Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы



Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы
Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы
Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы
Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы
Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы
Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы
Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы

 

G01L9/00 - Измерение постоянного или медленно меняющегося давления газообразных и жидких веществ или сыпучих материалов с помощью электрических или магнитных элементов, чувствительных к механическому давлению; передача и индикация перемещений элементов, чувствительных к механическому воздействию, используемых для измерения давления с помощью электрических или магнитных средств (измерение разности двух или более величин давления G01L 13/00; одновременное измерение двух и более величин давления G01L 15/00; вакуумметры G01L 21/00)

Владельцы патента RU 2528541:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью. Технический результат: повышение временной стабильности, ресурса, срока службы, уменьшение погрешности при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений, повышение технологичности прогнозирования. Сущность: способ заключается в полировании поверхности мембраны, формировании на ней диэлектрической пленки и тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними, присоединении выводных проводников к контактным площадкам. После присоединения выводных проводников к контактным площадкам тензоэлементов НиМЭМС включают напряжение (или ток питания) НиМЭМС и выдерживают в течение времени, необходимого для установления начального выходного сигнала до значения U 01 = U 00 ± Δ ( U 01 ) , где U00 - значение начального выходного сигнала НиМЭМС; Δ ( U 01 ) - допустимая флуктуация начального выходного сигнала. Выключают напряжение (или ток питания). После выдержки НиМЭМС в выключенном состоянии в течение времени, достаточного для возвращения НиМЭМС в состояние, предшествующее включению напряжения (или тока питания), включают напряжение (или ток питания) и определяют интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения U 02 = U 00 ± Δ ( U 02 ) , где Δ ( U 02 ) = γ 0   U H - допустимое отклонение значения начального выходного сигнала U02; γ0 - основная погрешность датчика; UH - номинальный выходной сигнал датчика. Если интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения U02 не превышает предельно допустимого значения, которое принимается за критерий временной стабильности и определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции. 2 ил.

 

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 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, 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 временная нестабильность вследствие различной формы окружных и радиальных тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи. Это связано с тем, что различная форма тензорезисторов приводит к разному временному изменению сопротивления этих тензорезисторов, в том числе вследствие различной скорости деградационных и релаксационных процессов в окружных и радиальных тензорезисторах.

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 [2].

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.

Целью предлагаемого изобретения является повышение временной стабильности, ресурса, срока службы, уменьшение погрешности при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений, а также повышение технологичности прогнозирования за счет более точного и быстрого выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС с несовершенной структурой.

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 в соответствии с заявляемым изобретением, после присоединения выводных проводников к контактным площадкам тензоэлементов НиМЭМС включают напряжение (или ток питания) НиМЭМС и выдерживают в течение времени, необходимого для установления начального выходного сигнала до значения

U 01 = U 00 ± Δ ( U 01 ) ,

где U00 - значение начального выходного сигнала НиМЭМС;

Δ ( U 01 ) - допустимая флуктуация начального выходного сигнала;

выключают напряжение (или ток питания) и после выдержки НиМЭМС в выключенном состоянии в течение времени, достаточного для возвращения НиМЭМС в состояние, предшествующее включению напряжения (или тока питания), включают напряжение (или ток питания) и определяют интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения

U 02 = U 00 ± Δ ( U 02 ) ,

Δ ( U 02 ) = γ 0   U H - допустимое отклонение значения начального выходного сигнала U02;

γ0 - основная погрешность датчика;

UH - номинальный выходной сигнал датчика, и, если интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения U02 не превышает предельно допустимого значения, которое принимается за критерий временной стабильности и определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.

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 включают напряжение (или ток питания) НиМЭМС и выдерживают в течение времени, необходимого для установления начального выходного сигнала до значения

U 01 = U 00 ± Δ ( U 01 ) ,

где U00 - значение начального выходного сигнала НиМЭМС;

Δ ( U 01 ) - допустимая флуктуация начального выходного сигнала.

Эта операция необходима для точного определения значения начального выходного сигнала НиМЭМС, поэтому допустимую флуктуацию целесообразно ограничить величиной (0,001…0,01)% от номинального выходного сигнала НиМЭМС. Выключают напряжение (или ток питания) и выдерживают НиМЭМС в выключенном состоянии в течение времени, достаточного для возвращения НиМЭМС в состояние, предшествующее включению напряжения (или тока питания). Включают напряжение (или ток питания) и определяют интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения

U 02 = U 00 ± Δ ( U 02 ) ,

Δ ( U 02 ) = γ 0   U H - допустимое отклонение значения начального выходного сигнала U02;

γ0 - основная погрешность датчика;

UH - номинальный выходной сигнал датчика.

Использование текстового значения U 02 позволяет увеличить быстродействие прогнозирования без ухудшения точности и качества, так как разница U 02 Δ ( U 02 ) находится в пределах погрешности, а быстродействие увеличивается на 20…30%. При идентичности структур тонкопленочных тензорезисторов, размеров и характеристик их элементов и переходов, включенных в различные плечи мостовой цепи НиМЭМС, обеспечивается минимум интервала времени Δ(τ02). Если интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения U02 не превышает предельно допустимого значения, которое принимается за критерий временной стабильности и определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции. Если интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения U02 превышает предельно допустимое значение, то данную сборку списывают в технологический отход или реставрируют.

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 7, 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, находящиеся 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

U = E ( R 2 R 4 R 1 R 3 ) [ ( R 1 + R 2 ) ( R 3 + R 4 ) ] 1 ,                      (1)

где E - напряжение питания мостовой измерительной схемы;

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

Определим условие временной стабильности НиМЭМС в виде

U ( τ + Δ τ ) = U ( τ ) ,                 (2)

где U ( τ + Δ τ ) - начальный выходной сигнал в момент времени ( τ + Δ τ ) ;

U ( τ ) - начальный выходной сигнал в момент времени τ;

Δ τ - любой интервал времени в пределах срока службы датчика.

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

[ R 2 ( τ + Δ τ ) R 4 ( τ + Δ τ ) R 1 ( τ + Δ τ ) R 1 ( τ + Δ τ ) ] × { [ R 1 ( τ + Δ τ ) + R 2 ( τ + Δ τ ) ] × [ R 3 ( τ + Δ τ ) + R 4 ( τ + Δ τ ) ] } 1 = = [ R 2 ( τ ) R 4 ( τ ) R 1 ( τ ) R 3 ( τ ) ] × { [ R 1 ( τ ) + R 2 ( τ ) ] × [ R 3 ( τ ) + R 4 ( τ ) ] } 1                   (3)

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

R 1 ( τ ) = R 2 ( τ ) = R 3 ( τ ) = R 4 ( τ ) = R ( τ ) ,       (4)

R 1 ( τ + Δ τ ) = R 2 ( τ + Δ τ ) = R 3 ( τ + Δ τ ) = R 4 ( τ + Δ τ ) = R ( τ + Δ τ ) ,     (5)

где R ( τ ) , R ( τ + Δ τ ) - сопротивления тензорезисторов в различные моменты времени вне зависимости от номера тензорезистора в мостовой схеме. Тогда можно записать соотношения (6), (7) в сокращенном виде

R j ( τ ) = R ( τ ) ,     R j ( τ + Δ τ ) = R ( τ + Δ τ )          (6)

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-го тонкопленочного тензорезистора в момент времени τ и ( τ + Δ τ ) соответственно

R j ( τ ) = i = 1 N R P i j ( τ ) + 2 R P A i j ( τ ) + 2 R А i j ( τ ) + 2 R А К i j ( τ ) + 2 R К i j ( τ ) + 2 R К П j ( τ ) + 2 R П j ( τ ) ,    (7) R j ( τ + Δ τ ) = i = 1 N R P i j ( τ + Δ τ ) + 2 R P A i j ( τ + Δ τ ) + 2 R А i j ( τ + Δ τ ) + 2 R А К i j ( τ + Δ τ ) + 2 R К i j ( τ + Δ τ ) + 2 R К П j ( τ + Δ τ ) + 2 R П j ( τ + Δ τ ) ,    (8) где R P i j , R А i j , R К i j , R П j - соответственно сопротивление тензорезистивного, адгезионного, контактного элемента i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

R P А i j , R Ф К i j , R К П j - соответственно сопротивление переходов элементов тензорезистивный - адгезионный, адгезионный - контактный, контактный - проводящий i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

7=1, 2, 3, 4- номер тензорезистора в мостовой схеме;

i=1…N - 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:

R j ( τ ) = i = 1 N ρ P i J ( ε P i J , T P i J , τ ) l P i J ( ε P i J , T P i J , τ ) [ ( ε P i J , T P i J , τ ) ] 1 + 2 ρ P А i J ( ε P А i J , T P А i J , τ ) l P А i J ( ε P А i J , T P А i J , τ ) × [ ( ε P А i J , T P А i J , τ ) ] 1 + 2 ρ А i J ( ε А i J , T А i J , τ ) l А i J ( ε А i J , T А i J , τ ) × [ ( ε А i J , T А i J , τ ) ] 1 + 2 ρ А К i J ( ε А К i J , T А К i J , τ ) l А К i J ( ε А К i J , T А К i J , τ ) × [ ( ε А К i J , T А К i J , τ ) ] 1 + 2 ρ К i J ( ε К i J , T К i J , τ ) l К i J ( ε К i J , T К i J , τ ) × [ ( ε К i J , T К i J , τ ) ] 1 + 2 ρ К П J ( ε К П J , T К П J , τ ) l К П J ( ε К П J , T К П J , τ ) × [ ( ε К П J , T К П J , τ ) ] 1 + 2 ρ П J ( ε П J , T П J , τ ) l П J ( ε П J , T П J , τ ) × [ ( ε П J , T П J , τ ) ] 1         (9)

R j ( τ ) = i = 1 N ρ P i J ( ε P i J , T P i J , τ + Δ τ ) l P i J ( ε P i J , T P i J , τ + Δ τ ) [ ( ε P i J , T P i J , τ + Δ τ ) ] 1 + 2 ρ P А i J ( ε P А i J , T P А i J , τ + Δ τ ) l P А i J ( ε P А i J , T P А i J , τ + Δ τ ) × [ ( ε P А i J , T P А i J , τ + Δ τ ) ] 1 + 2 ρ А i J ( ε А i J , T А i J , τ + Δ τ ) l А i J ( ε А i J , T А i J , τ + Δ τ ) × [ ( ε А i J , T А i J , τ + Δ τ ) ] 1 + 2 ρ А К i J ( ε А К i J , T А К i J , τ + Δ τ ) l А К i J ( ε А К i J , T А К i J , τ + Δ τ ) × [ ( ε А К i J , T А К i J , τ + Δ τ ) ] 1 + 2 ρ К i J ( ε К i J , T К i J , τ + Δ τ ) l К i J ( ε К i J , T К i J , τ + Δ τ ) × [ ( ε К i J , T К i J , τ + Δ τ ) ] 1 + 2 ρ К П J ( ε К П J , T К П J , τ + Δ τ ) l К П J ( ε К П J , T К П J , τ + Δ τ ) × [ ( ε К П J , T К П J , τ + Δ τ ) ] 1 + 2 ρ П J ( ε П J , T П J , τ + Δ τ ) l П J ( ε П J , T П J , τ + Δ τ ) × [ ( ε П J , T П J , τ + Δ τ ) ] 1         (10)

где ρ Р i J , ρ Р А i J , ρ А i J , ρ А К i J , ρ К i J , ρ П J , ρ К П J , - Удельное поверхностное сопротивление соответствующих элементов и переходов i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

ε Р i J , ε Р А i J , ε А i J , ε А К i J , ε К i J , ε П J , ε К П J , - относительная деформация, воздействующая на соответствующие элементы и переходы i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

T Р i J , T Р А i J , T А i J , T А К i J , T К i J , T П J , T К П J , - температура, воздействующая на соответствующие элементы и переходы i-го тензоэлемента j-го тензорезистора.

Тогда расширенные частные условия стабильности НиМЭМС можно представить в виде

R j ( τ ) = i = 1 N ρ P i J ( ε P i J , T P i J , τ ) l P i J ( ε P i J , T P i J , τ ) [ ( ε P i J , T P i J , τ ) ] 1 + 2 ρ P А i J ( ε P А i J , T P А i J , τ ) l P А i J ( ε P А i J , T P А i J , τ ) × [ ( ε P А i J , T P А i J , τ ) ] 1 + 2 ρ А i J ( ε А i J , T А i J , τ ) l А i J ( ε А i J , T А i J , τ ) × [ ( ε А i J , T А i J , τ ) ] 1 + 2 ρ А К i J ( ε А К i J , T А К i J , τ ) l А К i J ( ε А К i J , T А К i J , τ ) × [ ( ε А К i J , T А К i J , τ ) ] 1 + 2 ρ К i J ( ε К i J , T К i J , τ ) l К i J ( ε К i J , T К i J , τ ) × [ ( ε К i J , T К i J , τ ) ] 1 + 2 ρ К П J ( ε К П J , T К П J , τ ) l К П J ( ε К П J , T К П J , τ ) × [ ( ε К П J , T К П J , τ ) ] 1 + 2 ρ П J ( ε П J , T П J , τ ) l П J ( ε П J , T П J , τ ) × [ ( ε П J , T П J , τ ) ] 1 = R( τ )      (11)

R j ( τ ) = i = 1 N ρ P i J ( ε P i J , T P i J , τ + Δ τ ) l P i J ( ε P i J , T P i J , τ + Δ τ ) [ ( ε P i J , T P i J , τ + Δ τ ) ] 1 + 2 ρ P А i J ( ε P А i J , T P А i J , τ + Δ τ ) l P А i J ( ε P А i J , T P А i J , τ + Δ τ ) × [ ( ε P А i J , T P А i J , τ + Δ τ ) ] 1 + 2 ρ А i J ( ε А i J , T А i J , τ + Δ τ ) l А i J ( ε А i J , T А i J , τ + Δ τ ) × [ ( ε А i J , T А i J , τ + Δ τ ) ] 1 + 2 ρ А К i J ( ε А К i J , T А К i J , τ + Δ τ ) l А К i J ( ε А К i J , T А К i J , τ + Δ τ ) × [ ( ε А К i J , T А К i J , τ + Δ τ ) ] 1 + 2 ρ К i J ( ε К i J , T К i J , τ + Δ τ ) l К i J ( ε К i J , T К i J , τ + Δ τ ) × [ ( ε К i J , T К i J , τ + Δ τ ) ] 1 + 2 ρ К П J ( ε К П J , T К П J , τ + Δ τ ) l К П J ( ε К П J , T К П J , τ + Δ τ ) × [ ( ε К П J , T К П J , τ + Δ τ ) ] 1 + 2 ρ П J ( ε П J , T П J , τ + Δ τ ) l П J ( ε П J , T П J , τ + Δ τ ) × [ ( ε П J , T П J , τ + Δ τ ) ] 1 = R ( τ + Δ τ )         (12)

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

ρ P i j = ρ P , ε P i j = ε P , T P i j = T P , l P i j = l P , b P i j = b P , ρ P A i j = ρ P A , ε P A i j = ε P A , T P A i j = T P A , l P A i j = l P A , b P A i j = b P A , ρ A i j = ρ A , ε A i j = ε A , T A i j = T A , l A i j = l A , b A i j = b A , ρ A i j = ρ A , ε A K i j = ε A K , T A K i j = T A K , l A K i j = l A K , b A K i j = b A K , ρ A K i j = ρ A K , ε K i j = ε K , T K i j = T K , l K i j = l K , b K i j = b K , ρ K i j = ρ K , ε К П i j = ε К П , T К П i j = T К П , l К П i j = l К П , b К П i j = b К П , ρ К П i j = ρ К П , ε П i j = ε П , T П i j = T П , l П i j = l П , b П i j = b П , ρ П i j = ρ П ,             ( 13 )

Анализ соотношения (13) показывает, что предлагаемый критерий временной стабильности в виде интервала времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения U02 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 интервала времени Δ(τ02). 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 уменьшения времени прогнозирования и отсутствия при предлагаемом способе непосредственного контакта с НиМЭМС и негативного влияния на нее окружающей среды и персонала вследствие возможности проведения работ в условиях, удовлетворяющих требованиям нано- и микроэлектронного производства. Внедрение заявляемого способа в производство тензорезисторных датчиков давления на основе тонкопленочных НиМЭМС обеспечивает повышение временной стабильности при воздействии влияющих факторов при сравнительно небольших затратах, что позволяет соответственно увеличить ресурс и срок службы датчиков.

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 за счет более точного и быстрого выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС с несовершенной структурой с учетом влияния всех элементов мостовой измерительной цепи НиМЭМС, используемых для соединения тензорезисторов в мостовую измерительную цепь и с цепью питания и преобразования выходного сигнала.

Источники информации

1. RU патент №2095772, C1, G01L 9/04. Датчик давления и способ его изготовления. Опубл.: 10.11.1997 г. БИ №6.

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

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, отличающийся тем, что после присоединения выводных проводников к контактным площадкам тензоэлементов НиМЭМС включают напряжение (или ток питания) НиМЭМС и выдерживают в течение времени, необходимого для установления начального выходного сигнала до значения
U 01 = U 00 ± Δ ( U 01 ) ,
где U00 - значение начального выходного сигнала НиМЭМС;
Δ ( U 01 ) - допустимая флуктуация начального выходного сигнала;
выключают напряжение (или ток питания) и после выдержки НиМЭМС в выключенном состоянии в течение времени, достаточного для возвращения НиМЭМС в состояние, предшествующее включению напряжения (или тока питания), включают напряжение (или ток питания) и определяют интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения
U 02 = U 00 ± Δ ( U 02 ) ,
Δ ( U 02 ) = γ 0   U H - допустимое отклонение значения начального выходного сигнала U02;
γ0 - основная погрешность датчика;
UH - номинальный выходной сигнал датчика,
и, если интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения U02 не превышает предельно допустимого значения, которое принимается за критерий временной стабильности и определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и активному неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения давления контролируемой среды. Способ измерения давления контролируемой среды включает измерение сигналов колебаний давления в объекте исследования посредством датчика, преобразование сигналов через аналого-цифровой преобразователь и регистрацию получаемых цифровых сигналов.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования.

Изобретение относится к датчика давления и может быть использовано в устройствах для регистрации давления текучих сред. Техническим результатом является улучшение конструкции и функциональных возможностей устройства.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может найти применение для месторождений, на которых достижение рентабельного дебита возможно только при снижении забойных давлений ниже давления насыщения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давлений жидких и газообразных агрессивных сред в условиях воздействия широкого диапазона стационарных и нестационарных температур.

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в датчиках давления. .

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения давления газообразных и жидких сред в трубопроводах, выполненных из ферромагнитного материала, в частности из стали.

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.

Изобретение относится к системам жизнеобеспечения пилота летательного аппарата, в частности к конструкции регулятора давления. .

Изобретение относится к области пневмоавтоматики и может быть использовано для автоматического регулирования давления газа, преимущественно в пневмосистемах с повышенными требованиями по виброшумовым характеристикам.

Предлагаемое устройство относится к приборостроению и может быть использовано в системах дистанционного сбора информации о давлении в различных отраслях промышленности. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения давления. Устройство для дистанционного измерения давления содержит сканирующее устройство и приемоответчик. Сканирующее устройство содержит последовательно включенные задающий генератор, усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, фазовый детектор, второй вход которого соединен с первым выходом узкополосного фильтра, и блок регистрации, второй вход которого через фазометр соединен с вторыми выходами задающего генератора и узкополосного фильтра. Приемоответчик выполнен в виде многоотводной линии задержки на поверхностных акустических волнах, включающей встречно-штыревой преобразователь, который выполнен в виде двух систем гребенчатых электродов, нанесенных на поверхность звукопровода, электроды гребенок соединены шинами, которые связаны с микрополосковой приемопередающей антенной. На звукопроводе размещены тонкая мембрана и отражающая решетка. Сканирующее устройство снабжено перемножителем. К выходу дуплексера подключен перемножитель. 2 ил.

Изобретение относится к преобразователям давления. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения давления за счет уменьшения содержания посторонних молекул, растворенных в газе или жидкости. Измерительный преобразователь давления содержит закрытую разделительной мембраной камеру приема давления и камеру измерения давления, в которой расположен датчик давления, внутреннее пространство которого заполнено передающей давление жидкостью. Жидкость служит для передачи в режиме измерения давления на датчик (11) давления. При этом жидкость содержит адсорбенты, размер частиц которых небольшой по сравнению с габаритами заполненного жидкостью внутреннего пространства и которые служат для связывания растворенных в жидкости посторонних молекул за счет адсорбции. Растворенное в передающей давление жидкости в газообразном или жидком состоянии содержание посторонних молекул уменьшается. Жидкость приводят в контакт, по меньшей мере, с одним адсорбентом. Растворенные в жидкости посторонние молекулы связывают с адсорбентами за счет адсорбции. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления среды в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды. Техническим результатом изобретения является значительное расширение рабочего температурного диапазона. Полупроводниковый преобразователь давления со схемой термокомпенсации содержит полупроводниковый кристалл, вырезанный в виде пластины. При этом в пластине выполнена тонкостенная диафрагма, в которой сформированы четыре тензорезистора измерительной мостовой схемы, а также два тонкопленочных резистора, подключенных первыми выводами к базе транзистора, а вторыми выводами соответственно к его эмиттеру и коллектору. Тонкопленочные резисторы выполнены из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления. На полупроводниковом кристалле вне тонкостенной диафрагмы расположены дополнительный тензорезистивный мост и резистор с высоким температурным коэффициентом сопротивления, имеющий отдельные от общей схемы выводы. Полупроводниковый кристалл расположен на подставке, состоящей из стеклянной подложки и полой цилиндрической металлической подставки с наружной резьбой, изготовленных из материалов с одинаковыми коэффициентами теплового расширения. 3 ил.

Изобретение относится к датчикам давления, используемым для измерения технологической текучей среды и дифференциального давления. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений давления. Сборный узел датчика давления для измерения давления технологической текучей среды включает в себя корпус датчика с наличием полости, сформированной в нем, и первое и второе отверстия к полости, сконфигурированные для приложения первого и второго давлений. Диафрагма в полости отделяет первое отверстие от второго отверстия и сконфигурирована с возможностью изгибаться в ответ на перепад давления между первым давлением и вторым давлением. Обеспечивается емкостный датчик деформации, сконфигурированный с возможностью определять величину деформации корпуса датчика в ответ на давление в линии, приложенное к корпусу датчика. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных средств. Датчик содержит корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, первые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по одной окружности мембраны, и вторые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по другой окружности на мембране, соединенные перемычками, включенные в измерительный мост. Радиус жесткого центра определен из соотношения: rж.ц.=0,42rм, где rм - радиус мембраны. При этом тензоэлементы первых радиальных тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r1=0,444rм, а тензоэлементы вторых радиальных тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r2=0,733 rм. Техническим результатом изобретения является повышение точности за счет повышения чувствительности при одновременном уменьшении нелинейности. 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для использования в приборах измерения давления жидкостей и газов. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления датчика давления. Датчик давления содержит измерительный блок, упругую мембрану и, по меньшей мере, один колебательный упругий элемент (резонатор), связанный с мембраной с возможностью изменения его натяжения в соответствии с деформацией мембраны. Мембрана выполнена круглой в плане и, по крайней мере, с одним концентрическим гофром (или несколькими концентрическими гофрами), перекрытым закрепленным на его краях кольцевым резонатором из магнитного материала или с дополнительным магнитным элементом (элементами). Измерительный блок содержит по меньшей мере один электромагнит и выполнен с возможностью возбуждения колебания резонаторов и регистрации их колебаний. 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к бесшкальным манометрам. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. Датчик давления для считывания давления технологической текучей среды содержит корпус датчика, подвергаемый воздействию давления технологической текучей среды. Корпус датчика деформируется в ответ на давление. Диафрагма, подвешенная в корпусе датчика, имеет натяжение, которое изменяется в ответ на деформацию корпуса датчика. Резонансную частоту диафрагмы измеряют. Измеренная резонансная частота является показателем давления в магистрали технологической текучей среды и целостности системы разделительной заполняющей текучей среды. Кроме измерения резонансной частоты, в качестве средства диагностики для оценки состояния исправности датчика можно использовать саму моду колебаний. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

Заявленная группа изобретений относится к датчикам, которые используются в устройствах для детектирования давления текучих сред (жидкостей и газообразных сред) в различных областях, например в автомобильной промышленности, в бытовых электрических приборах, в области сохранения окружающей среды и общего контроля в гидротермальной санитарии или в области медицины. Заявленная группа изобретений включает способ для изготовления множества датчиков, в частности датчиков давления, а также датчики, полученные посредством вышеуказанного способа. Причем датчик, в частности датчик давления, имеет конструкцию, которая содержит опорный корпус (10); схемную компоновку (4), содержащую компоненты (3а, 3b, 3c, 3d) схемы, среди которых есть средство (3с) детектирования для генерации электрических сигналов, представляющих детектируемую величину; и по меньшей мере один опорный элемент (4а) схемы, который подсоединен к опорному корпусу (10) и имеет поверхность, на которой сформировано множество упомянутых компонентов (3а, 3b, 3c, 3d) схемы, среди которых есть электропроводящие дорожки (3а, 3b), причем опорный элемент (4а) схемы прикреплен посредством ламинирования на первую поверхность опорного корпуса (10). Заявленный способ для изготовления множества датчиков содержит операции: обеспечения множества опорных корпусов (10); обеспечения множества схемных компоновок (4), при этом каждая схемная компоновка содержит компоненты (3а, 3b, 3с, 3d) схемы, среди которых есть средство (3с, 12) детектирования для генерации электрических сигналов, представляющих детектируемую величину; обеспечения множества опорных элементов (4а) схемы, каждый из которых имеет поверхность, на которой сформировано множество (3а, 3b, 3с, 3d) упомянутых компонентов (3а, 3b, 3с, 3d) схемы, среди которых есть электропроводящие дорожки (3а, 3b); и подсоединения каждого опорного элемента (4а) схемы к соответственному опорному корпусу (10, 10', 10"). Технический результат заключается в изготовлении датчика, устойчивого к разнообразным условиям применения и/или к относительно высоким температурам, а также более простого, более удобного и более быстрого. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 26 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, и может быть использовано в различных областях науки техники, связанных с измерением перепада давления среды. Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности датчика разности давления. Датчик давления содержит корпус, в котором герметично размещены полупроводниковые чувствительные элементы, на которых сформированы тензодатчики, две полости, заполненные электроизоляционной жидкостью и расположенные с торцов по ходу движения жидкости. Первый полупроводниковый чувствительный элемент с первым тензодатчиком расположены между полостями, второй полупроводниковый чувствительный элемент параллелен первому полупроводниковому чувствительному элементу. Корпус загерметизирован профилированными мембранами, расположенными с зазором относительно сторон корпуса. Полупроводниковые чувствительные элементы выполнены в виде микроэлектромеханических структур разной толщины. Второй чувствительный элемент со стороны тензодатчика соединен с атмосферой и имеет толщину большую, чем первый чувствительный элемент. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, и может быть использовано в различных областях науки и техники, связанных с измерением перепада давления среды. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и работоспособности высокоточного дифференциального датчика давления во время и после кратковременных многократных перегрузок. Полупроводниковый датчик перепада давления содержит полупроводниковую мембрану из кремния, тензодатчик в виде мостовой схемы из тензорезисторов, первый стопорный элемент и второй стопорный элемент. Первый стопорный элемент выполнен из кремния и содержит стопорный выступ в области напротив канавки полупроводниковой мембраны, стопорное углубление напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, расположенное с зазором от центрального выступа мембраны, а также центральное сквозное отверстие. Стопорный элемент закреплен плоской стороной на стеклянной подложке из материала с одинаковым с кремнием коэффициентом теплового расширения и имеющей центральное сквозное отверстие, совпадающее с отверстием первого стопорного элемента. Второй стопорный элемент выполнен из кремния и содержит второй центральный стопорный выступ, окруженный первой канавкой, а также стопорный выступ, окруженный второй канавкой, расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив канавки полупроводниковой мембраны. 2 ил.
Наверх