Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами



Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами
Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами
Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами

 


Владельцы патента RU 2566538:

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

Изобретение относится к области электронной техники, в частности технологии изготовления датчиков, преимущественно тензометрических датчиков давления. Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами заключается в термостабилизации упругого элемента с циклическим разогревом тензорезисторов до температур. Высокотемпературный отжиг проводят в вакууме в три цикла до температуры 350±10°C, с выдержкой по ее достижению в течение 30 минут с последующим понижением температуры до 100±10°C после каждого цикла, после чего проводят термостабилизацию на воздухе при температуре 250±10°C с последующим контролем изменения (ухода) номиналов сопротивлений тензорезисторов для отбраковки потенциально негодных элементов. Термостабилизацию в вакууме и на воздухе проводят на стадии формирования схемы чувствительного элемента с воздействием на всю структуру упругого элемента датчика давления. Техническим результатом изобретения является повышение стабильности и надежности упругого элемента датчика давления, обеспечение высокой точности измерения давления в течение длительного времени их работы. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности технологии изготовления датчиков, преимущественно тензометрических датчиков давления.

При разработке высокотемпературных датчиков, основанных на использовании тензоэффекта, предъявляются повышенные требования по стабильности тензорезисторов. Для получения требуемого значения стабильности нулевого выходного сигнала U0 датчиков давления (0,1-0.8)% в течение 15-25 лет необходима прецизионная стабильность номинала сопротивления тензорезистивных элементов (ΔR/R)·100% относительно друг друга не хуже 0,001%. В настоящее время достигнутый уровень стабильности составляет (0,1-0,01) за 1 год хранения. Для достижения предъявляемых параметров необходимо решить проблему уменьшения дрейфа параметров сопротивления номиналов тензорезисторов, связанную с диффузионными процессами, происходящими между сформированными пленками.

Известен способ изготовления высокотемпературного тензорезистивного элемента, включающий последовательное нанесение на металлическую подложку изоляционного, тензорезистивного и проводящего слоев и термообработку после нанесения каждого слоя [Авт. св. СССР №1128694, Н01С 17/00, G01B 7/18. Опубл. 05.11.1982].

Недостатком данного способа является нестабильность тонкопленочных резисторов, вызванная дрейфом сопротивления в рабочих условиях за счет окислительных процессов на поверхности тензорезисторов и диффузионных процессов между изоляционными, резистивными и проводящими слоями, высокая трудоемкость процессов термообработки.

Известен способ стабилизация упругого элемента датчика давления с тензорезисторами, заключающийся в циклической термостабилизации перепадом температур и последующим воздействием механической нагрузки, превышающей максимальную рабочую, охлаждение упругого элемента перед механическим нагружением жидким азотом и контроле выходного сигнала, циклическом разогревом упругого элемента постоянным током с одновременным действием механической нагрузки до момента становления постоянного выходного сигнала [Авт. св. СССР №1182289. Опубл. 30.09.1985].

Недостатком этого способа является сложность, высокая трудоемкость процесса термостабилизации упругого элемента, сокращение ресурса работы за счет критичного использования воздействующих, в том числе, разрушающих факторов.

Наиболее близким аналогом к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами, заключающийся в термостабилизации 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°C с циклическим воздействием на схему тензорезисторов повышенного напряжения питания с осуществлением контроля по скорости изменения начального выходного сигнала [Патент на изобретение №2301977, G01L 7/02. Опубл. 27.06.2007].

Недостатками данного способа являются высокая трудоемкость, обусловленная стабилизацией непосредственно каждого датчика на поздней стадии изготовления, нестабильность тензорезисторов из-за процессов взаимодиффузии в пленках, обусловленная стабилизацией непосредственно тензорезистора, а не всей структуры в целом.

Целью изобретения является уменьшение трудоемкости, повышение выхода годных изделий за счет отбраковки потенциально негодных элементов на ранней стадии изготовления, повышение стабильности тензорезисторов и всего устройства в целом путем оптимального выбора режимов циклической комбинированной термостабилизации.

Поставленная цель достигается тем, что в способе стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами, заключающемся в термостабилизации упругого элемента с циклическим разогревом тензорезисторов до температур, обеспечивающих высокотемпературный отжиг, согласно изобретению разогрев проводят в вакууме в три цикла до температуры 350±10°C, с выдержкой по ее достижению в течение 30 минут с последующим понижением температуры до 100±10°C после каждого цикла. После чего проводят термостабилизацию на воздухе при температуре 250±10°C до устойчивого состояния номиналов тензорезисторов с последующим контролем изменения (ухода) номиналов сопротивлений тензорезисторов для отбраковки потенциально негодных элементов. Причем термостабилизацию в вакууме и на воздухе проводят на стадии формирования схемы чувствительного элемента с воздействием на всю структуру упругого элемента датчика давления. Термостабилизацию проводят на всю партию изготавливаемых элементов.

Циклическая термостабилизация в вакууме и термостабилизация на воздухе позволяют активизировать внутренние и поверхностные окислительные процессы в тонкопленочных структурах, связать в устойчивые химические соединения молекулы (атомы) кислорода, воды, азота и т.д., а также свободные атомы материалов тонкопленочных структур, например, Si, Al в изолирующих пленках SiO SiO2 Si3N4 Al2O3; Cr, Ni, Ti в резистивных пленках типа Х20Н80, П65ХС, Х20Н75Ю и др. как внутри них, так и в зонах контактирования тонких пленок между собой в окислы, силициды и другие формы устойчивых соединений. Это резко снижает интенсивность дрейфа значений сопротивлений в эксплуатационных условиях и при хранении, ухудшающих упругие характеристики, а также достаточности, чтобы в тонкопленочной структуре произошли необходимые соединения свободных элементов применяемых материалов (сплавов) и не уменьшилась адгезия контактной группы, что приводит к повышению точности измерения давления. В результате последующего контроля (ухода) номиналов тензорезисторов осуществляется отбраковка потенциально негодных элементов на стадии формирования схемы. Контрольная величина ухода сопротивлений после термостабилизации, равная средней нестабильности тензорезисторов в пределах 0,3-1,5%, установлена на основании технологических тренировок анализа статистических данных изготовления, испытаний и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления, а также анализа отказавших изделий.

Термостабилизация на воздухе при температуре 250±10°C в течение 4-6 часов способствует снятию напряжений от локальных микропластических деформаций в тонкопленочных структурах, вызванных образованием внутри пленочных окислов, силицидов и других соединений после термообработки, и является достаточной для достижения устойчивого состояния номиналов тензорезисторов, эксплуатируемых при рабочих температурах до 200°C.

Осуществление стабилизации упругого элемента датчика давления проводилось на упругих элементах с тензорезисторами из многокомпонентных звеньев (проводник-резистор-проводник и т.д.). Режимы стабилизации опробованы на структурах, где в качестве проводящего слоя использовалось золото с подслоем ванадия, резистивного - сплавы Х20Н75Ю, П65ХС. В качестве диэлектрика использовались пленки SiO и SiO2.

Упругий элемент датчика давления подвергают воздействию температур в вакууме в три цикла с поднятием температуры до 350°C и выдержкой после достижения максимальной в течение 30 минут с последующим понижением температуры до 100±10°C после каждого цикла. Тем самым имитируются перепады температур, связанные с последующими стадиями изготовления, хранения, испытаний и эксплуатации. После стабилизируют элементы на воздухе в течение 4-6 часов при температуре 250°C. После завершения термостабилизации проводят измерение номиналов тензорезисторов на предмет изменения параметров (ухода номиналов сопротивления ΔR) относительно друг друга и соответствию требованиям КД с целью отбраковки потенциально негодных элементов на стадии формирования схемы. Температурный диапазон обработки 350±10°C в вакууме со временем выдержки 30 минут с последующим понижением температуры до 100±10°C после каждого цикла и температурный диапазон 250±10°C на воздухе выбраны из условия достаточности энергетического воздействия для завершения протекания процессов окислообразования, образования силицидов металлов и других соединений. Ограничение по давлению остаточных газов в вакуумной камере, равное P=(1·10-5-5·10-6) мм рт.ст., вызвано необходимостью исключения загрязнения пленок атмосферными загрязнителями в процессе обработки и достаточностью количества молекул остаточного газа поверхностной пассивации (окисления) резистивных пленок.

Элементы тензорезистивных датчиков с многокомпонентными звеньевыми тензорезисторами, изготовленные по данному способу термостабилизации, подвергали тренировке (имитация условий эксплуатации) с элементами, изготовленными по конструкторской и технологической документации (таблица 1). Результаты наибольших изменений номиналов тензорезисторов представлены на диаграмме (фиг. 1).

Из таблицы 1 и фиг. 1 видно, что после длительных температурных тренировок уход номиналов резисторов с использованием новой стабилизации значительно меньше, чем при стабилизации, выполненной по действующей КД и ТД. Причем он составляет десятые доли (Ом), что может быть вызвано погрешностью приборов измерения. Номиналы элементов, изготовленных по действующей технологии, изменяются на большие величины, что может привести к отказам приборов на дальнейших стадиях изготовления и при эксплуатации.

Способ стабилизации упругого элемента с тензорезисторами приводит к повышению стабильности и надежности упругого элемента датчика давления, обеспечивает высокую точность измерения давления в течение длительного времени их работы, повышает процент выхода годных и позволяет дополнительно управлять окончанием процесса стабилизации в зависимости от топологических решений по формированию рисунка схемы.

Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами, заключающийся в термостабилизации упругого элемента с циклическим разогревом тензорезисторов до температур, обеспечивающих высокотемпературный отжиг, отличающийся тем, что разогрев проводят в вакууме в три цикла до температуры 350±10°C, с выдержкой по ее достижению в течение 30 минут с последующим понижением температуры до 100±10°C после каждого цикла, после чего проводят термостабилизацию на воздухе при температуре 250±10°C до устойчивого состояния номиналов тензорезисторов с последующим контролем изменения номиналов сопротивлений тензорезисторов, причем термостабилизацию в вакууме и на воздухе проводят на стадии формирования схемы чувствительного элемента с воздействием на всю структуру упругого элемента датчика давления.



 

Похожие патенты:

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

Изобретение относится к приборостроению, точнее к средствам контроля, и может быть применено, например, в системах с гидравлической и газовой рабочей средой для измерения момента достижения заданного порога давления.

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и предназначено для измерения атмосферного давления с целью прогнозирования землетрясений, обнаружения искусственных возмущений атмосферы и изучения влияния изменений атмосферного давления на показания геофизических приборов и земную поверхность.

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

Изобретение относится к приборам регистрации избыточного давления и может быть использовано при изготовлении деформационных индикаторов давления, предназначенных для регистрации наибольшего достигнутого давления.

Изобретение относится к приборам регистрации избыточного давления и может быть использовано при изготовлении деформационных индикаторов давления, предназначенных для регистрации наибольшего достигнутого давления.

Изобретение относится к измерительным устройствам, в частности к конструкции тензометрических датчиков механических напряжений, и может быть использовано для измерения сдвиговой составляющей механического напряжения на границе двух сред.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для замеров усилий и давлений в машиностроении и в других областях народного хозяйства. .

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к устройствам для определения вакуума смыкания (жесткости) сосковой резины. .
Наверх