Способ изготовления высокотемпературного тензорезистивного элемента

Способ изготовления высокотемпературного тензорезистивного элемента

Реферат

 

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕНЗОРЕЗИСТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА, включающий последовательное нанесение на металлическую подложку изоляционного, тензорезистивного и проводящего слоев и термообработку после нанесения каждого слоя, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности, расширения диапазона рабочих температур и уменьшения величины температурного коэффициента сопротивления, операцию нанесения тензорезистивного слоя осуществляют при температуре 360 10^oС и выдерживают при ней в течение 3 - 5 ч.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к средствам измерения, в конструкции которых применен тензорезистивный элемент на металлической подложке, изготовленный с использованием тонкопленочной технологии. При разработке высокотемпературных датчиков, основных на использовании тензоэффекта, предъявляются повышенные требования к стабильности тензорезисторов. Для получения требуемого значения стабильности нулевого выходного сигнала V_o датчиков давления 0,5% за 10 лет хранения стабильность номинала сопротивления тензорезистивных элементов 100% относительно друг друга должна быть не хуже 0,003% В настоящее время наилучшая стабильность прецизионных тонкопленочных резисторов не превышает 0,1% за 10 лет хранения. Изобретение ставит своей задачей повышение стабильности отдельных тензорезисторов и всего устройства в целом за счет оптимального выбора режимов термообработки. Известен способ изготовления высокотемпературного тензорезистивного элемента, по которому после нанесения на металлическую подложку изоляционного, тензорезистивного и проводящего слоев проводят термообработку сначала в атмосфере инертного газа, а потом на воздухе. Недостатком данного способа является неудовлетворительная стабильность тонкопленочных резисторов. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления высокотемпературного тензорезистивного элемента, включающий последовательное нанесение на металлическую подложку изоляционного, тензорезистивного и проводящего слоев и термообработку после нанесения каждого слоя. В данном способе используется двухслойное напыление диэлектрических слоев Al₂O₃ и SiO, каждый из слоев последовательно термообрабатывают в атмосфере кислорода при Т=200-250^о в течение 1-2 ч. Затем в этой же камере производят напыление тензорезистивного слоя на основе меди и никеля при давлении 10^-7-5^.10^-8 мм рт.ст. Однако тензорезистивный элемент, изготовленный по данному способу, работоспособен до температуры 200^оС, обладает низкой стабильностью и высоким значением температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Кроме того, реализация данного способа достаточно сложна и требует дорогостоящего вакуумного оборудования со специальными средствами откачки и контроля скорости испарения. Целью изобретения является повышение стабильности, расширение диапазона рабочих температур и уменьшение величины ТКС тензорезистивного элемента. Указанная цель достигается тем, что в способе изготовления высокотемпературного тензорезистивного элемента, включающем последовательное нанесение на металлическую подложку изоляционного, тензорезистивного и проводящего слоев и термообработку после нанесения каждого слоя, операцию нанесения тензорезистивного слоя осуществляют при температуре 360 10^оС и выдерживают при ней 3-5 ч. Термообработка пленочной структуры, которая получена напылением тензорезистивного слоя непосредственно после напыления изоляционного без проведения отжига последнего, приводит к взаимной диффузии изоляционного и тензорезистивного слоев, в результате которой уменьшается ТКС в сторону отрицательных значений, кроме того, за счет длительного отжига повышается плотность резистивного слоя, что влечет за собой повышение его стабильности. Сформированный на металлической подложке с диэлектрическим покрытием (SiO) резистивный слой имеет рыхлую структуру и потому обладает огромной поверхностью окисления за счет поверхности межзерновых пор, что обуславливает интенсивные окислительные процессы внутри резистора, а не только на его поверхности, как это происходит в более совершенных структурах на стекле или ситалле. Следовательно, тензорезистивный элемент на металлической подложке должен пройти более длительную стадию спекания и рекристаллизации путем термообработки в вакууме, прежде чем соприкоснется с атмосферой воздуха. В противном случае из-за активного межзернового окисления во всем объеме резистора любые процессы термостабилизации, проводимые в дальнейшем, оказываются малоэффективными. При выборе технологии термостабилизации были опробованы режимы термообработки с изменением температуры и времени. В экспериментальных режимах термообработку проводили непосредственно после напыления тензорезистивного слоя без разгерметизации рабочей камеры, температуру термообработки изменяли в диапазоне 300-400^оС, время варьировали от 0,3 до 5 ч. Было исследовано 7 экспериментальных партий, по 14 образцов в каждой партии. Эффективность выбранного режима оценивали по степени изменения номинала сопротивления тензорезистивного элемента при 10-кратном термоциклировании на воздухе от 22 до 300^оС, величине ТКС и степени адгезии тензорезистивных слоев к диэлектрическому подслою. Полученные данные в зависимости от времени термообработки приведены в табл. 1, в зависимости от температуры в табл.2. При увеличении температуры и времени термообработки значение величины стабильности 100% изменяется от положительного до отрицательного значения, и максимальное значение стабильности при _ 0 лежит в пределах 350-370^оС при t=3-5 ч. Минимальное значение ТКС получено тоже при этих режимах термообработки. На тщательно очищенную металлическую подложку методом термического испарения осаждали слой SiO с подслоем хрома, напыление Cr и SiO проводили на промышленной вакуумной установке типа УВН 2М-1 с оптически плотных молибденовых испарителей. Толщина подслоя хрома составляла 0,2-0,3 мкм, толщина слоя SiO 2-3 мкм. Скорость напыления хрома равнялась примерно 3 /с, скорость напыления SiO 4-6 /c, температуру подложки поддерживали равной 360 10^оС. После напыления слоев Cr и SiO с интервалом в 1-3 мин для перевода на другую позицию через трафарет осаждали тензорезистивный слой на основе Х20Н75Ю. Температура подложки в процессе напыления составляла 360 10^оС. Непосредственно после напыления структуру отжигали при температуре 360 10^оС в течение 3-4 ч. Время отжига и температура выбраны согласно экспериментальным исследованиям. Контакты тензорезистивных элементов формировали напылением через маски слоев хром-золото. Полностью сформированные схемы подвергали 4-кратному термоциклированию в вакууме при температуре 350-100^оС и выдержке на воздухе при 210^оС в течение 16 ч. Данные о проценте выхода годных на этой операции для предлагаемого и базового способа приведены в табл.3. Для получения сравнительных данных параллельно проводили изготовление образцов с применением базового способа термообработки. Обе партии образцов были настроены и герметизированы в металлостеклянные корпуса. Оценку стабильности датчиков давления производили по относительному изменению нулевого выходного сигнала за 1000 ч испытаний при напряжении питания 6 В и температуре 300^оС. Если значение стабильности V_o для базового способа составляет 12% то для предлагаемого оно равно 1% что соответствует относительному изменению сопротивления 100% 0,7% 100% 0,7% (или в пересчете на 10 лет хранения 100% 100% равно 0,0028%) (табл.4). Использование изобретенного способа термообработки тонкопленочных терморезисторов по сравнению с существующими способами обеспечивает следующие преимущества: увеличивает на порядок стабильность начального выходного сигнала; достигнутое значение ТКС тензорезисторов дает возможность расширить диапазон рабочих температур до 300^оС; повышается процент выхода годных металлопленочных датчиков давления, предназначенных для работы в эксплуатационных условиях с температурой 80-125^оС.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ТЕНЗОРЕЗИСТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА, включающий последовательное нанесение на металлическую подложку изоляционного, тензорезистивного и проводящего слоев и термообработку после нанесения каждого слоя, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности, расширения диапазона рабочих температур и уменьшения величины температурного коэффициента сопротивления, операцию нанесения тензорезистивного слоя осуществляют при температуре 360 10^oС и выдерживают при ней в течение 3 - 5 ч.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 36-2000

Извещение опубликовано: 27.12.2000