/80
1,26
1,73
0,125
0,271
10,04
05009447/160
3,78
0,92
0,186
0,331
15,07
05009450/160
0,98
0,12
0,295
0,272
23,89
Среднее значение
-
-
0,219
0,269
17,23
Согласно требованиям ТУ на датчик допустимый уровень нестабильности начального выходного сигнала в условиях эксплуатации должен быть в пределах ±15%. По сравнению с требованиями ТУ нестабильность начального выходного сигнала датчиков с импульсной токовой обработкой и с подачей давления на мембрану ниже более чем в 100 раз.
Таким образом, техническое решение по заявке позволяет повысить качество и надежность УЭ ДД, а также стабильность начального выходного сигнала УЭ ДД, выявить и исключить брак на ранней стадии изготовления УЭДД.
Источники информации
1. Авторское свидетельство №1174738, 4 G01B 7/16, заявлено 08.12.83, опубликовано 23.08.85.
2. Авторское свидетельство №1182289, 4 G01L 7/08, заявлено 27.10.83, опубликовано 30.09.85.
3. Патент №2301977, G01L 7/02, заявлен 26.10.2005, опубликован 27.06.2007.