Способ изготовления термокомпенсированного тензорезистора

Способ изготовления термокомпенсированного тензорезистора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение.

Настоящее изобретение относится к электронной технике, в частности, к тонкопленочной микроэлектронике.

Уровень техники.

В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления проводников и полупроводников при их механической деформации [1-4]. Качество тензорезисторов зависит от чувствительности к механическим напряжениям, линейности относительного изменения сопротивления в широком диапазоне напряжений (механических нагрузок) и окружающей температуры, надежности и габаритов конструкции, а также от других факторов.

Известен микросенсор-полупроводниковый тензорезистор MS 115-350 [3, с.122], который изготавливают следующим способом. Гибкую прямоугольную нить из монокристалла кремния р-типа вырезают в направлении [111] с удельным сопротивлением ρ=0,017 Ом·см, с размерами 0,0177 мм (толщина), 0,5 мм (ширина) и 19 мм (длина). Недостатком такого датчика является невысокая линейность в рабочем диапазоне температур, а также невозможность подгонки (подстройки) его параметров под конкретные условия измерительного эксперимента.

Известен способ настройки характеристик электронных компонентов с помощью лазера (см. заявка Франции №2616263, H 01 С 17/24, ИМС №7, 1989), который заключается в том, что с целью подгонки сопротивления тонкопленочного резистора к номинальному значению выполняют рез лазерным лучом по профилю полуовала, радиус которого устанавливают расчетным методом.

Недостатком данного способа являются его ограниченные возможности, связанные с невозможностью подгонки линейности характеристики преобразования тензорезистора в диапазоне рабочих температур.

Известен способ изготовления пленочного тензорезистора [1, с.130], заключающийся в том, что сам тензорезистор изготовляют одним из известных способов [1-4], а для исключения или уменьшения влияния температуры на его характеристику преобразования компенсируют его температурный коэффициент сопротивления (ТКС) методом подгонки, заключающимся в отжиге при определенной температуре, определенное время, которое зависит от материала пленки.

Основным недостатком известного способа является то, что отжигом не удается в широком интервале температур добиться термокомпенсации. Кроме того, процесс отжига длительный, плохо сочетается с одновременным измерительным контролем значения ТКС.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является повышение точности термокомпенсации с одновременным снижением трудоемкости изготовления термокомпенсированного пленочного тензорезистора.

Достигаемый технический результат обеспечивается тем, что технология изготовления тонкопленочного термокомпенсированного тензорезистора включает в себя напыление на гибкую диэлектрическую подложку резистивных слоев, формирование контактных площадок, формирование методом фотолитографии чувствительных элементов тензорезистора, измерение сопротивлений которых в процессе подгонки ТКС тензорезистора осуществляют омметром, подключенным к соответствующим контактным площадкам, причем тензорезистор изготавливают из двух материалов с различными величинами и знаками ТКС, формируют на подложке два соединенных последовательно чувствительных элемента, объединенные выводы, которых соединяют с контактной площадкой, расположенной с одной стороны подложки, а два оставшихся вывода подключают к контактным площадкам, находящимся в непосредственной близости с другой стороны подложки, осуществляют термокомпенсацию подгонкой соотношения сопротивлений чувствительных элементов лучом лазерного инструмента подгонки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления.

Согласно работе [1, с. 129] для пленочного тензорезистора, установленного на свободно расширяющийся образец с заданным коэффициентом линейного расширения, температурная характеристика для небольшого интервала температур описывается уравнением:

где α - температурный коэффициент сопротивления пленочного элемента;

β_м - температурный коэффициент линейного расширения материала образца (детали), на который установлен тензорезистор;

β_ч - температурный коэффициент линейного расширения чувствительного элемента тензорезистора;

t₀, t - начальная и конечная температура диапазона температур;

К_пр - коэффициент преобразования деформации чувствительным элементом:

К_пр=δR/δl

δR и δl - относительные приращения сопротивления и длины тензорезистора.

Равенство нулю температурного приращения сопротивления тензорезистора может быть обеспечено при равенстве нулю правой части уравнения (1), т.е. при условии:

Согласно работе [1] уравнение (2) используют как критерий подгонки, которую выполняют отжигом тензорезистора при определенной температуре.

Такой способ подгонки заключается в изменении (уплотнении) структуры материала пленочного чувствительного элемента. Процесс отжига длится часами в термокамере, причем диапазон подгонки ТКС имеет небольшое значение. Контроль и измерение этого параметра реализовать в ходе отжига также довольно сложно из-за ограничения доступа в термокамеру.

Согласно патенту РФ №2133514, H 01 С 17/22, 17/24 и положительному решению на выдачу патента от 24.01.2003 по заявке №2000109988/09(0/0280) соотношения между сопротивлениями и ТКС тонкопленочных резисторов, соединенных параллельно, имеют вид:

где R₁, R₂ - сопротивления первого и второго элемента тонкопленочной резистивной структуры; α₁, α₂ - ТКС первого и второго резистивного элемента; α₀ - ТКС интегрального тонкопленочного резистора с сопротивлением R₀, полученного в результате параллельного соединения сопротивлений R₁ и R₂ с ТКС - α₁ и α₂.

Для интегрального резистора, полученного в результате последовательного соединения сопротивлений R₁ и R₂, справедливо соотношение:

Выбирая величину сопротивления R₀ тензорезистора, отношение R1/R2, тип резистивных материалов с определенными значениями ТКС - α₁, α₂ и способ соединения полученных фотолитографией чувствительных тензоэлементов на подложке, можно, используя соотношения (3-4) подбирать ТКС - α₀ интегрального тензорезистора в широком диапазоне значений для различных материалов образца с конкретными значениями β_м (2).

Точное значение α₀ можно получить в результате лазерной подгонки сопротивлений R₁, R₂ тензочувствительных элементов, используя в режиме подгонки омметр, подключенный непосредственно к клеммам R₁, а затем к R₂.

На чертеже представлен вариант конструкции тонкопленочного тензорезистора, изготовленного предложенным способом.

Чувствительный элемент такого тензорезистора выполнен из двух тонкопленочных элементов 1 и 2. Элемент 1 имеет сопротивление R₁ и выполнен из сплава нихром (возможен константан, сплавы алюминия, титана и др.). Элемент 2 имеет сопротивление R₂ и выполнен из сплава кермет (К-20С, К-30С и др.).

Чувствительные элементы 1 и 2 тензорезистора расположены на гибкой диэлектрической подложке 3, с противоположных сторон которой установлены контактные площадки 4. Конструкция такого тензорезистора имеет подгоночные перемычки 5 для регулировки (подгонки) резистивного элемента 1. Возможность регулировки (подгонки) сопротивления элемента 2 показана лазерным резом типа 6. Расположенные в непосредственной близости, определяемой сопротивлением изоляции, контактные площадки, позволяют создать единый контакт методом пайки без значительных затрат, при параллельном соединении элементов 1 и 2.

Чувствительность по изменению сопротивлений элементов 1 и 2, соединенных последовательно, определяется как

а при их параллельном соединении:

будет меньше для случая параллельного соединения, однако в конструкции с параллельным соединением элементов 1 и 2 общую чувствительность к механическим напряжениям можно увеличивать, увеличивая количество секций элемента 1. Кроме того, достигнуть подгонкой определенного ТКС в некотором диапазоне гораздо легче в конструкции с параллельным соединением чувствительных тензоэлементов из разнородных материалов.

Лазерный метод подгонки в сравнении с термическим (отжигом) позволяет сократить время подгонки ТКС за счет быстродействия лазерного инструмента подгонки, повысить точность подгонки (в частности, за счет использования подгоночных секций и специальных форм лазерного реза, типа 6, см. чертеж), расширить диапазон подгонки ТКС за счет комбинирования соотношениями сопротивлений тензочувствительных элементов, типов их электрических соединений (параллельное, последовательное), а также использования специальных подгоночных секций (подгоночных перемычек 5, рис. 1).

ЛИТЕРАТУРА

1. Клокова Н.П. Тензорезисторы: Теория, методики расчета, разработки. - М.: Машиностроение, 1990. - 224 с.

2. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: (измерительные преобразователи). Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинг. от.-ние, 1983. - 320 с.

3. Полупроводниковые тензодатчики (перевод с англ.). Под редакцией М. Дина. - М.Л.: Энергия, 1965. - 216 с.

4. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 535 с.

Способ изготовления термокомпенсированного тензорезистора, включающий напыление на гибкую диэлектрическую подложку резистивных слоев, формирование контактных площадок, формирование методом фотолитографии чувствительных элементов тензорезистора, измерение сопротивлений которых в процессе подгонки ТКС тензорезистора осуществляют омметром, подключенным к соответствующим контактным площадкам, отличающийся тем, что тензорезистор изготавливают из двух резистивных материалов с различными величинами и знаками ТКС, формируют на подложке два соединенных последовательно тензочувствительных элемента, объединенные выводы которых соединяют с контактной площадкой, расположенной с одной стороны подложки, а два оставшихся вывода подключают к контактным площадкам, находящимся в непосредственной близости с другой стороны подложки, осуществляют термокомпенсацию лазерной подгонкой соотношения сопротивлений чувствительных элементов, предварительно определив способ электрического соединения тензочувствительных разнородных элементов, после чего для параллельного способа их соединения расположенные в непосредственной близости контактные площадки соединяют методом контактной сварки или пайки и используют для соединения с общим выводом, а в случае последовательного соединения выводы тензорезистора подключают к расположенным с одной стороны контактным площадкам.