Способ изготовления тонкопленочного тензорезисторного датчика давления
Владельцы патента RU 2442115:
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" (RU)
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для измерения давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений. Способ изготовления тонкопленочного тензорезисторного датчика давления заключается в изготовлении мембраны с периферийным основанием, полировании поверхности мембраны, формировании на ней тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними и снятии остаточных напряжений. При этом 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. Длину полос и расстояние от полос до удаленных участков выбирают из соотношений по соответствующим вычислительным выражениям. Техническим результатом 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 различия конфигураций и размеров тензоэлементов, уменьшения влияния несовмещения и неточности тензочувствительного и низкоомного слоев, а также за счет повышения качества снятия остаточных напряжений и стабилизации мембраны и тензосхемы. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.
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 тензорезисторного 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 [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 тензорезисторного датчика давления, предназначенного для измерения давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в изготовлении мембраны с периферийным основанием в виде оболочки вращения, полировании поверхности мембраны, формировании на ней диэлектрической пленки и тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними и снятии остаточных напряжений [2].
Недостатком известного способа изготовления является большая погрешность измерения давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений вследствие различной конфигурации и размеров окружных и радиальных тензоэлементов. Кроме того, различные конфигурации и размеры тензоэлементов приводят к разным характерам изменений температурных и временных характеристик тензоэлементов, что приводит к уменьшению стабильности, ресурса, срока сохраняемости и напряжения питания датчика.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения в условиях воздействия нестационарной температуры и повышенных виброускорений, а также повышение технологичности, стабильности, ресурса, срока сохраняемости и напряжения питания датчика за счет уменьшения различия конфигураций и размеров тензоэлементов, уменьшения влияния несовмещения и предельных отклонений тензочувствительного и низкоомного слоев, а также за счет повышения качества снятия остаточных напряжений и стабилизации мембраны и тензосхемы.
Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, заключающемся в изготовлении мембраны с периферийным основанием, полировании поверхности мембраны, формировании на ней тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними и снятии остаточных напряжений, согласно предполагаемого изобретения 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, а в зонах, совмещаемых с контактными площадками - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков, причем длину полос и расстояние от полос до удаленных участков выбирают соответственно из соотношений
L=а+S+Х+Y+Z1, М=S+Х+Y+Z2,
где а - длина тензоэлемента;
S - максимально допустимое отклонение по несовмещению тензочувствительного и низкоомного слоев;
Х - предельное отклонение размеров по оси Х в слоях;
Y - предельное отклонение размеров по оси Y в слоях;
Z1, Z2 - технологический запас, зависящий от характеристик оборудования, материалов, технологии и местоположения элемента топологии,
остаточные напряжения снимают после формирования тензоэлементов с перемычками и контактными площадками и их герметизации путем циклического воздействия не менее 8 циклов температуры минус 196°С в среде жидкого азота и в воздушной среде повышенной температуры, величину которой определяют по соотношению
T=K Tmax,
где К=1…1,7 - коэффициент, зависящий от материалов тензочувствительного и низкоомного слоев;
Тmах - максимально допустимая повышенная температура при эксплуатации датчика,
а затем в нормальных климатических условиях определяют начальные выходные сигналы до и после воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации, а после чего рассчитывают температурную нестабильность по соотношению
Ψ=(U01-U02)U-1,
где U01 - начальный выходной сигнал до воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации;
U02 - начальный выходной сигнал после воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации;
U - минимальное значение номинального выходного сигнала датчика, и, если температурная нестабильность более 0,01, то датчик бракуют.
Кроме того, согласно предлагаемого изобретения время выдержки в среде жидкого азота при температуре минус 196°С составляет 10…20 минут, в воздушной среде при повышенной температуре - 40…60 минут, а время переноса из жидкого азота в воздушную среду с повышенной температурой - не более 5 минут.
На фиг.1 изображен общий вид тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, изготавливаемого в соответствии с предлагаемым способом, на фиг.2 - шаблон перемычек и контактных площадок, на фиг.3 - шаблон тензочувствительного слоя, на фиг.4 - традиционно применяемый шаблон тензочувствительного слоя, на фиг.5 - гетерогенная структура с низкоомными перемычками, контактными площадками и тензоэлементами. На фиг.6-11 иллюстрируется механизм уменьшения влияния несовмещения слоев.
Заявляемый способ реализуется следующим образом. Изготавливают из сплава 36НКВХБТЮ мембрану 1 с периферийным основанием 2 в виде оболочки вращения, изображенные на фиг.1, 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 из сплава Х20Н75Ю. При формировании перемычек и контактных площадок методом фотолитографии низкоомную пленку из золота Зл 999,9 м, с подслоем ванадия наносят сплошным слоем на тензочувствительную пленку из сплава Х20Н75Ю. Формируют перемычки 1 и контактные площадки 2 методом фотолитографии с использованием шаблона перемычек и контактных площадок, изображенного на фиг.2. Формирование перемычек и контактных площадок возможно проводить масочным методом. В этом случае низкоомная пленка сплошным слоем не наносится, а напыляется через маску, выполненной в соответствии с шаблоном, изображенном на фиг.2.
Формирование тензоэлементов проводят методом фотолитографии с использованием ионно-химического травления в среде аргона и изображенного на фиг.3 шаблона тензочувствительного слоя, имеющего конфигурацию тензоэлементов в зонах, совмещаемых с низкоомными перемычками и контактными площадками, в виде полос 1, 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, причем длину полос выбирают по заявляемому соотношению. Причем, чем точнее используемое оборудование, чем качественнее применяемые материалы, чем совершеннее технология, тем меньше может быть технологический запас. Местоположение элемента топологии в зонах, совмещаемых с контактными площадками, также позволяет уменьшить величину технологического запаса.
Например, при длине тензоэлемента а, равном 140 мкм, и максимально допустимом отклонении по несовмещению тензочувствительного и низкоомного слоев S, равном 30 мкм, предельном отклонении размеров по оси Х в слоях X, равном 10 мкм, Y - предельном отклонении размеров по оси Y в слоях Y, равном 10 мкм; технологическом запасе Z1, равном 50 мкм, длина полос 1 равна 240 мкм. При технологическом запасе Z2, равном 30 мкм, расстояние от полос 1 до удаленных участков 2 на шаблоне выполняют равным 80 мкм.
Для сравнения на фиг.4 изображен традиционно применяемый шаблон тензочувствительного слоя, конфигурация которого повторяет суммарную конфигурацию тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками. В результате использования заявляемого шаблона получают необходимую гетерогенную структуру X20H75Ю-V-Au с низкоомными перемычками 1 и контактными площадками 2, соединяющие тангенциальные 3 и радиальные 4 тензоэлементы, изображенную на фиг.5. Устанавливают контактную колодку 3, как показано на фиг.1. Присоединяют выводные проводники 4 к контактным площадкам в областях удаленных от полос участков при помощи односторонней контактной сварки сдвоенным электродом.
Снимают остаточные напряжения и стабилизируют материалы мембраны и тензосхемы циклическим воздействием не менее 8 циклов температуры минус 196°С в среде жидкого азота и в воздушной среде повышенной температуры, величину которой определяют по соотношению
T=K Тmax,
где К=1…1,7 - коэффициент, зависящий от материалов тензочувствительного и низкоомного слоев;
Tmax - максимально допустимая повышенная температура при эксплуатации датчика.
Например, при максимально допустимой повышенной температуре при эксплуатации датчика, равной 200°С, воздействуют повышенной температурой 320°С. Затем в нормальных климатических условиях определяют начальные выходные сигналы до и после воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации, а после чего рассчитывают температурную нестабильность по соотношению
Ψ=(U01-U02)U-1,
где U01 - начальный выходной сигнал до воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации;
U02 - начальный выходной сигнал после воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации;
U - минимальное значение номинального выходного сигнала датчика, и, если температурная нестабильность более 0,01, то датчик бракуют.
В соответствии с п.2 формулы время выдержки в среде жидкого азота при температуре минус 196°С составляет 10…20 минут, в воздушной среде при повышенной температуре - 40…60 минут, а время переноса из жидкого азота в воздушную среду с повышенной температурой - не более 5 минут.
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 направленния, а в зонах, совмещаемых с контактными площадками - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков, причем длину полос и расстояние от полос до удаленных участков выбирают из заявляемых соотношений, для уменьшения влияния несовмещения тензочувствительного и низкоомного слоев и получения одинаковых по форме и размерам тензоэлементов.
Механизм уменьшения влияния несовмещения слоев иллюстрируется фиг.6-11. На фиг.6, 8, 10 изображены результаты совмещения по предлагаемому способу с использованием шаблонов, изображенных на фиг.2 и 3. Причем на фиг.8, 10 изображены в увеличенном масштабе соответственно фрагменты радиальных тангенциальных тензоэлементов. На фиг.7, 9, 11 изображены результаты совмещения по известному способу с использованием шаблонов, изображенных на фиг.2 и 4. Причем на фиг.9, 11 изображены в увеличенном масштабе соответственно фрагменты радиальных тангенциальных тензоэлементов.
Сравнение фиг.6, 8, 10 с фиг.7, 9, 11 показывает, что при изготовлении в соответствии с заявляемым способом несовмещение тензочувствительного и низкоомного слоев (при условии, если это несовмещение не превышает определенных значений) не влияет на конфигурацию и размеры радиальных (см. фиг.8) и тангенциальных (см. фиг.10) тензоэлементов, форма которых является квадратной. Поэтому даже при различной ориентации радиальных и тангенциальных тензоэлементов относительно градиента нестационарных температур, вызванных в том числе виброускорениями, и деформаций от измеряемого давления реакции этих тензоэлементов на вышеуказанные воздействия будут близки, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются.
Таким образом, одинаковые размеры и конфигурация радиальных и тангенциальных тензоэлементов в соответствии с заявляемым решением приводят к уменьшению погрешности измерения в условиях воздействия нестационарной температуры и повышенных виброускорений, а также повышению стабильности, ресурса и срока сохраняемости датчиков. Кроме того, за счет уменьшения влияния несовмещения тензочувствительного и низкоомного слоев также повышается технологичность изготовления датчика.
В то же время при изготовлении в соответствии с известным способом по прототипу несовмещение тензочувствительного и низкоомного слоев влияет на конфигурацию и размеры радиальных (см. фиг.9) и тангенциальных (см. фиг.11) тензоэлементов и их форма значительно отличается от квадратной. Учитывая различную ориентацию радиальных и тангенциальных тензоэлементы относительно градиента нестационарных температур, вызванных в том числе виброускорениями, и деформаций от измеряемого давления в этом случае сопротивления вышеуказанных тензоэлементов будут меняться по разному. Это отличие приводит к появлению дополнительной погрешности от воздействия вышеназванных факторов.
Присоединение выводных проводников к контактным площадкам в областях удаленных от полос участков повышает качество односторонней контактной сварки выводных проводников, так как только в этом случае место сварки предварительно защищено фоторезистом от негативного влияния ионно-химического травления при формировании тензоэлементов, что повышает стабильность, ресурс и срок сохраняемости датчика.
Снятие остаточных напряжений в материалах мембраны и тензосхемы циклическим воздействием не менее 8 циклов температуры минус 196°С в среде жидкого азота и в воздушной среде повышенной температуры, величину которой определяют по предлагаемому соотношению обеспечивает необходимое сочетание воздействующих факторов для стабилизации мембраны и тензоэлементов, что повышает стабильность, ресурс и срок сохраняемости датчика и в то же время независимость воздействия рабочих значений температур при эксплуатации на мембрану и другие элементы датчика, для которых это воздействие может привести к снижению стабильности, ресурса и срока сохраняемости. Причем предлагаемые конкретные величины температур, времени их воздействия и вида окружающих сред (жидкий азот и воздух) определены при отработке изготовления нескольких типов тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления, зависят от их конструкции, размеров, характеристик материалов. Экспериментально также установлено, что снятие остаточных напряжений в материалах мембраны и тензосхемы тонкопленочных датчиков давления, разработанных ОАО «НИИФИ», наиболее эффективно происходит при времени выдержки 10…20 минут в среде жидкого азота при температуре минус 196°С, в воздушной среде при повышенной температуре - 40…60 минут, при этом для обеспечения необходимого термодинамического процесса релаксации напряжений время переноса из жидкого азота в воздушную среду с повышенной температурой должно быть не более 5 минут. При этом также установлено существенность влияния теплофизических характеристик (в первую очередь теплопроводности и температуропроводности) окружающих сред и оптимальность применения в качестве таких сред жидкого азота и воздуха.
Внедрение заявляемых решений в тонкопленочные тензорезисторные датчики давления типа ДДВ 015 позволили уменьшить погрешность измерения при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды не менее чем в 3 раза при сравнительно небольших затратах. 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 и напряжения питания датчиков за счет уменьшения различия конфигураций и размеров тензоэлементов, уменьшения влияния несовмещения и неточности тензочувствительного и низкоомного слоев, а также за счет повышения качества снятия остаточных напряжений и стабилизации мембраны и тензосхемы.
Источники информации
1. RU. Патент №2095772. Бюл. №6. 10.11.97.
2. RU. Патент №1796927. Бюл. №7. 23.02.93.
1. Способ изготовления тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, заключающийся в изготовлении мембраны с периферийным основанием, полировании поверхности мембраны, формировании на ней тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними и снятии остаточных напряжений, отличающийся тем, что 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, а в зонах, совмещаемых с контактными площадками, - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков, причем длину полос и расстояние от полос до удаленных участков выбирают соответственно из соотношений
L=a+S+X+Y+Z1, M=S+X+Y+Z2,
где a - длина тензоэлемента;
S - максимально допустимое отклонение по несовмещению тензочувствительного и низкоомного слоев;
Х - предельное отклонение размеров по оси Х в слоях;
Y - предельное отклонение размеров по оси Y в слоях;
Z1, Z2 - технологический запас, зависящий от характеристик оборудования, материалов, технологии и местоположения элемента топологии,
остаточные напряжения снимают после формирования тензоэлементов с перемычками и контактными площадками и их герметизации путем циклического воздействия не менее 8 циклов температуры -196°С в среде жидкого азота и в воздушной среде повышенной температуры, величину которой определяют по соотношению
Т=КТmax,
где К=1…1,7 - коэффициент, зависящий от материалов тензочувствительного и низкоомного слоев;
Tmax - максимально допустимая повышенная температура при эксплуатации датчика,
а затем в нормальных климатических условиях определяют начальные выходные сигналы до и после воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации, а после чего рассчитывают температурную нестабильность по соотношению
Ψ=(U01-U02)U-1,
где U01 - начальный выходной сигнал до воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации;
U02 - начальный выходной сигнал после воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации;
U - минимальное значение номинального выходного сигнала датчика, и, если температурная нестабильность более 0,01, то датчик бракуют.
2. Способ изготовления тонкопленочного датчика давления по п.1, отличающийся тем, что время выдержки в среде жидкого азота при температуре -196°С составляет 10…20 мин, в воздушной среде при повышенной температуре - 40…60 мин, а время переноса из жидкого азота в воздушную среду с повышенной температурой - не более 5 мин.
