Способ стабилизации нано- и микроэлектромеханической системы тонкопленочного тензорезисторного датчика давления



 

G01L7 - Измерение постоянного или медленно меняющегося давления газообразных и жидких веществ или сыпучих материалов с помощью элементов, чувствительных к механическому воздействию или давлению упругой среды (передача и индикация перемещений элементов, чувствительных к механическому воздействию, с помощью электрических или магнитных средств G01L 9/00; измерение разности двух или более величин давления G01L 13/00; одновременное измерение двух или более величин давления G01L 15/00; измерение давления в полых телах G01L 17/00; вакуумметры G01L 21/00; полые тела, деформируемые или перемещаемые под действием внутреннего давления, как таковые G12B 1/04)

Владельцы патента RU 2434210:

Белозубов Евгений Михайлович (RU)
Белозубова Нина Евгеньевна (RU)
Васильев Валерий Анатольевич (RU)

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии изготовления тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления. В предлагаемом способе стабилизации нано- и микроэлектромеханической системы тонкопленочного тензорезисторного датчика давления разогрев тензорезисторов импульсным электрическим током проводят после герметизации внутренней полости чувствительного элемента датчика при одновременном воздействии на его приемную полость максимально допустимого измеряемого давления и минимально допустимой пониженной температуры при эксплуатации, а также максимально допустимого измеряемого давления и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации. Термостабилизацию проводят при температуре, превышающей в 1,05 раза максимально допустимую повышенную температуру при эксплуатации. Измерения начальных выходных сигналов при термостабилизации проводят при повышенном напряжении питания. Контроль скорости изменения начального выходного сигнала осуществляют по соотношениям скорости изменения приведенных значений начальных выходных сигналов при последнем и предпоследнем измерении начального выходного сигнала при термостабилизации, соответственно. Технический результат - повышение стабильности начального и номинального выходного сигнала тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления и выявление скрытых дефектов тензорезисторов на ранних стадиях изготовления.

 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии изготовления тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления. Современные тонкопленочные тензорезисторные датчики давления относятся к изделиям нано- и микросистемной техники, использующим в качестве чувствительных элементов тонкопленочные тензорезисторные нано- и микроэлектромеханические системы [1, 2].

Известен способ температурной стабилизации мостовой схемы нано- и микроэлектромеханической системы тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, заключающийся в циклической термостабилизации перепадом температур и последующим воздействием механической нагрузкой, превышающей максимально рабочую, охлаждении упругого элемента перед механическим нагружением жидким азотом и контроле выходного сигнала, циклическом разогреве упругого элемента постоянным током с одновременным действием механической нагрузки до момента становления постоянного выходного сигнала [3].

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

Наиболее близким по технической сущности является способ стабилизации нано- и микроэлектромеханической системы тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, заключающийся в термостабилизации с одновременным контролем выходного сигнала и циклическим разогревом, причем разогрев тензорезисторов проводят импульсным электрическим током до температур, обеспечивающих высокотемпературный отжиг перед его термостабилизацией при повышенной температуре с одновременным воздействием на тензорезисторы 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 Un=(6,0±0,05) B, температуре 80°C после термостабилизации за время ti, мВ;

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

i=1…5 - количество измерений;

T=1 ч;

при этом, если ΔVi>0,1 мВ/ч, нано- и микроэлектромеханическую систему датчика давления следует браковать [4].

Недостатками этого способа являются низкая эффективность стабилизации, заключающаяся в том, что не все потенциально нестабильные по начальному выходному сигналу нано- и микроэлектромеханические системы отбраковываются и отсутствие стабилизации номинального выходного сигнала нано- и микроэлектромеханической системы. Это связано как с неоптимальными режимами способа стабилизации, так и недостаточно жестким критерием отбраковки, а также с недостаточной точностью определения критерия отбраковки. Недостатком известного способа является также необходимость изменения напряжения питания при измерении начального выходного сигнала.

Целью изобретения является повышение стабильности начального и номинального выходного сигнала тонкопленочного тензорезисторного датчика давления и выявление скрытых дефектов тензорезисторов на ранних стадиях изготовления за счет повышения эффективности стабилизации, оптимизации режимов стабилизации, повышения температуры, воздействующей на нано- и микроэлектромеханическую систему при определении начального выходного сигнала, ужесточения критериев отбраковки, а также повышения точности определения критерия отбраковки.

Поставленная цель достигается тем, что в способе стабилизации нано- и микроэлектромеханической системы тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, заключающемся в термостабилизации с одновременным контролем выходного сигнала и циклическим разогревом, причем разогрев тензорезисторов проводят импульсным электрическим током до температур, обеспечивающих высокотемпературный отжиг перед его термостабилизацией при повышенной температуре с одновременным воздействием на тензорезисторы повышенного напряжения питания, и при этом осуществляют контроль по скорости изменения величины начального выходного сигнала, в соответствии с заявляемым решением разогрев тензорезисторов импульсным электрическим током проводят после герметизации внутренней полости нано- и микроэлектромеханической системы датчика при одновременном воздействии на его приемную полость максимально допустимого измеряемого давления и минимально допустимой пониженной температуры при эксплуатации, а также максимально допустимого измеряемого давления и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации, а термостабилизацию проводят при температуре, превышающей в 1,05 раза максимально допустимую повышенную температуру при эксплуатации, при этом измерения начальных выходных сигналов при термостабилизации проводят при повышенном напряжении питания, а контроль скорости изменения начального выходного сигнала осуществляют по соотношениям

где ΔYi, ΔYi-1 - скорости изменения приведенных значений начальных выходных сигналов при последнем и предпоследнем измерении начального выходного сигнала при термостабилизации, соответственно, мВ/В·ч;

U0ti-2, U0ti-1, U0ti - значения начальных выходных сигналов при предпредпоследнем, предпоследнем и последнем измерении начального выходного сигнала при термостабилизации соответственно, мВ;

UWti-2, UWti-1, UWti - напряжения питания при измерении соответственно значений начальных выходных сигналов U0ti-2, U0ti-1, U0ti, B;

i=5 - количество измерений;

ti-1=ti=1,5 - время между предпоследним и последним измерением начального выходного сигнала при термостабилизации соответственно, ч, при этом, если разница скоростей изменения приведенных значений начальных выходных сигналов при предпоследнем и последнем измерении (ΔYi-1-ΔYi) будет более 0,005 мВ/В·ч, а скорость изменения приведенного значения начального выходного сигнала при последнем измерении ΔYi - более 0,005 мВ/В·ч, то нано- и микроэлектромеханическую систему датчика давления следует браковать.

Способ осуществляют следующим образом.

В случае отсутствия (вследствие конструктивных особенностей конкретного исполнения нано- и микроэлектромеханической системы) возможности подачи давления на приемную полость помещают нано- и микроэлектромеханическую систему в технологическое приспособление, обеспечивающее такую возможность. Герметизируют внутреннюю полость нано- и микроэлектромеханической системы датчика для исключения в последующем дестабилизирующего влияния внешней окружающей среды. Импульсным током кратковременно разогревают обрабатываемую пленку тонкопленочных тензорезисторов до высоких температур, добиваясь высокотемпературного отжига тензорезисторов. Высокотемпературный отжиг приводит к изменению структуры тонкой пленки в первую очередь в местах наибольшей дефектности пленки, и, таким образом, выявляются потенциально нестабильные тензорезисторы.

Одновременно воздействуют на приемную полость нано- и микроэлектромеханической системы максимально допустимым измеряемым давлением и минимально допустимой пониженной температурой при эксплуатации. Одновременное воздействие на приемную полость нано- и микроэлектромеханической системы максимально допустимого измеряемого давления и минимально допустимой пониженной температуры при эксплуатации, а также максимально допустимого измеряемого давления и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации, позволяет улучшить выявление потенциально нестабильных тензорезисторов. Совместное воздействие импульсной токовой обработки, повышенного давления и широкого диапазона температур позволяет достичь контролируемого упорядочения структуры пленки тензорезисторов и образования устойчивых мостиков проводимости между отдельными зернами тонкопленочных тензорезисторов. Кроме того, совместное воздействие импульсной токовой обработки, повышенного давления и широкого диапазона температур стабилизирует начальный и номинальный выходной сигнал датчика.

Проводят термостабилизацию при температуре, превышающей в 1,05 раза максимально допустимую повышенную температуру при эксплуатации. Например, при максимально допустимой повышенной температуре при эксплуатации +100°C воздействуют температурой +105°C. Превышение воздействующих давлений и температур, превышающих в 1,05 раза максимально допустимые при эксплуатации, обеспечивает исключение воздействий на датчик при эксплуатации сочетаний факторов, которые могли бы повлиять на стабильность. В то же время дальнейшее ужесточение режимов нецелесообразно в связи с ухудшением долговременной стабильности тензорезисторов вследствие появления значительных термомеханических напряжений.

Измерения начальных выходных сигналов при термостабилизации проводят при повышенном напряжении питания, что повышает точность определения критерия отбраковки за счет увеличения величины выходного сигнала при повышенном напряжении питания. Например, при номинальном напряжении питания 6 B измерение начальных выходных сигналов проводят при повышенном напряжении 9 B, что увеличивает величину выходного сигнала в 1,5 раза. Кроме того, повышение напряжения питания приводит к повышению тока через тензорезисторы, повышая тем самым качество стабилизации. Точность определения критерия отбраковки дополнительно увеличивается за счет учета напряжения питания в соотношениях скорости изменения приведенных значений начальных выходных сигналов. Учитывая, что в прототипе измерение начального выходного сигнала проводится при напряжении питания Un=(6,0±0,05), учет напряжения питания в соответствии с предлагаемым решением позволяет уменьшить погрешность измерения начального выходного сигнала не менее чем на ±0,83%.

Увеличение времени между предпоследним и последним измерением начального выходного сигнала при термостабилизации также увеличивает точность определения критерия отбраковки за счет повышения точности определения скорости изменения начального выходного сигнала. Введение дополнительного критерия по скорости изменения начального выходного сигнала при предпоследнем измерении повышает объективность контроля стабильности. Ужесточение критериев отбраковки повышает стабильность начального и номинального выходного сигнала нано- и микроэлектромеханической системы за счет более тщательного выявления скрытых дефектов тензорезисторов. В то же время дальнейшее ужесточение критерия нецелесообразно вследствие увеличения в этом случае погрешности измерения наиболее распространенных цифровых вольтметров.

Предлагаемое решение по сравнению с прототипом по результатам тестовых испытаний позволяет повысить стабильность начального выходного сигнала не менее чем в 1,2 раза, а стабильность номинального выходного сигнала не менее чем в 1,1 раза. Таким образом, техническим результатом заявляемого решения является повышение стабильности начального и номинального выходного сигнала тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления и выявление скрытых дефектов тензорезисторов на ранних стадиях изготовления за счет повышения эффективности стабилизации, оптимизации режимов стабилизации, повышения температуры, воздействующей на нано- и микроэлектромеханическую систему при определении начального выходного сигнала, ужесточения критериев отбраковки, а также повышения точности определения критерия отбраковки.

Источники информации

1. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Тонкопленочные тензорезисторные датчики давления - изделия нано- и микросистемной техники // Нано- и микросистемная техника - 2007. - №. 12. - С.49-51.

2. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Громков Н.В. Тонкопленочные нано- и микроэлектромеханические системы - основа современных и перспективных датчиков давления для ракетной и авиационной техники // Измерительная техника - М., 2009 - №7. - С.35-38.

3. RU. А.с. №1182289, МПК G01L 7/08, бюл. №28. 30.09.85.

4. RU. Патент №2301977, МПК G01L 7/02, бюл. №18. 27.06.2007.

Способ стабилизации нано- и микроэлектромеханической системы тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, заключающийся в термостабилизации с одновременным контролем выходного сигнала и циклическим разогревом, причем разогрев тензорезисторов проводят импульсным электрическим током до температур, обеспечивающих высокотемпературный отжиг перед его термостабилизацией при повышенной температуре с одновременным воздействием на тензорезисторы повышенного напряжения питания, и при этом осуществляют контроль по скорости изменения величины начального выходного сигнала, отличающийся тем, что разогрев тензорезисторов импульсным электрическим током проводят после герметизации внутренней полости нано- и микроэлектромеханической системы датчика при одновременном воздействии на его приемную полость максимально допустимого измеряемого давления и минимально допустимой пониженной температуры при эксплуатации, а также максимально допустимого измеряемого давления и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации, а термостабилизацию проводят при температуре, превышающей в 1,05 раза максимально допустимую повышенную температуру при эксплуатации, при этом измерения начальных выходных сигналов при термостабилизации проводят при повышенном напряжении питания, а контроль скорости изменения начального выходного сигнала осуществляют по соотношениям


где ΔYi, ΔYi-1 - скорости изменения приведенных значений начальных выходных сигналов при последнем и предпоследнем измерениях начального выходного сигнала при термостабилизации соответственно, мВ/В·ч;
U0ti-2, U0ti-1, U0ti - значения начальных выходных сигналов при предпредпоследнем, предпоследнем и последнем измерениях начального выходного сигнала при термостабилизации соответственно, мВ;
Uwti-2, Uwti-1, Uwti - напряжения питания при измерении соответственно значений начальных выходных сигналов U0ti-2, U0ti-1, U0ti, В;
i=5 - количество измерений;
ti-1=ti=1,5 - время между предпоследним и последним измерениями начального выходного сигнала при термостабилизации соответственно, ч,
при этом, если разница скоростей изменения приведенных значений начальных выходных сигналов при предпоследнем и последнем измерениях (ΔYi-1-ΔYi) будет более 0,005 мВ/В·ч, а скорость изменения приведенного значения начального выходного сигнала при последнем измерении ΔYi - более 0,005 мВ/В·ч, то нано- и микроэлектромеханическую систему датчика давления следует браковать.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии изготовления пленочных датчиков порогового давления и направлено на улучшение показателей надежности средств контрольно-измерительной техники, работающей в условиях высокоскоростных механических нагружений, и может быть использовано для изготовления контактных тонкопленочных датчиков, закрепляемых непосредственно на поверхности измеряемых объектов.

Изобретение относится к области медицины, а именно к способу измерения артериального давления и устройству для его осуществления. .

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

Изобретение относится к гидравлическому датчику давления. .

Изобретение относится к приборостроению, в частности к манометрам, устанавливаемым на котлах высокого давления, подверженных большим пиковым нагрузкам, выводящим из строя манометрические трубчатые пружины.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для создания стрелочного манометра с датчиками граничных значений. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для создания стрелочного манометра с датчиками граничных значений. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для создания стрелочных показывающих взрывозащищенных сигнализирующих манометров, предназначенных для измерения избыточного и вакуумметрического давления неагрессивных жидких и газообразных некристаллизующихся сред с сигнализирующими устройствами прямого действия для применения в самых различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для создания стрелочных показывающих сигнализирующих взрывозащищенных модификаций манометров.

Манометр // 2386935
Изобретение относится к приборостроению, в частности к области создания стрелочных манометров и других приборов, корпуса которых имеют цилиндрическую форму различного диаметра с защитным стеклом, расположенным над циферблатом.

Изобретение относится к полимерным нанокомпозитам, преобразующим УФ-составляющую солнечного или другого источника света в излучение видимой части спектра, и касается термостойкого полимерного нанокомпозита, обладающего яркой фотолюминесценцией.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для обработки призабойной зоны неоднородных нефтяных пластов, в том числе эксплуатируемых при забойном давлении ниже давления насыщения, в условиях выделения и накопления газа в призабойной зоне, а также при обработке пластов, продуцирующих высоковязкими нефтями.

Изобретение относится к области электротехники и нанотехнологии, в частности к производству материалов электронной техники и квантовой электроники, использующих технологию локализованного нанесения металлических слоев, либо наноструктур на поверхности различных типов для создания элементов и устройств.

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано для измерения магнитного поля в измерительных комплексах, научном и медицинском приборостроении, устройствах диагностики печатных плат и микросхем, биообъектов (бактерий, вирусов, токсинов и ДНК).

Изобретение относится к области магнитных наноэлементов на основе многослойных металлических наноструктур с магниторезистивным эффектом и может быть использовано для преобразования высокочастотного магнитного поля в электрический сигнал.

Изобретение относится к области конструкции и технологии изготовления фотоэлектрических преобразователей (ФП) солнечного излучения в электрический ток и может быть использовано в производстве солнечных фотоэлементов.

Изобретение относится к области компьютерных средств высокопроизводительной обработки информации для разработки наноразмерных систем. .

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 повышенных виброускорений и нестационарных температур.

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано при разработке малоразмерных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) различного назначения.
Изобретение относится к области абразивной обработки и может быть использовано при изготовлении металлической связки для алмазного инструмента, используемого в строительстве, например, для резки и сверления отверстий в фасадных панелях из материалов типа искусственных гранитов.

Изобретение относится к области электротехники и нанотехнологии, в частности к производству материалов электронной техники и квантовой электроники, использующих технологию локализованного нанесения металлических слоев, либо наноструктур на поверхности различных типов для создания элементов и устройств.
Наверх