Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами под давлением

Изобретение относится к электронной технике, в частности к технологии изготовления датчиков, преимущественно тонкопленочных тензометрических датчиков давления. Техническим результатом изобретения является повышение качества и надежности упругого элемента датчика давления (УЭ ДД), повышение стабильности начального выходного сигнала УЭ ДД и выявление скрытых дефектов в тонкопленочной гетероструктуре на ранних стадиях изготовления УЭ ДД. Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами заключается в термостабилизации упругого элемента с одновременным циклическим разогревом тензорезисторов до температур, обеспечивающих их высокотемпературный отжиг, и контроле выходного сигнала по скорости изменения величин начального выходного сигнала при температуре 80°С. Замеряют начальный выходной сигнал U0 в нормальных условиях при рабочем напряжении питания. Помещают упругий элемент в сушильный шкаф при температуре 80°C с одновременной подачей на схему повышенного напряжения питания. По истечении одного часа устанавливают рабочее напряжение питания. Выдерживают упругий элемент в течение пяти минут, замеряют начальный выходной сигнал U0ti. Проводят еще четыре таких цикла, упругий элемент остужают в течение одного часа. Замеряют снова начальный выходной сигнал при рабочем напряжении питания и проводят отбраковку нестабильных тензорезисторов. Скорость измерения начального выходного сигнала определяют по соответствующей формуле. Термостабилизацию проводят при температуре 50°C с одновременным воздействием повышенного давления на мембрану. 2 ил., 2 табл.

 

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

Известен способ температурной компенсации мостовых схем тонкопленочных тензорезисторных датчиков, заключающийся в регулировании сопротивлений и температурного коэффициента сопротивления (ТКС). Регулирование сопротивления резистора осуществляют пропусканием через него постоянного тока, а регулирование ТКС - пропусканием импульсного тока, причем величину как импульсного, так и постоянного тока выбирают в 10-15 раз больше номинального рабочего [1].

Недостатком известного способа является высокая трудоемкость и сложность в определении вида обработки постоянным или импульсным током для конкретного размера, контроля номиналов тензорезисторов, ТКС и начального выходного сигнала.

Другим близким по технической сущности является способ стабилизации упругого элемента датчика давления (УЭ ДД), заключающийся в циклической термостабилизации перепадом температур и последующем воздействии механической нагрузки, 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 [2].

Недостатком этого способа является техническая сложность реализации, высокая трудоемкость процесса термостабилизации УЭ, заключающегося в циклическом воздействии температур, механической нагрузки и воздействии постоянного тока до установления постоянного выходного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности является следующий способ стабилизации УЭ ДД с тензорезисторами. При этом способе УЭ ДД со сформированной схемой подвергают импульсной токовой обработке. Затем для выявления потенциально нестабильных металлопленочных модулей измерительных (МИ) проводят термообработку. Одновременно проводят замеры начального выходного сигнала U0 в нормальных условиях до термообработки и после термообработки. Затем проводят расчет скорости изменения величины U0 за период времени между замерами U0 по формуле:

, где

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

U0ti - начальный выходной сигнал при напряжении Un=(6,0±0,05)В, при температуре 80°С после термообработки за время ti, мВ;

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

i=1…5 - количество измерений;

Т - 1 час.

Если ΔVi>0,1 мВ/час, то УЭ ДД браковать [3].

Недостатком этого способа является отсутствие деформационного воздействия на мембрану УЭ ДД в процессе термообработки, что не обеспечивает полной релаксации напряжений в тонкопленочной гетероструктуре.

Целью изобретения является повышение качества и надежности УЭ ДД, повышение стабильности начального выходного сигнала УЭ ДД и выявление скрытых дефектов в тонкопленочной гетероструктуре на ранних стадиях изготовления УЭ ДД.

Поставленная цель достигается тем, что в способе стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами, заключающемся в термостабилизации упругого элемента с одновременным циклическим разогревом тензорезисторов импульсным электрическим током до температур, обеспечивающих их высокотемпературный отжиг, и контроле начального выходного сигнала по скорости изменения величин начального выходного сигнала при температуре 80°С, при этом замеряют начальный выходной сигнал U0 в нормальных условиях при рабочем напряжении питания, помещают упругий элемент в сушильный шкаф при температуре 80°C с одновременной подачей на схему повышенного напряжения питания, по истечении одного часа устанавливают рабочее напряжение питания, выдерживают упругий элемент в течение пяти минут, замеряют начальный выходной сигнал U0ti, проводят еще четыре таких цикла, упругий элемент остужают в течение одного часа, замеряют снова начальный выходной сигнал при рабочем напряжении питания и проводят отбраковку нестабильных тензорезисторов, причем скорость изменения начального выходного сигнала определяют по формуле:

, где

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

U0ti - начальный выходной сигнал при напряжении Un=(6,0±0,05)В, температуре 80°С после термообработки за время ti, мВ;

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

i=1…5 - количество измерений;

Т - время термообработки, час,

согласно изобретению термостабилизацию проводят при температуре 50°C с одновременным воздействием повышенного давления на мембрану.

Разогрев тензорезисторов импульсным электрическим током позволяет обнаружить на ранней стадии изготовления УЭ ДД скрытые дефекты тонкопленочных тензорезисторов, а подача на мембрану повышенного давления и повышенной температуры 50°С позволяет активировать потенциально ненадежные элементы тонкопленочной гетероструктуры с последующей отбраковкой потенциально ненадежных УЭ ДД.

На фиг.1 представлен график распределения скорости изменения величины начального выходного сигнала УЭ ДД при импульсной токовой отбраковке за период с 2007 по 2008 год.

На фиг.2 представлен график изменения начального выходного сигнала в процессе испытаний датчиков давления, прошедших импульсную токовую обработку с подачей давления и при повышенной температуре.

Способ осуществляют следующим образом.

УЭ ДД со сформированной схемой подвергают импульсной токовой обработке при температуре 50°C с одновременным воздействием повышенного (до 1,5 Рном) давления на мембрану ДД. Термостабилизацию с одновременным воздействием на схему повышенного напряжения питания и осуществление контроля по скорости изменения величины начального выходного сигнала проводят в следующем порядке. Предварительно замеряют начальный выходной сигнал U0 в нормальных условиях (22±4)°C при рабочем напряжении питания электрической схемы Un=(6,0±0,05)В. Затем УЭ, со сформированной на них тензосхемой, помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 80°C с одновременной подачей на схему повышенного напряжения питания Un=(9,0±0,1)В. По истечении одного часа устанавливают рабочее напряжение питания электрической схемы Un=(6,0±0,05)В, выдерживают в течение пяти минут и замеряют начальный выходной сигнал U0ti. Проводят еще четыре таких цикла, не извлекая УЭ ДД из сушильного шкафа при температуре 80°С. Затем упругие элементы остужают до нормальных условий (22±4)°С в течение одного часа и замеряют начальный выходной сигнал U0 при рабочем напряжении питания электрической схемы Un=(6,0±0,05)В. Отбраковку потенциально нестабильных тензорезисторов, сформированных на упругом элементе, проводят в следующем порядке. По полученным данным проводят расчет скорости изменения величины начального выходного сигнала ΔVi согласно формуле:

, где

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

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

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

i=1…5 - количество измерений;

Т - время термообработки, час.

Если ΔVi>0,08 мВ/час, то УЭ ДД браковать.

Пример. Подложки из коррозионностойкого сплава после очистки помещают в вакуумную камеру и производят напыление тонкой диэлектрической пленки на основе моноокиси кремния, затем формируют тензорезисторы методом термического напыления в вакууме тонкой пленки из резистивного сплава на основе нихрома и через трафарет контактные площадки тензорезисторов из проводящего слоя золота с адгезионным подслоем ванадия. Формирование топологического рисунка тензорезисторов осуществляют методом прямой фотолитографии. После формирования электрической схемы чувствительные элементы разваривают в приспособление для настройки и тензорезисторы подвергают подгонке по номиналам для балансировки тензомоста. Затем извлекают чувствительный элемент из приспособления для настройки и собирают до той степени сборки датчика, при которой возможна подача давления на мембрану.

Собранный таким образом УЭ ДД соединяют с технологическим штуцером, соединяют его со специальной оснасткой для подачи давления и помещают в камеру с повышенной температурой 50°С. Подачу давления 1,5 Pном на мембрану УЭ ДД осуществляют с помощью грузопоршневого манометра или какого-либо другого источника давления.

Импульсным током кратковременно разогревают обрабатываемую пленку тонкопленочных тензорезисторов до высоких температур (порядка +(1300-1500)°С), что значительно выше, чем разогрев постоянным электрическим током. При этом можно получить эффект высокотемпературного отжига конкретных тензорезисторов или тензомоста в целом. Высокотемпературный отжиг приводит к изменению структуры тонкой пленки в первую очередь в местах наибольшей дефектности пленки и, таким образом, выявляются потенциально нестабильные тензорезисторы. Применение способа импульсной токовой обработки позволяет достичь контролируемого упорядочения структуры пленки тензорезисторов и образования мостиков проводимости между отдельными зернами. Обработка тензосхемы проводится в течение 10 минут. После этого давление с мембраны УЭ ДД снимается и они извлекаются из камеры.

Затем, для выявления потенциально нестабильных УЭ ДД, проводят термообработку при температуре 80°C с одновременным циклическим воздействием на схему тензорезисторов повышенного напряжения питания Un=(9,0±0,1)В. Термообработку с одновременным циклическим воздействием на схему тензорезисторов повышенного напряжения питания и осуществление контроля по скорости изменения величины начального выходного сигнала проводят в следующем порядке. Предварительно замеряют начальный выходной сигнал U0 в нормальных условиях (22±4)°С при рабочем напряжении питания электрической схемы Un=(6,0±0,05)В. Затем УЭ ДД помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 80°C с одновременной подачей на схему повышенного напряжения питания Un=(9,0±0,1)В. По истечении одного часа устанавливают рабочее напряжение питания электрической схемы Un=(6,0±0,05)В, выдерживают в течение пяти минут и замеряют начальный выходной сигнал U0ti. Проводят еще четыре таких цикла, не извлекая из сушильного шкафа при температуре 80°С. Затем УЭ ДД остужают до нормальных условий (22±4)°С в течение одного часа и замеряют начальный выходной сигнал U0 при рабочем напряжении питания электрической схемы Un=(6,0±0,05)В. Отбраковку потенциально нестабильных тензорезисторов, сформированных на упругом элементе, проводят в следующем порядке. По полученным данным проводят расчет скорости изменения величины начального выходного сигнала ΔVi согласно формуле:

, где

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

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

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

i=1…5 - количество измерений;

T - время термообработки, час.

Если ΔVi>0,08 мВ/час, то УЭ ДД браковать.

Несложное оборудование и простота управления процессом являются несомненным преимуществом данного способа.

Данный способ опробован в производстве тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления для выявления потенциально ненадежных УЭ ДД на ранней стадии изготовлении.

Отбраковочный уровень скорости изменения величины начального выходного сигнала ΔVi определялся исходя из статистических данных по импульсной токовой отбраковке УЭ ДД, проводившейся в соответствии с внедренной в производство тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления методикой (см. Патент №2301977). Директивно утвержденный процент выхода годных по сборке УЭ ДД составляет 96,0%, фактический средний процент выхода годных за период с 2005 по 2008 гг. составил 97,41%, то есть разница между утвержденным и фактическим процентами выхода годных составляет 1,41% (см. табл.1 и фиг.1). Таким образом, допустимый технологический отход при импульсной токовой обработке и отбраковке не должен превышать эту величину. Исходя из этого критерия и учитывая данные таблицы 1 и фиг.1, допустимый приемочный диапазон по циклам должен укладываться в 1,41%, что соответствует отбраковочному уровню ±0,08 мВ/час.

Результаты испытаний тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления с импульсной токовой обработкой тензосхемы под давлением приведены на фиг.2. Испытания проводились на безотказность и назначенный ресурс. Интегральные характеристики результатов испытаний по уровню нестабильности начального выходного сигнала представлены в таблице 2.

Таблица 1
Процент выхода годных УЭ ДД в приемочном диапазоне по циклам в зависимости от критерия отбраковки
Диапазон изменения начального выходного сигнала Циклы Процент выхода годных УЭ ДД в приемочном диапазоне
от минус 0,08 до +0,08 мВ 1-й цикл 99,40
2-й цикл 99,53
3-й цикл 99,77
4-й цикл 99,91
от минус 0,06 до +0,06 мВ 1-й цикл 97,86
2-й цикл 98,51
3-й цикл 99,30
4-й цикл 99,44
от минус 0,04 до +0,04 мВ 1-й цикл 94,94
2-й цикл 96,70
3-й цикл 98,09
4-й цикл 98,61
от минус 0,02 до +0,02 мВ 1-й цикл 88,20
2-й цикл 90,88
3-й цикл 93,72
4-й цикл 95,31
Таблица 2
Обсчет результатов испытаний тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления с импульсной токовой обработкой тензосхемы под давлением на безотказность и назначенный ресурс
Заводской номер датчика/диапазон давления кгс/см2 Среднее значение начального выходного сигнала за весь период испытаний, % Максимальное изменение величины начального выходного сигнала за весь период испытаний, % Дисперсия изменения величины начального выходного сигнала за весь период испытаний Среднее отклонение величины начального выходного сигнала за весь период испытаний, % Среднее квадратичное отклонение величины начального выходного сигнала за весь период испытаний
05009441/80 2,14 0,64 0,269 0,200 19,92
05009445/80 1,26 1,73 0,125 0,271 10,04
05009447/160 3,78 0,92 0,186 0,331 15,07
05009450/160 0,98 0,12 0,295 0,272 23,89
Среднее значение - - 0,219 0,269 17,23

Согласно требованиям ТУ на датчик допустимый уровень нестабильности начального выходного сигнала в условиях эксплуатации должен быть в пределах ±15%. По сравнению с требованиями ТУ нестабильность начального выходного сигнала датчиков с импульсной токовой обработкой и с подачей давления на мембрану ниже более чем в 100 раз.

Таким образом, техническое решение по заявке позволяет повысить качество и надежность УЭ ДД, а также стабильность начального выходного сигнала УЭ ДД, выявить и исключить брак на ранней стадии изготовления УЭДД.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №1174738, 4 G01B 7/16, заявлено 08.12.83, опубликовано 23.08.85.

2. Авторское свидетельство №1182289, 4 G01L 7/08, заявлено 27.10.83, опубликовано 30.09.85.

3. Патент №2301977, G01L 7/02, заявлен 26.10.2005, опубликован 27.06.2007.

Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами, заключающийся в термостабилизации упругого элемента с одновременным циклическим разогревом тензорезисторов импульсным электрическим током до температур, обеспечивающих их высокотемпературный отжиг, и контроле начального выходного сигнала по скорости изменения величин начального выходного сигнала при температуре 80°С, при этом замеряют начальный выходной сигнал U0 в нормальных условиях при рабочем напряжении питания, помещают упругий элемент в сушильный шкаф при температуре 80°C с одновременной подачей на схему повышенного напряжения питания, по истечении 1 ч устанавливают рабочее напряжение питания, выдерживают упругий элемент в течение 5 мин, замеряют начальный выходной сигнал U0ti, проводят еще четыре таких цикла, упругий элемент остужают в течение 1 ч, замеряют снова начальный выходной сигнал при рабочем напряжении питания и проводят отбраковку нестабильных тензорезисторов, причем скорость измерения начального выходного сигнала определяют по формуле

где ΔVi - скорость изменения величины выходного сигнала через каждый час, мВ/ч;
U0ti - начальный выходной сигнал при напряжении Un=(6,0±0,05)В, температуре 80°С после термостабилизации за время ti, мВ;
U0ti+1 - начальный выходной сигнал при напряжении Un=(6,0±0,05)В, температуре 80°С после термостабилизации за время ti+1, мВ;
i=1…5 - количество измерений;
Т=1 ч,
отличающийся тем, что термостабилизацию проводят при температуре 50°C с одновременным воздействием повышенного давления на мембрану.



 

Похожие патенты:

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. .

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 судостроения, в частности к способам испытаний корпусов судов, и может быть использовано для определения их прочностных и деформационных характеристик в процессе разработки, эксплуатации и ремонта. Предложен способ нагружения корпуса судна при проведении испытаний, включающий установку судна на кильблоках, расположенных на основании, в промежутки между которыми симметрично относительно ДП судна на основание укладывают нагружающие средства, выполненные в виде емкостей из гибкого воздухонепроницаемого материала с возможностью подачи в них сжатого воздуха и измерения внутреннего давления воздуха в каждой емкости, дополнительные аналогично выполненные нагружающие средства размещают в зазорах между вертикально ориентированными ограждающими конструкциями и внешней поверхностью обращенных к ним бортов, в процессе нагружения сжатый воздух подают раздельно в каждую наполняемую емкость. Технический результат выражается в повышении достоверности условий нагружения при испытании корпусов судов в лабораторных условиях и расширении возможностей моделирования различных нагрузок и сложных напряженно-деформированных состояний. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх