СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2015 года по МПК G01L9/04 B82B1/00 

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 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 [1].

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.

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, воздействии на НиМЭМС тестовых температур, определении критерия временной стабильности и сравнении его с предельно допустимым [2].

Недостатком известного способа изготовления является сравнительно низкая временная стабильность и большая погрешность при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений вследствие неполного выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС с несовершенной структурой из-за отсутствия учета влияния нестационарных температур и термодеформаций. 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.

Целью предлагаемого изобретения является повышение временной стабильности, ресурса, срока службы, уменьшение погрешности при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений, а также повышение технологичности прогнозирования вследствие более точного выявления потенциально нестабильных НиМЭМС с несовершенной структурой за счет воздействия на НиМЭМС нестационарного поля температур и температурных деформаций.

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, воздействии на НиМЭМС тестовых температур, определении критерия временной стабильности и сравнении его с предельно допустимым в соответствии с заявляемым изобретением, после присоединения выводных проводников к контактным площадкам тензоэлементов НиМЭМС подключают к выходу НиМЭМС регистратор, включают напряжение (или ток питания) НиМЭМС, создают на мембране нормированное нестационарное, симметричное относительно центра мембраны поле температур и температурных деформаций, регистрируют на регистраторе выходной сигнал НиМЭМС во время воздействия на мембрану нестационарного поля температур и температурных деформаций, сравнивают полученный выходной сигнал испытуемой НиМЭМС по амплитуде или (и) по амплитудам спектральных составляющих с аналогичным сигналом эталонной НиМЭМС, и если разницы амплитуд выходных сигналов или (и) амплитуд спектральных составляющих выходных сигналов не превышают предельно допустимых значений, которые принимаются за критерии временной стабильности и определяются экспериментально по статистическим данным для конкретного типоразмера НиМЭМС, то данную сборку передают на последующие операции.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной НиМЭМС сравнение выходных сигналов испытуемой и эталонной НиМЭМС проводят по соотношению

,

где A_Ln - амплитуда n-ой гармоники выходного сигнала испытуемой НиМЭМС при воздействии на ее мембрану нормированного нестационарного, симметричного относительно центра мембраны поля температур и температурных деформаций;

A_Kn - амплитуда n-ой гармоники выходного сигнала эталонной НиМЭМС при воздействии на ее мембрану нормированного нестационарного, симметричного относительно центра мембраны поля температур и температурных деформаций;

A_K1 - амплитуда первой гармоники выходного сигнала эталонной НиМЭМС при воздействии на ее мембрану нормированного нестационарного, симметричного относительно центра мембраны поля температур и температурных деформаций;

n - номер гармоники выходного сигнала НиМЭМС.

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 подключают к выходу НиМЭМС регистратор, включают напряжение (или ток питания) НиМЭМС. При помощи, например, жидкого азота создают на мембране нормированное нестационарное, симметричное относительно центра мембраны поле температур и температурных деформаций. При этом температура мембраны меняется от 25 до минус 196°C. Нормирование поля осуществляется нормированием объема жидкого азота. Регистрируют на регистраторе выходной сигнал НиМЭМС в цифровой форме во время воздействия на мембрану нестационарного поля температур и температурных деформаций. При помощи цифрового устройства сравнивают полученный выходной сигнал испытуемой НиМЭМС по амплитуде или (и) по амплитудам спектральных составляющих с аналогичным сигналом эталонной НиМЭМС. Если разницы амплитуд выходных сигналов или (и) амплитуд спектральных составляющих выходных сигналов не превышают предельно допустимых значений, которые принимаются за критерии временной стабильности и определяются экспериментально по статистическим данным для конкретного типоразмера НиМЭМС, то данную сборку передают на последующие операции. В соответствии с п.2 формулы изобретения сравнение выходных сигналов испытуемой и эталонной НиМЭМС проводят по заявляемому соотношению.

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 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 мы 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

где E - напряжение питания мостовой измерительной схемы;

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

Определим условие временной стабильности НиМЭМС в виде

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 (2) выражения (1) и обеспечения необходимой временной стабильности источника питания E(τ+Δτ)=E(τ), получим условие стабильности НиМЭМС в развернутом виде

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

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

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-ого тонкопленочного тензорезистора в момент времени τ и (τ+Δτ) соответственно

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

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

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

i=1…M - 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:

где ρ_Pij, ρ_PAiJ, ρ_AiJ, ρ_AKiJ, ρ_KiJ, ρ_ПJ, ρ_КПJ, - удельное поверхностное сопротивление соответствующих элементов и переходов i-ого тензоэлемента j-ого тензорезистора;

ε_PiJ, ε_PAiJ, ε_AiJ, ε_AKiJ, ε_KiJ, ε_КПJ, ε_ПJ - относительная деформация, воздействующая на соответствующие элементы и переходы i-ого тензоэлемента j-ого тензорезистора;

T_PiJ, T_PAiJ, T_AiJ, T_AKiJ, T_KiJ, T_КПJ, T_ПJ - температура, воздействующая на соответствующие элементы и переходы i-ого тензоэлемента j-ого тензорезистора.

Тогда расширенные частные условия стабильности НиМЭМС можно представить в виде

Полученные расширенные частные условия стабильности (11) и (12) 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 схемы 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

Анализ соотношения (13) показывает, что предлагаемый критерий временной стабильности в виде разницы амплитуд выходных сигналов или (и) амплитуд спектральных составляющих выходных сигналов испытуемой и эталонной НиМЭМС во время воздействия на мембрану нормированного, симметричного относительно центра мембраны нестационарного поля температур и температурных деформаций соответствует частным условиям стабильности (13), так как только при идентичности структур тонкопленочных тензорезисторов, размеров и характеристик их элементов и переходов, включенных в различные плечи мостовой цепи НиМЭМС, т.е. при выполнении условий стабильности, обеспечивается минимум разницы амплитуд выходных сигналов или (и) амплитуд спектральных составляющих выходных сигналов. Кроме того, только при идентичности структур тонкопленочных тензорезисторов, размеров и характеристик их элементов и переходов, включенных в различные плечи мостовой цепи НиМЭМС, обеспечивается минимизация погрешности при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений. Поэтому предлагаемый критерий стабильности обеспечивает пропуск на дальнейшую сборку НиМЭМС с минимизированной погрешностью при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений. Преимуществом предлагаемого критерия является также повышение технологичности прогнозирования вследствие более точного выявления потенциально нестабильных НиМЭМС с несовершенной структурой за счет воздействия на НиМЭМС нестационарного поля температур и температурных деформаций. При этом сравнение выходных сигналов испытуемой и эталонной НиМЭМС по заявляемому соотношению еще более повышает точность прогнозирования путем возможности сравнения формы сигналов испытуемой и эталонной НиМЭМС, в том числе за счет учета весомости гармоник при помощи множителя , который учитывает уменьшение влияния амплитуды гармоники с повышением ее номера на форму сигнала.

Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение временной стабильности, ресурса, срока службы, уменьшение погрешности при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений, а также повышение технологичности прогнозирования вследствие более точного выявления потенциально нестабильных НиМЭМС с несовершенной структурой за счет воздействия на НиМЭМС нестационарного поля температур и температурных деформаций.

Источники информации

1. RU патент №2423678, C1, G01L 9/00. Способ изготовления тонкопленочного датчика давления. Опубл.: 10.07.2011 г. БИ №19.

2. RU патент №2487328, C1, G01L 9/04, B82B 1/00. Способ изготовления высокостабильного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы. Опубл.: 10.07.2013 г. БИ №19.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью. Техническим результатом изобретения является повышение временной стабильности, ресурса, срока службы, уменьшение погрешности при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений. Способ изготовления тензорезисторного датчика давления заключается в полировании поверхности мембраны, формировании на ней диэлектрической пленки и тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними с использованием шаблона тензочувствительного слоя в виде полос, присоединении выводных проводников к контактным площадкам в областях, удаленных от полос участков, подключении к выходу НиМЭМС регистратора, включении напряжения НиМЭМС, создании на мембране нормированного нестационарного, симметричного относительно центра мембраны поля температур и температурных деформаций. Регистрируют на регистраторе выходного сигнала НиМЭМС во время воздействия на мембрану нестационарное поле температур и температурных деформаций. Сравнивают полученный выходной сигнал испытуемой НиМЭМС по амплитуде спектральных составляющих с аналогичным сигналом эталонной НиМЭМС. Если разницы амплитуд выходных сигналов или амплитуд спектральных составляющих выходных сигналов не превышают предельно допустимых значений, которые принимаются за критерии временной стабильности, то данную сборку передают на последующие операции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической 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, воздействии на НиМЭМС тестовых температур, определении критерия временной стабильности и сравнении его с предельно допустимым, отличающийся тем, что подключают к выходу НиМЭМС регистратор, включают напряжение (или ток питания) НиМЭМС, создают на мембране нормированное нестационарное, симметричное относительно центра мембраны поле температур и температурных деформаций, регистрируют на регистраторе выходной сигнал НиМЭМС во время воздействия на мембрану нестационарного поля температур и температурных деформаций, сравнивают полученный выходной сигнал испытуемой НиМЭМС по амплитуде или (и) по амплитудам спектральных составляющих с аналогичным сигналом эталонной НиМЭМС, и если разницы амплитуд выходных сигналов или (и) амплитуд спектральных составляющих выходных сигналов не превышают предельно допустимых значений, которые принимаются за критерии временной стабильности и определяются экспериментально по статистическим данным для конкретного типоразмера НиМЭМС, то данную сборку передают на последующие операции.

2. Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной НиМЭМС) по п.1, отличающийся тем, что сравнение выходных сигналов испытуемой и эталонной НиМЭМС проводят по соотношению
,
где A_Ln - амплитуда n-ой гармоники выходного сигнала испытуемой НиМЭМС при воздействии на ее мембрану нормированного нестационарного, симметричного относительно центра мембраны поля температур и температурных деформаций;
A_Kn - амплитуда n-ой гармоники выходного сигнала эталонной НиМЭМС при воздействии на ее мембрану нормированного нестационарного, симметричного относительно центра мембраны поля температур и температурных деформаций;
A_K1 - амплитуда первой гармоники выходного сигнала эталонной НиМЭМС при воздействии на ее мембрану нормированного нестационарного, симметричного относительно центра мембраны поля температур и температурных деформаций;
n - номер гармоники выходного сигнала НиМЭМС.