Способ изготовления высокостабильного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы

Способ изготовления высокостабильного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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 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 выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС, обеспечивающего пропуск на дальнейшую сборку 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.

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 после присоединения выводных проводников к контактным площадкам до герметизации тензоэлементов с перемычками и контактными площадками подвергают их воздействию до полного восприятия ими тестовых пониженных и повышенных температур, значения которых по абсолютным величинам соответственно равны не менее максимально допустимой пониженной и повышенной температуре при эксплуатации датчика, измеряют сопротивления тензорезисторов при воздействующих температурах, определяют температурные коэффициенты сопротивлений тензорезисторов в диапазоне воздействующих температур, вычисляют по ним критерий временной стабильности по соотношению

Ψ τ α = ( R 2 α 2 R 4 α 4 − R 1 α 1 R 3 α 3 ) ( R 2 α ) − 1 ,     ( 1 )

где R₁, R₂, R₃, R₄ - сопротивление соответственно первого, второго, третьего, четвертого тензорезистора НиМЭМС в нормальных климатических условиях; α₁, α₂, α₃, α₄ - температурный коэффициент сопротивления соответственно первого, второго, третьего, четвертого тензорезистора НиМЭМС; R=0,25(R₁+R₂+R₃+R₄); α=0,25(α₁+α₂+α₃+α₄), и если Ψ_τα>Ψ_ταΔ, где Ψ_ταΔ - предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку списывают в технологический отход.

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 электрохимико-механической 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-SiO₂ с подслоем хрома, тензочувствительную пленку (к примеру, из сплава Х20Н75Ю). При формировании перемычек и контактных площадок методом фотолитографии низкоомную пленку (например, из золота 3 л 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. 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 защиту от воздействия окружающей среды и электрическое контактирование с использованием микросварки выводных проводников с измерительной цепью, подвергают тензорезисторы воздействию до полного восприятия ими тестовых пониженных и повышенных температур, значения которых по абсолютным величинам соответственно равны не менее максимально допустимой пониженной и повышенной температуре при эксплуатации датчика. Например, при максимально допустимой пониженной температуре минус 150°С тензорезисторы подвергают воздействию температуры минус 150°С при наличии высокоточного оборудования для задания такой температуры. При отсутствии такого оборудования целесообразнее тензорезисторы подвергать воздействию температуры жидкого азота (минус 196°С). Измеряют сопротивления тензорезисторов при воздействующих температурах. При этом вследствие характерной особенности тонкопленочных тензорезисторов их сопротивления зависят не только от их температуры, но и от деформационного состояния. Определяют температурные коэффициенты сопротивлений тензорезисторов в диапазоне воздействующих температур по формуле

α j = ( R j + − R j − ) R j − − 1 ,     ( 2 )

где α_j - температурный коэффициент сопротивления j-го тензорезистора НиМЭМС; R_j+ - сопротивление j-го тензорезистора при повышенной температуре; R_j- - сопротивление j-го тензорезистора при пониженной температуре.

Вычисляют по определенным температурным коэффициентам сопротивления тензорезисторов критерий временной стабильности Ψ_τα по соотношению (1) и, если Ψ_τα>Ψ_ταΔ, то данную сборку списывают в технологический отход. Если Ψ_τα<Ψ_ταΔ, то данную сборку извлекают из приспособления и после проведения необходимых операций герметизируют.

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

U = E ( R 4 R 3 + R 4 − R 1 R 1 + R 2 ) ,     ( 3 )

где Е - напряжение питания мостовой измерительной цепи; R₁, R₂, R₃, R₄ - сопротивление тензорезисторов R1, R2, R3, R4.

Проведя необходимые преобразования, получим

U = E ( R 2 R 4 − R 1 R 3 ) [ ( R 1 + R 2 ) ( R 3 + R 4 ) ] − 1 .     ( 4 )

Определим условие временной стабильности НиМЭМС в виде

U ( τ + Δ τ ) = U ( τ ) ,     ( 5 )

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

[ R 2 ( τ + Δ τ ) R 4 ( τ + Δ τ ) − R 1 ( τ + Δ τ ) R 3 ( τ + Δ τ ) ] × × { [ R 1 ( τ + Δ τ ) + R 2 ( τ + Δ τ ) ] × [ R 3 ( τ + Δ τ ) + R 4 ( τ + Δ τ ) ] } − 1 = = [ R 2 ( τ ) R 4 ( τ ) − R 1 ( τ ) R 3 ( τ ) ] × { [ R 1 ( τ ) + R 2 ( τ ) ] × [ R 3 ( τ ) + R 4 ( τ ) ] } − 1     ( 6 )

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.

В результате анализа взаимосвязи тонкопленочных элементов тензорезистора (фиг.1) можно определить сопротивление j-го тонкопленочного тензорезистора в момент времени τ и (τ+Δτ) соответственно

R j ( τ ) = R P j ( τ ) + 2 R P A j ( τ ) + 2 R A j ( τ ) + 2 R A K j ( τ ) + 2 R K j ( τ ) + 2 R К П j ( τ ) + 2 R П j ( τ ) ,     ( 7 )

R j ( τ + Δ τ ) = R P j ( τ + Δ τ ) + 2 R P A j ( τ + Δ τ ) + 2 R A j ( τ + Δ τ ) + 2 R A K j ( τ + Δ τ ) + + 2 R K j ( τ + Δ τ ) + 2 R К П j ( τ + Δ τ ) + 2 R П j ( τ − Δ τ ) ,     ( 8 )

где R_Pj, R_Aj, R_Kj, R_Пj - соответственно сопротивление тензорезистивного, адгезионного, контактного, проводящего элемента j-го тензорезистора; R_РАj, R_АКj, R_KПj - 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 (7), (8) представить сопротивления тонкопленочных тензорезисторов в виде следующих выражений:

R j ( τ ) = ρ P J ( ε P J , T P J , τ ) l P J ( ε P J , T P J , τ ) [ b P J ( ε P J , T P J , τ ) ] − 1 + + 2 ρ P A J ( ε P A J , T P A J , τ ) l P A J ( ε P A J , T P A J , τ ) × × [ b P A J ( ε P A J , T P A J , τ ) ] − 1 + 2 ρ A J ( ε A J , T A J , τ ) l A J ( ε A J , T A J , τ ) [ b A J ( ε A J , T A J , τ ) ] − 1 + + 2 ρ A K J ( ε A K J , T A K J , τ ) × l A K J ( ε A K J , T A K J , τ ) [ b A K J ( ε A K J , T A K J , τ ) ] − 1 + 2 ρ K J ( ε K J , T K J , τ ) l K J ( ε K J , T K J , τ K J ) [ b K J ( ε A K J , T K J , τ ) ] − 1 + + 2 ρ К П J ( ε K J , T K J , τ ) l К П J ( ε K J , T K J , τ ) [ b К П J ( ε K J , T K J , τ ) ] − 1 + + 2 ρ П J ( ε П J , T П J , τ ) l П J ( ε П J , T П J , τ ) × [ b П J ( ε П J , T П J , τ ) ] − 1 ,   ( 9 )

R ( τ + Δ τ ) = ρ P J ( ε P J , T P J , τ + Δ τ ) l P J ( ε P J , T P J , τ + Δ τ ) [ b P J ( ε P J , T P J , τ + Δ τ ) ] − 1 + + 2 ρ P A J ( ε P A J , T P A J , τ + Δ τ ) × l P A J ( ε P A J , T P A J , τ + Δ τ ) × × [ b P A J ( ε P A J , T P A J , τ + Δ τ ) ] − 1 + 2 ρ A J ( ε A J , T A J , τ + Δ τ ) l A J ( ε A J , T A J , τ + Δ τ ) × × [ b A J ( ε A J , T A J , τ + Δ τ ) ] − 1 + + 2 ρ A K J ( ε A K J , T A K J , τ + Δ τ ) l A K J ( ε A K J , T A K J , τ + Δ τ ) × × [ b A K J ( ε A K J , T A K J , τ + Δ τ ) ] − 1 + + 2 ρ K J ( ε K J , T K J , τ + Δ τ ) l K J ( ε K J , T K J , τ + Δ τ ) [ b K J ( ε K J , T K J , τ + Δ τ ) ] − 1 + + 2 ρ K П J ( ε K J , T K J , τ + Δ τ ) × × l К П J ( ε K J , T K J , τ + Δ τ ) [ b K П J ( ε K J , T K J , τ + Δ τ ) ] − 1 + + 2 ρ П J ( ε П J , T П J , τ + Δ τ ) × × l П J ( ε П J , T П J , τ ) [ b П J ( ε П J , T П J , τ ) ] − 1     ( 10 )

где ρ_Рj, ρ_PAJ, ρ_AJ, ρ_AKJ, ρ_KJ, ρ_ПJ, ρ_KПJ - эффективное удельное поверхностное сопротивление соответствующих элементов и переходов; l_PJ, l_PAJ, l_AJ, l_AKJ, l_KJ, l_КПJ, l_ПJ - эффективная длина соответствующих элементов и переходов; b_PJ, b_PAJ, b_AJ, b_AKJ, b_KJ, b_KПJ, b_ПJ - эффективная ширина соответствующих элементов и переходов j-го тензорезистора; ε_РJ, ε_PAJ, ε_AJ, ε_AKJ, ε_KJ, ε_КПJ, ε_ПJ - относительная деформация, воздействующая на соответствующие элементы и переходы; Т_РJ, T_PAJ, Т_AJ, T_AKJ, Т_KJ, T_КПJ, T_ПJ - температура, воздействующая на соответствующие элементы и переходы; индексы _PJ, _AJ, _KJ, _ПJ означают принадлежность соответствующих характеристик или факторов адгезионному, контактному, проводящему элементам j-тензорезистора; индексы _РAJ, _AKJ, _KПJ 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 (9) и (10) была равна нулю, то есть

ρ P J ( ε P J , T P J , τ ) l P J ( ε P J , T P J , τ ) [ b P J ( ε P J , T P J , τ ) ] − 1 + + 2 ρ P A J ( ε P A J , T P A J , τ ) l P A J ( ε P A J , T P A J , τ ) × × [ b P A J ( ε P A J , T P A J , τ ) ] − 1 + + 2 ρ A J ( ε A J , T A J , τ ) l A J ( ε A J , T A J , τ ) [ b A J ( ε A J , T A J , τ ) ] − 1 + + 2 ρ A K J ( ε A K J , T A K J , τ ) × l A K J ( ε A K J , T A K J , τ ) [ b A K J ( ε A K J , T A K J , τ ) ] − 1 + 2 ρ K J ( ε K J , T K J , τ ) l K J ( ε K J , T K J , τ K J ) [ b K J ( ε K J , T K J , τ ) ] − 1 + + 2 ρ K П J ( ε K J , T K J , τ ) l K П J ( ε K J , T K J , τ ) [ b K П J ( ε K J , T K J , τ ) ] − 1 + + 2 ρ П J ( ε П J , T П J , τ ) l П J ( ε П J , T П J , τ ) × × [ b П J ( ε П J , T П J , τ ) ] − 1 − − ρ P J ( ε P J , T P J , τ + Δ τ ) l P J ( ε P J , T P J , τ + Δ τ ) [ b P J ( ε P J , T P J , τ + Δ τ ) ] − 1 − − 2 ρ P A J ( ε P A J , T P A J , τ + Δ τ ) × l P A J ( ε P A J , T P A J , τ + Δ τ ) × × [ b P A J ( ε P A J , T P A J , τ + Δ τ ) ] − 1 − − 2 ρ A J ( ε A J , T A J , τ + Δ τ ) l A J ( ε A J , T A J , τ + Δ τ ) × [ b A J ( ε A J , T A J , τ + Δ τ ) ] − 1 − − 2 ρ A K J ( ε