RU2442115C1 - Method of producing a thin-film pressure strain gauge - Google Patents
Method of producing a thin-film pressure strain gauge Download PDFInfo
- Publication number
- RU2442115C1 RU2442115C1 RU2010143254/28A RU2010143254A RU2442115C1 RU 2442115 C1 RU2442115 C1 RU 2442115C1 RU 2010143254/28 A RU2010143254/28 A RU 2010143254/28A RU 2010143254 A RU2010143254 A RU 2010143254A RU 2442115 C1 RU2442115 C1 RU 2442115C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- strain
- low
- strips
- film
- contact pads
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений.The present invention relates to measuring equipment, in particular to sensors intended for use in various fields of science and technology related to measuring pressure under conditions of unsteady temperatures and increased vibration accelerations.
Известен способ изготовления тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, предназначенного для измерения давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений, заключающийся в полировании поверхности мембраны, нанесении на нее диэлектрика, формировании на нем тензочувствительной схемы, присоединении контактной колодки к упругому элементу и присоединении контактов колодки к контактным площадкам тензочувствительной схемы, в котором перед нанесением диэлектрика изготавливают диэлектрическую втулку непосредственно в выемке упругого элемента, полируют поверхность мембраны одновременно с полировкой торца втулки, после чего наносят диэлектрик на мембрану упругого элемента и торец втулки и формируют тензосхему на диэлектрике мембраны и втулки [1].A known method of manufacturing a thin-film strain gauge pressure sensor designed to measure pressure under the influence of unsteady temperatures and increased vibration accelerations, which consists in polishing the surface of the membrane, applying a dielectric to it, forming a strain-sensitive circuit on it, attaching the contact block to the elastic element and attaching the contacts of the block to the contact areas of the strain-sensitive circuit, in which before applying the dielectric dielectric th sleeve directly in the recess of the elastic element, polish the surface of the membrane simultaneously with polishing the end face of the sleeve, after which a dielectric is applied to the membrane of the elastic element and the end face of the sleeve and a tensor circuit is formed on the dielectric of the membrane and sleeve [1].
Недостатком известного способа изготовления является сравнительно большая погрешность измерения давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений вследствие различной формы окружных и радиальных тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной схемы. Это связано с тем, что различная форма тензорезисторов приводит к разному изменению сопротивления этих тензорезисторов в процессе изменения температуры от воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений.A disadvantage of the known manufacturing method is the relatively large error in measuring pressure under the influence of unsteady temperatures and increased vibration accelerations due to the different forms of circumferential and radial strain gauges included in the opposite arms of the bridge measuring circuit. This is due to the fact that the different shape of the strain gauges leads to different changes in the resistance of these strain gauges in the process of changing the temperature from the effects of unsteady temperatures and increased vibration accelerations.
Известен способ изготовления тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, предназначенного для измерения давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в изготовлении мембраны с периферийным основанием в виде оболочки вращения, полировании поверхности мембраны, формировании на ней диэлектрической пленки и тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними и снятии остаточных напряжений [2].A known method of manufacturing a thin-film strain gauge pressure sensor designed to measure pressure under conditions of unsteady temperatures and increased vibration acceleration, selected as a prototype, which consists in the manufacture of a membrane with a peripheral base in the form of a shell of revolution, polishing the surface of the membrane, forming a dielectric film and strain elements with low-resistance jumpers and contact pads between them and relieving residual stresses [2].
Недостатком известного способа изготовления является большая погрешность измерения давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений вследствие различной конфигурации и размеров окружных и радиальных тензоэлементов. Кроме того, различные конфигурации и размеры тензоэлементов приводят к разным характерам изменений температурных и временных характеристик тензоэлементов, что приводит к уменьшению стабильности, ресурса, срока сохраняемости и напряжения питания датчика.A disadvantage of the known manufacturing method is the large error in measuring pressure under the influence of unsteady temperatures and increased vibration accelerations due to the different configuration and sizes of the circumferential and radial strain elements. In addition, the various configurations and sizes of the strain elements lead to different types of changes in the temperature and time characteristics of the strain elements, which leads to a decrease in the stability, resource, shelf life and supply voltage of the sensor.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения в условиях воздействия нестационарной температуры и повышенных виброускорений, а также повышение технологичности, стабильности, ресурса, срока сохраняемости и напряжения питания датчика за счет уменьшения различия конфигураций и размеров тензоэлементов, уменьшения влияния несовмещения и предельных отклонений тензочувствительного и низкоомного слоев, а также за счет повышения качества снятия остаточных напряжений и стабилизации мембраны и тензосхемы.The aim of the invention is to reduce the measurement error under the influence of unsteady temperature and increased vibration acceleration, as well as to increase the manufacturability, stability, resource, shelf life and supply voltage of the sensor by reducing the difference in configurations and sizes of strain elements, reduce the effect of misregistration and limit deviations of the strain-sensitive and low-resistance layers , as well as by improving the quality of removing residual stresses and stabilizing the membrane and tensogram.
Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, заключающемся в изготовлении мембраны с периферийным основанием, полировании поверхности мембраны, формировании на ней тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними и снятии остаточных напряжений, согласно предполагаемого изобретения формирование тензоэлементов проводят с использованием шаблона тензочувствительного слоя, имеющего конфигурацию тензоэлементов в зонах, совмещаемых с низкоомными перемычками и контактными площадками, в виде полос, включающих изображения тензоэлементов и их продолжения в два противоположных направления, а в зонах, совмещаемых с контактными площадками - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков, причем длину полос и расстояние от полос до удаленных участков выбирают соответственно из соотношенийThis goal is achieved by the fact that in the method of manufacturing a thin-film strain gauge pressure sensor, which consists in manufacturing a membrane with a peripheral base, polishing the surface of the membrane, forming strain elements with low resistance jumpers and contact areas between them and relieving residual stresses, according to the proposed invention, the formation of strain elements is carried out with using a template of a strain-sensitive layer having a configuration of strain elements in areas compatible with the bottom ohmic jumpers and contact pads, in the form of strips that include images of the strain elements and their continuation in two opposite directions, and in areas compatible with the contact pads - partially coinciding with the configuration of the contact pads and sections remote from the strips, with the length of the strips and the distance from the strips to remote sites are selected respectively from the ratios
L=а+S+Х+Y+Z1, М=S+Х+Y+Z2,L = a + S + X + Y + Z 1 , M = S + X + Y + Z 2 ,
где а - длина тензоэлемента;where a is the length of the strain gauge;
S - максимально допустимое отклонение по несовмещению тензочувствительного и низкоомного слоев;S is the maximum allowable deviation for the incompatibility of the strain-sensitive and low-resistance layers;
Х - предельное отклонение размеров по оси Х в слоях;X - the maximum deviation of dimensions along the X axis in the layers;
Y - предельное отклонение размеров по оси Y в слоях;Y - the maximum deviation of the dimensions along the Y axis in the layers;
Z1, Z2 - технологический запас, зависящий от характеристик оборудования, материалов, технологии и местоположения элемента топологии,Z 1 , Z 2 - technological stock, depending on the characteristics of equipment, materials, technology and the location of the topology element,
остаточные напряжения снимают после формирования тензоэлементов с перемычками и контактными площадками и их герметизации путем циклического воздействия не менее 8 циклов температуры минус 196°С в среде жидкого азота и в воздушной среде повышенной температуры, величину которой определяют по соотношениюresidual stresses are removed after the formation of strain elements with jumpers and contact pads and their sealing by cyclic exposure of at least 8 temperature cycles minus 196 ° C in a liquid nitrogen atmosphere and in an air environment of elevated temperature, the value of which is determined by the ratio
T=K Tmax,T = KT max ,
где К=1…1,7 - коэффициент, зависящий от материалов тензочувствительного и низкоомного слоев;where K = 1 ... 1.7 is a coefficient depending on the materials of the strain-sensitive and low-resistance layers;
Тmах - максимально допустимая повышенная температура при эксплуатации датчика,T max - the maximum permissible elevated temperature during operation of the sensor,
а затем в нормальных климатических условиях определяют начальные выходные сигналы до и после воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации, а после чего рассчитывают температурную нестабильность по соотношениюand then, under normal climatic conditions, the initial output signals are determined before and after two cycles of the minimum allowable reduced and maximum allowable elevated temperatures during operation, and then the temperature instability is calculated by the ratio
Ψ=(U01-U02)U-1,Ψ = (U 01 -U 02 ) U -1 ,
где U01 - начальный выходной сигнал до воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации;where U 01 is the initial output signal before the action of two cycles of the minimum allowable low and maximum allowable high temperature during operation;
U02 - начальный выходной сигнал после воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации;U 02 - the initial output signal after exposure to two cycles of the minimum allowable low and maximum allowable high temperature during operation;
U - минимальное значение номинального выходного сигнала датчика, и, если температурная нестабильность более 0,01, то датчик бракуют.U is the minimum value of the nominal output signal of the sensor, and if the temperature instability is more than 0.01, then the sensor is rejected.
Кроме того, согласно предлагаемого изобретения время выдержки в среде жидкого азота при температуре минус 196°С составляет 10…20 минут, в воздушной среде при повышенной температуре - 40…60 минут, а время переноса из жидкого азота в воздушную среду с повышенной температурой - не более 5 минут.In addition, according to the invention, the exposure time in liquid nitrogen at a temperature of minus 196 ° C is 10 ... 20 minutes, in air at an elevated temperature - 40 ... 60 minutes, and the transfer time from liquid nitrogen to air with an elevated temperature is not more than 5 minutes.
На фиг.1 изображен общий вид тонкопленочного тензорезисторного датчика давления, изготавливаемого в соответствии с предлагаемым способом, на фиг.2 - шаблон перемычек и контактных площадок, на фиг.3 - шаблон тензочувствительного слоя, на фиг.4 - традиционно применяемый шаблон тензочувствительного слоя, на фиг.5 - гетерогенная структура с низкоомными перемычками, контактными площадками и тензоэлементами. На фиг.6-11 иллюстрируется механизм уменьшения влияния несовмещения слоев.Figure 1 shows a General view of a thin-film strain gauge pressure sensor manufactured in accordance with the proposed method, figure 2 is a template of jumpers and pads, figure 3 is a template of a strain-sensitive layer, figure 4 is a traditionally used template of a strain-sensitive layer, figure 5 - heterogeneous structure with low-resistance jumpers, pads and strain elements. 6-11, a mechanism for reducing the effect of layer misregistration is illustrated.
Заявляемый способ реализуется следующим образом. Изготавливают из сплава 36НКВХБТЮ мембрану 1 с периферийным основанием 2 в виде оболочки вращения, изображенные на фиг.1, методами лезвийной обработки с применением на последних стадиях электроэрозионной обработки. Полируют поверхность мембраны с использованием электрохимикомеханической доводки и полировки или алмазной доводки и полировки. Методами тонкопленочной технологии на планарной поверхности мембраны последовательно наносят сплошными слоями диэлектрическую пленку в виде структуры SiO-SiO2 с подслоем хрома, тензочувствительную пленку из сплава Х20Н75Ю. При формировании перемычек и контактных площадок методом фотолитографии низкоомную пленку из золота Зл 999,9 м, с подслоем ванадия наносят сплошным слоем на тензочувствительную пленку из сплава Х20Н75Ю. Формируют перемычки 1 и контактные площадки 2 методом фотолитографии с использованием шаблона перемычек и контактных площадок, изображенного на фиг.2. Формирование перемычек и контактных площадок возможно проводить масочным методом. В этом случае низкоомная пленка сплошным слоем не наносится, а напыляется через маску, выполненной в соответствии с шаблоном, изображенном на фиг.2.The inventive method is implemented as follows. A
Формирование тензоэлементов проводят методом фотолитографии с использованием ионно-химического травления в среде аргона и изображенного на фиг.3 шаблона тензочувствительного слоя, имеющего конфигурацию тензоэлементов в зонах, совмещаемых с низкоомными перемычками и контактными площадками, в виде полос 1, включающих изображения тензоэлементов и их продолжения в два противоположных направленния, а в зонах, совмещаемых с контактными площадками - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков, причем длину полос выбирают по заявляемому соотношению. Причем, чем точнее используемое оборудование, чем качественнее применяемые материалы, чем совершеннее технология, тем меньше может быть технологический запас. Местоположение элемента топологии в зонах, совмещаемых с контактными площадками, также позволяет уменьшить величину технологического запаса.The formation of the strain elements is carried out by the method of photolithography using ion-chemical etching in argon and the strain gauge layer pattern shown in Fig. 3 having the configuration of the strain elements in zones combined with low-resistance jumpers and contact pads, in the form of
Например, при длине тензоэлемента а, равном 140 мкм, и максимально допустимом отклонении по несовмещению тензочувствительного и низкоомного слоев S, равном 30 мкм, предельном отклонении размеров по оси Х в слоях X, равном 10 мкм, Y - предельном отклонении размеров по оси Y в слоях Y, равном 10 мкм; технологическом запасе Z1, равном 50 мкм, длина полос 1 равна 240 мкм. При технологическом запасе Z2, равном 30 мкм, расстояние от полос 1 до удаленных участков 2 на шаблоне выполняют равным 80 мкм.For example, with the length of the tensile element a equal to 140 μm and the maximum permissible deviation from the misregistration of the strain-sensitive and low-resistance layers S equal to 30 μm, the maximum deviation of sizes along the X axis in layers X equal to 10 μm, and Y is the maximum deviation of sizes along the Y axis in layers of Y equal to 10 microns; technological stock Z 1 equal to 50 microns, the length of the
Для сравнения на фиг.4 изображен традиционно применяемый шаблон тензочувствительного слоя, конфигурация которого повторяет суммарную конфигурацию тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками. В результате использования заявляемого шаблона получают необходимую гетерогенную структуру X20H75Ю-V-Au с низкоомными перемычками 1 и контактными площадками 2, соединяющие тангенциальные 3 и радиальные 4 тензоэлементы, изображенную на фиг.5. Устанавливают контактную колодку 3, как показано на фиг.1. Присоединяют выводные проводники 4 к контактным площадкам в областях удаленных от полос участков при помощи односторонней контактной сварки сдвоенным электродом.For comparison, figure 4 shows the traditionally applied pattern of the strain-sensitive layer, the configuration of which repeats the total configuration of the strain elements with low-resistance jumpers and contact pads. As a result of using the inventive template, the required heterogeneous X20H75U-V-Au structure is obtained with low-
Снимают остаточные напряжения и стабилизируют материалы мембраны и тензосхемы циклическим воздействием не менее 8 циклов температуры минус 196°С в среде жидкого азота и в воздушной среде повышенной температуры, величину которой определяют по соотношениюRelieve residual stresses and stabilize the membrane and tensor materials by cyclic exposure of at least 8 temperature cycles minus 196 ° C in a liquid nitrogen environment and in an air environment of elevated temperature, the value of which is determined by the ratio
T=K Тmax,T = K T max ,
где К=1…1,7 - коэффициент, зависящий от материалов тензочувствительного и низкоомного слоев;where K = 1 ... 1.7 is a coefficient depending on the materials of the strain-sensitive and low-resistance layers;
Tmax - максимально допустимая повышенная температура при эксплуатации датчика.T max - the maximum allowable elevated temperature during operation of the sensor.
Например, при максимально допустимой повышенной температуре при эксплуатации датчика, равной 200°С, воздействуют повышенной температурой 320°С. Затем в нормальных климатических условиях определяют начальные выходные сигналы до и после воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации, а после чего рассчитывают температурную нестабильность по соотношениюFor example, at the maximum permissible elevated temperature during operation of the sensor, equal to 200 ° C, they are affected by an increased temperature of 320 ° C. Then, in normal climatic conditions, the initial output signals are determined before and after exposure to two cycles of the minimum allowable reduced and maximum allowable elevated temperatures during operation, and then calculate the temperature instability by the ratio
Ψ=(U01-U02)U-1,Ψ = (U 01 -U 02 ) U -1 ,
где U01 - начальный выходной сигнал до воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации;where U 01 is the initial output signal before the action of two cycles of the minimum allowable low and maximum allowable high temperature during operation;
U02 - начальный выходной сигнал после воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации;U 02 - the initial output signal after exposure to two cycles of the minimum allowable low and maximum allowable high temperature during operation;
U - минимальное значение номинального выходного сигнала датчика, и, если температурная нестабильность более 0,01, то датчик бракуют.U is the minimum value of the nominal output signal of the sensor, and if the temperature instability is more than 0.01, then the sensor is rejected.
В соответствии с п.2 формулы время выдержки в среде жидкого азота при температуре минус 196°С составляет 10…20 минут, в воздушной среде при повышенной температуре - 40…60 минут, а время переноса из жидкого азота в воздушную среду с повышенной температурой - не более 5 минут.In accordance with
Формирование тензоэлементов проводят с использованием шаблона тензочувствительного слоя, имеющего конфигурацию тензоэлементов в зонах, совмещаемых с низкоомными перемычками и контактными площадками, в виде полос, включающих изображения тензоэлементов и их продолжения в два противоположных направленния, а в зонах, совмещаемых с контактными площадками - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков, причем длину полос и расстояние от полос до удаленных участков выбирают из заявляемых соотношений, для уменьшения влияния несовмещения тензочувствительного и низкоомного слоев и получения одинаковых по форме и размерам тензоэлементов.The formation of the strain elements is carried out using the template of the strain-sensitive layer having the configuration of the strain elements in areas compatible with low-resistance jumpers and contact pads, in the form of strips including images of the strain elements and their continuation in two opposite directions, and in areas combined with contact pads - partially coinciding with the configuration of the contact pads and sections remote from the strips, the length of the strips and the distance from the strips to the remote sections being chosen from the claimed ratio s to reduce the influence of strain-sensing misregistration and low impedance layers and obtain the same shape and size tenzoelementov.
Механизм уменьшения влияния несовмещения слоев иллюстрируется фиг.6-11. На фиг.6, 8, 10 изображены результаты совмещения по предлагаемому способу с использованием шаблонов, изображенных на фиг.2 и 3. Причем на фиг.8, 10 изображены в увеличенном масштабе соответственно фрагменты радиальных тангенциальных тензоэлементов. На фиг.7, 9, 11 изображены результаты совмещения по известному способу с использованием шаблонов, изображенных на фиг.2 и 4. Причем на фиг.9, 11 изображены в увеличенном масштабе соответственно фрагменты радиальных тангенциальных тензоэлементов.The mechanism for reducing the effect of layer mismatch is illustrated in FIGS. 6-11. Figures 6, 8, 10 show the results of combining according to the proposed method using the templates shown in figures 2 and 3. Moreover, Figs. 8, 10 show, on an enlarged scale, respectively fragments of radial tangential strain elements. Figures 7, 9, 11 show the results of combining according to the known method using the patterns shown in figures 2 and 4. Moreover, figures 9, 11 show, on an enlarged scale, respectively, fragments of radial tangential strain elements.
Сравнение фиг.6, 8, 10 с фиг.7, 9, 11 показывает, что при изготовлении в соответствии с заявляемым способом несовмещение тензочувствительного и низкоомного слоев (при условии, если это несовмещение не превышает определенных значений) не влияет на конфигурацию и размеры радиальных (см. фиг.8) и тангенциальных (см. фиг.10) тензоэлементов, форма которых является квадратной. Поэтому даже при различной ориентации радиальных и тангенциальных тензоэлементов относительно градиента нестационарных температур, вызванных в том числе виброускорениями, и деформаций от измеряемого давления реакции этих тензоэлементов на вышеуказанные воздействия будут близки, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются.A comparison of FIGS. 6, 8, 10 with FIGS. 7, 9, 11 shows that in the manufacture according to the claimed method, the non-combination of the strain-sensitive and low-resistance layers (provided that this non-combination does not exceed certain values) does not affect the configuration and dimensions of the radial (see Fig. 8) and tangential (see Fig. 10) strain elements, the shape of which is square. Therefore, even with different orientations of radial and tangential strain gauges with respect to the gradient of unsteady temperatures, caused by vibration accelerations, as well as deformations from the measured pressure, the reactions of these strain gauges to the above effects will be close, which, due to the inclusion of strain gauges in the bridge circuit, are mutually compensated.
Таким образом, одинаковые размеры и конфигурация радиальных и тангенциальных тензоэлементов в соответствии с заявляемым решением приводят к уменьшению погрешности измерения в условиях воздействия нестационарной температуры и повышенных виброускорений, а также повышению стабильности, ресурса и срока сохраняемости датчиков. Кроме того, за счет уменьшения влияния несовмещения тензочувствительного и низкоомного слоев также повышается технологичность изготовления датчика.Thus, the same size and configuration of radial and tangential strain elements in accordance with the claimed solution leads to a decrease in measurement error under the influence of unsteady temperature and increased vibration acceleration, as well as increased stability, life and shelf life of the sensors. In addition, by reducing the effect of the misregistration of the strain-sensitive and low-resistance layers, the manufacturability of the sensor is also increased.
В то же время при изготовлении в соответствии с известным способом по прототипу несовмещение тензочувствительного и низкоомного слоев влияет на конфигурацию и размеры радиальных (см. фиг.9) и тангенциальных (см. фиг.11) тензоэлементов и их форма значительно отличается от квадратной. Учитывая различную ориентацию радиальных и тангенциальных тензоэлементы относительно градиента нестационарных температур, вызванных в том числе виброускорениями, и деформаций от измеряемого давления в этом случае сопротивления вышеуказанных тензоэлементов будут меняться по разному. Это отличие приводит к появлению дополнительной погрешности от воздействия вышеназванных факторов.At the same time, in the manufacture in accordance with the known method of the prototype, the non-combination of strain-sensitive and low-resistance layers affects the configuration and dimensions of the radial (see Fig. 9) and tangential (see Fig. 11) strain gauges and their shape differs significantly from the square. Considering the different orientations of the radial and tangential strain elements with respect to the gradient of unsteady temperatures caused, among other things, by vibration accelerations, and deformations from the measured pressure, in this case, the resistance of the above strain elements will change differently. This difference leads to the appearance of an additional error from the influence of the above factors.
Присоединение выводных проводников к контактным площадкам в областях удаленных от полос участков повышает качество односторонней контактной сварки выводных проводников, так как только в этом случае место сварки предварительно защищено фоторезистом от негативного влияния ионно-химического травления при формировании тензоэлементов, что повышает стабильность, ресурс и срок сохраняемости датчика.The connection of the lead conductors to the contact pads in areas remote from the strips of the sections improves the quality of one-side contact welding of the lead conductors, since only in this case the welding place is previously protected by a photoresist from the negative influence of ion-chemical etching during the formation of strain elements, which increases stability, resource and shelf life sensor.
Снятие остаточных напряжений в материалах мембраны и тензосхемы циклическим воздействием не менее 8 циклов температуры минус 196°С в среде жидкого азота и в воздушной среде повышенной температуры, величину которой определяют по предлагаемому соотношению обеспечивает необходимое сочетание воздействующих факторов для стабилизации мембраны и тензоэлементов, что повышает стабильность, ресурс и срок сохраняемости датчика и в то же время независимость воздействия рабочих значений температур при эксплуатации на мембрану и другие элементы датчика, для которых это воздействие может привести к снижению стабильности, ресурса и срока сохраняемости. Причем предлагаемые конкретные величины температур, времени их воздействия и вида окружающих сред (жидкий азот и воздух) определены при отработке изготовления нескольких типов тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления, зависят от их конструкции, размеров, характеристик материалов. Экспериментально также установлено, что снятие остаточных напряжений в материалах мембраны и тензосхемы тонкопленочных датчиков давления, разработанных ОАО «НИИФИ», наиболее эффективно происходит при времени выдержки 10…20 минут в среде жидкого азота при температуре минус 196°С, в воздушной среде при повышенной температуре - 40…60 минут, при этом для обеспечения необходимого термодинамического процесса релаксации напряжений время переноса из жидкого азота в воздушную среду с повышенной температурой должно быть не более 5 минут. При этом также установлено существенность влияния теплофизических характеристик (в первую очередь теплопроводности и температуропроводности) окружающих сред и оптимальность применения в качестве таких сред жидкого азота и воздуха.The removal of residual stresses in the materials of the membrane and tensogram by cyclic exposure of at least 8 temperature cycles minus 196 ° C in a liquid nitrogen atmosphere and in an air environment of elevated temperature, the value of which is determined by the proposed ratio provides the necessary combination of influencing factors to stabilize the membrane and strain elements, which increases stability , resource and shelf life of the sensor, and at the same time, the independence of the influence of operating temperature values during operation on the membrane and other elements Occupancy for which this effect may reduce the stability of the resource and the storage time. Moreover, the proposed specific values of temperatures, the time of their exposure and the type of environment (liquid nitrogen and air) are determined during the development of the manufacture of several types of thin-film strain gauge pressure sensors, depending on their design, size, and material characteristics. It has also been established experimentally that the removal of residual stresses in the materials of the membrane and the strain diagram of thin-film pressure sensors developed by NIIFI, most effectively occurs when the exposure time is 10 ... 20 minutes in liquid nitrogen at a temperature of minus 196 ° C, in air at elevated temperatures - 40 ... 60 minutes, while to ensure the necessary thermodynamic process of stress relaxation, the transfer time from liquid nitrogen to the air with an elevated temperature should be no more than 5 minutes. At the same time, it was also found that the influence of thermophysical characteristics (primarily thermal conductivity and thermal diffusivity) of the environment and the optimality of the use of liquid nitrogen and air as such media are found.
Внедрение заявляемых решений в тонкопленочные тензорезисторные датчики давления типа ДДВ 015 позволили уменьшить погрешность измерения при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды не менее чем в 3 раза при сравнительно небольших затратах. Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения в условиях воздействия нестационарной температуры и повышенных виброускорений, а также повышение технологичности, стабильности, ресурса и срока сохраняемости и напряжения питания датчиков за счет уменьшения различия конфигураций и размеров тензоэлементов, уменьшения влияния несовмещения и неточности тензочувствительного и низкоомного слоев, а также за счет повышения качества снятия остаточных напряжений и стабилизации мембраны и тензосхемы.The implementation of the proposed solutions in thin-film strain gauge pressure sensors of the DDV 015 type made it possible to reduce the measurement error when exposed to unsteady temperature of the medium being measured by at least 3 times at relatively low cost. Thus, the technical result of the present invention is to reduce the measurement error under the influence of unsteady temperature and increased vibration acceleration, as well as to increase the manufacturability, stability, resource and shelf life and supply voltage of the sensors by reducing the difference in configurations and sizes of strain gauges, reducing the effects of misregistration and inaccuracy of strain gauges and low ohmic layers, as well as by improving the quality of removing residual stresses and stabilizing meme wounds and tenzoskhemy.
Источники информацииInformation sources
1. RU. Патент №2095772. Бюл. №6. 10.11.97.1. RU. Patent No. 2095772. Bull. No. 6. 11/10/97.
2. RU. Патент №1796927. Бюл. №7. 23.02.93.2. RU. Patent No. 1796927. Bull. Number 7. 02/23/93.
Claims (2)
L=a+S+X+Y+Z1, M=S+X+Y+Z2,
где a - длина тензоэлемента;
S - максимально допустимое отклонение по несовмещению тензочувствительного и низкоомного слоев;
Х - предельное отклонение размеров по оси Х в слоях;
Y - предельное отклонение размеров по оси Y в слоях;
Z1, Z2 - технологический запас, зависящий от характеристик оборудования, материалов, технологии и местоположения элемента топологии,
остаточные напряжения снимают после формирования тензоэлементов с перемычками и контактными площадками и их герметизации путем циклического воздействия не менее 8 циклов температуры -196°С в среде жидкого азота и в воздушной среде повышенной температуры, величину которой определяют по соотношению
Т=КТmax,
где К=1…1,7 - коэффициент, зависящий от материалов тензочувствительного и низкоомного слоев;
Tmax - максимально допустимая повышенная температура при эксплуатации датчика,
а затем в нормальных климатических условиях определяют начальные выходные сигналы до и после воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации, а после чего рассчитывают температурную нестабильность по соотношению
Ψ=(U01-U02)U-1,
где U01 - начальный выходной сигнал до воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации;
U02 - начальный выходной сигнал после воздействия двух циклов минимально допустимой пониженной и максимально допустимой повышенной температуры при эксплуатации;
U - минимальное значение номинального выходного сигнала датчика, и, если температурная нестабильность более 0,01, то датчик бракуют.1. A method of manufacturing a thin-film strain gauge pressure sensor, which consists in the manufacture of a membrane with a peripheral base, polishing the surface of the membrane, forming strain elements with low resistance jumpers and contact pads between them and relieving residual stresses, characterized in that the formation of strain elements is carried out using a strain gauge layer template having a configuration of strain elements in areas compatible with low-resistance jumpers and contact pads, in the form of a floor OS, including images of the strain elements and their continuation in two opposite directions, and in areas compatible with the contact pads, which partially coincides with the configuration of the contact pads and sections remote from the strips, the length of the strips and the distance from the strips to the remote sections are chosen respectively from the ratios
L = a + S + X + Y + Z 1 , M = S + X + Y + Z 2 ,
where a is the length of the strain gauge;
S is the maximum allowable deviation for the incompatibility of the strain-sensitive and low-resistance layers;
X - the maximum deviation of dimensions along the X axis in the layers;
Y - the maximum deviation of the dimensions along the Y axis in the layers;
Z 1 , Z 2 - technological stock, depending on the characteristics of equipment, materials, technology and the location of the topology element,
residual stresses are removed after the formation of strain elements with jumpers and contact pads and their sealing by cyclic exposure of at least 8 temperature cycles of -196 ° C in a liquid nitrogen atmosphere and in an air environment of elevated temperature, the value of which is determined by the ratio
T = CT max ,
where K = 1 ... 1.7 is a coefficient depending on the materials of the strain-sensitive and low-resistance layers;
T max - the maximum permissible elevated temperature during operation of the sensor,
and then, under normal climatic conditions, the initial output signals are determined before and after two cycles of the minimum allowable reduced and maximum allowable elevated temperatures during operation, and then the temperature instability is calculated by the ratio
Ψ = (U 01 -U 02 ) U -1 ,
where U 01 is the initial output signal before the action of two cycles of the minimum allowable low and maximum allowable high temperature during operation;
U 02 - the initial output signal after exposure to two cycles of the minimum allowable low and maximum allowable high temperature during operation;
U is the minimum value of the nominal output signal of the sensor, and if the temperature instability is more than 0.01, then the sensor is rejected.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010143254/28A RU2442115C1 (en) | 2010-10-21 | 2010-10-21 | Method of producing a thin-film pressure strain gauge |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010143254/28A RU2442115C1 (en) | 2010-10-21 | 2010-10-21 | Method of producing a thin-film pressure strain gauge |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2442115C1 true RU2442115C1 (en) | 2012-02-10 |
Family
ID=45853736
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010143254/28A RU2442115C1 (en) | 2010-10-21 | 2010-10-21 | Method of producing a thin-film pressure strain gauge |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2442115C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2480723C1 (en) * | 2012-03-05 | 2013-04-27 | Валерий Анатольевич Васильев | Pressure sensor based on nano- and microelectromechanical system of increased accuracy and reliability |
| RU2484435C1 (en) * | 2012-03-05 | 2013-06-10 | Евгений Михайлович Белозубов | Pressure measurement method, calibration method and pressure sensor based on nano- and microelectromechanical system |
| RU2487328C1 (en) * | 2012-04-09 | 2013-07-10 | Евгений Михайлович Белозубов | Method to manufacture highly stable pressure sensor based on thin-film nano- and microelectromechanical system |
| RU2489693C1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-08-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Manufacturing method of thin-film pressure sensor |
| RU2512142C1 (en) * | 2012-09-20 | 2014-04-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method to manufacture strain-gauge resistor sensor of pressure based on thin-film nano- and microelectromechanical system |
| RU2528541C1 (en) * | 2013-05-08 | 2014-09-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method of pressure resistive tensor transducer built around thin-film nano- and microelectromechanical system (mamos) |
-
2010
- 2010-10-21 RU RU2010143254/28A patent/RU2442115C1/en active
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2489693C1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-08-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Manufacturing method of thin-film pressure sensor |
| RU2480723C1 (en) * | 2012-03-05 | 2013-04-27 | Валерий Анатольевич Васильев | Pressure sensor based on nano- and microelectromechanical system of increased accuracy and reliability |
| RU2484435C1 (en) * | 2012-03-05 | 2013-06-10 | Евгений Михайлович Белозубов | Pressure measurement method, calibration method and pressure sensor based on nano- and microelectromechanical system |
| RU2487328C1 (en) * | 2012-04-09 | 2013-07-10 | Евгений Михайлович Белозубов | Method to manufacture highly stable pressure sensor based on thin-film nano- and microelectromechanical system |
| RU2512142C1 (en) * | 2012-09-20 | 2014-04-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method to manufacture strain-gauge resistor sensor of pressure based on thin-film nano- and microelectromechanical system |
| RU2528541C1 (en) * | 2013-05-08 | 2014-09-20 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method of pressure resistive tensor transducer built around thin-film nano- and microelectromechanical system (mamos) |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2423678C1 (en) | Method of making thin-film pressure sensor | |
| RU2442115C1 (en) | Method of producing a thin-film pressure strain gauge | |
| RU2398195C1 (en) | Method of making nano- and micro-electromechanical pressure sensor system and pressure sensor based on said system | |
| RU2498249C1 (en) | Manufacturing method of resistive strain-gauge pressure sensor based on thin-film nano- and microelectromechanical system | |
| JP2004061305A (en) | Capacitance sensor | |
| CN110987089B (en) | Multifunctional flexible metamorphic sensor with single metal layer electrode, preparation method and application | |
| TW293148B (en) | ||
| JPWO2010113711A1 (en) | Capacitive humidity sensor and manufacturing method thereof | |
| KR101232613B1 (en) | A thick film type pressure measuring sensor and manufacturing method of pressure measuring sensor | |
| CN108328561A (en) | Glassy metal micron foil resistance strain and preparation method thereof | |
| RU2487328C1 (en) | Method to manufacture highly stable pressure sensor based on thin-film nano- and microelectromechanical system | |
| KR20090081195A (en) | A pressure measuring sensor and manufacturing process | |
| CN108132115A (en) | A kind of diaphragm pressure sensor chip and manufacturing method | |
| RU2399031C1 (en) | Pressure sensor with thin-film tensoresistor nano- and micro-electromechanical system | |
| CN116793210B (en) | Nano composite film, strain sensor and application thereof | |
| CN206362469U (en) | A kind of high temperature film pressure-sensing device | |
| RU2512142C1 (en) | Method to manufacture strain-gauge resistor sensor of pressure based on thin-film nano- and microelectromechanical system | |
| CN107192849A (en) | A kind of design of micro-machine acceleration transducer based on thermal convection principle and preparation method thereof | |
| CN108253915B (en) | Calibration method | |
| RU2505791C1 (en) | Method of making pressure strain gage on basis of thin-film nano-and micro electromechanical system | |
| CN113693555B (en) | Flexible sensor for hardness detection and preparation method and application thereof | |
| CN110780090B (en) | Manufacturing method of piezoresistive acceleration sensor based on silicon carbide material | |
| RU2488082C1 (en) | Method to manufacture pressure sensor based on thin-film nano- and microelectromechanical system | |
| RU2522770C1 (en) | Method of making pressure strain gage on basis of thin-film nano-and microelectromechanical system (nmems) | |
| KR920006849B1 (en) | Method for testing quality of conductor film |