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

Способ изготовления 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 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

где ρ_Pj, 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_KПJ, l_ПJ - эффективная длина соответствующих элементов и переходов; b_PJ, b_PAJ, b_AJ,, b_AKJ, b_KJ, b, b_ПJ, - эффективная ширина соответствующих элементов и переходов j-ого тензорезистора; ε_PJ, ε_PAJ, ε_AJ, ε_AKJ, ε_KJ, ε_KПJ, ε_ПJ - относительная деформация, воздействующая на соответствующие элементы и переходы; T_PJ, T_PAJ, T_AJ, T_AKJ, T_KJ, T_KПJ, 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 _PAJ, _AKJ, _КПJ, 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_c - 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

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-SiO₂ 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.

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_c 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

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. 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

R 1 ( τ ) = R 2 ( τ ) = R 3 ( τ ) = R 4 ( τ ) = R ( τ ) ,   ( 7 )

R 1 ( τ + Δ τ ) = R 2 ( τ + Δ τ ) = R 3 ( τ + Δ τ ) = R 4 ( τ + Δ τ ) = R ( τ + Δ τ ) ,   ( 8 )

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

R j ( τ ) = R ( τ ) ,  R j ( τ + Δ τ ) = R ( τ + Δ τ )   ( 9 )

В результате анализа взаимосвязи тонкопленочных элементов тензорезистора (фиг.1) можно определить сопротивление j-го тонкопленочного тензорезистора в момент временит 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 ) ,   ( 10 )

R j ( τ + Δ τ ) = R P j ( τ + Δ τ ) + 2 R P A j ( τ + Δ τ ) + 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 )                                                                                                  ,   ( 11 )

где R_Pj, R_Aj, R_Kj, R_Пj, - соответственно сопротивление тензорезистивного, адгезионного, контактного, проводящего элемента j-го тензорезистора; R_PAj, R_AKj, R_КПj - 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.

1. Способ изготовления датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектрической системы (НиМЭМС), 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, отличающийся тем, что размещают и выполняют элементы и переходы тензорезисторов таким образом, что их характеристики и факторы, воздействующие на эти элементы и переходы, удовлетворяют соотношению 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 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 − 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 К 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 К П J ( ε K J , T K J , τ + 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 + Δ τ ) ] − 1 ≤ Ψ c ,     ( 1 ) где ρ_Pj, ρ_PAJ, ρ_AJ, ρ_AKJ, ρ_KJ, ρ_ПJ, ρ_КПJ, - 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_КПJ, b_ПJ, - эффективная ширина соответствующих элементов и переходов j-го тензорезистора; ε_PJ, ε_PAJ, ε_AJ, ε_AKJ; ε_KJ, ε_КПJ, ε_ПJ - относительная деформация, воздействующая на соответствующие элементы и переходы; T_PJ, T_PAJ, T_AJ, T_AKJ, T_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-го тензорезистора; индексы _PAJ, _AKJ, _КПJ означают принадлежность соответствующих характеристик или факторов переходам резистивный - адгезионный, адгезионный - контактный, контактный - проводящий j-го тензорезистора; j=1, 2, 3, 4 - номер тензорезистора в мостовой схеме; τ - начало отсчета времени; Δτ - тестовый интервал времени; Ψ_с - разностный критерий стабильности.

2. Способ изготовления датчика давления на основе тонкопленочной НиМЭМС по п.1, отличающийся тем, что размещают и выполняют элементы и переходы тензорезисторов таким образом, что их характеристики и факторы, воздействующие на эти элементы и переходы, удовлетворяют соотношению ρ P j = ρ P 1 ,   ε Pj = ε P 1 ,  T Pj = T P 1 ,  l Pj = l P 1 ,  b Pj = b P 1   ρ PAJ = ρ P A 1 ,   ε PAj = ε P A 1 ,  T PAj = T P A 1 ,  l PAj = l P A 1 , b PAj = b P A 1 ,   ρ AJ = ρ A 1 ,   ε Aj = ε A 1 ,  T Aj = T A 1 ,  l Aj = l A 1 ,  b Aj = b A 1 ,   ρ AKJ = ρ K A 1 ,   ε AKj = ε A K 1 ,   T AKj = T A K 1 ,  l AKj = l A K 1