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

Авторы патента:

Белозубов Евгений Михайлович (RU)

Дмитриенко Алексей Геннадиевич (RU)

Белозубова Нина Евгеньевна (RU)

G01L9/04 - резисторных тензометров

B82Y40/00 - Нанотехнология

B81B7/02 - содержащие отдельные электрические или оптические устройства, необходимые для их функционирования, например микроэлектромеханические системы (МЭМС) (B81B 7/04 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2512142:

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

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем (НиМЭМС), предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования. Способ изготовления заключается 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. При этом формирование тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними проводят в областях, в которых воздействующие на них при эксплуатации деформации и температуры удовлетворяют соответствующему соотношению. После формирования измеряют размеры и площадь элементов и переходов НиМЭМС с учетом количества, размеров и распределения дефектов, затем вычисляют по ним критерий временной стабильности по соответствующему соотношению. Если критерий временной стабильности меньше, чем предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции. Технический результат заключается в повышении временной стабильности, ресурса и срока службы. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем с мостовой измерительной цепью, в том числе тензорезисторы которых выполнены в виде тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования.

Известен способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС), предназначенного для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования, 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, 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 вследствие отсутствия выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС, в том числе вызванных дефектами на элементах и переходах НиМЭМС, возникающих в процессе изготовления. Отсутствие такого выявления при эксплуатации приводит к разному временному изменению сопротивления тензорезисторов НиМЭМС, в том числе вследствие различной скорости деградационных и релаксационных процессов в тензорезисторах, включенных в противолежащие плечи мостовой измерительной схемы. Недостаточная временная стабильность приводит к увеличению временной погрешности и уменьшению ресурса и срока службы датчика.

Целью предлагаемого изобретения является повышение временной стабильности, ресурса, срока службы за счет выявления с учетом количества, размеров и распределения дефектов на элементах и переходах НиМЭМС, без непосредственного контакта с НиМЭМС на самых ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС, обеспечивающего пропуск на дальнейшую сборку тензорезисторов и мостовых измерительных цепей из этих тензорезисторов с одинаковым (в пределах выбранного критерия) временным изменением сопротивления, в том числе вследствие одинаковой скорости деградационных и релаксационных процессов в тензорезисторах, включенных в противолежащие плечи мостовой измерительной цепи, и проводящих элементах, соединяющих тензорезисторы в мостовую измерительную цепь.

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 соответствии с заявляемым изобретением, формирование тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними проводят в областях, в которых воздействующие на них при эксплуатации деформации и температуры удовлетворяют соотношениям

$\frac{1}{r_{12} - r_{11}} \int_{r_{11}}^{r_{12}} ε_{1} (r_{1}) d r_{1} = \frac{1}{r_{22} - r_{21}} \int_{r_{21}}^{r_{22}} ε_{2} (r_{2}) d r_{2}$

$\frac{1}{r_{12} - r_{11}} \int_{r_{11}}^{r_{12}} T_{1} (r_{1}) d r_{1} = \frac{1}{r_{22} - r_{21}} \int_{r_{21}}^{r_{22}} T_{2} (r_{2}) d r_{2}, (1)$

где r₁₁, r₁₂ - минимальное и максимальное расстояние от первой пары противолежащих тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними до центра мембраны, соответственно;

r₂₁, r₂₂ - минимальное и максимальное расстояние от второй пары противолежащих тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними до центра мембраны, соответственно;

ε₁, ε₂ - деформация, воздействующая на первую и вторую пару противолежащих тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними, соответственно;

Т₁, T₂ - температура, воздействующая на первую и вторую пару противолежащих тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними, соответственно, а после формирования измеряют размеры и площадь элементов и переходов НиМЭМС с учетом количества, размеров и распределения дефектов, вычисляют по ним критерий временной стабильности по соотношению

$\begin{array}{l} Ψ_{τ 04} = \sum_{j = 1}^{4} \sum_{i = 1}^{N} l_{P}^{- 1} | l_{P i j} - l_{P} | + b_{P}^{- 1} | b_{P i j} - b_{P} | + S_{P}^{- 1} | S_{P i j} - S_{P} | + l_{P A}^{- 1} | l_{P A i j} - l_{P A} | + b_{P A}^{- 1} | b_{P A i j - b_{P A}} | + \\ + S_{P A}^{- 1} | S_{P A i j} - S_{P A} | + l_{A}^{- 1} | l_{A i j} - l_{A} | + b_{A}^{- 1} | b_{A i j} - b_{A} | + S_{A}^{- 1} | S_{A i j} - S_{A} | + l_{K}^{- 1} | l_{K i j}^{} - l_{K} | + b_{K}^{- 1} | b_{K i j} - b_{K} | + (2) \\ + S_{K}^{- 1} | S_{K i j} - S_{K} | + l_{K П}^{- 1} | l_{K П i j} - l_{K П} | + b_{K П}^{- 1} | b_{K П i j} - b_{K П} | + S_{K П}^{- 1} | S_{K П i j} - S_{K П} | + l_{П}^{- 1} | l_{П i j} - l_{П} | + b_{П}^{- 1} | b_{П i j} - b_{П} | + \\ + S_{П}^{- 1} | S_{П i j} - S_{П} |, \end{array}$

где l_PiJ, l_PAiJ, l_AiJ, l_AKiJ, l_КПJ, l_ПJ - измеренная длина соответствующих элементов и переходов;

b_PiJ, b_PAiJ, b_AiJ, b_AKiJ, b_KiJ, b_КПJ, b_ПJ - измеренная ширина соответствующих элементов и переходов i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

S_PiJ, S_PAiJ, S_AiJ, S_AKiJ, S_KiJ, S_КПJ, S_ПJ - измеренная площадь соответствующих элементов и переходом i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

_PiJ, _Aij, _Kij, _Пj - индексы, означающиеся принадлежность индексируемых параметров соответственно тензорезистивному, адгезионному, контактному элементу i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

_PAij, _AKij, _KПj - индексы, означающиеся принадлежность индексируемых параметров соответственно переходу тензорезистивный - адгезионный, адгезионный - контактный, контактный - проводящий i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

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

i=1…N - номер тензоэлемента в тензорезисторе;

l_P, l_PA, l_A, l_AK, l_K, l_KП, l_П - проектное значение длины соответствующих элементов и переходов;

b_P, b_PA, b_A, b_AK, b_K, b_KП, b_П - проектное значение ширины соответствующих элементов и переходов;

S_PiJ, S_PAiJ, S_AiJ, S_AKiJ, S_KiJ, S_KПJ, S_ПJ - проектное значение площади соответствующих элементов и переходов,

и, если $| Ψ_{τ 04} | < | Ψ_{τ Δ 4} |$ , где Ψ_τΔ4 - предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. Изготавливают мембрану из прецизионного сплава с периферийным основанием в виде оболочки вращения методами лезвийной обработки с применением на последних стадиях электроэрозионной обработки. Полируют поверхность мембраны с использованием 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). В соответствии с заявляемыми соотношениями (1) с использованием методов электронного моделирования определяют области формирования тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними. Формируют тензоэлементы с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними в этих областях.

При формировании перемычек и контактных площадок методом фотолитографии низкоомную 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 например, методом фотолитографии с использованием шаблона перемычек и контактных площадок. 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 формирования элементов и переходов НиМЭМС измеряют неконтактным способом количество, размеры и площадь элементов и переходов НиМЭМС с помощью программно-аппаратного комплекса, включающего программируемый микроскоп с блоком обработки видеоизображений. Этот блок, в том числе выдает измеренные значения площадей элементов и переходов НиМЭМС с учетом количества, размеров и распределения дефектов, возникших в процессе изготовления. Эти дефекты вызваны несовершенством структуры металла упругого элемента, дефектами диэлектрической пленки и тензочувствительного слоя. У современных материалов промышленного производства на нано- и микроуровне эти дефекты присутствуют всегда. Дифференциация дефектов проводится по изменению цвета. По результатам измерения вычислительное устройство программно-аппаратного комплекса вычисляет критерий временной стабильности Ψτ₀₄, который учитывает количество, размеры и распределение дефектов, по заявляемому соотношению. Если $| Ψ_{τ 04} | < | Ψ_{τ Δ 4} |$ , где Ψ_τΔ4. - предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции. Если $| Ψ_{τ 04} | < | Ψ_{τ Δ 4} |$ , 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. Анализ известных решений показал, что к таким элементам, можно отнести следующие тонкопленочные элементы, изображенные на фиг.1: диэлектрический 1, 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 будем рассматривать только проводящие элементы, находящихся 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

$U = E (R_{2} R_{4} - R_{1} R_{3}) {[(R_{1} + R_{2}) (R_{3} + R_{4})]}^{- 1}, (3)$

где Е - напряжение питания мостовой измерительной схемы;

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

Определим условие временной стабильности НиМЭМС в виде

$U (τ + Δ τ) = U (τ), (4)$

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

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

Δτ - любой интервал времени в пределах срока службы датчика.

После подстановки в выражение (4) выражения (3) и обеспечения необходимой временной стабильности источника питания E(τ+Δτ)=E(τ), получим условие стабильности НиМЭМС в развернутом виде

$\begin{array}{l} [R_{2} (τ + Δ τ) R_{4} (τ + Δ τ) - R_{1} (τ + Δ τ) R_{3} (τ + Δ τ)] \times {^{[R_{1} (τ + Δ τ) + R_{2} (τ + Δ τ)] \times [R_{3} (τ + Δ τ) + R_{4} (τ + Δ τ)]} - 1} = . (5) \\ = [R_{2} (τ) R_{4} (τ) - R_{1} (τ) R_{3} (τ)] \times {^{[R_{1} (τ) + R_{2} (τ)] \times [R_{3} (τ) + R_{4} (τ)]} - 1} \end{array}$

Анализ полученного условия (5) 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

$R_{1} (τ) = R_{2} (τ) = R_{3} (τ) = R_{4} (τ) = R (τ), (6)$

$R_{1} (τ + Δ τ) = R_{2} (τ + Δ τ) = R_{3} (τ + Δ τ) = R_{4} (τ + Δ τ) = R (τ + Δ τ), (7)$

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

$R_{j} (τ) = R (τ)$ , $R_{j} (τ + Δ τ) = R (τ + Δ τ) (8)$

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+Δτ) соответственно

$R {}_{j}{(τ)} = \sum_{i = 1}^{N} R_{P i j} (τ) + 2 R_{P A i j} (τ) + 2 R_{A K i} (τ) + 2 R_{A K i j} (τ) + 2 R_{K i j} (τ) + 2 R_{K П j} (τ) + 2 R_{П j} (τ), (9)$ $\begin{array}{l} R {}_{j}(_{τ}^{+}_{Δ}^{τ}_{)} = \sum_{i = 1}^{N} R_{P i j} (τ + Δ τ) + 2 R_{P A i j} (τ + Δ τ) + 2 R_{A K i} (τ + Δ τ) + 2 R_{A K i j} (τ + Δ τ) + 2 R_{K i j} (τ + Δ τ) +, (10) \\ + 2 R_{K П j} (τ + Δ τ) + 2 R_{П j} (τ + Δ τ) \end{array}$

где R_Pij, R_Aij, R_Kij, R_Пj - соответственно сопротивление тензорезистивного, адгезионного, контактного элемента i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

R_PAij, R_AKij, R_KПj - соответственно сопротивление переходов элементов тензорезистивный - адгезионный, адгезионный - контактный, контактный - проводящий i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

j=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 (9), (10) представим математические модели сопротивлений тонкопленочных тензорезисторов в виде следующих выражений:

$\begin{array}{l} R_{j} (τ) = \sum_{i = 1}^{N} ρ_{P i J} (ε_{P i J,} T_{P i J}, τ) l_{P i J} (ε_{P i J}, T_{P i J}, τ) [b_{P i J} (ε_{P i J}, T_{P i J}, τ)]^{- 1} + 2 ρ_{P A i J} (ε_{P A i J}, T_{P A i J}, τ) l_{P A i J} (ε_{P A i J}, T_{P A i J}, τ) \times \\ \times [^{b_{P A i J} (ε_{P A i J}, T_{P A i J}, τ)] - 1} + 2 ρ_{A i J} (ε_{A i J}, T_{A i J}, τ) l_{A i J} (ε_{A i J}, T_{A i J}, τ) [^{b_{A i J} (ε_{A i J}, T_{A i J}, τ)] - 1} + 2 ρ_{A K i J} (ε_{A K i J}, T_{A K i J}, τ) \times \\ \times l_{A K i J} (ε_{A K i J}, T_{A K i J}, τ) [^{b_{A K i J} (ε_{A K i J}, T_{A K i J}, τ)] - 1} + 2 ρ_{K i J} (ε_{K i J}, T_{K i J}, τ) l_{K i J} (ε_{K i J}, T_{K i J}, τ_{K i J}) [^{b_{K i J} (ε_{K i J}, T_{K i J}, τ)] - 1} +, (11) \\ + 2 ρ_{K П J} (ε_{K J}, T_{K J}, τ) l_{K П J} (ε_{K П J}, T_{K П J}, τ) [^{b_{K П J} (ε_{K П J}, T_{K П J}, τ)] - 1} + 2 ρ_{П J} (ε_{П J}, T_{П J}, τ) l_{П J} (ε_{П J}, T_{П J}, τ) \times \\ [^{b_{П J} (ε_{П J}, T_{П J}, τ)] - 1} \end{array}$

$\begin{array}{l} R_{j} (τ + Δ τ) = \sum_{i = 1}^{N} ρ_{P i J} (ε_{P i J,} T_{P i J}, τ + Δ τ) l_{P i J} (ε_{P i J}, T_{P i J}, τ + Δ τ) [b_{P i J} (ε_{P i J}, T_{P i J}, Δ τ)]^{- 1} + \\ + 2 ρ_{P A i J} (ε_{P A i J}, T_{P A i J}, τ + Δ τ) \times l_{P A i J} (ε_{P A i J}, T_{P A i J}, τ + Δ τ) \times [^{b_{P A i J} (ε_{P A i J}, T_{P A i J}, Δ τ)] - 1} + \\ + 2 ρ_{A i J} (ε_{A i J}, T_{A i J}, τ + Δ τ) l_{A i J} (ε_{A i J}, T_{A i J}, τ + Δ τ) \times [^{b_{A i J} (ε_{A i J}, T_{A i J}, τ + Δ τ)] - 1} + \\ + 2 ρ_{A K i J} (ε_{A K i J}, T_{A K i J}, τ + Δ τ) l_{A K i J} (ε_{A K i J}, T_{A K i J}, τ + Δ τ) \times [^{b_{A K i J} (ε_{A K i J}, T_{A K i J}, τ + Δ τ)] - 1} +, (12) \\ + 2 ρ_{K i J} (ε_{K i J}, T_{K i J}, τ + Δ τ) l_{K i J} (ε_{K i J}, T_{K i J}, Δ τ) [^{b_{K i J} (ε_{K i J}, T_{K i J}, Δ τ)] - 1} + \\ + 2 ρ_{K П J} (ε_{K J}, T_{K J}, Δ τ) \times l_{K П J} (ε_{K П J}, T_{K П J}, Δ τ) [^{b_{K П J} (ε_{K П J}, T_{K П J}, Δ τ)] - 1} + \\ + 2 ρ_{П J} (ε_{П J}, T_{П J}, τ + Δ τ) \times l_{П J} (ε_{П J}, T_{П J}, τ) [^{b_{П J} (ε_{П J}, T_{П J}, τ)] - 1} \end{array}$

где ρ_PiJ, ρ_PAiJ, ρ_AiJ, ρ_AKiJ, ρ_KiJ, ρ_ПJ, ρ_KПJ - удельное поверхностное сопротивление соответствующих элементов и переходов i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

ε_PiJ, ε_PAiJ, ε_AiJ, ε_AKiJ, ε_KiJ, ε_KПJ, ε_ПJ - относительная деформация, воздействующая на соответствующие элементы и переходы i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

T_PiJ, T_PAiJ, T_AiJ, T_AKiJ, T_KiJ, Т_KПJ, Т_ПJ - температура, воздействующая на соответствующие элементы и переходы i-го тензоэлемента j-го тензорезистора.

Тогда расширенные частные условия стабильности НиМЭМС можно представить в виде

$\begin{array}{l} \sum_{i = 1}^{N} ρ_{P i J} (ε_{P i J,} T_{P i J}, τ) l_{P i J} (ε_{P i J}, T_{P i J}, τ) [b_{P i J} (ε_{P i J}, T_{P i J}, τ)]^{- 1} + 2 ρ_{P A i J} (ε_{P A i J}, T_{P A i J}, τ) l_{P A i J} (ε_{P A i J}, T_{P A i J}, τ) \times \\ \times [^{b_{P A i J} (ε_{P A i J}, T_{P A i J}, τ)] - 1} + 2 ρ_{A i J} (ε_{A i J}, T_{A i J}, τ) l_{A i J} (ε_{A i J}, T_{A i J}, τ) [^{b_{A i J} (ε_{A i J}, T_{A i J}, τ)] - 1} + 2 ρ_{A K i J} (ε_{A K i J}, T_{A K i J}, τ) \times \\ \times l_{A K i J} (ε_{A K i J}, T_{A K i J}, τ) [^{b_{A K i J} (ε_{A K i J}, T_{A K i J}, τ)] - 1} + 2 ρ_{K i J} (ε_{K i J}, T_{K i J}, τ) l_{K i J} (ε_{K i J}, T_{K i J}, τ_{K i J}) [^{b_{K i J} (ε_{K i J}, T_{K i J}, τ)] - 1} +, (13) \\ + 2 ρ_{K П J} (ε_{K J}, T_{K J}, τ) l_{K П J} (ε_{K П J}, T_{K П J}, τ) [^{b_{K П J} (ε_{K П J}, T_{K П J}, τ)] - 1} + 2 ρ_{П J} (ε_{П J}, T_{П J}, τ) l_{П J} (ε_{П J}, T_{П J}, τ) \times \\ [^{b_{П J} (ε_{П J}, T_{П J}, τ)] - 1} = R (τ) \end{array}$

$\begin{array}{l} \sum_{i = 1}^{N} ρ_{P i J} (ε_{P i J,} T_{P i J}, τ + Δ τ) l_{P i J} (ε_{P i J}, T_{P i J}, τ + Δ τ) [b_{P i J} (ε_{P i J}, T_{P i J}, τ + Δ τ)]^{- 1} + \\ + 2 ρ_{P A i J} (ε_{P A i J}, T_{P A i J}, τ + Δ τ) l_{P A i J} (ε_{P A i J}, T_{P A i J}, τ + Δ) [^{b_{P A i J} (ε_{P A i J}, T_{P A i J}, τ + Δ τ)] - 1} + \\ + 2 ρ_{A i J} (ε_{A i J}, T_{A i J}, τ + Δ τ) l_{A i J} (ε_{A i J}, T_{A i J}, τ + Δ τ) [^{b_{A i J} (ε_{A i J}, T_{A i J}, τ + Δ τ)] - 1} + \\ + 2 ρ_{A K i J} (ε_{A K i J}, T_{A K i J}, τ + Δ τ) l_{A K i J} (ε_{A K i J}, T_{A K i J}, τ + Δ τ) [^{b_{A K i J} (ε_{A K i J}, T_{A K i J}, τ + Δ τ)] - 1} + . (14) \\ + 2 ρ_{K i J} (ε_{K i J}, T_{K i J}, τ + Δ τ) l_{K i J} (ε_{K i J}, T_{K i J}, τ + Δ τ) [^{b_{K i J} (ε_{K i J}, T_{K i J}, τ + Δ τ)] - 1} + \\ + 2 ρ_{K П J} (ε_{K J}, T_{K J}, τ + Δ τ) l_{K П J} (ε_{K П J}, T_{K П J}, τ + Δ τ) [^{b_{K П J} (ε_{K П J}, T_{K П J}, τ + Δ τ)] - 1} + \\ + 2 ρ_{П J} (ε_{П J}, T_{П J}, τ + Δ τ) \times l_{П J} (ε_{П J}, T_{П J}, τ) [^{b_{П J} (ε_{П J}, T_{П J}, τ)] - 1} = R (τ + Δ τ) \end{array}$

Полученные расширенные частные условия стабильности (13) и (14) 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_Pij=ρ_P, ε_Pij=ε_P, T_Pij=T_P, l_Pij=j_P, b_Pij=b_P, ρ_PAiJ=ρ_PA, ε_PAij=ε_PA, T_PAij=T_PA, l_PAij=l_PA, b_PAij=b_PA, ρ_AiJ=ρ_A, ε_Aij=ε_A, T_Aij=T_A, l_Aij=l_A, b_Aij=b_A, ρ_AKiJ=ρ_AK, ε_AKij=ε_AK, T_AKij=T_AK, l_AKij=l_AK, b_AKij=b_AK, ρ_KiJ=ρ_K, ε_Kij=ε_K, T_Kij=T_K, l_Kij=l_K, b_Kij=b_K, ρ_KПJ=ρ_KП, ε_KПj=ε_KП, T_KПj=T_KП, l_KПj=l_KП, b_KПj=b_KП, ρ_ПJ=ρ_П, ε_Пj=ε_П, T_Пj=T_П, l_Пj=j_П, $b_{П j} = b_{П} . (15)$

При сравнении соотношения (15) с соотношением (2) видно, что предлагаемый критерий временной стабильности с учетом выполнения соотношения (1) учитывает большинство условий (15). Кроме того, предлагаемый критерий учитывает за счет сравнения измеренных и проектных размеров и площадей количество, размеры и распределение дефектов на элементах и переходах НиМЭМС, которые часто являются значительными источниками временной нестабильности НиМЭМС. Преимуществом предлагаемого критерия является также повышение технологичности прогнозирования временной стабильности НиМЭМС вследствие отсутствия при предлагаемом способе непосредственного контакта с НиМЭМС и отсутствия 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 за счет учета количества, размеров и распределения дефектов на элементах и переходах НиМЭМС, более точного выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС, обеспечивающего пропуск на дальнейшую сборку тензорезисторов и мостовых измерительных цепей из этих тензорезисторов с одинаковым (в пределах выбранного критерия) временным изменением сопротивления, в том числе вследствие одинаковой скорости деградационных и релаксационных процессов в тензорезисторах, включенных в противолежащие плечи мостовой измерительной цепи, и проводящих элементах, соединяющих тензорезисторы в мостовую измерительную цепь. Кроме того, предлагаемый способ вследствие обеспечения пропуска на дальнейшую сборку НиМЭМС с близким изменением сопротивлением при воздействии температур позволяет изготавливать датчики давления с меньшей погрешностью в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений.

Источники информации

1. RU патент N2095772 C1, G01L 9/04. Датчик давления и способ его изготовления. Опубл. 10.11.1997 г. БИ N19.

2. RU патент N2423678 C1, G01L 9/00. Способ изготовления тонкопленочного датчика давления. Опубл. 10.07.2011 г. БИ N19.

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 совпадающих с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков, присоединении выводных проводников к контактным площадкам в областях, удаленных от полос участков, отличающийся тем, что формирование тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними проводят в областях, в которых воздействующие на них при эксплуатации деформации и температуры удовлетворяют соотношениям

где r₁₁, r₁₂ - минимальное и максимальное расстояние от первой пары противолежащих тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними до центра мембраны, соответственно;
r₂₁, r₂₂ - минимальное и максимальное расстояние от второй пары противолежащих тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними до центра мембраны, соответственно;
ε₁, ε₂ - деформация, воздействующая на первую и вторую пару противолежащих тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними, соответственно;
T₁, T₂ - температура, воздействующая на первую и вторую пару противолежащих тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними, соответственно,
а после формирования измеряют размеры и площадь элементов и переходов НиМЭМС с учетом количества, размеров и распределения дефектов, вычисляют по ним критерий временной стабильности по соотношению

где l_PiJ, l_PAiJ, l_AiJ, l_AKiJ, l_КiJ, l_КПJ, l_ПJ - измеренная длина соответствующих элементов и переходов;
b_PiJ, b_PAiJ, b_AiJ, b_AKiJ, b_KiJ, b_КПJ, b_ПJ - измеренная ширина соответствующих элементов и переходов i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;
S_PiJ, S_PAiJ, S_AiJ, S_AKiJ, S_KiJ, S_КПJ, S_ПJ - измеренная площадь соответствующих элементов и переходов i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;
_PiJ, _Aij, _Kij, _Пj, - индексы, означающиеся принадлежность индексируемых параметров соответственно тензорезистивному, адгезионному, контактному элементу i-го тензоэлемента i-го тензорезистора;
_PAij, _AKij, _KПj - индексы, означающиеся принадлежность индексируемых параметров соответственно переходу тензорезистивный - адгезионный, адгезионный - контактный, контактный - проводящий i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;
j=1, 2, 3, 4 - номер тензорезистора в мостовой схеме;
i=1…N - номер тензоэлемента в тензорезисторе;
l_P, l_PA, l_A, l_AK, l_K, l_KП, l_П - проектное значение длины соответствующих элементов и переходов;
b_P, b_PA, b_A, b_AK, b_K, b_KП, b_П - проектное значение ширины соответствующих элементов и переходов;
S_PiJ, S_PAiJ, S_AiJ, S_AKiJ, S_KiJ, S_KПJ, S_ПJ - проектное значение площади соответствующих элементов и переходов,
и, если , где Ψ_τΔ4. - предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.

Датчик абсолютного давления повышенной точности на основе полупроводникового чувствительного элемента с жестким центром // 2507490

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в жидких и газообразных агрессивных средах. Датчик абсолютного давления содержит корпус со штуцером, герметизирующую контактную колодку, металлическую мембрану, несжимаемую жидкость, полупроводниковый чувствительный элемент, состоящий из стеклянного основания и квадратного профилированного полупроводникового кристалла, в центре тонкой части которого сформирован жесткий центр квадратной формы, на рабочей части полупроводникового кристалла сформирована мостовая измерительная цепь, состоящая из четырех тензорезисторов.

Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы // 2505791

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.

Преобразователь давления // 2502970

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при разработке полупроводниковых датчиков давления, выполненных по технологии МЭМС (микроэлектромеханические системы).

Способ измерения давления, калибровки и датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы // 2498250

Изобретение относится к измерительной технике. В способе измерения давления с использованием тензорезисторного датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС), в режиме измерения значение измеренного давления Pi вычисляют путем бигармонической сплайн интерполяции по контрольным точкам, исходя из сохраненного на этапе калибровки вектор-столбца W(Pэ, Uiz, Upt, X1…Xn) по формуле: Pi=GT×W, где GT - транспонированный вектор-столбец G; символ «×» обозначает матричное произведение.

Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы // 2498249

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

Устройство для измерения давления // 2492439

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давлений измерительными устройствами, построенными на базе тензорезисторных мостов.

Способ изготовления датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы // 2488082

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем с мостовой измерительной цепью, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования.

Способ изготовления высокостабильного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы // 2487328

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

Способ измерения давления, способ калибровки и датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы // 2484435

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления жидких и газообразных средств. .

Способ получения слоя фторографена // 2511613

Изобретение относится к нанотехнологии и предназначено для использования при создании современных тонкопленочных полупроводниковых приборов и структур наноэлектроники.

Материал катода на основе нанокристаллического цементита, способ его изготовления, катод для электролитического получения водорода из водных щелочных и кислотных растворов и способ его изготовления // 2511546

Группа изобретений относится к изготовлению электродов для электролитического получения водорода из водных щелочных и кислотных растворов. Способ получения нанокристаллического композиционного материала катода включает проведение механоактивации смеси порошков железа и графита в атомном отношении 75:25 в среде аргона в течение 15÷20 ч с получением порошковой смеси из наноразмерных зерен цементита Fe3C и α-Fe при их соотношении в мас.%: (90÷95):(10÷5).

Способ получения сажи, содержащей фуллерены и нанотрубки, и устройство для его осуществления // 2511384

Изобретение относится к нефтехимической промышленности и плазмохимии и может быть использовано для плазменной обработки и утилизации отходов нефтепереработки. Жидкое углеводородное сырьёе 5 разлагают электрическим разрядом в разрядном устройстве, расположенном в вакуумной камере 6.

Способ получения наночастиц металлов // 2511202

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению наночастиц металлов. Предварительно подготовленную суспензию зародышевых наночастиц металла вводят в ростовую среду, содержащую водный раствор соединения металла концентрацией 10-5-10-3 М, восстанавливающий агент концентрацией 10-5-10-2 М, стабилизирующий агент концентрацией 10-3-1,0 М и термочувствительный агент концентрацией 0,1-10 мас.

Графеновое устройство и способ его изготовления // 2511127

Изобретение относится к электронному графеновому устройству. Гибкое и поддающееся растяжению, пропускающее свет электронное устройство содержит первый графеновый электрод, второй графеновый электрод, графеновый полупроводник и управляющий графеновый электрод, расположенный между первым и вторым графеновыми электродами и находящийся в контакте с графеновым полупроводником.

Тестовая структура для оценки радиуса кривизны острия иглы кантилевера сканирующего зондового микроскопа // 2511025

Тестовая структура состоит из основания, содержащего приповерхностный слой. Приповерхностный слой имеет рельефную ячеистую структуру с плотной упаковкой.

Экспертно-криминалистический видеокомплекс // 2510965

Изобретение относится к средствам для определения подлинности ценных бумаг и иной защищенной полиграфической продукции в различных спектральных диапазонах видимого, инфракрасного и ультрафиолетового света, отраженного, косо падающего и проходящего.

Электрохимическое осаждение фуллереновой пленки на токопроводящих материалах // 2510675

Изобретение относится к электрохимии наноуглеродных кластеров, в частности к получению в электрохимическом процессе фуллереновой пленки, осажденной на токопроводящих материалах (металлах, графите).

Способ изготовления резистивных масок для нанолитографии // 2510632

Изобретение относится к области фотолитографии, а именно к способу изготовления резистивных масок для нанолитографии. Способ включает восстановление серебра с образованием наночастиц серебра и последующую стимуляцию процесса термической полимеризации капролактама на поверхности полученных наночастиц с помощью лазерного возбуждения в них плазмонных колебаний.

Способ нанесения антифрикционных покрытий на боковую поверхность рельса // 2510433

Изобретение относится к области нанесения антифрикционных покрытий преимущественно на боковую поверхность рельсов железнодорожных путей и может быть также использовано в узлах трения различных машин.

Способ изготовления устройств на основе микроэлектромеханических систем, обеспечивающих регулирование воздушного зазора // 2484007