СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
METHOD TO MANUFACTURE PRESSURE SENSOR BASED ON THIN-FILM NANO- AND MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем с мостовой измерительной цепью, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования.
Известен способ изготовления датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектрической 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 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 неоптимального размещения и выполнения элементов, переходов тензорезисторов и их характеристик относительно факторов, воздействующих на эти элементы и переходы при эксплуатации, приводящих к разному временному изменению сопротивления этих тензорезисторов, в том числе вследствие различной скорости деградационных и релаксационных процессов в тензорезисторах, включенных в противолежащие плечи мостовой измерительной схемы. Недостаточная временная стабильность датчика приводит к уменьшению его ресурса и срока службы.
Целью предлагаемого изобретения является повышение временной стабильности, ресурса, срока службы за счет оптимизации размещения и выполнения элементов, переходов тензорезисторов и их характеристик с учетом факторов, воздействующих на эти элементы и переходы, приводящих к почти одинаковому временному изменению сопротивления этих тензорезисторов, в том числе вследствие почти одинаковой скорости деградационных и релаксационных процессов в тензорезисторах, включенных в противолежащие плечи мостовой измерительной цепи.
Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления 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 размещают и выполняют элементы и переходы тензорезисторов таким образом, что их характеристики и факторы, воздействующие на эти элементы и переходы, удовлетворяют соотношению
Pj
PAJ
AJ
AKJ
KJ
ПJ
KПJ
PJ
PAJ
AJ
AKJ
KJ
KПJ
ПJ
PJ
PAJ
AJ
AKJ
KJ
ПJ
PJ
PAJ
AJ
AKJ
KJ
KПJ
ПJ
PJ
PAJ
AJ
AKJ
KJ
KПJ
ПJ
PJ
AJ
KJ
ПJ
PAJ
AKJ
КПJ
c
где ρ, ρ, ρ, ρ, ρ, ρ, ρ, - эффективное удельное поверхностное сопротивление соответствующих элементов и переходов; l, l, l, l, l, l, l - эффективная длина соответствующих элементов и переходов; b, b, b,, b, b, b, b, - эффективная ширина соответствующих элементов и переходов j-ого тензорезистора; ε, ε, ε, ε, ε, ε, ε - относительная деформация, воздействующая на соответствующие элементы и переходы; T, T, T, T, T, T, T - температура, воздействующая на соответствующие элементы и переходы; индексы , , ,  означают принадлежность соответствующих характеристик или факторов адгезионному, контактному, проводящему элементам j - тензорезистора; 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; Ψ - разностный критерий стабильности.
Кроме того, согласно предполагаемому изобретения размещают и выполняют элементы и переходы тензорезисторов таким образом, что их характеристики и факторы, воздействующие на эти элементы и переходы, удовлетворяют соотношению
2
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, тензочувствительную пленку (к примеру, из сплава Х20Н75Ю). При формировании перемычек и контактных площадок методом фотолитографии низкомную 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 методом фотолитографии с использованием шаблона перемычек и контактных площадок. Формирование перемычек и контактных площадок можно проводить масочным методом. В этом случае, низкоомная пленка сплошным слоем не наносится, а напыляется через маску.
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.
c
Размещают и выполняют элементы и переходы тензорезисторов таким образом, что их характеристики и факторы, воздействующие на эти элементы и переходы, удовлетворяют заявляемому соотношению. Предлагаемое решение предназначено для использования в датчиках давления, подвергающихся при эксплуатации детерминированным воздействующим факторам. Размещение и выполнение элементов и переходов тензорезисторов осуществляется с помощью специально разработанной компьютерной программы. Величину разностного критерия стабильности Ψ определяют расчетно-экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчиков.
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 1, 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. На фиг.1 соотношения между толщинами тонкопленочных элементов и клины травления условно не изображены. 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, находящихся 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
<mrow><mi>U</mi><mo>=</mo><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
3
4
где Е - напряжение питания мостовой измерительной цепи; R, R, R, R - сопротивление тензорезисторов R1, R2, R3, R4.
Проведя необходимые преобразования, получим
<mrow><mi>U</mi><mo>=</mo><mi>E</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Определим условие временной стабильности НиМЭМС в виде
<mrow><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>U</mi><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
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 (5) выражения (4) и обеспечения необходимой стабильности источника питания E(τ+Δτ)=E(τ) получим условие стабильности НиМЭМС в развернутом виде
<mrow><mtable columnalign="left"><mtr columnalign="left"><mtd columnalign="left"><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>×</mo><msup><mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>×</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>=</mo></mrow></mtd></mtr><mtr columnalign="left"><mtd columnalign="left"><mrow><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>×</mo><msup><mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>×</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mo>}</mo></mrow></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msup></mrow></mtd></mtr></mtable><mo>.</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Анализ полученного условия показывает, что его с точки зрения математики 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. Аналогично любые сочетания в случае различия функциональных зависимостей тензорезисторов от времени потребуют для выполнения условий стабильности различных и взаимосвязанных сопротивлений тензорезисторов их функциональных зависимостей от времени. Учитывая, что такие функциональные зависимости очень трудно реализуемы, с точки зрения практической реализуемости оптимальным являются частные условия стабильности в виде равенства сопротивлений тензорезисторов в начальный момент времени и одинаковые функциональные зависимости этих сопротивлений от времени, то есть
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mn>4</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где R(τ), R(τ+Δτ) - сопротивления тензорезисторов в различные моменты времени вне зависимости от номера тензорезистора в мостовой схеме.
Тогда можно записать соотношения (7), (8) в сокращенном виде
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><msub><mrow><mtext> R</mtext></mrow><mtext>j</mtext></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
В результате анализа взаимосвязи тонкопленочных элементов тензорезистора (фиг.1) можно определить сопротивление j-го тонкопленочного тензорезистора в момент временит и (τ+Δτ) соответственно
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>P</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>P</mi><mi>A</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>A</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>A</mi><mi>K</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>K</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>К</mi><mi>П</mi></mrow></msub><msub><mrow /><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>П</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mi>τ</mi><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>10</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>R</mi><mi>j</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>P</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>P</mi><mi>A</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>R</mi><mrow><mi>A</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><msup><mrow /><mrow><mi>A</mi><mi>K</mi><mi>j</mi></mrow></msup></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>K</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>К</mi><mi>П</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mrow><mi>П</mi><mi>j</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>τ</mi><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>τ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>                                                                                                </mtext><mtext>,</mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mtext>11</mtext></mrow><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable>
Pj
Aj
Kj
Пj
PAj
AKj
КПj
где R, R, R, R, - соответственно сопротивление тензорезистивного, адгезионного, контактного, проводящего элемента j-го тензорезистора; R, R, R - соответственно сопротивление переходов элементов тензорезистивный - адгезионный, адгезионный - контактный, контактный - проводящий j-го тензорезистора.
В самом общем случае 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 (10), (11) представить сопротивления тонкопленочных тензорезисторов в виде следующих выражений:
Проведя необходимые преобразования, получаем заявляемое соотношение по п.1 формулы изобретения. Полученные расширенные частные условия стабильности (14), (15) могут выполняться при бесчисленном множестве сочетаний сопротивлений элементов тензорезисторов и их функциональных зависимостей от деформаций, температуры и времени. По аналогии с предыдущими рассуждениями любые сочетания в случае неравенства сопротивлений элементов тензорезисторов мостовой измерительной цепи НиМЭМС и неидентичности их функциональных зависимостей от воздействующих факторов потребуют для выполнения расширенных частных условий стабильности различных, взаимосвязанных и точных функциональных зависимостей сопротивлений тензорезисторов. Учитывая, что такие функциональные зависимости очень трудно реализуемы, можно записать частные условия стабильности НиМЭМС в виде
Соотношение (16) соответствует соотношению п.2 формулы заявляемого изобретения.
Внедрение заявляемых решений в тонкопленочные тензорезисторные датчики давления обеспечивает повышение временной стабильности при воздействии детерминированных воздействующих факторов не менее чем в 1,6 раза 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 оптимизации размещения и выполнения элементов, переходов тензорезисторов и их характеристик с учетом факторов, воздействующих на эти элементы и переходы, приводящих к почти одинаковому временному изменению сопротивления этих тензорезисторов, в том числе вследствие почти одинаковой скорости деградационных и релаксационных процессов в тензорезисторах, включенных в противолежащие плечи мостовой измерительной цепи.
Источники известности:
1 RU. Белозубов Е.М. Датчик давления и способ его изготовления. Патент №2095772. Бюл. №6. 10.11.97
2 RU. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Способ изготовления тонкопленочного тензорезисторного датчика давления. Патент РФ №2423678. Бюл. №19 от 10.07.11.