СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ С ТЕНЗОРЕЗИСТОРАМИ Российский патент 2007 года по МПК G01L7/02 

Описание патента на изобретение RU2301977C1

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии изготовления датчиков, преимущественно тензометрических датчиков давления.

Известен способ температурной компенсации мостовых схем тонкопленочных тензорезисторных датчиков, заключающийся в регулировании сопротивлений и температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Регулирование сопротивления резистора осуществляют пропусканием через него постоянного тока, а регулирование ТКС - пропусканием импульсного тока, причем величину как импульсного так и постоянного тока выбирают в 10-15 раз больше номинального рабочего. (Авт. свидетельство №1174738, G01B 7/16, заявл. 8.12.83, опубл. 23.08.85).

Недостатком известного способа является высокая трудоемкость и сложность в определении вида обработки постоянным или импульсным током для конкретного размера, контроля номиналов тензорезисторов, ТКС и начального выходного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности является способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами (УЭ ДД), заключающийся в циклической термостабилизации перепадом температур и последующим воздействием механической нагрузкой, превышающей максимально рабочую, охлаждении упругого элемента перед механическим нагруженном жидким азотом и контроле выходного сигнала, циклического разогрева упругого элемента постоянным током с одновременным действием механической нагрузки до момента становления постоянного выходного сигнала. (Авт. свидетельство №1182289, G01L 7/08, заявл. 27.10.83, опубл. 30.09.85).

Недостатком этого способа является сложность, высокая трудоемкость процесса термостабилизации упругого элемента, заключающегося в циклическом воздействии температур, механической нагрузки и воздействии постоянного тока до установления постоянного выходного сигнала.

Целью изобретения является повышение качества и надежности УЭ ДД, повышение стабильности начального выходного сигнала УЭ ДД и выявление скрытых дефектов тензорезисторов на ранних стадиях изготовления УЭ ДД.

Поставленная цель достигается тем, что в способе стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами, заключающемся в термостабилизации с одновременным контролем выходного сигнала и циклическим разогревом, разогрев тензорезисторов проводят импульсным электрическим током до температур, обеспечивающих высокотемпературный отжиг перед его термостабилизацией, причем термостабилизацию проводят при температуре 80°С с одновременным циклическим воздействием на схему тензорезисторов повышенного напряжения питания и при этом осуществляют контроль по скорости изменения величины начального выходного сигнала.

Разогрев тензорезисторов импульсным электрическим током позволяет обнаружить на ранней стадии стабилизации УЭ ДД скрытые дефекты тонкопленочных тензорезисторов с последующей отбраковкой потенциально ненадежных тензорезисторов.

Способ осуществляют следующим образом.

УЭ ДД со сформированной схемой подвергают импульсной токовой обработке. Затем для выявления потенциально нестабильных металлопленочных модулей измерительных (МЭ) проводят термостабилизацию при температуре 80°С с одновременным циклическим воздействием на схему тензорезисторов повышенного напряжения питания UП=(9,0±0,1)B. Термостабилизацию с одновременным воздействием на схему повышенного напряжения питания и осуществление контроля по скорости изменения величины начального выходного сигнала проводят в следующем порядке. Предварительно замеряют начальный выходной сигнал U0 в нормальных условиях (22±4)°С при рабочем напряжении питания электрической схемы UП=(6,0±0,05)B. Затем УЭ, со сформированной на них схемой, помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 80°С с одновременной подачей на схему повышенного напряжения питания UП=(9,0±0,1)B. По истечении одного часа устанавливают рабочее напряжение питания электрической схемы UП=(6,0±0,05)B, при температуре 80°С, выдерживают в течение пяти минут и замеряют начальный выходной сигнал U0ti. Проводят еще четыре таких цикла, не вынимая из сушильного шкафа, при температуре 80°С. Затем упругие элементы остужают до нормальных условий (22±4)°С в течение одного часа и замеряют начальный выходной сигнал U0 при рабочем напряжении питания электрической схемы UП=(6,0±0,05)B. Отбраковку потенциально нестабильных тензорезисторов, сформированных на упругом элементе, проводят в следующем порядке. По полученным данным проводят расчет скорости изменения величины начального выходного сигнала U0ti и проводят отбраковку согласно формуле

ΔVi - скорость изменения величины начального выходного сигнала через каждый час, мВ/час;

U0ti - начальный выходной сигнал при напряжении UП=(6,0±0,05)B, температуре 80°С после термостабилизации за время ti, мВ;

U0ti+1 - начальный выходной сигнал при напряжении UП=(6,0±0,05)B, температуре 80°С после термостабилизации за время ti+1, мВ;

I=1...5 - количество измерений;

Т=1 час.

Если ΔVi>0,1мB/час, то УЭ ДД браковать.

Пример. Подложки из коррозионностойкой стали после очистки помещают в вакуумную камеру и производят напыление диэлектрического слоя на основе моноокиси кремния, затем формируют тензорезисторы методом термического напыления в вакууме из резистивного сплава на основе нихрома и проводящего слоя золота с адгезионным подслоем ванадия. После формирования электрической схемы УЭ ДД разваривают в приспособление для настройки и подвергают импульсной токовой обработке.

Импульсным током кратковременно разогревают обрабатываемую пленку тонкопленочных тензорезисторов до высоких температур (порядка +(1300-1500)°С), что значительно выше, чем разогрев постоянным электрическим током. При этом можно получить эффект высокотемпературного отжига конкретных тензорезисторов или тензомоста в целом. Высокотемпературный отжиг приводит к изменению структуры тонкой пленки в первую очередь в местах наибольшей дефектности пленки и, таким образом, выявляются потенциально нестабильные тензорезисторы. Применение способа импульсной токовой обработки позволяет достичь контролируемого упорядочения структуры пленки тензорезисторов и образования мостиков проводимости между отдельными зернами.

Затем для выявления потенциально нестабильных металлопленочных модулей измерительных (МЭ) проводят термостабилизацию при температуре 80°С с одновременным циклическим воздействием на схему тензорезисторов повышенного напряжения питания UП=(9,0±0,1)B. Термостабилизацию с одновременным циклическим воздействием на схему тензорезисторов повышенного напряжения питания и осуществление контроля по скорости изменения величины начального выходного сигнала проводят в следующем порядке. Предварительно замеряют начальный выходной сигнал U0 в нормальных условиях (22±4)°С при рабочем напряжении питания электрической схемы UП=(6,0±0,05)B. Затем УЭ, со сформированной на них схемой, помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 80°С с одновременной подачей на схему повышенного напряжения питания UП=(9,0±0,1)B. По истечении одного часа устанавливают рабочее напряжение питания электрической схемы UП=(6,0±0,05)B, при температуре 80°С, выдерживают в течение пяти минут и замеряют начальный выходной сигнал U0ti. Проводят еще четыре таких цикла, не вынимая из сушильного шкафа, при температуре 80°С. Затем упругие элементы остужают до нормальных условий (22±4)°С в течение одного часа и замеряют начальный выходной сигнал U0 при рабочем напряжении питания электрической схемы UП=(6,0±0,05)B. Отбраковку потенциально нестабильных тензорезисторов, сформированных на упругом элементе, проводят в следующем порядке. По полученным данным проводят расчет скорости изменения величины начального выходного сигнала U0ti и проводят отбраковку согласно формуле

ΔVi - скорость изменения величины начального выходного сигнала через каждый час, мВ/час;

U0ti - начальный выходной сигнал при напряжении UП=(6,0±0,05)B, температуре 80°С после термостабилизации за время ti, мВ;

U0ti+1 - начальный выходной сигнал при напряжении UП=(6,0±0,05)B, температуре 80°С после термостабилизации за время ti+1, мВ;

I=1...5 - количество измерений;

Т=1 час.

Если ΔVi>0,1мВ/4ac, то УЭ ДД браковать.

Несложное оборудование и простота управления процессом являются несомненным преимуществом данного способа.

Данный способ внедрен в производство датчиков давления для выявления потенциально ненадежных УЭ ДД на ранней стадии изготовлении.

В таблице 1 приведена сравнительная оценка величины процента выхода годных УЭ №1 и №2 ДД (собранных по КД) и УЭ ДД, собранных с применением импульсной токовой обработки (ИТО).

Таблица 1Вариант номера УЭДДОсобенности изготовленияПроцент выхода годных по месяцам0203040506080910111По КД и ТД90,189,593,687,979,392,097,382,4-С учетом ИТО--------88,42По КД и ТД93,192,395,2--92,5---С учетом ИТО--------100,0

Как видно из таблицы, процент выхода годных УЭ ДД №1, изготовленных по действующей КД и ТД, составил от 79,3% до 97,3%, а при изготовлении этих УЭ ДД с применением ИТО - 88,4%. Процент выхода годных УЭ ДД №2, изготовленных по действующей КД и ТД, составил от 92,3% до 95,2%, а при изготовлении этих УЭ ДД с применением ИТО - 100%, то есть отбраковка всех потенциально нестабильных УЭ ДД произошла на предыдущей стадии сборки.

Статический анализ результатов изменения величины начального выходного сигнала U0 по стадиям настройки и сборки датчика давления (с ИТО) и без обработки (по КД).

Расчет значений статических показателей (дисперсия распределения значения начального выходного сигнала U0, среднеквадратичное отклонение (СКО) значения начального выходного сигнала U0) производился по исходным данным на ПЭВМ с применением программы EXCEL, результаты расчетов приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2Дисперсия распределения значения начального выходного сигнала Uo по стадиям настройки и сборки датчика давленияСтадия сборки и настройкив п/бСборкапосле сварки, опер. 050после настройки, опер. 105до сварки, опер. 046после сварки, опер. 063настройка, опер.1001234567с ИТО0,01020,01820,01030,01250,01530,01540,0132по КД0,00140,01090,01750,02540,02660,02780,0266

По данным таблицы 2 построены графики (см. фиг.1) зависимости изменения дисперсии распределения значения начального выходного сигнала Uo по стадиям настройки и сборки датчика давления. Анализ полученных зависимостей показывает резкое изменение дисперсии Uo, у датчиков, изготавливаемых по КД, на стадиях 1, 2, 3 и 4. Тогда как у датчиков, изготовленных с применением ИТО, резких изменений дисперсии Uo на протяжении всех стадий сборки и настройки не происходит, что говорит о стабилизации этого параметра на ранней стадии сборки.

Таблица 3Среднеквадратичное отклонение значения начального выходного сигнала Uo по стадиям настройки и сборки датчика давленияСтадия сборки и настройкив п/бСборкапосле сварки, опер. 050после настройки, опер. 105ДО сварки, опер.046после сварки, опер.063настройка, опер. 1001234567с ИТО-7,1250,0491,6271,2061,6031,6402,056по КД1,000-2,763-1,808-0,660-0,721-0,796-0,801

По данным таблицы 3 построены графики (см. фиг.2) зависимости изменения СКО значения начального выходного сигнала Uo по стадиям настройки и сборки датчика давления. Анализ полученных зависимостей показывает резкое изменение СКО Uo у датчиков, изготавливаемых по КД, на стадиях 1, 2, 3 и 4. Тогда как у датчиков, изготовленных с применением ИТО, СКО Uo плавно изменяется на стадиях 1, 2, 3 и далее не изменяется на протяжении всех остальных стадий сборки и настройки, что говорит о стабилизации этого параметра на ранней стадии сборки.

Анализ статистической обработки результатов изменения величины начального выходного сигнала Uo по стадиям настройки и сборки датчика давления (с ИТО) и без обработки (по КД) показывает эффективность импульсной токовой обработки тензосхемы на ранней стадии изготовления УЭ ДД.

Похожие патенты RU2301977C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ С ТЕНЗОРЕЗИСТОРАМИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ 2009
  • Волохов Игорь Валерианович
  • Ворожбитов Анатолий Иванович
  • Лашманова Валентина Ивановна
RU2399894C1
СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ 2010
  • Белозубов Евгений Михайлович
  • Белозубова Нина Евгеньевна
  • Васильев Валерий Анатольевич
RU2434210C1
СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ 2011
  • Белозубов Евгений Михайлович
  • Белозубова Нина Евгеньевна
  • Васильев Валерий Анатольевич
RU2472127C1
СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ С ТЕНЗОРЕЗИСТОРАМИ 2014
  • Гурин Сергей Александрович
  • Песков Евгений Владимирович
  • Ворожбитов Анатолий Иванович
  • Чебурахин Игорь Николаевич
RU2566538C1
СПОСОБ ТЕМПЕРАТУРНОЙ НАСТРОЙКИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ С МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПЬЮ 2004
  • Тихоненков В.А.
  • Тихоненков Е.В.
RU2259537C1
Способ настройки тензометрических мостов 1990
  • Жучков Анатолий Иванович
  • Тихоненков Владимир Андреевич
  • Иго Александр Владимирович
SU1758563A1
СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ МЕХАНИЗМА ОБРАЗОВАНИЯ АДДИТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ С МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПЬЮ 2003
  • Тихоненков В.А.
  • Сорокин М.Ю.
  • Тихоненков Е.В.
RU2253087C2
КОСВЕННЫЙ СПОСОБ НАСТРОЙКИ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ С МОСТОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПЬЮ ПО АДДИТИВНОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ПОГРЕШНОСТИ 2006
  • Тихоненков Владимир Андреевич
  • Тихоненков Евгений Владимирович
RU2307998C1
Тензометрическое устройство 1989
  • Фильчиков Валерий Андреевич
  • Гузненков Николай Тимофеевич
  • Исаков Сергей Алексеевич
  • Синицын Михаил Иванович
SU1793199A1
ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО НАСТРОЙКИ 1985
  • Белозубов Е.М.
  • Михайлов П.Г.
RU2028584C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 301 977 C1

Реферат патента 2007 года СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ С ТЕНЗОРЕЗИСТОРАМИ

Изобретение относится к электронной технике, в частности, к технологии изготовления датчиков, преимущественно тензометрических датчиков давления. Способ стабилизации заключается в термостабилизации упругого элемента с одновременным контролем выходного сигнала и циклическим разогревом. Разогрев тензорезисторов проводят импульсным электрическим током до температур, обеспечивающих высокотемпературный отжиг перед его термостабилизацией. Термостабилизацию проводят при температуре 80°С с одновременным циклическим воздействием на схему тензорезисторов повышенного напряжения питания и при этом осуществляют контроль по скорости изменения величины начального выходного сигнала. Техническим результатом изобретения является повышение качества и надежности упругого элемента датчика давления, повышение стабильности начального выходного сигнала упругого элемента датчика давления и выявление скрытых дефектов тензорезисторов на ранних стадиях изготовления упругого элемента датчика давления. 2 ил., 3 табл.

Формула изобретения RU 2 301 977 C1

Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами, заключающийся в термостабилизации упругого элемента с одновременным контролем выходного сигнала и циклическим разогревом, отличающийся тем, что разогрев тензорезисторов проводят импульсным электрическим током до температур, обеспечивающих высокотемпературный отжиг перед его термостабилизацией, причем термостабилизацию проводят при температуре 80°С с одновременным циклическим воздействием на схему тензорезисторов повышенного напряжения питания, и при этом осуществляют контроль по скорости изменения величины начального выходного сигнала согласно формуле

где ΔVi - скорость изменения величины начального выходного сигнала через каждый час, мВ/ч;

U0ti - начальный выходной сигнал при напряжении UП=(6,0±0,05) В, температуре 80°С после термостабилизации за время ti, мВ;

U0ti+1 - начальный выходной сигнал при напряжении UП=(6,0±0,05) В, температуре 80°С после термостабилизации за время ti+1, мВ;

I=1...5 - количество измерений;

Т=1 ч,

при этом если ΔVi>0,1 мВ/ч, то упругий элемент датчика давления следует браковать.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2007 года RU2301977C1

Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами 1983
  • Волков Валентин Александрович
  • Рыжаков Виктор Васильевич
  • Цапулин Анатолий Иванович
SU1182289A1
RU 2004106086 A, 10.08.2005
СПОСОБ ОТБРАКОВКИ РЕЗИСТОРОВ ПО ВЕЛИЧИНЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ 0
SU344512A1
Способ контроля качества наклеивания проволочных тензорезисторов 1977
  • Серьезнов Алексей Николаевич
  • Скотников Анатолий Алексеевич
  • Кузнецов Александр Николаевич
SU649947A1
Способ оценки нестабильности характеристик тензорезисторов 1978
  • Парфенов Михаил Михайлович
SU684294A1
DE 10238163, 26.02.2004.

RU 2 301 977 C1

Авторы

Волохов Игорь Валерьянович

Песков Евгений Владимирович

Попчёнков Дмитрий Валентинович

Даты

2007-06-27Публикация

2005-10-26Подача