Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Волохов Игорь Валерианович

Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления
<
Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Волохов Игорь Валерианович. Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.14 / Волохов Игорь Валерианович; [Место защиты: Пенз. гос. ун-т]. - Пенза, 2008. - 143 с. : ил.

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Общие вопросы разработки конструкции и технологии изготовления тонкопленочных тензорези-сторных датчиков давления 12

Выводы 31

Глава 2 Процессы, происходящие в тонкопленочном тензорезисторном чувствительном элементе датчика давления

2.1 Анализ причин нестабильности параметров тонкопленочных тензоре-зисторов 33

2.2 Анализ толщины и состава реальной тонкопленочной гетероструктуры на чувствительном элементе тензорезисторного тонкопленочного ДД 40

2.3 Процессы образования тонких резистивных пленок 46

2.4 Выбор физико-математической модели электропроводности и температурного коэффициента сопротивления тонкой пленки 59

2.5 Выбор физико-математической модели тензочувствительности тонкой пленки 62

2.6 Механизм образования дефекта в тонкопленочной гетероструктуре 69

Выводы 76

Глава 3 Методика импульсной токовой отбраковки потенциально ненадежных тонкопленочных тензорези-сторов

3.1 Особенности применения импульсной токовой отбраковки для тонкопленочного тензорезисторного чувствительного элемента датчика давления 78

3.2 Модель воздействия импульсной токовой нагрузки на тонкопленочный тензорезистор и тензомост 85

3.3 Разработка методики применения импульсной токовой отбраковки для реальной тонкопленочной гетероструктуры на чувствительном элементе тензорезисторного тонкопленочного датчика давления 95

Выводы 102

Глава 4 Внедрение методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления

4.1 Внедрение методики импульсной токовой отбраковки в технологию изготовления реальных чувствительных элементов тензорезисторных тонкопленочных датчиков давления 103

4.2 Результаты изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления с импульсной токовой отбраковкой тензосхемы 106

Выводы 122

Заключение 127

Перечень принятых сокращений 129

Литература 130

Введение к работе

В последние десятилетия с развитием космонавтики, оборонной техники и ядерной энергетики появились насыщенные средствами автоматического контроля комплексы оборудования и объекты техники, при эксплуатации которых риск, связанный с метрологическим отказом, значителен. В определенные периоды, например, перед принятием ответственного решения, касающегося управления оборудованием или объектом техники, такой риск возрастает до крайней степени. Ошибочность информации, поступающей от датчиков на объекте, может повлечь крупные материальные потери, многочисленные человеческие жертвы. При этом доступ персонала для калибровки датчиков практически исключен на протяжении всего непрерывного технологического цикла (например, в ядерной энергетике) или вообще невозможен в случае пребывания объекта в космическом пространстве.

Особенностью работы датчиков на объектах техники с многолетним сроком эксплуатации является накопление последствий воздействия на них внешних факторов, например, проявление усталости металла в упругих чувствительных элементах, изменение свойств тонкопленочных гетероструктур под воздействием проникающего излучения и т. д. Эти последствия и скорость их нарастания зависят от места установки датчика и реального режима эксплуатации объекта техники. Как правило, эти последствия неконтроли-руемы и могут прогнозироваться лишь очень ориентировочно.

В настоящее время основную роль в системах контроля параметров энергетических установок изделий ракетно-космической техники (РКТ) играет датчиковая аппаратура в микроэлектронном исполнении. Одним из средств измерений (СИ) являются тонкопленочные тензорезисторные датчики давления (ДЦ), предназначенные для преобразования давления рабочих сред в энергетических установках изделий РКТ в электрический сигнал и выдачи информации в систему телеметрических измерений (СТИ) или систему

5 автоматического управления (САУ). К ним предъявляются достаточно жесткие требования:

надёжность в эксплуатации с вероятностью безотказной работы не менее 0,99;

стабильность метрологических характеристик в условиях эксплуатации и длительного хранения (до 20 лет);

устойчивость к воздействию рабочих сред (газообразного и жидкого кислорода, водорода, гелия, ракетного топлива);

сохранение работоспособности при воздействии внешних дестабилизирующих факторов - температуры измеряемой среды от минус 250 до +100С; перегрузочного давления на мембрану до ЗРН; пониженного давле-ния окружающей среды до 133x10" Па; относительной влажности до 95% при 40С; перепадов температуры внешней среды в диапазоне от минус 60 до +150С; вибраций и ударов.

Опыт эксплуатации ДД на изделиях РКТ показал высокую эффективность использования тонкопленочных тензорезисторных чувствительных элементов (ЧЭ) для них в СТИ и САУ энергетических установок за счет высокой чувствительности и надежности, малых габаритов и массы.

Перспективы развития РКТ, определенные в Федеральной космической программе России на период до 2015 года, предусматривают создание нового поколения ракет носителей и ракетных двигателей для них. Конструкции и режимы работ ракетных двигателей нового поколения требуют создания более надежных ДД для жестких условий эксплуатации при длительных сроках эксплуатации и хранения.

Опыт разработки, изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных ДД, созданных в 70 - 80-х годах прошлого века, показал наличие у них больших потенциальных возможностей. Актуальной задачей является разработка технологических методов повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных ДД.

Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных ученых: Осадчего Е. П., Мокрова Е. А., Ваганова В.И., Тихонова А.И., Тихоненкова В. А., Зеленцова Ю. А., Лебедева Д. В., Семенова В. А., Печерской Р. М, Васильева В. А., Аверина И. А. и других авторов. В то же время, в научно-технической литературе недостаточно отражены особенности разработки конструкции и технологии изготовления тонкопленочных тензорезисторных ДД для изделий РКТ. Требуется систематизация технологических методов повышения их надежности, необходимо сконцентрировать усилия на разработке простых, надежных и универсальных методов повышения их стабильности во времени и надёжности.

В связи с высокой стоимостью и трудоемкостью изготовления тонкопленочных тензорезисторных ДД необходимо разработать и реализовать методы отбраковки потенциально ненадежных ЧЭ.

Цель работы

Целью работы является разработка и внедрение в производство технологических методик повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления на ранних стадиях их изготовления.

Задачи диссертационной работы

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

исследованием методов и средств повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления на ранних стадиях их изготовления;

исследованием механизмов образования тонких резистивных пленок, их электропроводности, температурного коэффициента сопротивления и тензочувст-вительности;

корректировкой механизма дефектообразования в тонкопленочной гетероструктуре;

\

; 7

разработкой физико-математической модели расчета допустимой величины импульсного напряжения на тонкопленочном тензорезисторе с учетом его коэффициента тензочувствительности и величины относительной деформации при подаче номинального давления на мембрану датчика;

разработкой методики импульсной токовой отбраковки тонкопленочных гетероструктур;

проведением экспериментальных исследований по влиянию импульсной токовой отбраковки на свойства тонкопленочных гетероструктур чувствительных элементов тензорезисторных тонкопленочных датчиков давления;

отработкой и внедрением методики применения импульсной токовой отбраковки по обоснованным критериям для существующих и вновь разрабатываемых датчиков давления;

1 — оценкой результатов изготовления и эксплуатации тонкопленочных

тензорезисторных датчиков давления с импульсной токовой отбраковкой' тензосхемы.

Методы исследований

Использованы основные положения физики тонких пленок, теории конденсации тонких пленок и методы математического моделирования физических процессов в тонкопленочной гетероструктуре.

Экспериментальные исследования базировались на положениях теории измерений, планировании эксперимента и статистической обработке полученных результатов.

Научная новизна работы

1. Систематизированы технологические методы повышения стабиль-
ности параметров тонкопленочных тензорезисторных чувствительных эле
ментов датчиков давления, что позволило выявить критические для качества
> датчиков технологические процессы разработать методики управления ими и

8 принять меры по повышению их управляемости и стабильности, в результате чего повышено качество и надежность датчиков,

  1. Уточнены механизмы дефектообразования в тонкопленочной гете-роструктуре на чувствительном элементе тонкопленочного тензорезисторно-го датчика давления, что обеспечило установление корреляционных зависимостей между скоростью изменения начального выходного сигнала при импульсной токовой отбраковке и уровнем изменения этой величины при дальнейшей сборке датчика,

  2. Установлены режимы импульсной токовой ступенчатой отбраковки потенциально нестабильных чувствительных элементов датчиков по обоснованным критериям, что обеспечило снижение отказов датчиков давления по нестабильности начального выходного сигнала.

На защиту выносится

  1. Технологические методики изготовления тонкопленочных тензо-резисторных чувствительных элементов на ранних стадиях изготовления, критерии для повышения стабильности параметров тонкопленочных тензоре-зисторных чувствительных элементов,

  1. Методика импульсной токовой отбраковки тонкопленочной гете-роструктуры для конструктивных вариантов чувствительных элементов датчиков давления,

  2. Результаты статистической обработки выходных параметров датчиков давления по итогам применения методики импульсной токовой отбраковки в производстве.

Практическая значимость

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в ФГУП «НИИ физических измерений», и способствует решению актуальной научно-технической задачи - созданию технологических методов повышения стабильности параметров тонкопленочных тензоре-

9 зисторных ДЦ на ранних стадиях их изготовления. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили перейти к промышленному применению вновь разработанной методики в производстве. Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России 2000 — 2005 гг. при выполнении ОКР «Сиалон» «Разработка и освоение комплекса базовых технологических процессов изготовления чувствительных элементов датчиков давления нового поколения с применением комбинированной интегрально-пленочной технологии».

С января 1999 года по март 2001 года проводились экспериментальные исследования по отработке, опробованию и внедрению методики импульсной токовой отбраковки. Были проведены типовые испытания датчиков Вт 206 и Вт 212, изготовленных с применением вновь разработанной методики, и выпущен Отчет № 73 О-111/600от 13.03.2001г., в котором было принято решение о внедрении этой методики в конструкторскую и технологическую документацию на эти датчики.

Разработана, отработана и внедрена в опытном производстве ( Акт внедрения №81/600 от 11.12.2001) ФГУП «НИИ физических измерений» технологическая инструкция ТИ 783.25000.00155 «Методика импульсной токовой отбраковки тонкопленочных тензорезисторных ЧЭ датчиков давления».

В 2007 году был проведен анализ результатов изготовления датчиков Вт 206 и Вт 212 с применением методики импульсной токовой отбраковки и выпущены два отчета (Отчет № 3 О 108/600 от 24.04.2007 и Отчет № 75 О 301/600 от 20.08.2007, инв. №2017) по оценке результатов изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных датчиков с использованием методов математической статистики.

Результаты работы внедрены в технологические процессы изготовления ДЦ: ТИ 783.25000.00155; ТП 583.01188.00007; ТП 783.02100.00817; ТП 583.01188.00092; ТП 583.01188.00089.

10 Апробация .работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации публиковались в периодических изданиях, докладывались и обсуждались на четвертом межрегиональном совещании «Тонкие пленки в электронике» (г. Улан-Удэ, 1993 г.), научно-технической конференции «Датчики и детекторы для авиационной техники» (г. Пенза, 2003 г.), международном симпозиуме «Надежность и качество-2004» (г. Пенза, 2004 г.), научно-технической конференции «Датчики и детекторы для АЭС 2004» (г. Пенза, 2004 г.), девятой международной научно-методической конференции «Университетское образование МКУО-2005» (ПТУ, г. Пенза, 2005 г.), международной научно-технической конференции «Датчики и системы 2005» (г. Пенза, 2005 г.), семинаре «Вакуумная техника и технология 2005» (г. С-Петербург, 2005 г.), четвертой международной конференции «Авиация и космонавтика 2005» (МАИ, г. Москва, 2005 г.), второй научно-технической конференции «Прецизионное оборудование и.технологии производства мик~ ро- и радиоэлектроники» (г. Минск, 2005 г.), десятой международной научно-методической конференции «Университетское образование МКУО-2006» (ПТУ, г. Пенза, 2006 г.), всероссийской научно-технической конференции «Методы создания, исследования материалов, приборов и экономические аспекты микроэлектроники» (ПГУ, г. Пенза, 2006 г.), отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий - 2007» (г. Москва, 2007г.), научно-технической конференции «Информационно-управляющие системы -2007» (г. Королев, Моск. обл., 2007 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 22 работы, из них 9 статей в центральных (в том числе 7 из них из списка ВАК) изданиях и межвузовских сборниках, три научно-технических отчета. Без соавторов опубликовано 4 работы.

По результатам исследований в соавторстве получен патент на изобретение № 2 301 977 G01L 7/02 «Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами», заявка № 2005 133 016 с приоритетом от 26.10.2005.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, 3 приложения. Основная часть изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 19 таблиц. Список литературы содержит 81 наименование.

Общие вопросы разработки конструкции и технологии изготовления тонкопленочных тензорези-сторных датчиков давления

В процессе эксплуатации датчики давления (ДД) располагаются непосредственно на объекте измерения. При этом на ДД одновременно с измеряемой величиной действует большое количество других воздействующих факторов, которые являются для датчика дестабилизирующими. Условия эксплуатации на современных объектах техники весьма разнообразны и могут колебаться от лабораторных условий до условий стендовых испытаний реактивных двигателей и космического полета. Если в первом случае это незначительные колебания температуры, окружающего давления и влажности, то во втором случае - воздействие повышенных и пониженных температур в очень широком диапазоне (от криогенных до сотен градусов), воздействие мощных вибраций, пульсаций, акустических полей, а в третьем - в условиях невесомости, вакуума, нестационарных тепловых, воздействий. При этом ДД должен выдавать достоверную информацию о давлении в виде изменения параметра преобразования информации с требуемой точностью и необходимой устойчивостью при воздействии всего комплекса дестабилизирующих факторов.

Исследования изменения параметра преобразования информации под действием дестабилизирующих факторов (время, температура, вибрация, дефекты ге-тероструктуры на чувствительном элементе датчика) позволяют проследить за процессом деградации информации и оценить этот процесс, а также выработать рекомендации по снижению деградации информации в ДД как на стадии разработки, так и на стадии изготовления. Исследование стабильности процессов помогает раскрыть механизм функционирования изменяющейся, динамической структуры датчика, в которой сочетаются и способность сохранять параметры, и в тоже время способность к деградации.

Термин "стабильность" (от латинского stabilis - устойчивый, постоянный) определяется как сохранение устойчивого состояния системы, процесса или па раметра во времени. Он означает не только неизменность, но и способность системы (процесса, параметра) сохранять данное состояние, которое является нормой для нее, стремление сохранить это состояние и способность возвращаться в это состояние в случае дестабилизирующих воздействий извне. Термин используется как для описания состояния системы, так и для её отдельных элементов или подсистем. Датчик является отдельным элементом системы измерений и одновременно продуктом производства. Стабильность параметров датчика как продукта производства в ходе его контроля определяется вариацией значений диагностируемого параметра датчика при его многократном измерении.

Термин "стабилизация" означает приведение к стабильному состоянию. Например, стабилизация в автоматическом регулировании и управлении - это поддержание постоянного во времени t значения одной (или нескольких) регулируемой величины x(t) вне зависимости от внешних и внутренних возмущающих воздействий/, стремящихся отклонить регулируемую величину от заданного значения.

В связи с большим количеством факторов, влияющих на погрешность измерения и деградацию информационной эффективности ДД, не может быть разработан какой-то один универсальный метод, обеспечивающий решение всех задач по повышению их стабильности и надежности. Как показала практика, отдельные меры, направленные на улучшение частных характеристик ДД, не приводят к улучшению стабильности и чаще всего ухудшают другие характеристики (вес, надежность и прочие). Только комплексное решение этих задач всеми доступными методами может дать положительный эффект в данном вопросе. Поэтому в настоящее время разработан комплекс таких методов как с учетом механизма возникновения погрешности измерения и деградации информационной эффективности, так и возможностей влияния разработчика и изготовителя ДД на них.

При массовом производстве ДД промышленного применения применяются статистические методы оценки стабильности параметров датчиков. Для вновь разрабатываемых ДЦ получение статистических данных о динамике изменения погрешности в условиях эксплуатации, необходимых для обоснованного определения длительности срока службы, в приемлемые сроки нереально. Это связано с тем, что в процессе проектирования ДД параметры его надежности приходится задавать на основании косвенных оценок или по аналогам. Если же провести реальные стендовые испытания для- оценки срока службы конкретного ДД и подтверждения его надежностных характеристик, то через несколько лет, потраченных на испытания, результат окажется не востребованным, поскольку за этот период конструкции датчиков и технология их производства изменятся.

Для дорогих ДД, предназначенных для выпуска, малой серией, проведение сколько нибудь достоверных статистических исследований невозможно и из-за экономических ограничений.

Таким образом, при создании ДД, которые должны сохранять свою метрологическую исправность на протяжении многих лет эксплуатации или хранения объекта техники, традиционные решения не эффективны. Необходимы новые решения, обеспечивающие обратные связи между этапами, начиная с этапа проектирования ДД. При этом обратные связи могут быть как постоянными (в виде вторичных преобразователей с обратной связью), так и временными, появляющимися в процессе изготовления датчика и при проведении целенаправленных процессов стабилизации [1,2].

Создание и производство современных средств измерения, в том числе датчиков (давления, температуры, ускорений, расхода и т. п.), не может обойтись без применения технологии микроэлектроники. В плане стратегии обеспечения стабильности параметров ДД, изготовленных с применением технологии микроэлектроники, необходимо решить целый ряд проблемных вопросов теоретического и прикладного характера.

Анализ толщины и состава реальной тонкопленочной гетероструктуры на чувствительном элементе тензорезисторного тонкопленочного ДД

В основу оценки процессов в тонкой резистивной пленке положены результаты исследования реальных тонкопленочных тензорезисторных ЧЭ ДД. Необходимо отметить, что в стандартном процессе формирования тонкопленочной гетероструктуры определяется толщина только тех пленок, которые поддаются измерениям на микроинтерферометре Линника МИИ-4, то есть с минимальной толщиной 0,27 мкм: К таким пленкам относятся тонкие пленки диэлектрика с толщинами в диапазоне от 0,5 до 5 мкм и тонкие золотые пленки для контактных площадок, проводящих дорожек и термокомпенсационных резисторов с толщинами в диапазоне от 0,8 до 2,0 мкм. Более тонкие пленки, в частности, тонкие резистивные пленки, контролируются только посредством определения их удельного поверхностного сопротивления (ps = 30 - 70 Ом/п). Состав тонкой резистивной пленки не контролируется.

В процессе выполнения данной работы автором были впервые проведены комплексные исследования толщины и состава тонкой резистивной пленки из сплава Х20Н75Ю [21].

Для исследования свойств тонких пленок непосредственно на поверхности гетероструктуры, нанесенной на ЧЭ датчика, применялся метод масс-спектрального анализа вторичных ионов (ВИМС). Метод ВИМС заключается в следующем - в исследуемой зоне на образце под действием ионного пучка цезия происходит распыление материала.. Так как ионы цезия обладают достаточно большой массой, можно считать скорости распыления различных материалов примерно одинаковыми, вследствие чего можно определить скорость распыления по времени и глубине лунки распыления материала подложки.

На границе с подложкой имеется прослойка хрома толщиной не более 500 нм. Общая толщина тонкопленочной структуры составляет 3500 - 3700 нм. В пределах толщины от поверхности до 1500 нм находится смесь хрома, никеля и алюминия с отдельными пиками кислорода. На границе резистив-ного слоя и диэлектрика содержание хрома в резистивной пленке увеличивается. Необходимо отметит наличие пиков кислорода не только на поверхности, но и внутри резистивной пленки.

Проведена ОЖЕ - электронная спектроскопия (ОЭС) образцов, обеспечившая послойный анализ резистивной пленки из сплава Х20Н75Ю в процессе её распыления ионами аргона с энергией 3 кэВ и её химический анализ с учетом коэффициентов элементной чувствительности ОЖЕ-электронов (рисунок 2.6). Резистивная пленка получена термическим распылением в вакууме.

Распределение кислорода в пленке неоднородно, основная концентрация кислорода приходится на переходной слой «тонкая пленка - подложка» и на поверхностный слой, содержащий окисел никеля.

Проведен качественный анализ состава резистивной пленки в зоне эрозионной подгонки тензорезисторов из сплава Х20Н75Ю с использованием метода вторично-ионной времяпролетной масс-спектрометрии. Для травления образца при профильном анализе применялся источник ионов кислодора (с энергией 500 эВ). Необходимо учитывать, что толщина резистивной пленки составляет «100 нм, тогда как глубина захвата концентрационного профиля при методе вторично-ионной времяпролетной масс-спектрометрии составляет «300 нм, то есть в три раза больше.

Результаты анализа поверхности средней части зоны подгонки тензорезистора методом вторично-ионной времяпролетнои масс-спектрометрии (SIMS) представлены на рисунках 2.8, 2.9, 2.10. На всех рисунках с результатами сканирования относительная концентрация каждого элемента в зоне проведения исследований соответствует интенсивности окраски (чем светлее, тем выше концентрация).

Состав пленок толщиной d- 100 нм колеблется в пределах (55—75 вес. % Ni, 43—24% Сг и 1 - 2 вес. % А1). Распределение концентрации компонентов сплава по объёму (толщине) пленки соответствует ранее полученным с помощью ОЖЕ - электронной спектроскопии данным послойного анализа в процессе распыления пленки ионами аргона с энергией 3 кэВ и спектральному анализу распыленного вещества с учетом коэффициентов элементной чувствительности [21]. Тонкая резистивная пленка, полученная термическим распылением в вакууме, характеризуются весьма неоднородным распределением хрома и никеля по толщине плёнки. Пик хрома сдвинут к подложке, а пик никеля — к поверхности плёнки. Это подтверждает выводы о сильном фракционировании сплава Х20Н75Ю при термическом методе напыления.

В зоне подгонки тензорезистора наблюдается пониженное содержание никеля и, наоборот, содержание хрома возрастает. В середине зоны подгонки имеется полоса неснятого никеля (см. рис 2.10а, 2.10в). Проведенными анализами подтверждено наличие алюминия и его окисла в тонкой пленке, как на поверхности (см. рис 2.9г), так и по глубине (см. рис. 2.8г).

Особый интерес представляет зона перехода от тонкой диэлектрической пленки из моноокиси кремния к резистивной пленке, как по поверхности, так и по глубине. При поверхностном анализе (см. рис. 2.9в) граница между диэлектриком и резистивным слоем четкая. Отмечено только появление следов кремния (в составе его окислов SiO и Si02) в области зоны подгонки (см. рис 2.9в, 2.10а, и 2.106). Концентрационный профиль по толщине (см. рис. 2.8в) показывает наличие переходной зоны (зоны взаимодиффузии) между тонкой резистивной пленкой и пленкой диэлектрика.

Наибольшей концентрацией отличатся зона подгонки, что характерно для зон перегрева тонкопленочной гетероструктуры. Особенно выделяется область легирования диэлектрика хромом (см. рис. 2.86), никель (см. рис 2.8а) и алюминий (см. рис. 2.8г) обладают меньшим, чем хром коэффициентом диффузии, поэтому концентрация атомов этих металлов в зоне подгонки меньше, чем у хрома. Необходимо отметить наличие диффузии кремния в тонкую резистивную пленку, что видно из концентрационного профиля на рис. 2.8в. В зоне взаимодиффузии тонкой резистивной и диэлектрической пленок могут образовываться силициды хрома и никеля или керметный состав типа SiO-Cr или SiO-Ni. При этом глубина проникновения атомов кремния в резистивную пленку может достигать 50 нм (половину толщины 100 нм пленки). Можно предположить также, что подобные процессы взаимодиффузии материалов тонких пленок происходят и в других местах тонкопленочной структуры, там где имеется локальный разогрев. Это относится к местам микросварки золотых микропроводников на контактные площадки тензоре-зисторов и на термокомпенсационном резисторе. В результате проведенных исследований: - методом ВИМС удалось определить толщину и послойный состав тонкопленочной гетероструктуры, подтвердив его методом ОЭС для резистивной пленки, толщина резистивной пленки оценивается в диапазоне от 80 до 150 нм; - с помощью метода ОЭС выявлено наличие и состав примесей в,тонких резистивных пленках, полученных из сплава Х20Н75Ю термическим испарением в вакууме.

Модель воздействия импульсной токовой нагрузки на тонкопленочный тензорезистор и тензомост

Формула расчета допустимой величины импульсного напряжения для конкретной топологии тонкопленочного тензомоста в условиях импульсной нагрузки разрабатывалась в соответствии с требованиями отраслевого стандарта [75]. Из указанного нормативного документа была заимствована формула (3.1) для расчета максимально допустимой величины напряжения при импульсной нагрузке тензорезисторов, которые составляют тензомост в чувствительном элементе датчиков давления (см. рис. 1.46): ишт =L„PXJKZ P W0, (3.1) где Uuun - величина напряжения при импульсной нагрузке (В); Lnp - приведенная длина тензорезисторов в одном плече тензомоста (см), для прямоугольных тонкопленочных тензорезисторов, таких как тензорезисторы в топологиях тензосхем ЧЭ датчиков типа Вт 206 (см. рис. 3.6), Вт 212 (см. рис. 3.5) и Вт 220 (см. рис. 3.10) вычисляется по формуле: Lnp =а хп, где а - ширина тензорезистора (см); п - число квадратов тензорезистора (), для наборных тензорезисторов, состоящих из отдельных фрагментов, таких как тензорезисторы в топологиях тензосхем ЧЭ датчиков типа Вт 206А. 1 (см. рис. 3.7) , Вт 206Б (см. рис. 3.8) и Вт 212А (см. рис. 3.9), вычисляется по формуле: Lnp=a (fxnj), где/— количество фрагментов в одном тензорезисторе; П] - число квадратов в одном фрагменте тензорезистора; Кшт - коэффициент перегрузки тензорезистора по мощности в импульсе (определяется по таблице 3 Приложения 1 к стандарту [75]), для тонкопленочных тензорезисторов из хромоникелевого сплава с удельным поверхностным сопротивлением резистивной пленки ps от 45 до 70 Ом/п величина коэффициента Кшт может колебаться в пределах от 1 до 500; ps - удельное поверхностное сопротивление резистивной пленки (для разных топологий тензорезисторов оно разное и колеблется в пределах ps = 45 - 70 Ом/п , см. таблицы 3.1 — 3.6); 0 - допустимая удельная мощность рассеивания для тонких пленок из материала Х20Н75Ю W0 = 2,2 Вт/см - данные взяты из статьи [76].

Отраслевой стандарт [75] дает исходные данные для расчета постоянных тонкопленочных резисторов, применяемых в ГИС или в других приборах, где они используются как постоянные резисторы. Тензорезисторы на мембране ЧЭ датчика работают на сжатие или на изгиб в зависимости от места расположения в топологии. Таким образом, они изменяют свое сопротивление в зависимости от степени деформации. Поэтому в формулу (3.1) необходимо ввести поправочный коэффициент, учитывающий коэффициент продольной тензочувствительности уі и величину относительной деформации 8j тензорезистора в условиях подачи на мембрану номинального давления. В результате введения поправочного коэффициента формула (3.1) будет выглядеть следующим образом: ишт = 4„ Х л1Ки«п х Ps х 0 + У\ Х Бі) Х W0 , (3.2) где уі - коэффициент продольной тензочувствительности тонкопленочного тензорезистора из никельхромового сплава (для сплава Х20Н75Ю у і — 2,1); е, — величина относительной деформации тензорезистора при подаче номи нального давления на мембрану ЧЭ датчика (г,- = 0,001, величина взята из расчета деформации мембраны или балки для конкретных ЧЭ ДД см. рис.3. Рисунок 3.15 - Фотография ЧЭ ДД, закрепленного в специальной технологической оснастке, тензомост электрически соединен с помощью микропроводников со специальной колодкой технологической оснастки

Импульсное напряжение при ИТО подается от генератора на тензомост через пульт на специальную технологическую оснастку для настройки ЧЭ ДД (см. рис. 3.15). В качестве источника импульсов применяется генератор импульсов Г5-54. Он позволяет формировать сигналы с импульсным напряжением до 15 В. Прибор позволяет формировать импульсы заданной длительности и скважности с резким фронтом нарастания импульсного напряжения. Контроль формы импульсов осуществляется с помощью осциллографа С1-76. Контроль напряжения в импульсе и НВС ЧЭ ДД осуществляется с помощью комбинированного цифрового прибора Ф 30.

Результаты изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления с импульсной токовой отбраковкой тензосхемы

По итогам использования методики ИТО для изготовления тонкопленочных тензорезисторных ДД в мелкосерийном производстве в 2005 году была подана заявка на предполагаемое изобретение Заявка № 2005133016 с приоритетом от 26.10.2005, авторы И. В. Волохов, Е. В. Песков, Д. В.

Основываясь на данных проведенного анализа, допустимый отбраковочный уровень скорости изменения НВС по циклам для ЧЭ датчика Вт212 ужесточен и установлен на уровне не более ±0,08 мВ/час. Учтены варианты ужесточения отбраковочного уровня для реализации ступенчатой отбраковки. Например, на циклах 1, 2 и 3 отбраковываются ЧЭ со скоростью изменения НВС на уровне ±(0,06 - 0,08) мВ/час, а на 4 цикле отбраковываются по уровню скорости изменения НВС до ±0,04 мВ/час. Для датчиков, поставляемых на особо ответственные изделия (РКТ и авиация), отбраковочный уровень на 4 цикле установлен на уровне ±0,02 мВ/час. При этом отбракованные ЧЭне списываются в технологический отход, их используют для комплектования датчиков, поставляемых на объекты общепромышленного применения там, где возможна подстройка датчика или его оперативная замена.

Одна из важнейших задач контроля-и управления технологией изготовления тонкопленочных тензорезисторных ДД непосредственно на рабочих местах — это слежение за изменением параметров технологического процесса (ТП). Любой ТП зависит от многих независимых параметров, иногда не поддающихся непосредственному контролю. Изменение этих параметров ТП приводит к дрейфу области оптимального протекания процесса. Одним из таких факторов ТП сборки датчика является ИТО тензосхемы на стадии настройки ЧЭ ДД в технологической оснастке. Одной из задач контроля и оптимизации ТП изготовления датчиков является нахождение корреляционной зависимости и анализ взаимосвязи между скоростью изменения НВС (в процентах) при ИТО (независимая переменная) и уровнем изменения НВС (в процентах) при дальнейшей сборкедатчиков Вт 206 и Вт 212 (зависимые переменные).

Для реализации данной задачи применялись методы математической статистики и, в частности, методики анализа статистических распределений и их основных характеристик [79 - 81]. Для нахождения корреляционной зависимости и анализа взаимосвязи между скоростью изменения НВС при ИТО и уровнем изменения НВС при дальнейшей сборке датчиков Вт 206 и Вт 212 был построен интервальный дискретный ряд, имеющий прерывное изменение. Интервальный вариационный ряд представлялся, так же как и дискретный ряд, из двух граф (варианты и частоты). При его построении в первой графе отдельные значения параметра указывали в интервалах "от - до", во второй графе - число единиц, входящих в интервал. Интервалы были образованы равные и закрытые.

Нижнюю границу первого интервала принимают равной минимальному значению параметра; верхняя граница первого интервала соответствует значению (хтт + іє). Для последующих групп границы определяются аналогично, т. е. последовательно прибавляется величина интервала.

Например, для группы значений параметров «скорость изменения НВЄ после ИТО» ЧЭ датчиков Вт 206 величина интервала ie = 0,01 мВ/час при варьировании параметра R = 0,12.

Как видно из полученной зависимости, представленной на рисунке 4.3, 97,62% всех ЧЭ попадают в диапазон изменения скоростей от 0 до 0,05 мВ/час при отбраковочном уровне 0,1 мВ/час.

Как видно из полученной зависимости, представленной на рисунке 4.4, 96,23% всех ЧЭ попадают в диапазон изменения скоростей от 0 до 0,05 мВ/час при отбраковочном уровне 0,1 мВ/час.

Для оценки взаимозависимости группы параметров «скорость изменения НВС после ИТО» и «изменение НВС в процессе сборки датчика» построен интервальный вариационный ряд, состоящий из 4 циклов (в соответствии с технологической инструкцией по настройке датчика). Оценка частоты попадания параметра «скорость изменения НВС после ИТО» в тот или иной цикл проводилась по максимальному значению скорости изменение НВС.

По результатам оценки построены гистограммы (см. рис. 4.5 для» ДЦ Вт 206 и рис. 4.6 для ДД Вт 212), из которых видно, что наиболее вероятная частота попадания максимальной величины признака «скорость изменения НВС после ИТО» наблюдается в первый цикл (80 шт. для Вт 206 и 389 шт. для Вт 212), остальные циклы содержат, соответственно, от 36 до 24 шт. для Вт 206 и от 247 до 88 для Вт 212, причем по убывающей по мере нарастания номера цикла. Технологически это означает, что определяющим дальнейшую судьбу ЧЭ датчика является первый цикл ИТО.

Так как вариационные ряды диапазонов; даны, с неравными интервалами; то для правильного представления о характере. распределения необходимо произвести расчет вероятности попадания или относительной, плотности распределения значений параметра внутри интервала.

Величина дисперсии по" абсолютной величине, как статистическая характеристика, описывает случайную вариацию значения параметра, возникающую под влиянием других неучтенных факторов, и не зависит от условия положенного в основу группировки значений параметров, в данном случае по диапазонам скорости изменения НВС после ИТО.

Изучая дисперсию параметра «скорость изменения HBG после-ИТО» в пределах исследуемой совокупности и опираясь наобщую среднюю в расчетах, нельзя оценить влияние отдельных факторов, определяющих колеблемость индивидуальных значений параметра. Это можно сделать при. помощи метода группировок, когда единицы изучаемой совокупности подразделяются на однородные группы.по признаку-фактору, в нашем случае диапазоны.,

Похожие диссертации на Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления