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.

 

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 U_П=(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 U_П=(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 U_П=(9,0±0,1)B. По истечении одного часа устанавливают рабочее напряжение питания электрической схемы U_П=(6,0±0,05)B, при температуре 80°С, выдерживают в течение пяти минут и замеряют начальный выходной сигнал U_0ti. 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 U_П=(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 U_0ti и проводят отбраковку согласно формуле

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

U_0ti - начальный выходной сигнал при напряжении U_П=(6,0±0,05)B, температуре 80°С после термостабилизации за время ti, мВ;

U_0ti+1 - начальный выходной сигнал при напряжении U_П=(6,0±0,05)B, температуре 80°С после термостабилизации за время ti+1, мВ;

I=1...5 - количество измерений;

Т=1 час.

Если ΔV_i>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 U_П=(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 U_П=(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 U_П=(9,0±0,1)B. По истечении одного часа устанавливают рабочее напряжение питания электрической схемы U_П=(6,0±0,05)B, при температуре 80°С, выдерживают в течение пяти минут и замеряют начальный выходной сигнал U_0ti. 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 U_П=(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 U_0ti и проводят отбраковку согласно формуле

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

U_0ti - начальный выходной сигнал при напряжении U_П=(6,0±0,05)B, температуре 80°С после термостабилизации за время ti, мВ;

U_0ti+1 - начальный выходной сигнал при напряжении U_П=(6,0±0,05)B, температуре 80°С после термостабилизации за время ti+1, мВ;

I=1...5 - количество измерений;

Т=1 час.

Если ΔV_i>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 1
Вариант номера УЭДД	Особенности изготовления	Процент выхода годных по месяцам
02	03	04	05	06	08	09	10	11
1	По КД и ТД	90,1	89,5	93,6	87,9	79,3	92,0	97,3	82,4	-
С учетом ИТО	-	-	-	-	-	-	-	-	88,4
2	По КД и ТД	93,1	92,3	95,2	-	-	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 2
Дисперсия распределения значения начального выходного сигнала Uo по стадиям настройки и сборки датчика давления
Стадия сборки и настройки	в п/б	Сборка	после сварки, опер. 050	после настройки, опер. 105	до сварки, опер. 046	после сварки, опер. 063	настройка, опер.100
1	2	3	4	5	6	7
с ИТО	0,0102	0,0182	0,0103	0,0125	0,0153	0,0154	0,0132
по КД	0,0014	0,0109	0,0175	0,0254	0,0266	0,0278	0,0266

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 3
Среднеквадратичное отклонение значения начального выходного сигнала Uo по стадиям настройки и сборки датчика давления
Стадия сборки и настройки	в п/б	Сборка	после сварки, опер. 050	после настройки, опер. 105	ДО сварки, опер.046	после сварки, опер.063	настройка, опер. 100
	1	2	3	4	5	6	7
с ИТО	-7,125	0,049	1,627	1,206	1,603	1,640	2,056
по КД	1,000	-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.

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

U_0ti - начальный выходной сигнал при напряжении U_П=(6,0±0,05) В, температуре 80°С после термостабилизации за время ti, мВ;

U_0ti+1 - начальный выходной сигнал при напряжении U_П=(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 ΔV_i>0,1 мВ/ч, то упругий элемент датчика давления следует браковать.