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

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

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем с мостовой измерительной цепью, в том числе тензорезисторы которых выполнены в виде тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования.

Известен способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической 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 тензорезисторного 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, в том числе вызванных дефектами на элементах и переходах НиМЭМС, возникающих в процессе изготовления. 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 с учетом количества, размеров и распределения дефектов на элементах и переходах НиМЭМС, без непосредственного контакта с НиМЭМС на самых ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС, обеспечивающего пропуск на дальнейшую сборку тензорезисторов и мостовых измерительных цепей из этих 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, и проводящих элементах, соединяющих тензорезисторы в мостовую измерительную цепь.

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления тензорезисторного 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 соответствии с заявляемым изобретением, формирование тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними проводят в областях, в которых воздействующие на них при эксплуатации деформации и температуры удовлетворяют соотношениям

1 r 12 − r 11 ∫ r 11 r 12 ε 1 ( r 1 ) d r 1 = 1 r 22 − r 21 ∫ r 21 r 22 ε 2 ( r 2 ) d r 2

1 r 12 − r 11 ∫ r 11 r 12 T 1 ( r 1 ) d r 1 = 1 r 22 − r 21 ∫ r 21 r 22 T 2 ( r 2 ) d r 2 ,   ( 1 )

где r₁₁, r₁₂ - минимальное и максимальное расстояние от первой пары противолежащих тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними до центра мембраны, соответственно;

r₂₁, r₂₂ - минимальное и максимальное расстояние от второй пары противолежащих тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними до центра мембраны, соответственно;

ε₁, ε₂ - деформация, воздействующая на первую и вторую пару противолежащих тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними, соответственно;

Т₁, T₂ - температура, воздействующая на первую и вторую пару противолежащих тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними, соответственно, а после формирования измеряют размеры и площадь элементов и переходов НиМЭМС с учетом количества, размеров и распределения дефектов, вычисляют по ним критерий временной стабильности по соотношению

Ψ τ 04 = ∑ j = 1 4 ∑ i = 1 N l P − 1 | l P i j − l P | + b P − 1 | b P i j − b P | + S P − 1 | S P i j − S P | + l P A − 1 | l P A i j − l P A | + b P A − 1 | b P A i j − b P A | + + S P A − 1 | S P A i j − S P A | + l A − 1 | l A i j − l A | + b A − 1 | b A i j − b A | + S A − 1 | S A i j − S A | + l K − 1 | l K i j − l K | + b K − 1 | b K i j − b K | +       ( 2 ) + S K − 1 | S K i j − S K | + l K П − 1 | l K П i j − l K П | + b K П − 1 | b K П i j − b K П | + S K П − 1 | S K П i j − S K П | + l П − 1 | l П i j − l П | + b П − 1 | b П i j − b П | + + S П − 1 | S П i j − S П | ,

где l_PiJ, l_PAiJ, l_AiJ, l_AKiJ, l_КПJ, l_ПJ - измеренная длина соответствующих элементов и переходов;

b_PiJ, b_PAiJ, b_AiJ, b_AKiJ, b_KiJ, b_КПJ, b_ПJ - измеренная ширина соответствующих элементов и переходов i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

S_PiJ, S_PAiJ, S_AiJ, S_AKiJ, S_KiJ, S_КПJ, S_ПJ - измеренная площадь соответствующих элементов и переходом i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

_PiJ, _Aij, _Kij, _Пj - индексы, означающиеся принадлежность индексируемых параметров соответственно тензорезистивному, адгезионному, контактному элементу i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

_PAij, _AKij, _KПj - индексы, означающиеся принадлежность индексируемых параметров соответственно переходу тензорезистивный - адгезионный, адгезионный - контактный, контактный - проводящий i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

j=1, 2, 3, 4 - номер тензорезистора в мостовой схеме;

i=1…N - номер тензоэлемента в тензорезисторе;

l_P, l_PA, l_A, l_AK, l_K, l_KП, l_П - проектное значение длины соответствующих элементов и переходов;

b_P, b_PA, b_A, b_AK, b_K, b_KП, b_П - проектное значение ширины соответствующих элементов и переходов;

S_PiJ, S_PAiJ, S_AiJ, S_AKiJ, S_KiJ, S_KПJ, S_ПJ - проектное значение площади соответствующих элементов и переходов,

и, если | Ψ τ 04 | < | Ψ τ Δ 4 | , где Ψ_τΔ4 - предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. Изготавливают мембрану из прецизионного сплава с периферийным основанием в виде оболочки вращения методами лезвийной обработки с применением на последних стадиях электроэрозионной обработки. Полируют поверхность мембраны с использованием 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). В соответствии с заявляемыми соотношениями (1) с использованием методов электронного моделирования определяют области формирования тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними. Формируют тензоэлементы с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними в этих областях.

При формировании перемычек и контактных площадок методом фотолитографии низкоомную 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 например, методом фотолитографии с использованием шаблона перемычек и контактных площадок. 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 формирования элементов и переходов НиМЭМС измеряют неконтактным способом количество, размеры и площадь элементов и переходов НиМЭМС с помощью программно-аппаратного комплекса, включающего программируемый микроскоп с блоком обработки видеоизображений. Этот блок, в том числе выдает измеренные значения площадей элементов и переходов НиМЭМС с учетом количества, размеров и распределения дефектов, возникших в процессе изготовления. Эти дефекты вызваны несовершенством структуры металла упругого элемента, дефектами диэлектрической пленки и тензочувствительного слоя. У современных материалов промышленного производства на нано- и микроуровне эти дефекты присутствуют всегда. Дифференциация дефектов проводится по изменению цвета. По результатам измерения вычислительное устройство программно-аппаратного комплекса вычисляет критерий временной стабильности Ψτ₀₄, который учитывает количество, размеры и распределение дефектов, по заявляемому соотношению. Если | Ψ τ 04 | < | Ψ τ Δ 4 | , где Ψ_τΔ4. - предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции. Если | Ψ τ 04 | < | Ψ τ Δ 4 | , то данную сборку списывают в технологический отход или реставрируют.

Для установления причинно-следственной связи заявляемых признаков и достигаемого технического эффекта рассмотрим наиболее общие элементы тонкопленочных тензорезисторов, используемые при создании НиМЭМС. Отметим наиболее общие, влияющие на временную стабильность, элементы тонкопленочных тензорезисторов, используемые при создании НиМЭМС с идентичными тензоэлементами. 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. 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 схему и - со схемой питания и преобразования сигнала. С точки зрения повышения стабильности будем рассматривать только проводящие элементы, находящихся в областях от контактных элементов до узлов мостовой измерительной схемы. Как правило, эти узлы совпадают с местами присоединения выводных проводников, соединяющих мостовую схему со схемой питания и преобразования сигнала. При выполнении НиМЭМС в виде мостовой измерительной схемы с четырьмя рабочими тензорезисторами, как это изображено на фиг.2, в стационарном температурном режиме можно записать выходной сигнал НиМЭМС в виде

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

где Е - напряжение питания мостовой измерительной схемы;

R₁, R₂, R₃, R₄ - сопротивление тензорезисторов R1, R2, R3, R4.

Определим условие временной стабильности НиМЭМС в виде

U ( τ + Δ τ ) = U ( τ ) ,   ( 4 )

где U(τ+Δτ) - начальный выходной сигнал в момент времени (τ+Δτ);

U(τ) - начальный выходной сигнал в момент времени τ;

Δτ - любой интервал времени в пределах срока службы датчика.

После подстановки в выражение (4) выражения (3) и обеспечения необходимой временной 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 =   . ( 5 ) = [ 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

Анализ полученного условия (5) показывает, что его 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 схемы 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 ) ,   ( 6 )

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

где R(τ), R(τ+Δτ) - сопротивления тензорезисторов в различные моменты времени вне зависимости от номера тензорезистора в мостовой схеме. Тогда можно записать соотношения (6), (7) в сокращенном виде

R j ( τ ) = R ( τ ) , R j ( τ + Δ τ ) = R ( τ + Δ τ )   ( 8 )

В случае выполнения тензорезисторов в виде некоторого количества N равномерно распределенных идентичных тензоэлементов, соединенных низкоомными перемычками 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 ( τ ) j = ∑ i = 1 N R P i j ( τ ) + 2 R P A i j ( τ ) + 2 R A K i ( τ ) + 2 R A K i j ( τ ) + 2 R K i j ( τ ) + 2 R K П j ( τ ) + 2 R П j ( τ ) ,   ( 9 ) R ( τ + Δ τ ) j = ∑ i = 1 N R P i j ( τ + Δ τ ) + 2 R P A i j ( τ + Δ τ ) + 2 R A K i ( τ + Δ τ ) + 2 R A K i j ( τ + Δ τ ) + 2 R K i j ( τ + Δ τ ) +   ,     ( 10 ) + 2 R K П j ( τ + Δ τ ) + 2 R П j ( τ + Δ τ )

где R_Pij, R_Aij, R_Kij, R_Пj - соответственно сопротивление тензорезистивного, адгезионного, контактного элемента i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

R_PAij, R_AKij, R_KПj - соответственно сопротивление переходов элементов тензорезистивный - адгезионный, адгезионный - контактный, контактный - проводящий i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

j=1, 2, 3, 4 - номер тензорезистора в мостовой схеме;

i=1…N - номер тензоэлемента в тензорезисторе.

В самом общем случае сопротивление каждого элемента тонкопленочного тензорезистора определяется удельным поверхностным сопротивлением, длиной и шириной элемента или перехода. Теоретические и экспериментальные исследования долговременного влияния внешних воздействующих факторов на НиМЭМС (в идеальном случае при отсутствии дефектов) показали, что в наибольшей степени на параметры, определяющие сопротивление тензорезисторов, влияют деформации, температуры и время. В соответствии с выражениями (9), (10) представим математические модели сопротивлений тонкопленочных тензорезисторов в виде следующих выражений:

R j ( τ ) = ∑ i = 1 N ρ P i J ( ε P i J , T P i J , τ ) l P i J ( ε P i J , T P i J , τ ) [ b P i J ( ε P i J , T P i J , τ ) ] − 1 + 2 ρ P A i J ( ε P A i J , T P A i J , τ ) l P A i J ( ε P A i J , T P A i J , τ ) × × [ b P A i J ( ε P A i J , T P A i J , τ ) ] − 1 + 2 ρ A i J ( ε A i J , T A i J , τ ) l A i J ( ε A i J , T A i J , τ ) [ b A i J ( ε A i J , T A i J , τ ) ] − 1 + 2 ρ A K i J ( ε A K i J , T A K i J , τ ) × × l A K i J ( ε A K i J , T A K i J , τ ) [ b A K i J ( ε A K i J , T A K i J , τ ) ] − 1 + 2 ρ K i J ( ε K i J , T K i J , τ ) l K i J ( ε K i J , T K i J , τ K i J ) [ b K i J ( ε K i J , T K i J , τ ) ] − 1 +   , ( 11 ) + 2 ρ K П J ( ε K J , T K J , τ ) l K П J ( ε K П J , T K П J , τ ) [ b K П J ( ε K П J , T K П 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

R j ( τ + Δ τ ) = ∑ i = 1 N ρ P i J ( ε P i J , T P i J , τ + Δ τ ) l P i J ( ε P i J , T P i J , τ + Δ τ ) [ b P i J ( ε P i J , T P i J , Δ τ ) ] − 1 + + 2 ρ P A i J ( ε P A i J , T P A i J , τ + Δ τ ) × l P A i J ( ε P A i J , T P A i J , τ + Δ τ ) × [ b P A i J ( ε P A i J , T P A i J , Δ τ ) ] − 1 + + 2 ρ A i J ( ε A i J , T A i J , τ + Δ τ ) l A i J ( ε A i J , T A i J , τ + Δ τ ) × [ b A i J ( ε A i J , T A i J , τ + Δ τ ) ] − 1 + + 2 ρ A K i J ( ε A K i J , T A K i J , τ + Δ τ ) l A K i J ( ε A K i J , T A K i J , τ + Δ τ ) × [ b A K i J ( ε A K i J , T A K i J , τ + Δ τ ) ] − 1 +   ,   ( 12 ) + 2 ρ K i J ( ε K i J , T K i J , τ + Δ τ ) l K i J ( ε K i J , T K i J , Δ τ ) [ b K i J ( ε K i J , T K i J , Δ τ ) ] − 1 + + 2 ρ K П J ( ε K J , T K J , Δ τ ) × l K П J ( ε K П J , T K П