СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
METHOD OF MAKING PRESSURE STRAIN GAGE ON BASIS OF 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 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 микроэлектромеханической 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 выбранного критерия) 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.
j
0
H
H
0
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 мембрану НиМЭМС последовательно подвергают циклическому воздействию тестовых значений измеряемого давления P, равномерно распределенных от нижнего Р до верхнего предела P и от верхнего P до нижнего Р предела измерения датчика при одновременном измерении его выходного сигнала и напряжения питания в каждой точке градуирования, вычисляют по ним критерий временной стабильности по соотношению
где m - количество точек градуирования;
- среднее приведенное значение выходного сигнала в j-й точке градуирования;
- среднее приведенное значение выходного сигнала в j-й точке, i-го цикла;
- приведенное значение выходного сигнала в j-й точке, i-го цикла со стороны меньших (больших) значений;
- выходной сигнал со стороны меньших (больших) значений при напряжении питания датчика, равном
;
- коэффициенты функции преобразования, определенные при аппроксимации функции преобразования датчика полиномом k-й степени, находящейся в интервале от 1 до L;
- давление в j-й точке градуирования;
H
0
N=y-y - нормирующее значение выходного сигнала датчика;
0
0
y - среднее приведенное значение выходного сигнала при давлении Р;
H
H
τ03
ταΔ3
ταΔ3
y - среднее приведенное значение выходного сигнала при давлении P, и, если |ψ|<|ψ|, где ψ - предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.
2
j
0
H
H
0
τ03
ταΔ3
ταΔ3
τ03
ταΔ3
Заявляемый способ реализуется следующим образом. Изготавливают мембрану с периферийным основанием в виде оболочки вращения методами лезвийной обработки с применением на последних стадиях электроэрозионной обработки. Полируют поверхность мембраны с использованием 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, тензочувствительную пленку (к примеру, из сплава Х20Н75Ю). При формировании перемычек и контактных площадок методом фотолитографии низкоомную 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 например, 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 подачу измеряемого давления и защиту от воздействия окружающей среды, а также электрическое контактирование с использованием микросварки выводных проводников с измерительной цепью. Мембрану последовательно подвергают циклическому воздействию тестовых значений измеряемого давления P, равномерно распределенных от нижнего Р до верхнего предела P и от верхнего P до нижнего Р предела измерения датчика при одновременном измерении его выходного сигнала и напряжения питания в каждой точке градуирования. Вычисляют по ним критерий временной стабильности по заявляемому соотношению (1), и, если |ψ|<|ψ|, где ψ - 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|>|ψ|, то данную сборку списывают в технологический отход или реставрируют. Градуировку датчиков и вычисление критериев временной стабильности осуществляют на автоматизированном рабочем месте с применением программно-аппаратного комплекса.
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 7, тензорезистивный 2, адгезионный 3, 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. 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, находящиеся 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 Е - напряжение питания мостовой измерительной цепи;
1
2
3
4
R, R, R, R - сопротивление тензорезисторов R1, R2, R3, R4.
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 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:
Pj
Aj
Kj
Пj
где R, R, R, R, - соответственно сопротивление тензорезистивного, адгезионного, контактного, проводящего элемента j-го тензорезистора;
PApj
AKj,
KПj
_
R, R R соответственно сопротивление переходов элементов тензорезистивный - адгезионный, адгезионный - контактный, контактный -проводящий j-го тензорезистора.
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:
Pj
PAJ
AJ
AKJ
KJ
ПJ
KПJ
где ρ, ρ, ρ, ρ, ρ, ρ, ρ - эффективное удельное поверхностное сопротивление соответствующих элементов и переходов;
PJ
PAJ
AJ
AKJ
KJ
KПJ
ПJ
l, l, l, l, l, l, l - эффективная длина соответствующих элементов и переходов;
PJ
PAJ
AJ
AKJ
KJ
KПJ
ПJ
b, b, b, b, b, b, b - эффективная ширина соответствующих элементов и переходов j-го тензорезистора;
PJ
PAJ
AJ
AKJ
KJ
KПJ
ПJ
ε, ε, ε, ε, ε, ε, ε - относительная деформация, воздействующая на соответствующие элементы и переходы;
PJ
PAJ
AJ
AKJ
KJ
KПJ
ПJ
T, T, T, T, T, T, T - температура, воздействующая на соответствующие элементы и переходы;
PJ
AJ
KJ
ПJ
индексы , , ,  означают принадлежность соответствующих характеристик или факторов адгезионному, контактному, проводящему элементам j-тензорезистора;
PAJ
AKJ
КПJ
индексы , , , 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
j
0
H
H
0
В результате анализа этого выражения можно сформулировать структурно-факторные условия стабильности тонкопленочных НиМЭМС в виде необходимости обеспечения идентичности структур тонкопленочных тензорезисторов, размеров и характеристик их элементов, а также идентичности деформаций и температур, воздействующих на эти элементы при изготовлении и эксплуатации. Непосредственно из структурно-факторных условий стабильности следует, что критерием стабильности тонкопленочных НиМЭМС является минимальная нелинейность ее функции преобразования давления в выходной сигнал. Действительно, как известно, минимальная нелинейность функции преобразования давления в выходной сигнал обеспечивается при идентичности структур тонкопленочных тензорезисторов, размеров и характеристик их элементов, а также идентичности деформаций, воздействующих на эти элементы. Таким образом, условия обеспечения минимальной нелинейности функции преобразования давления в выходной сигнал совпадают со структурно-факторными условиями стабильности тонкопленочных НиМЭМС, то есть нелинейность функции преобразования может быть критерием стабильности НиМЭМС. Причем нелинейность характеризует деформационный аспект структурно-факторных условий стабильности. При этом для оценки воздействия временного фактора мембрану НиМЭМС последовательно подвергают циклическому воздействию тестовых значений измеряемого давления P, равномерно распределенных от нижнего Р до верхнего предела P и от верхнего P до нижнего Р предела измерения датчика. Одновременное измерение выходного сигнала и напряжения питания НиМЭМС и определение приведенного значение выходного сигнала в каждой точке градуирования позволяет исключить влияние напряжения питания на оценку временного фактора. Нелинейность функции преобразования НиМЭМС, определенная по соотношению (1), будет минимальна при одинаковых структурах и характеристиках тензорезисторов, включенных в противолежащие плечи мостовой цепи НиМЭМС, и отсутствии влияния временного фактора, т.е. при выполнении условий стабильности. Преимуществом предлагаемого 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, в совокупности с мембраной.
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 выбранного критерия) 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, в совокупности с мембраной.