Помощь студентам в учебе
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ СЕНСОРОВ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ СТРУКТУР
|
ВВЕДЕНИЕ 7
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ШИРОКО ПРИМЕНЯЕМЫХ ФИЗИЧЕСКИХ
ЭФФЕКТОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ 9
1.1 Сенсоры на основе тензорезистивного эффекта 9
1.1.1 Металлические тензорезистивные сенсоры 10
1.1.2 Фольговые тензорезистивные сесоры 12
1.1.3 Тензочувствительность 14
1.1.4 Основные технико-метрологические характеристики 16
1.1.5 Источники погрешностей тензорезистивных сенсоров 20
1.2 Сенсоры на основе пьезорезистивного эффекта 23
1.3 Сенсоры на основе эффекта резонанса 25
1.4 Сравнительный анализ исследуемых физических эффектов 26
1.5 Выводы 27
ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ОСНОВНЫЕ
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОПЛЕНОЧНЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ СЕНСОРОВ 28
2.1 Тенденции развития интегральных металлопленочных
тензорезистивных сенсоров 28
2.2 Анализ схемотехнических решений и конструктивных
особенностей построения интегральных металлопленочных тензорезистивных сенсоров 31
2.3 Температурные погрешности интегральных
металлопленочных тензорезистивных сенсоров и их минимизация 41
2.3.1 Механизмы возникновения температурных
погрешностей сенсоров 42
2.3.2 Минимизация температурных погрешностей сенсоров 50
2.4 Выбор материалов сенсора интегральных металлопленочных
тензорезистивных датчиков давления 59
2.4.1 Выбор материала упругого элемента 59
2.4.2 Анализ пленочных диэлектриков сенсоров 60
2.4.3 Анализ тензорезистивных материалов 62
2.4.4 Материалы контактных групп и межсоединений 64
2.5 Влияние внешних факторов на стабильность параметров
интегральных металлопленочных тензорезистивных сенсоров 66
2.6 Выводы 77
ГЛАВА 3. МИНИМИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПРИЧИННЕСТАБИЛЬНОСТИ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 79
3.1 Связь технологии получения тонкопленочных структур
чувствительных элементов со стабильностью параметров интегральных металлопленочных тензорезистивных датчиков давлений 79
3.2 Рассмотрение методов стабилизации параметров чувствительных элементов с резистивным слоем из сплава Х20Н75Ю 86
3.3 Выводы 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97
БИБЛОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 101
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ШИРОКО ПРИМЕНЯЕМЫХ ФИЗИЧЕСКИХ
ЭФФЕКТОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ 9
1.1 Сенсоры на основе тензорезистивного эффекта 9
1.1.1 Металлические тензорезистивные сенсоры 10
1.1.2 Фольговые тензорезистивные сесоры 12
1.1.3 Тензочувствительность 14
1.1.4 Основные технико-метрологические характеристики 16
1.1.5 Источники погрешностей тензорезистивных сенсоров 20
1.2 Сенсоры на основе пьезорезистивного эффекта 23
1.3 Сенсоры на основе эффекта резонанса 25
1.4 Сравнительный анализ исследуемых физических эффектов 26
1.5 Выводы 27
ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ОСНОВНЫЕ
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОПЛЕНОЧНЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНЫХ СЕНСОРОВ 28
2.1 Тенденции развития интегральных металлопленочных
тензорезистивных сенсоров 28
2.2 Анализ схемотехнических решений и конструктивных
особенностей построения интегральных металлопленочных тензорезистивных сенсоров 31
2.3 Температурные погрешности интегральных
металлопленочных тензорезистивных сенсоров и их минимизация 41
2.3.1 Механизмы возникновения температурных
погрешностей сенсоров 42
2.3.2 Минимизация температурных погрешностей сенсоров 50
2.4 Выбор материалов сенсора интегральных металлопленочных
тензорезистивных датчиков давления 59
2.4.1 Выбор материала упругого элемента 59
2.4.2 Анализ пленочных диэлектриков сенсоров 60
2.4.3 Анализ тензорезистивных материалов 62
2.4.4 Материалы контактных групп и межсоединений 64
2.5 Влияние внешних факторов на стабильность параметров
интегральных металлопленочных тензорезистивных сенсоров 66
2.6 Выводы 77
ГЛАВА 3. МИНИМИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПРИЧИННЕСТАБИЛЬНОСТИ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 79
3.1 Связь технологии получения тонкопленочных структур
чувствительных элементов со стабильностью параметров интегральных металлопленочных тензорезистивных датчиков давлений 79
3.2 Рассмотрение методов стабилизации параметров чувствительных элементов с резистивным слоем из сплава Х20Н75Ю 86
3.3 Выводы 95
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 97
БИБЛОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 101
В с0временн0м мире датчики давления, которые используются в различных 0бластях науки и техники, довольно часто эксплуатируют под воздействием высоких температур. Сегодня самыми широко применяемыми являются датчики, на основе полупроводниковых чувствительных элементов (сенсоров). Увеличения диапазона рабочих температур датчиков влечет за собой ряд проблем, одной из которых является снижение температурной погрешности. Изменения температуры сенсора в составе датчика влияет на его чувствительность, поэтому необходима разработка технических решений, позволяющих компенсировать температурную погрешность чувствительности.
Цель настоящей работы - изучить влияние температуры на сенсоры датчиков давления на основе тонкопленочных структур. Оценить погрешность, которую вызывают температурные перепады. Рассмотреть возможности минимизации зависимости чувствительных элементов от температурных перепадов.
Исходя из анализа библиографических источников вытекает актуальность в разработке новых технических решений, а также решения проблемы снижения коэффициента термочувствительности. Необходимость и актуальность научных исследований, направленных на изучение тонкопленочных структур сенсоров датчиков давления для снижения дополнительной температурной погрешности измерения при нестационарной температуре и термоударных воздействиях, объясняется возможностью совершенствования их характеристик, при относительно небольших затратах на разработку.
Задачи, решаемые в данной работе:
1) Рассмотреть физические эффекты, которые широко применяются для измерения давления;
2) Исследовать температурную зависим0сть тензорезистивных сенсоров на основе тонкопленочных структур.
3) Рассмотреть способы минимизации температурной погрешности тензорезистивных сенсоров на основе тонкопленочных структур.
Цель настоящей работы - изучить влияние температуры на сенсоры датчиков давления на основе тонкопленочных структур. Оценить погрешность, которую вызывают температурные перепады. Рассмотреть возможности минимизации зависимости чувствительных элементов от температурных перепадов.
Исходя из анализа библиографических источников вытекает актуальность в разработке новых технических решений, а также решения проблемы снижения коэффициента термочувствительности. Необходимость и актуальность научных исследований, направленных на изучение тонкопленочных структур сенсоров датчиков давления для снижения дополнительной температурной погрешности измерения при нестационарной температуре и термоударных воздействиях, объясняется возможностью совершенствования их характеристик, при относительно небольших затратах на разработку.
Задачи, решаемые в данной работе:
1) Рассмотреть физические эффекты, которые широко применяются для измерения давления;
2) Исследовать температурную зависим0сть тензорезистивных сенсоров на основе тонкопленочных структур.
3) Рассмотреть способы минимизации температурной погрешности тензорезистивных сенсоров на основе тонкопленочных структур.
1. Анализ основных направлений развития ИМТДД подтверждает перспективность создания малогабаритных, высокоточных датчиков специального назначения с повышенной температурно-временной стабильностью, изготовленных по технологии тонкопленочной микроэлектроники и с внедренными элементами микропроцессорной обработки.
2. Анализ механизмов возникновения и известных схем компенсации температурных погрешностей ЧЭ ИМТДД подтвердил их эффективность исключительно от некорректного выбора материалов и технологических разбросов физических параметров.
3. Установлено, что за счет применения схемных методов компенсации не
решается проблема обеспечения временной стабильности выходных параметров ЧЭ ИМТДД, которые связаны с процессами деградации тонких пленок и требует существенного снижения временной нестабильности электрического сопротивления.
4. Анализ известных материалов тонкопленочных гетерогенных структур ЧЭ ИМТДД подтвердил выбор SiO с адгезионным подслоем Cr для изоляции, «V- Au» для контактных групп и межсоединений, а для базового тензорезистивного слоя наиболее выгодные характеристики демонстрируют ТР из специально разработанных сплавов Х20Н75Ю и П65ХС.
5. Исследования влияния внешних эксплуатационных факторов на стабильность характеристик ИМТДД показали, что процессы деградации (диффузия, окисление, твердофазные реакции, электролитическая коррозия и электромиграция, развивающиеся в тонких пленках при эксплуатации) являются основными факторами, нарушающим их структуру и фазовый состав, в результате чего меняются электрические параметры схемы.
6. Анализ ЧЭ ИМТДД для пре0браз0вания малых и сверхмалых давлений показал необходимость их выполнения в виде балок равного сопротивления с жестким центром из-за низкой чувствительности применяемых ТР. Такие ЧЭ характеризуются неравномерно распределенными термомеханическими напряжениями, привносимыми сварными операциями, обуславливающими скручивание балки, нелинейность градуировочной характеристики и разрушение пленок.
Результаты проведенного анализа обуславливают решение следующих задач в последующих главах:
- разработку технологии стабилизации параметров тонкопленочных гетерогенных структур ЧЭ ИМТДД для различных топологических вариантов ТР из сплава Х20Н75Ю путем модификации режимов термообработки в вакууме и на воздухе;
- разработку режимов кратковременной высокоэнергетической обработки тонкопленочной структуры на основе ТР из П65ХС излучением в высоком вакууме с целью управления значением ТКС, обеспечения низкого уровня шумов, термодинамического равновесия и устойчивых соединений в структуре «тензорезистор-подслой-золото»;
- исследование и разработку технологии получения высокочувствительных термостабильных ТР на основе композиции «Si-C-Cr» методом магнетронного распыления;
- разработку технологии получения изолирующего слоя SiC с целью повышения работоспособности при повышенных электрических нагрузках.
7. При анализе причин нестабильности Uo ЧЭ ИМТДД, возникающих из-за процессов деградации в тонкопленочных гетерогенных структурах, таких как диффузия, окисление, твердофазные реакции, нарушающие микроструктуру и фаз0вый состав в большинстве случаев происходящих без изменения внешнего вида, установлено, что:
- для сплава Х20Н75Ю доминирующую роль в деградации свойств полосковых ТР играют окислительные процессы, для составных ТР и ТР с золотыми перемычками доминирует деградация переходных сопротивлений на границе раздела «ТР контакт»;
- для сплава П65ХС характерны окисление в межфазных границах и особенности атомарной структуры пленки, однако при использовании ИМТДД в условиях высоких температур особенно критичны необратимые изменения ТКС ТР из области отрицательных значений в положительную (способность П65ХС к «спеканию» при воздействии повышенных температур), что вызвано способностью силицида к образованию проводящих мостиков в SiO-матрице, увеличивающих металлическую проводимость.
8. Для достижения высокой температурно-временной стабильности при воздействии дестабилизирующих факторов и возможности управления электрофизическими параметрами ТР определены:
- для ТР из сплава Х20Н75Ю, режимы стабилизации параметров тонкопленочной гетерогенной структуры ЧЭ ИМТДД, основанные на комбинации трехстадийного циклического воздействия температур с выдержкой в вакууме (при давлении 1-10-5 -5-10-6 мм рт.ст.) и отжиг ЧЭ на воздухе, позволяющие в 2-3 раза снизить интенсивность дрейфа значений сопротивлений в эксплуатационных условиях. Нагрев, осуществляемый по данной методике, позволил стабилизировать процессы, проходящие внутри пленок ТР после формирования схемы, влияющие на изменение проводимости, выявить скрытые дефекты в пленках на ранней стадии изготовления и стабилизировать (завершить) диффузионные процессы, связанные с окислообразованием внутри пленок и диффузии активных металлов
- для ТР из сплава П65ХС режимы кратк0временн0й высокоэнергетической 0браб0тки сформированных тонкопленочных гетерогенных структур из тензорезистивного сплава П65ХС прямым излучением в высоком вакууме (при давлении 1-10-5 -5-10-6 мм рт.ст.), с разогревом верхних слоев ~(550... 700) °С и при этом максимальным разогревом ЧЭ за счет теплопередачи не более (300.340) °С. Установлено, что при кратковременной высокоэнергетической обработке инфракрасным излучением в вакууме уменьшается барьерная проводимость за счет получения термодинамического равновесия и «монолитных» соединений в структуре, сужаются зоны непроводящих (малопроводящих) участков по причине наличия окислов ванадия, хрома, и других материалов, что в то же время приводит к уменьшению разброса AR между ТР и шумов, обеспечивается управление значением ТКС и устойчивость электрического сопротивления во времени.
2. Анализ механизмов возникновения и известных схем компенсации температурных погрешностей ЧЭ ИМТДД подтвердил их эффективность исключительно от некорректного выбора материалов и технологических разбросов физических параметров.
3. Установлено, что за счет применения схемных методов компенсации не
решается проблема обеспечения временной стабильности выходных параметров ЧЭ ИМТДД, которые связаны с процессами деградации тонких пленок и требует существенного снижения временной нестабильности электрического сопротивления.
4. Анализ известных материалов тонкопленочных гетерогенных структур ЧЭ ИМТДД подтвердил выбор SiO с адгезионным подслоем Cr для изоляции, «V- Au» для контактных групп и межсоединений, а для базового тензорезистивного слоя наиболее выгодные характеристики демонстрируют ТР из специально разработанных сплавов Х20Н75Ю и П65ХС.
5. Исследования влияния внешних эксплуатационных факторов на стабильность характеристик ИМТДД показали, что процессы деградации (диффузия, окисление, твердофазные реакции, электролитическая коррозия и электромиграция, развивающиеся в тонких пленках при эксплуатации) являются основными факторами, нарушающим их структуру и фазовый состав, в результате чего меняются электрические параметры схемы.
6. Анализ ЧЭ ИМТДД для пре0браз0вания малых и сверхмалых давлений показал необходимость их выполнения в виде балок равного сопротивления с жестким центром из-за низкой чувствительности применяемых ТР. Такие ЧЭ характеризуются неравномерно распределенными термомеханическими напряжениями, привносимыми сварными операциями, обуславливающими скручивание балки, нелинейность градуировочной характеристики и разрушение пленок.
Результаты проведенного анализа обуславливают решение следующих задач в последующих главах:
- разработку технологии стабилизации параметров тонкопленочных гетерогенных структур ЧЭ ИМТДД для различных топологических вариантов ТР из сплава Х20Н75Ю путем модификации режимов термообработки в вакууме и на воздухе;
- разработку режимов кратковременной высокоэнергетической обработки тонкопленочной структуры на основе ТР из П65ХС излучением в высоком вакууме с целью управления значением ТКС, обеспечения низкого уровня шумов, термодинамического равновесия и устойчивых соединений в структуре «тензорезистор-подслой-золото»;
- исследование и разработку технологии получения высокочувствительных термостабильных ТР на основе композиции «Si-C-Cr» методом магнетронного распыления;
- разработку технологии получения изолирующего слоя SiC с целью повышения работоспособности при повышенных электрических нагрузках.
7. При анализе причин нестабильности Uo ЧЭ ИМТДД, возникающих из-за процессов деградации в тонкопленочных гетерогенных структурах, таких как диффузия, окисление, твердофазные реакции, нарушающие микроструктуру и фаз0вый состав в большинстве случаев происходящих без изменения внешнего вида, установлено, что:
- для сплава Х20Н75Ю доминирующую роль в деградации свойств полосковых ТР играют окислительные процессы, для составных ТР и ТР с золотыми перемычками доминирует деградация переходных сопротивлений на границе раздела «ТР контакт»;
- для сплава П65ХС характерны окисление в межфазных границах и особенности атомарной структуры пленки, однако при использовании ИМТДД в условиях высоких температур особенно критичны необратимые изменения ТКС ТР из области отрицательных значений в положительную (способность П65ХС к «спеканию» при воздействии повышенных температур), что вызвано способностью силицида к образованию проводящих мостиков в SiO-матрице, увеличивающих металлическую проводимость.
8. Для достижения высокой температурно-временной стабильности при воздействии дестабилизирующих факторов и возможности управления электрофизическими параметрами ТР определены:
- для ТР из сплава Х20Н75Ю, режимы стабилизации параметров тонкопленочной гетерогенной структуры ЧЭ ИМТДД, основанные на комбинации трехстадийного циклического воздействия температур с выдержкой в вакууме (при давлении 1-10-5 -5-10-6 мм рт.ст.) и отжиг ЧЭ на воздухе, позволяющие в 2-3 раза снизить интенсивность дрейфа значений сопротивлений в эксплуатационных условиях. Нагрев, осуществляемый по данной методике, позволил стабилизировать процессы, проходящие внутри пленок ТР после формирования схемы, влияющие на изменение проводимости, выявить скрытые дефекты в пленках на ранней стадии изготовления и стабилизировать (завершить) диффузионные процессы, связанные с окислообразованием внутри пленок и диффузии активных металлов
- для ТР из сплава П65ХС режимы кратк0временн0й высокоэнергетической 0браб0тки сформированных тонкопленочных гетерогенных структур из тензорезистивного сплава П65ХС прямым излучением в высоком вакууме (при давлении 1-10-5 -5-10-6 мм рт.ст.), с разогревом верхних слоев ~(550... 700) °С и при этом максимальным разогревом ЧЭ за счет теплопередачи не более (300.340) °С. Установлено, что при кратковременной высокоэнергетической обработке инфракрасным излучением в вакууме уменьшается барьерная проводимость за счет получения термодинамического равновесия и «монолитных» соединений в структуре, сужаются зоны непроводящих (малопроводящих) участков по причине наличия окислов ванадия, хрома, и других материалов, что в то же время приводит к уменьшению разброса AR между ТР и шумов, обеспечивается управление значением ТКС и устойчивость электрического сопротивления во времени.