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

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений.

Известен способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе НиМЭМС, предназначенного для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений, 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 в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений, 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 и большая погрешность при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений вследствие отсутствия выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС с несовершенной структурой. Отсутствие такого выявления при эксплуатации приводит к разному временному изменению сопротивлений тензоэлементов НиМЭМС, в том числе вследствие различной скорости деградационных и релаксационных процессов в тензоэлементах, включенных в разные плечи мостовой измерительной схемы. Недостаточная временная стабильность приводит к увеличению временной погрешности и уменьшению ресурса и срока службы датчика. Кроме того, несовершенство структуры НиМЭМС является причиной погрешности датчика при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений вследствие различной реакции тензоэлементов, включенных в разные плечи мостовой измерительной схемы, на вышеуказанные воздействия.

Целью предлагаемого изобретения является повышение временной стабильности, ресурса, срока службы, уменьшение погрешности при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений, а также повышение технологичности прогнозирования за счет более точного и быстрого выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС с несовершенной структурой.

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 областях, удаленных от полос участков в соответствии с заявляемым изобретением, после присоединения выводных проводников к контактным площадкам тензоэлементов НиМЭМС включают напряжение (или ток питания) НиМЭМС и выдерживают в течение времени, необходимого для установления начального выходного сигнала до значения

U 01 = U 00 ± Δ ( U 01 ) ,

где U₀₀ - значение начального выходного сигнала НиМЭМС;

Δ ( U 01 ) - допустимая флуктуация начального выходного сигнала;

выключают напряжение (или ток питания) и после выдержки НиМЭМС в выключенном состоянии в течение времени, достаточного для возвращения НиМЭМС в состояние, предшествующее включению напряжения (или тока питания), включают напряжение (или ток питания) и определяют интервал времени Δ(τ₀₂) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения

U 02 = U 00 ± Δ ( U 02 ) ,

Δ ( U 02 ) = γ 0   U H - допустимое отклонение значения начального выходного сигнала U₀₂;

γ₀ - основная погрешность датчика;

U_H - номинальный выходной сигнал датчика, и, если интервал времени Δ(τ₀₂) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения U₀₂ не превышает предельно допустимого значения, которое принимается за критерий временной стабильности и определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.

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. После присоединения выводных проводников к контактным площадкам НиМЭМС включают напряжение (или ток питания) НиМЭМС и выдерживают в течение времени, необходимого для установления начального выходного сигнала до значения

U 01 = U 00 ± Δ ( U 01 ) ,

где U₀₀ - значение начального выходного сигнала НиМЭМС;

Δ ( U 01 ) - допустимая флуктуация начального выходного сигнала.

Эта операция необходима для точного определения значения начального выходного сигнала НиМЭМС, поэтому допустимую флуктуацию целесообразно ограничить величиной (0,001…0,01)% от номинального выходного сигнала НиМЭМС. Выключают напряжение (или ток питания) и выдерживают НиМЭМС в выключенном состоянии в течение времени, достаточного для возвращения НиМЭМС в состояние, предшествующее включению напряжения (или тока питания). Включают напряжение (или ток питания) и определяют интервал времени Δ(τ₀₂) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения

U 02 = U 00 ± Δ ( U 02 ) ,

Δ ( U 02 ) = γ 0   U H - допустимое отклонение значения начального выходного сигнала U₀₂;

γ₀ - основная погрешность датчика;

U_H - номинальный выходной сигнал датчика.

Использование текстового значения U 02 позволяет увеличить быстродействие прогнозирования без ухудшения точности и качества, так как разница U 02 − Δ ( U 02 ) находится в пределах погрешности, а быстродействие увеличивается на 20…30%. При идентичности структур тонкопленочных тензорезисторов, размеров и характеристик их элементов и переходов, включенных в различные плечи мостовой цепи НиМЭМС, обеспечивается минимум интервала времени Δ(τ₀₂). Если интервал времени Δ(τ₀₂) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения U₀₂ не превышает предельно допустимого значения, которое принимается за критерий временной стабильности и определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции. Если интервал времени Δ(τ₀₂) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения U₀₂ превышает предельно допустимое значение, 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, применяемыми при изготовлении датчиков давления для длительной эксплуатации в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений. Анализ известных решений показал, что к таким элементам можно отнести следующие тонкопленочные элементы, изображенные на фиг.1: диэлектрический 7, 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 мы будем рассматривать только проводящие элементы, находящиеся 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 ,                      (1)

где E - 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 ) ,                 (2)

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

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

Δ τ - любой интервал времени в пределах срока службы датчика.

После подстановки в выражение (2) выражения (1) и обеспечения необходимой временной стабильности источника питания E ( τ + Δ τ ) = 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 1 ( 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                   (3)

Анализ полученного условия (3) 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 ) ,       (4)

R 1 ( τ + Δ τ ) = R 2 ( τ + Δ τ ) = R 3 ( τ + Δ τ ) = R 4 ( τ + Δ τ ) = R ( τ + Δ τ ) ,     (5)

где R ( τ ) , R ( τ + Δ τ ) - 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 )          (6)

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 + Δ τ ) соответственно

R j ( τ ) = ∑ i = 1 N R P i j ( τ ) + 2 R P A i j ( τ ) + 2 R А i j ( τ ) + 2 R А К i j ( τ ) + 2 R К i j ( τ ) + 2 R К П j ( τ ) + 2 R П j ( τ ) ,    (7) R j ( τ + Δ τ ) = ∑ i = 1 N R P i j ( τ + Δ τ ) + 2 R P A i j ( τ + Δ τ ) + 2 R А i j ( τ + Δ τ ) + 2 R А К i j ( τ + Δ τ ) + 2 R К i j ( τ + Δ τ ) + 2 R К П j ( τ + Δ τ ) + 2 R П j ( τ + Δ τ ) ,    (8) где R P i j , R А i j , R К i j , R П j - соответственно сопротивление тензорезистивного, адгезионного, контактного элемента i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

R P А i j , R Ф К i j , R К П j - соответственно сопротивление переходов элементов тензорезистивный - адгезионный, адгезионный - контактный, контактный - проводящий i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

7=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 (7), (8) 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 ) [ ( ε P i J , T P i J , τ ) ] − 1 + 2 ρ P А i J ( ε P А i J , T P А i J , τ ) l P А i J ( ε P А i J , T P А i J , τ ) × [ ( ε P А i J , T P А i J , τ ) ] − 1 + 2 ρ А i J ( ε А i J , T А i J , τ ) l А i J ( ε А i J , T А i J , τ ) × [ ( ε А i J , T А i J , τ ) ] − 1 + 2 ρ А К i J ( ε А К i J , T А К i J , τ ) l А К i J ( ε А К i J , T А К i J , τ ) × [ ( ε А К i J , T А К i J , τ ) ] − 1 + 2 ρ К i J ( ε К i J , T К i J , τ ) l К i J ( ε К i J , T К i J , τ ) × [ ( ε К i J , T К i J , τ ) ] − 1 + 2 ρ К П J ( ε К П J , T К П J , τ ) l К П J ( ε К П J , T К П J , τ ) × [ ( ε К П J , T К 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 ) × [ ( ε П J , T П J , τ ) ] − 1         (9)

R j ( 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 ) [ ( ε P i J , T P i J , τ + Δ τ ) ] − 1 + 2 ρ P А i J ( ε P А i J , T P А i J , τ + Δ τ ) l P А i J ( ε P А i J , T P А i J , τ + Δ τ ) × [ ( ε P А i J , T P А i J , τ + Δ τ ) ] − 1 + 2 ρ А i J ( ε А i J , T А i J , τ + Δ τ ) l А i J ( ε А i J , T А i J , τ + Δ τ ) × [ ( ε А i J , T А i J , τ + Δ τ ) ] − 1 + 2 ρ А К i J ( ε А К i J , T А К i J , τ + Δ τ ) l А К i J ( ε А К i J , T А К i J , τ + Δ τ ) × [ ( ε А К i J , T А К i J , τ + Δ τ ) ] − 1 + 2 ρ К i J ( ε К i J , T К i J , τ + Δ τ ) l К i J ( ε К i J , T К i J , τ + Δ τ ) × [ ( ε К i J , T К i J , τ + Δ τ ) ] − 1 + 2 ρ К П J ( ε К П J , T К П J , τ + Δ τ ) l К П J ( ε К П J , T К П J , τ + Δ τ ) × [ ( ε К П J , T К П 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 + Δ τ ) × [ ( ε П J , T П J , τ + Δ τ ) ] − 1         (10)

где ρ Р i J , ρ Р А i J , ρ А i J , ρ А К i J , ρ К i J , ρ П J , ρ К П J , - Удельное поверхностное сопротивление соответствующих элементов и переходов i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

ε Р i J , ε Р А i J , ε А i J , ε А К i J , ε К i J , ε П J , ε К П J , - относительная деформация, воздействующая на соответствующие элементы и переходы i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

T Р i J , T Р А i J , T А i J , T А К i J , T К i J , T П J , T К П J , - температура, воздействующая на соответствующие элементы и переходы i-го тензоэлемента j-го тензорезистора.

Тогда расширенные частные условия стабильности НиМЭМС можно представить в виде

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 ) [ ( ε P i