СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01L9/00 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений.

Известен способ изготовления тонкопленочного датчика давления, предназначенного для измерения давления 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, при этом перед присоединением колодки к упругому элементу выполняют часть контактов, расположенных между колодкой и упругим элементом, длиной, превышающей необходимую, располагают контакты колодки по краям диэлектрической втулки, надвигают колодку на упругий элемент, закрепляют ее на упругом элементе, прикрепляют контакты колодки к контактным площадкам тензосхемы и удаляют излишки контактов [1].

Недостатком известного способа изготовления является сравнительно большая погрешность измерения давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений вследствие различной формы окружных и радиальных тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной схемы. Это связано с тем, что различная форма тензорезисторов приводит к разному изменению сопротивления этих тензорезисторов в процессе изменения температуры от воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений.

Известен способ изготовления тонкопленочного датчика давления, предназначенного для измерения давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений, выбранный в качестве прототипа, 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 направленния, а в зонах совмещаемых с контактными площадками - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков, присоединении выводных проводников, соединенных с гермовыводами, к контактным площадкам в областях, удаленных от полос участков [2].

Недостатком известного способа изготовления является большая погрешность измерения давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений вследствие наличия нескомпенсированных термоэдс, возникающих в местах термоэлектрических неоднородностей "выводной проводник - контакт гермовывода" и "контакт гермовывода - провод, соединяющий контакт с внешней измерительной схемой". Кроме того, нескомпенсированные термоэдс приводят к разным характерам изменений температурных и временных характеристик элементов датчика, что приводит к уменьшению стабильности, ресурса и срока сохраняемости датчика.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения в условиях воздействия нестационарной температуры и повышенных виброускорений, а также повышение технологичности, стабильности, ресурса и срока сохраняемости датчиков за счет уменьшения нескомпенсированных термоэдс, возникающих в местах термоэлектрических неоднородностей "выводной проводник - контакт гермовывода" и "контакт гермовывода - провод, соединяющий контакт с внешней измерительной схемой".

Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления тонкопленочного датчика давления, заключающемся в изготовлении мембраны с периферийным основанием, 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 направленния, 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, согласно предполагаемого изобретения изготавливают контакты гермовыводов или их части, расположенные симметрично их продольным осям и контактирующие с выводными проводниками и проводами, соединяющими гермовыводы с внешней измерительной схемой, из материала с максимально возможным высоким коэффициентом теплопроводности, имеющего минимально возможную разность коэффициентов термоэдс с материалами выводных проводников и проводами, облуживают контакты высокотемпературным припоем, а затем вклеивают их в корпус гермопроходника при помощи полимерного материала, пропитывают его после полной полимеризации анаэробным герметиком и присоединяют выводные проводники к контактам гермовыводов с использованием односторонней контактной сварки-пайки сдвоенным электродом.

Кроме того, согласно предлагаемого изобретения контакты гермовыводов изготавливают из меди или ее сплавов и облуживают их серебросодержащим припоем, перед вклеиванием контактов гермовыводов впаивают с использованием стекла в корпус гермопроходника трубки с внутренним диаметром, превышающим наружный диаметр контактов гермовыводов и помещают контакты в трубки с обеспечением превышения длины контакта длины трубки по обеим сторонам контакта, склеивают контакты с трубками клеем ВК-9 с 60 весовыми частями нитрида бора и аэросилом, полимеризуют его в течение 24 часов при температуре 18-35°С, пропитывают клей анаэробным герметиком Анатерм-1y, выдерживают при температуре 80±5°С в течение не менее 2 часов и присоединяют выводные проводники и провода к контактам в областях отсутствия трубок.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. Изготавливают 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 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 из сплава Х20Н75Ю. При формировании перемычек и контактных площадок методом фотолитографии низкомную пленку из золота Зл 999,9 толщиной 1…1,4 мкм, 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. Формировании перемычек и контактных площадок возможно проводить масочным методом. В этом случае низкомная пленка сплошным слоем не наносится, а напыляется через маску, выполненную в соответствии с шаблоном. 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 направленния, а в зонах совмещаемых с контактными площадками - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков. В результате использования шаблона получают необходимую гетерогенную структуру X20H75K)-V-Au с низкоомными перемычками и контактными площадками, соединяющие тангенциальные и радиальные тензоэлементы. Устанавливают гермопроходник. Присоединяют выводные проводники к контактным площадкам в областях удаленных от полос участков при помощи односторонней контактной сварки сдвоенным электродом.

Изготавливают контакты гермовыводов или их части, расположенные симметрично их продольным осям и контактирующие с выводными проводниками и проводами, соединяющими гермовыводы с внешней измерительной схемой, из материала с максимально возможным высоким коэффициентом теплопроводности, имеющего минимально возможную разность коэффициентов термоэдс с материалами выводных проводников и проводами. Понятия «минимально (максимально) возможные» означают возможные для технологии изготовления конкретных элементов. Например, погрешность будет тем меньше чем больше будет теплопроводность контактов гермовыводов. Но изготавливать контакты из природного алмаза, который обладает наивысшей теплопроводностью, технологически достаточно трудно в частности из-за его высокой стоимости, низкой электропроводности. Поэтому эти элементы могут быть выполнены из цинка, у которого коэффициент теплопроводности λ=112 Вт/м·К, латуни Л96 λ=243 Вт/м·К, бронзы БрХЦр λ=326 Вт/м·К, меди λ=395 Вт/м·К [3]. Выбор конкретных материалов определяется возможностями технологии изготовления с учетом условий эксплуатации датчиков. С точки зрения минимально возможной разности коэффициентов термоэдс с материалами выводных проводников и проводами. Например, контакты гермовыводов выполнены из цинка. Тогда при выполнении выводных проводников из золота, а проводов из меди, разность коэффициентов термоэдс цинка с материалом выводных проводников (золото) составляет 0,2 мкв/°С [4], разность коэффициентов термоэдс (цинка) с материалом проводов (медь) составляет 0,1 мкв/°С [4]. Облуживают контакты высокотемпературным припоем, что обеспечивает защиту материала с максимально возможным высоким коэффициентом теплопроводности, имеющего минимально возможную разность коэффициентов термоэдс с материалами выводных проводников и проводами от окисления, возможность использования односторонней контактной сварки-пайки сдвоенным электродом с традиционно применяемыми материалами выводных проводников. Затем вклеивают контакты в корпус гермопроходника при помощи полимерного материала, например криосила, и пропитывают его после полной полимеризации анаэробным герметиком. После этого присоединяют выводные проводники к контактам гермовыводов с использованием односторонней контактной сварки-пайки сдвоенным электродом. Применение высокотемпературного припоя и односторонней контактной сварки-пайки сдвоенным электродом повышает жесткость контактов и площадь закрепления, а, следовательно, прочность закрепления выводных проводников на контактах, что уменьшает амплитуду виброперемещений контактов и выводных проводников, что приводит к уменьшению их температур. В результате этого уменьшается погрешность измерения в условиях воздействия нестационарной температуры и повышенных виброускорений, а также повышается технологичность, стабильность, ресурс и срок сохраняемости датчиков.

В соответствии с п.2 формулы предлагаемого изобретения изготавливают контакты гермовыводов из меди или ее сплавов. В этом случае при традиционном изготовлении выводных проводников из золота, проводов из меди разность коэффициентов термоэдс материала контактов гермовыводов (меди) с материалом выводных проводников (золото) составляет 0,3 мкв/°С [4], разность коэффициентов термоэдс материала контактов гермовыводов (меди) с материалом проводов (медь) составляет 0 мкв/°С [4]. Гермовыводы облуживают серебросодержащим припоем, например, ПСр2,5. Применение серебросодержащего припоя обеспечивает приемлемую разность коэффициентов термоэдс с материалами выводных проводников и проводов, хорошую теплопроводность контакта, защиту меди или ее сплава от окисления, возможность использования сварки-пайки с традиционно применяемыми материалами выводных проводников и проводов, что уменьшает погрешность измерения в условиях воздействия нестационарной температуры и повышенных виброускорений, а также повышает технологичность, стабильность, ресурс и срок сохраняемости датчиков. Перед вклеиванием контактов гермовыводов впаивают с использованием стекла в корпус гермопроходника трубки с внутренним диаметром, превышающим наружный диаметр контактов гермовыводов. Помещают контакты в трубки с обеспечением превышения длины контакта длины трубки по обеим сторонам контакта, склеивают контакты с трубками клеем ВК-9 с 60 весовыми частями нитрида бора и аэросилом, полимеризуют его в течение 24 часов при температуре 18-35°С. Пропитывают клей анаэробным герметиком Анатерм-1y, выдерживают при температуре 80±5°С в течение не менее 2 часов и присоединяют выводные проводники и провода к контактам в областях отсутствия трубок. Выполнение этих операций позволяет существенно снизить требования к приспособлению для вклеивания контактов, снизить или даже исключить необходимость применения клея с электроизоляционными свойствами, обеспечить долговременное сохранение электрической изоляции контакта от корпуса и повысить герметичность вклеивания контакта, что также повышает технологичность, стабильность, ресурс и срок сохраняемости датчиков. Оптимальность состава, режимов полимеризации клея, а также типа и режимов термообработки анаэробного герметика определена экспериментально. При этом превышение длины контакта длины трубки по обеим сторонам контакта и присоединение выводных проводников и проводов к контактам в областях отсутствия трубок обеспечивает непосредственное электрическое контактирование контактов с выводными проводниками и проводами.

При измерении давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений на датчик, установленный на агрегате жидкостного реактивного двигателя, в датчике возникает в общем случае нестационарное неравномерное температурное поле. Нестационарное неравномерное температурное поле приводит к появлению в элементах датчика, в том числе в контактах гермовыводов, нестационарных градиентов температур, а следовательно, нестационарных тепловых потоков и нескомпенсированных термоэдс, возникающих в местах термоэлектрических неоднородностей "выводной проводник - контакт гермовывода" и "контакт гермовывода - провод, соединяющий контакт с внешней измерительной схемой". Величины этих термоэдс, по сравнению с изготовленными по прототипу, будет меньше вследствие изготовления контактов гермовыводов или их частей, расположенных симметрично их продольным осям и контактирующих с выводными проводниками и проводами, соединяющими гермовыводы с внешней измерительной схемой, из материала с максимально возможным высоким коэффициентом теплопроводности, имеющего минимально возможную разность коэффициентов термоэдс с материалами выводных проводников и проводами. Покажем это на примере. В общем случае величина нескомпенсированной термоэдс на контакте гермовывода, без учета (вследствие их малости) термоэдс Томсона и влияния припоя, равна [5]

$$\Delta E=\Delta S_{В}{T}_{В}-\Delta S_{П}{T}_{П},(1)$$

где ΔS_B - разность коэффициентов термоэдс материалов выводного проводника и контакта гермовывода; T_B - температура термоэлектрической неоднородности "выводной проводник - контакт гермовывода"; ΔS_П - разность коэффициентов термоэдс материалов контакт гермовывода - провод, соединяющий контакт с внешней измерительной схемой; Т_П - температура термоэлектрической неоднородности "контакт гермовывода - провод, соединяющий контакт с внешней измерительной схемой".

При традиционном способе изготовления, используемом в прототипе, выводные проводники изготавливаются из золота Зл 999, контакты - из сплава 29НК-ВИ, провода - из меди. В этом случае, экспериментально определенная Белозубовым Е.М. в диапазоне температур от 25 до минус 196°С разность коэффициентов термоэдс материалов выводного проводника и контакта гермовывода составила ΔS_B=31 мкВ/°С, а разность коэффициентов термоэдс материалов контакт гермовывода - провод (марки МГТФ), соединяющий контакт с внешней измерительной схемой; ΔS_П=32 мкВ/°С. В результате электронного моделирования определено, что при скорости изменения нестационарной температуры 100°С/с на первой секунде от начала процесса разница температур на концах контактов гермовыводов достигает 35°С. Тогда величина нескомпенсированной термоэдс на контакте гермовывода в соответствии с выражннием (1) составит 1,12 мВ, что при номинальном выходном сигнале датчика 9 мВ приведет к появлению погрешности от воздействия нестационарной температуры 12,4%. Кроме того, наличие нескомпенсированной термоэдс приводит к дополнительному изменению сопротивлений тензорезисторов в результате их электрической и электролитической коррозии даже при отсутствии напряжения питания, что уменьшает стабильность, ресурс и срок сохраняемости датчиков, особенно предназначенных для выполнения задачи после длительного (15…25 лет) хранения в составе изделия.

При предлагаемом способе изготовления по п.2 формулы предполагаемого изобретения выводные проводники изготавливаются из золота Зл 999, контакты - из меди или медного сплава, провода (марки МГТФ) - из меди. Изготовление контактов из меди или медного сплава обосновывается сочетанием высокой теплопроводности, технологичности и приемлемыми разностями коэффициентов термоэдс с контактируемыми материалами. В этом случае экспериментально определенная Белозубовым Е.М. в диапазоне температур от 25 до минус 196°С разность коэффициентов термоэдс материалов выводного проводника (золото Зл. 999) и контакта гермовывода (проволока из меди М1) ΔS_В1=0,3 мкВ/°С, а разность коэффициентов термоэдс материалов контакт гермовывода - провод (марки МГТФ), соединяющий контакт с внешней измерительной схемой; ΔS_П1=0,05 мкВ/°С. Так как из закона Фурье следует, что при конкретной величине теплового потока величина градиента температуры обратно пропорциональна величине коэффициента теплопроводности, то следовательно разница температур на концах контактов гермовыводов по предлагаемому решению уменьшится в $${\lambda }_1\cdot {\lambda }_2^{-1}$$ , где λ₁· - коэффициент теплопроводности материала контакта по предлагаемому решению; λ₂ - коэффициент теплопроводности материала контакта по известному решению. Учитывая, что коэффициент теплопроводности меди λ₁·=395 Вт/м·К, а коэффициент теплопроводности сплава 29НК λ₂=16,7 Вт/м·К, получим, что разница температур на концах контактов гермовыводов составляет 1,5°С Тогда величина нескомпенсированной термоэдс на контакте гермовывода в соответствии с выражением (1) составит 0,44 мкВ, что при номинальном выходном сигнале датчика 9 мВ приведет к появлению погрешности от воздействия нестационарной температуры 0,005%.

Использование заявляемых решений в макетах тонкопленочных датчики давления позволили уменьшить, по сравнению с прототипом (в зависимости от направления воздействия тепловых потоков), в 6,5…23,5 раза погрешность измерения при воздействии нестационарной температуры, создаваемой воздействием жидкого азота.

Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения в условиях воздействия нестационарной температуры и повышенных виброускорений, а также повышение технологичности, стабильности, ресурса и срока сохраняемости датчиков за счет уменьшения нескомпенсированных термоэдс, возникающих в местах термоэлектрических неоднородностей "выводной проводник - контакт гермовывода" и "контакт гермовывода - провод, соединяющий контакт с внешней измерительной схемой".

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений. При изготовлении тонкопленочного датчика давления формирование тензоэлементов проводят 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. В зонах, совмещаемых с контактными площадками, шаблон имеет конфигурацию, частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков. Присоединяют выводные проводники к контактным площадкам в областях, удаленных от полос участков. Изготавливают контакты гермовыводов или их части, расположенные симметрично их продольным осям и контактирующие с выводными проводниками и проводами, соединяющими гермовыводы с внешней измерительной схемой, из материала с максимально возможным высоким коэффициентом теплопроводности, имеющего минимально возможную разность коэффициентов термоэдс с материалами выводных проводников и проводами. Облуживают контакты высокотемпературным припоем, а затем вклеивают их в корпус гермопроходника при помощи полимерного материала, пропитывают его после полной полимеризации анаэробным герметиком и присоединяют выводные проводники к контактам гермовыводов с использованием односторонней контактной сварки-пайки сдвоенным электродом. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ изготовления тонкопленочного датчика давления, заключающийся в изготовлении мембраны с периферийным основанием, 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 направленния, 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 изготавливают контакты гермовыводов или их части, расположенные симметрично их продольным осям и контактирующие с выводными проводниками и проводами, соединяющими гермовыводы с внешней измерительной схемой, из материала с максимально возможным высоким коэффициентом теплопроводности, имеющего минимально возможную разность коэффициентов термоэдс с материалами выводных проводников и проводами, облуживают контакты высокотемпературным припоем, а затем вклеивают их в корпус гермопроходника при помощи полимерного материала, пропитывают его после полной полимеризации анаэробным герметиком и присоединяют выводные проводники к контактам гермовыводов с использованием односторонней контактной сварки-пайки сдвоенным электродом.

2. Способ изготовления тонкопленочного датчика давления по п.1, отличающийся тем, что изготавливают контакты гермовыводов из меди или ее сплавов и облуживают их серебросодержащим припоем, перед вклеиванием контактов гермовыводов впаивают с использованием стекла в корпус гермопроходника трубки с внутренним диаметром, превышающим наружный диаметр контактов гермовыводов, помещают контакты в трубки с обеспечением превышения длины контакта длины трубки по обеим сторонам контакта, склеивают контакты с трубками клеем ВК-9 с 60 весовыми частями нитрида бора и аэросилом, полимеризуют его в течение 24 ч при температуре 18-35°С, пропитывают клей анаэробным герметиком Анатерм-ly, выдерживают при температуре 80±5°С в течение не менее 2 ч и присоединяют выводные проводники и провода к контактам в областях отсутствия трубок.