RU2528541C1 - Method of pressure resistive tensor transducer built around thin-film nano- and microelectromechanical system (mamos) - Google Patents
Method of pressure resistive tensor transducer built around thin-film nano- and microelectromechanical system (mamos) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2528541C1 RU2528541C1 RU2013121644/28A RU2013121644A RU2528541C1 RU 2528541 C1 RU2528541 C1 RU 2528541C1 RU 2013121644/28 A RU2013121644/28 A RU 2013121644/28A RU 2013121644 A RU2013121644 A RU 2013121644A RU 2528541 C1 RU2528541 C1 RU 2528541C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output signal
- voltage
- initial output
- nimems
- strain
- Prior art date
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims description 21
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 12
- 241000632511 Daviesia arborea Species 0.000 title 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 14
- 239000010408 film Substances 0.000 claims description 8
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims description 7
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000009877 rendering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 7
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 6
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 5
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 4
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001364 causal effect Effects 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 238000010002 mechanical finishing Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
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 тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений.The present invention relates to measuring equipment, in particular to strain gauge pressure sensors based on thin-film nano- and microelectromechanical systems (NIMEMS) with a bridge measuring circuit, intended for use in control systems, monitoring and diagnostics of technically complex objects of long-term functioning under conditions of unsteady temperature and increased vibration acceleration.
Известен способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе НиМЭМС, предназначенного для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования 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 strain gauge pressure sensor based on NiMEMS, intended for use in control systems, monitoring and diagnostics of technically complex objects with long-term functioning under the influence of unsteady temperatures and increased vibration accelerations, consists in polishing the surface of the membrane, applying a dielectric to it, forming a strain-sensitive circuit on it attaching a terminal block to an elastic element and attaching a terminal block to a contact area am tensosensitivity circuit, wherein prior to application of the dielectric is manufactured dielectric sleeve directly into the recess of the elastic member, polished surface of the membrane simultaneously with the polishing of the end face of the sleeve, and then applying a dielectric on the membrane of the elastic member and the bushing end and forming tenzoskhemu on a dielectric membrane and sleeve [1].
Недостатком известного способа изготовления является сравнительно большая временная нестабильность вследствие различной формы окружных и радиальных тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи. Это связано с тем, что различная форма тензорезисторов приводит к разному временному изменению сопротивления этих тензорезисторов, в том числе вследствие различной скорости деградационных и релаксационных процессов в окружных и радиальных тензорезисторах.A disadvantage of the known manufacturing method is the relatively large temporary instability due to the different shapes of the 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 gages leads to different temporary changes in the resistance of these strain gages, including due to the different rates of degradation and relaxation processes in the circumferential and radial strain gages.
Известен способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной НиМЭМС, предназначенного для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений, заключающийся в полировании поверхности мембраны, формировании на ней диэлектрической пленки и тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними с использованием шаблона тензочувствительного слоя, имеющего конфигурацию тензоэлементов в зонах, совмещаемых с низкоомными перемычками и контактными площадками, в виде полос, включающих изображения тензоэлементов и их продолжения в два противоположных направления, а в зонах, совмещаемых с контактными площадками, - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков, присоединении выводных проводников к контактным площадкам в областях, удаленных от полос участков [2].A known method of manufacturing a strain gauge pressure sensor based on a thin-film NIMEMS, intended for use in control systems, monitoring and diagnostics of technically complex objects with long-term functioning under the influence of unsteady temperatures and high vibration accelerations, which consists in polishing the surface of the membrane, forming on it a dielectric film and strain elements with low resistance jumpers and pads between them using a strain gauge template a layer having a configuration of strain elements in zones compatible with low-resistance jumpers and contact pads, in the form of strips including images of strain elements and their continuation in two opposite directions, and in areas combined with contact pads, partially coinciding with the configuration of contact pads and remote from strip sites, connecting lead-out conductors to the contact pads in areas remote from the strip sites [2].
Недостатком известного способа изготовления является сравнительно низкая временная стабильность и большая погрешность при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений вследствие отсутствия выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС с несовершенной структурой. Отсутствие такого выявления при эксплуатации приводит к разному временному изменению сопротивлений тензоэлементов НиМЭМС, в том числе вследствие различной скорости деградационных и релаксационных процессов в тензоэлементах, включенных в разные плечи мостовой измерительной схемы. Недостаточная временная стабильность приводит к увеличению временной погрешности и уменьшению ресурса и срока службы датчика. Кроме того, несовершенство структуры НиМЭМС является причиной погрешности датчика при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений вследствие различной реакции тензоэлементов, включенных в разные плечи мостовой измерительной схемы, на вышеуказанные воздействия.A disadvantage of the known manufacturing method is the relatively low temporary stability and a large error when exposed to unsteady temperatures and increased vibration accelerations due to the lack of detection of potentially unstable NiMEMS with an imperfect structure at the early stages of manufacturing. The absence of such detection during operation leads to different temporary changes in the resistance of the NiMEMS strain elements, including due to the different rates of degradation and relaxation processes in the strain elements included in different arms of the bridge measuring circuit. Insufficient temporal stability leads to an increase in temporal error and a decrease in the resource and service life of the sensor. In addition, the imperfection of the NiMEMS structure is the cause of the sensor error under the influence of unsteady temperatures and increased vibration accelerations due to the different reactions of the strain gauges included in different arms of the bridge measuring circuit to the above effects.
Целью предлагаемого изобретения является повышение временной стабильности, ресурса, срока службы, уменьшение погрешности при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений, а также повышение технологичности прогнозирования за счет более точного и быстрого выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС с несовершенной структурой.The aim of the invention is to increase the temporal stability, resource, service life, reduce the error under the influence of unsteady temperatures and increased vibration acceleration, as well as increase the manufacturability of forecasting by more accurately and quickly identifying potentially unstable NiMEMSs with an imperfect structure at the early stages of manufacturing.
Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной НиМЭМС, заключающемся в полировании поверхности мембраны, формировании на ней диэлектрической пленки и тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними с использованием шаблона тензочувствительного слоя, имеющего конфигурацию тензоэлементов в зонах, совмещаемых с низкоомными перемычками и контактными площадками, в виде полос, включающих изображения тензоэлементов и их продолжения в два противоположных направления, а в зонах, совмещаемых с контактными площадками, - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков, присоединении выводных проводников к контактным площадкам в областях, удаленных от полос участков в соответствии с заявляемым изобретением, после присоединения выводных проводников к контактным площадкам тензоэлементов НиМЭМС включают напряжение (или ток питания) НиМЭМС и выдерживают в течение времени, необходимого для установления начального выходного сигнала до значенияThis goal is achieved by the fact that in the method of manufacturing a strain gauge pressure sensor based on a thin-film NiMEMS, which consists in polishing the surface of the membrane, forming a dielectric film and strain elements on it with low resistance jumpers and contact pads between them using a strain gauge layer template having the configuration of strain elements in the zones combined with low-resistance jumpers and contact pads, in the form of strips, including images of 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, connecting the lead conductors to the contact pads in areas remote from the strip strips in accordance with the claimed invention, after connecting the lead conductors to The contact pads of NiMEMS strain elements include the voltage (or supply current) of NiMEMS and can withstand for the time necessary to establish the initial output signal to values
где U00 - значение начального выходного сигнала НиМЭМС;where U 00 is the value of the initial output signal NIMEMS;
выключают напряжение (или ток питания) и после выдержки НиМЭМС в выключенном состоянии в течение времени, достаточного для возвращения НиМЭМС в состояние, предшествующее включению напряжения (или тока питания), включают напряжение (или ток питания) и определяют интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значенияthey turn off the voltage (or supply current) and after holding NiMEMS in the off state for a time sufficient to return NiMEMS to the state preceding the voltage (or supply current) was turned on, turn on the voltage (or supply current) and determine the time interval Δ (τ 02 ) from the moment the voltage (or supply current) is turned on until the initial output signal of the test value is reached
γ0 - основная погрешность датчика;γ 0 is the basic error of the sensor;
UH - номинальный выходной сигнал датчика, и, если интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения U02 не превышает предельно допустимого значения, которое принимается за критерий временной стабильности и определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции.U H is the nominal output signal of the sensor, and if the time interval Δ (τ 02 ) from the moment the voltage (or supply current) is turned on until the initial output signal reaches the test value, U 02 does not exceed the maximum permissible value, which is taken as a criterion of temporary stability and is determined experimentally according to statistics for a specific sensor size, this assembly is passed on to subsequent operations.
Заявляемый способ реализуется следующим образом. The inventive method is implemented as follows.
Изготавливают (например, из сплава 36НКВХБТЮ) мембрану с периферийным основанием в виде оболочки вращения 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 (к примеру, из сплава Х20Н75Ю). При формировании перемычек и контактных площадок методом фотолитографии низкомную пленку (например, из золота Зл 999,9 м), с подслоем (ванадия) наносят сплошным слоем на тензочувствительную пленку (из сплава Х20Н75Ю). Формируют перемычки и контактные площадки методом фотолитографии с использованием шаблона перемычек и контактных площадок. Формирование перемычек и контактных площадок можно проводить масочным методом. В этом случае, низкоомная пленка сплошным слоем не наносится, а напыляется через маску. Формирование тензоэлементов проводят методом фотолитографии с использованием ионно-химического травления в среде аргона и шаблона тензочувствительного слоя, имеющего конфигурацию тензоэлементов в зонах, совмещаемых с низкоомными перемычками и контактными площадками, в виде полос, включающих изображения тензоэлементов и их продолжения в два противоположных направления, а в зонах, совмещаемых с контактными площадками, - частично совпадающую с конфигурацией контактных площадок и удаленных от полос участков. После присоединения выводных проводников к контактным площадкам НиМЭМС включают напряжение (или ток питания) НиМЭМС и выдерживают в течение времени, необходимого для установления начального выходного сигнала до значенияA membrane with a peripheral base in the form of a shell of revolution is made (for example, from 36NKVKhBTY alloy) using blade cutting methods using in the last stages of electric discharge machining. The surface of the membrane is polished using electrochemical-mechanical finishing and polishing or diamond finishing and polishing. Using thin-film methods, a dielectric film in the form of a SiO - SiO 2 structure with a chromium sublayer and a strain-sensitive film (for example, from X20H75Y alloy) are successively applied in continuous layers on a planar surface of the membrane. When forming jumpers and contact pads by photolithography, a low film (for example, Zl gold 999.9 m), with a sublayer (vanadium) is applied in a continuous layer to a strain-sensitive film (from X20H75Y alloy). Jumpers and pads are formed by photolithography using a jumper template and pads. The formation of jumpers and pads can be carried out mask method. In this case, the low-resistance film is not applied in a continuous layer, but is sprayed through a mask. The formation of strain elements is carried out by the method of photolithography using ion-chemical etching in an argon medium and a template of a strain-sensitive layer having the configuration of the strain elements in zones combined 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 contact pads and sections remote from the strips. After connecting the output conductors to the NiMEMS pads, they include the voltage (or supply current) of the NiMEMS and stand for the time necessary to establish the initial output signal to the value
где U00 - значение начального выходного сигнала НиМЭМС;where U 00 is the value of the initial output signal NIMEMS;
Эта операция необходима для точного определения значения начального выходного сигнала НиМЭМС, поэтому допустимую флуктуацию целесообразно ограничить величиной (0,001…0,01)% от номинального выходного сигнала НиМЭМС. Выключают напряжение (или ток питания) и выдерживают НиМЭМС в выключенном состоянии в течение времени, достаточного для возвращения НиМЭМС в состояние, предшествующее включению напряжения (или тока питания). Включают напряжение (или ток питания) и определяют интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значенияThis operation is necessary to accurately determine the value of the initial output signal of NiMEMS; therefore, it is advisable to limit the allowable fluctuation to a value of (0.001 ... 0.01)% of the nominal output signal of NiMEMS. They turn off the voltage (or supply current) and maintain NiMEMS in the off state for a time sufficient to return NiMEMS to the state preceding the inclusion of voltage (or supply current). Turn on the voltage (or supply current) and determine the time interval Δ (τ 02 ) from the moment the voltage (or supply current) is turned on until the initial output signal of the test value is reached
γ0 - основная погрешность датчика;γ 0 is the basic error of the sensor;
UH - номинальный выходной сигнал датчика.U H - nominal output signal of the sensor.
Использование текстового значения
Для установления причинно-следственной связи заявляемых признаков и достигаемого технического эффекта рассмотрим наиболее общие элементы тонкопленочных тензорезисторов, используемые при создании НиМЭМС. Отметим наиболее общие, влияющие на временную стабильность, элементы тонкопленочных тензорезисторов, используемые при создании НиМЭМС с идентичными тензоэлементами, применяемыми при изготовлении датчиков давления для длительной эксплуатации в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений. Анализ известных решений показал, что к таким элементам можно отнести следующие тонкопленочные элементы, изображенные на фиг.1: диэлектрический 7, тензорезистивный 2, адгезионный 3, контактный 4. К элементам тонкопленочных тензорезисторов, влияющих на стабильность, необходимо отнести также и тонкопленочные проводящие элементы. На фиг.1 соотношения между толщинами тонкопленочных элементов и клины травления условно не изображены.To establish a causal relationship of the claimed features and the achieved technical effect, we consider the most common elements of thin-film strain gauges used in the creation of NiMEMS. We note the most common elements that affect the temporal stability of thin-film strain gauges used to create NiMEMS with identical strain gauges used in the manufacture of pressure sensors for long-term operation under conditions of unsteady temperatures and increased vibration accelerations. An analysis of the known solutions showed that the following thin-film elements shown in Fig. 1 can be attributed to such elements: dielectric 7,
Проводящие элементы тензорезисторов соединены последовательно с контактными элементами и используются для соединения тензорезисторов в мостовую измерительную схему и со схемой питания и преобразования сигнала. С точки зрения повышения стабильности мы будем рассматривать только проводящие элементы, находящиеся в областях от контактных элементов до узлов мостовой измерительной схемы. Как правило, эти узлы совпадают с местами присоединения выводных проводников, соединяющих мостовую схему со схемой питания и преобразования сигнала. При выполнении НиМЭМС в виде мостовой измерительной схемы с четырьмя рабочими тензорезисторами, как это изображено на фиг.2, в стационарном температурном режиме можно записать выходной сигнал НиМЭМС в видеThe conductive elements of the strain gages are connected in series with the contact elements and are used to connect the strain gages to the bridge measuring circuit and to the power supply and signal conversion circuit. From the point of view of increasing stability, we will consider only conductive elements located in areas from contact elements to nodes of a bridge measuring circuit. As a rule, these nodes coincide with the connection points of the output conductors connecting the bridge circuit to the power supply and signal conversion circuit. When performing NiMEMS in the form of a bridge measuring circuit with four working strain gages, as shown in figure 2, in a stationary temperature mode, you can record the output signal NiMEMS in the form
где E - напряжение питания мостовой измерительной схемы;where E is the supply voltage of the bridge measuring circuit;
R1, R2, R3, R4 - сопротивление тензорезисторов R1, R2, R3, R4.R 1 , R 2 , R 3 , R 4 - resistance of the strain gages R1, R2, R3, R4.
Определим условие временной стабильности НиМЭМС в видеWe define the condition of temporary stability of NiMEMS in the form
где
После подстановки в выражение (2) выражения (1) и обеспечения необходимой временной стабильности источника питания
Анализ полученного условия (3) показывает, что его можно обеспечить при бесчисленном множестве сочетаний сопротивлений тензорезисторов и их функциональных зависимостей от времени. В то же время, любые сочетания в случае неравенства сопротивлений различных тензорезисторов мостовой схемы НиМЭМС потребуют для выполнения условий стабильности различных, взаимосвязанных и точных функциональных зависимостей сопротивлений тензорезисторов от времени. Аналогично любые сочетания в случае различия функциональных зависимостей тензорезисторов от времени потребуют для выполнения условий стабильности различных и взаимосвязанных сопротивлений тензорезисторов их функциональных зависимостей от времени. Учитывая, что такие функциональные зависимости очень трудно реализуемы, с точки зрения практической реализуемости оптимальным являются частные условия стабильности в виде равенства сопротивлений тензорезисторов в начальный момент времени и одинаковые функциональные зависимости этих сопротивлений от времени, то естьAn analysis of the obtained condition (3) shows that it can be provided with countless combinations of resistance of strain gauges and their functional time dependences. At the same time, any combinations in the case of inequality of the resistances of different strain gages of the NiMEMS bridge circuit will require, in order to fulfill the stability conditions, various, interconnected and accurate functional time dependences of the resistance of the strain gages. Similarly, any combinations in case of differences in the functional dependences of the strain gages on time will require, for the stability conditions to be met, the various and interconnected resistances of the strain gages to be dependent on their functional time dependences. Given that such functional dependences are very difficult to implement, from the point of view of practical feasibility, the particular stability conditions in the form of equality of the resistance of the strain gauges at the initial time and the same functional dependence of these resistance on time are optimal, i.e.
где
В случае выполнения тензорезисторов в виде некоторого количества N равномерно распределенных идентичных тензоэлементов, соединенных низкоомными перемычками в результате анализа взаимосвязи тонкопленочных элементов тензорезистора (фиг.1) можно определить сопротивление j-го тонкопленочного тензорезистора в момент времени
7=1, 2, 3, 4- номер тензорезистора в мостовой схеме;7 = 1, 2, 3, 4 - the number of the strain gauge in the bridge circuit;
i=1…N - номер тензоэлемента в тензорезисторе.i = 1 ... N is the number of the strain gauge in the strain gauge.
В самом общем случае сопротивление каждого элемента тонкопленочного тензорезистора определяется удельным поверхностным сопротивлением, длиной и шириной элемента или перехода. Теоретические и экспериментальные исследования долговременного влияния внешних воздействующих факторов на НиМЭМС (в идеальном случае при отсутствии дефектов) показали, что в наибольшей степени на параметры, определяющие сопротивление тензорезисторов, влияют деформации, температуры и время. В соответствии с выражениями (7), (8) представим математические модели сопротивлений тонкопленочных тензорезисторов в виде следующих выражений:In the most general case, the resistance of each element of a thin-film strain gauge is determined by the specific surface resistance, length and width of the element or transition. Theoretical and experimental studies of the long-term influence of external factors on NiMEMS (ideally in the absence of defects) have shown that, to the greatest extent, the parameters determining the resistance of strain gages are affected by deformations, temperatures and time. In accordance with expressions (7), (8), we present mathematical models of resistances of thin-film strain gauges in the form of the following expressions:
где
Тогда расширенные частные условия стабильности НиМЭМС можно представить в видеThen the extended particular conditions for the stability of NiMEMS can be represented as
Полученные расширенные частные условия стабильности (11) и (12) могут выполняться при бесчисленном множестве сочетаний сопротивлений элементов тензорезисторов и их функциональных зависимостей от деформаций, температуры и времени. По аналогии с предыдущими рассуждениями любые сочетания в случае неравенства сопротивлений элементов тензорезисторов мостовой схемы НиМЭМС и неидентичности их функциональных зависимостей от воздействующих факторов потребуют для выполнения расширенных частных условий стабильности различных, взаимосвязанных и точных функциональных зависимостей сопротивлений тензорезисторов. Учитывая, что такие функциональные зависимости очень трудно реализуемы, можно записать частные условия стабильности НиМЭМС в видеThe obtained extended particular stability conditions (11) and (12) can be satisfied for countless combinations of resistances of strain gauge elements and their functional dependences on deformations, temperature, and time. By analogy with the previous arguments, any combinations in the case of inequality of the resistances of the elements of the strain gauges of the NiMEMS bridge circuit and the identity of their functional dependences on the influencing factors will require different, interconnected and accurate functional dependencies of the resistance of the strain gauges to fulfill the extended particular stability conditions. Given that such functional dependencies are very difficult to implement, we can write the particular conditions for stability of NiMEMS in the form
Анализ соотношения (13) показывает, что предлагаемый критерий временной стабильности в виде интервала времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения U02 соответствует частным условиям стабильности (13), так как только при идентичности структур тонкопленочных тензорезисторов, размеров и характеристик их элементов и переходов, включенных в различные плечи мостовой цепи НиМЭМС, т.е. при выполнении условий стабильности обеспечивается минимум интервала времени Δ(τ02). Кроме того, только при идентичности структур тонкопленочных тензорезисторов, размеров и характеристик их элементов и переходов, включенных в различные плечи мостовой цепи НиМЭМС обеспечивается минимизация погрешности при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений. Поэтому предлагаемый критерий стабильности обеспечивает пропуск на дальнейшую сборку НиМЭМС с минимизированной погрешностью при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений. Преимуществом предлагаемого критерия является также повышение технологичности прогнозирования вследствие уменьшения времени прогнозирования и отсутствия при предлагаемом способе непосредственного контакта с НиМЭМС и негативного влияния на нее окружающей среды и персонала вследствие возможности проведения работ в условиях, удовлетворяющих требованиям нано- и микроэлектронного производства. Внедрение заявляемого способа в производство тензорезисторных датчиков давления на основе тонкопленочных НиМЭМС обеспечивает повышение временной стабильности при воздействии влияющих факторов при сравнительно небольших затратах, что позволяет соответственно увеличить ресурс и срок службы датчиков.An analysis of relation (13) shows that the proposed criterion of temporal stability in the form of a time interval Δ (τ 02 ) from the moment the voltage (or supply current) is turned on until the initial output signal of the test value U 02 reaches the particular stability conditions (13), since only with the identity of the structures of thin-film strain gauges, the sizes and characteristics of their elements and transitions included in various shoulders of the NiMEMS bridge circuit, i.e. when the stability conditions are met, a minimum of the time interval Δ (τ 02 ) is provided. In addition, only with the identity of the structures of thin-film strain gauges, the sizes and characteristics of their elements and junctions included in different shoulders of the NiMEMS bridge circuit, the error can be minimized under the influence of unsteady temperatures and increased vibration accelerations. Therefore, the proposed stability criterion provides a pass to the further assembly of NiMEMS with minimized error under the influence of unsteady temperatures and increased vibration accelerations. An advantage of the proposed criterion is also an increase in the technological effectiveness of forecasting due to a decrease in forecasting time and the absence of direct contact with NiMEMS and the negative impact of the environment and personnel on it due to the possibility of carrying out work in conditions meeting the requirements of nano- and microelectronic production. The implementation of the proposed method in the production of strain gauge pressure sensors based on thin-film NiMEMS provides increased temporary stability when exposed to influencing factors at relatively low cost, which allows to accordingly increase the life and service life of the sensors.
Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение временной стабильности, ресурса, срока службы, уменьшение погрешности при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений, а также повышение технологичности прогнозирования за счет более точного и быстрого выявления на ранних стадиях изготовления потенциально нестабильных НиМЭМС с несовершенной структурой с учетом влияния всех элементов мостовой измерительной цепи НиМЭМС, используемых для соединения тензорезисторов в мостовую измерительную цепь и с цепью питания и преобразования выходного сигнала.Thus, the technical result of the present invention is to increase the temporal stability, resource, service life, reduce the error under the influence of unsteady temperatures and increased vibration acceleration, as well as increase the technological effectiveness of forecasting due to more accurate and quick identification at the early stages of manufacturing potentially unstable NIMEMS with an imperfect structure with taking into account the influence of all elements of the NiMEMS bridge measuring circuit used to connect the strain gauges to the bridge KSR Control circuit and a supply circuit and converting the output signal.
Источники информацииInformation sources
1. RU патент №2095772, C1, G01L 9/04. Датчик давления и способ его изготовления. Опубл.: 10.11.1997 г. БИ №6.1. RU patent No. 2095772, C1, G01L 9/04. Pressure sensor and method of its manufacture. Publ.: November 10, 1997 BI No. 6.
2. RU патент №2423678, C1, G01L 9/00. Способ изготовления тонкопленочного датчика давления. Опубл.: 10.07.2011 г. БИ №19.2. RU patent No. 2423678, C1, G01L 9/00. A method of manufacturing a thin film pressure sensor. Published: 07/10/2011, BI No. 19.
Claims (1)
где U00 - значение начального выходного сигнала НиМЭМС;
выключают напряжение (или ток питания) и после выдержки НиМЭМС в выключенном состоянии в течение времени, достаточного для возвращения НиМЭМС в состояние, предшествующее включению напряжения (или тока питания), включают напряжение (или ток питания) и определяют интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения
γ0 - основная погрешность датчика;
UH - номинальный выходной сигнал датчика,
и, если интервал времени Δ(τ02) от момента включения напряжения (или тока питания) до достижения начального выходного сигнала тестового значения U02 не превышает предельно допустимого значения, которое принимается за критерий временной стабильности и определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции. A method of manufacturing a strain gauge pressure sensor based on a thin-film nano- and microelectromechanical system (NiMEMS), which consists in polishing the surface of the membrane, forming a dielectric film and strain gauges on it with low resistance jumpers and contact pads between them using a strain gauge layer pattern having the configuration of the strain gauges in the zones combined with low-resistance jumpers and contact pads, in the form of strips including images of 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, connecting the lead conductors to the contact pads in areas remote from the strip strips, characterized in that after connecting the lead conductors to contact pads of NiMEMS strain elements include the voltage (or supply current) of NiMEMS and can withstand for the time necessary to establish the initial output signal to
where U 00 is the value of the initial output signal NIMEMS;
they turn off the voltage (or supply current) and after holding NiMEMS in the off state for a time sufficient to return NiMEMS to the state preceding the voltage (or supply current) was turned on, turn on the voltage (or supply current) and determine the time interval Δ (τ 02 ) from the moment the voltage (or supply current) is turned on until the initial output signal of the test value is reached
γ 0 is the basic error of the sensor;
U H is the nominal output signal of the sensor,
and if the time interval Δ (τ 02 ) from the moment the voltage (or supply current) is turned on until the initial output signal reaches the test value U 02 does not exceed the maximum permissible value, which is taken as a criterion of temporary stability and is determined experimentally from statistics for a specific size sensor, then this assembly is passed on to subsequent operations.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013121644/28A RU2528541C1 (en) | 2013-05-08 | 2013-05-08 | Method of pressure resistive tensor transducer built around thin-film nano- and microelectromechanical system (mamos) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013121644/28A RU2528541C1 (en) | 2013-05-08 | 2013-05-08 | Method of pressure resistive tensor transducer built around thin-film nano- and microelectromechanical system (mamos) |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2528541C1 true RU2528541C1 (en) | 2014-09-20 |
Family
ID=51582979
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013121644/28A RU2528541C1 (en) | 2013-05-08 | 2013-05-08 | Method of pressure resistive tensor transducer built around thin-film nano- and microelectromechanical system (mamos) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2528541C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7559247B2 (en) * | 2006-07-14 | 2009-07-14 | Denso Corporation | Pressure sensor with reduced size strain gauge mounting structure and manufacturing method of the same |
WO2011010571A1 (en) * | 2009-07-24 | 2011-01-27 | ローム株式会社 | Semiconductor pressure sensor, pressure sensor device, electronic apparatus, and method for manufacturing semiconductor pressure sensor |
RU2423678C1 (en) * | 2010-02-01 | 2011-07-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method of making thin-film pressure sensor |
RU2442115C1 (en) * | 2010-10-21 | 2012-02-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method of producing a thin-film pressure strain gauge |
-
2013
- 2013-05-08 RU RU2013121644/28A patent/RU2528541C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7559247B2 (en) * | 2006-07-14 | 2009-07-14 | Denso Corporation | Pressure sensor with reduced size strain gauge mounting structure and manufacturing method of the same |
WO2011010571A1 (en) * | 2009-07-24 | 2011-01-27 | ローム株式会社 | Semiconductor pressure sensor, pressure sensor device, electronic apparatus, and method for manufacturing semiconductor pressure sensor |
RU2423678C1 (en) * | 2010-02-01 | 2011-07-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method of making thin-film pressure sensor |
RU2442115C1 (en) * | 2010-10-21 | 2012-02-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Method of producing a thin-film pressure strain gauge |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2498249C1 (en) | Manufacturing method of resistive strain-gauge pressure sensor based on thin-film nano- and microelectromechanical system | |
RU2423678C1 (en) | Method of making thin-film pressure sensor | |
Matsuzaki et al. | Rubber-based strain sensor fabricated using photolithography for intelligent tires | |
US10067019B2 (en) | Force and torque sensor having redundant instrumentation and operative to detect faults | |
RU2487328C1 (en) | Method to manufacture highly stable pressure sensor based on thin-film nano- and microelectromechanical system | |
CN102368086B (en) | Wheatstone bridge compensation resistance test method | |
RU2442115C1 (en) | Method of producing a thin-film pressure strain gauge | |
RU2512142C1 (en) | Method to manufacture strain-gauge resistor sensor of pressure based on thin-film nano- and microelectromechanical system | |
CN106840481A (en) | The resistance strain gage force measuring method and system of a kind of adaptive measuring | |
CN117020244B (en) | Processing state monitoring method and device, electronic equipment and storage medium | |
RU2528541C1 (en) | Method of pressure resistive tensor transducer built around thin-film nano- and microelectromechanical system (mamos) | |
RU2505791C1 (en) | Method of making pressure strain gage on basis of thin-film nano-and micro electromechanical system | |
US10060806B2 (en) | Multi-axis piezoelectric stress-sensing device, multi-axis piezoelectric stress-sensing device polarization method, and piezoelectric sensing detection system thereof | |
CN212725252U (en) | Wheatstone resistance bridge trimming device of AMR anisotropic magnetoresistive sensor | |
JP2003042861A (en) | Solid type strain sensor | |
CN111721486A (en) | Damage identification method for continuous beams with constant cross section based on the difference of the curvature of the influence line of the support reaction force | |
RU2522770C1 (en) | Method of making pressure strain gage on basis of thin-film nano-and microelectromechanical system (nmems) | |
RU2545314C1 (en) | Method to manufacture strain gauge pressure sensor based on thin-film nano- and microelectromechanical system | |
RU2488082C1 (en) | Method to manufacture pressure sensor based on thin-film nano- and microelectromechanical system | |
US3064221A (en) | Force gages using strain-sensing wire elements and methods of making force gages | |
CN103162877A (en) | Method of testing bolt load | |
CN100478646C (en) | Online measuring structure of residual strain of polysilicon film and testing method | |
CN103728065A (en) | SOI structure pressure sensor | |
CN115533467A (en) | Strain beam manufacturing method and pressure sensor | |
Gabbi et al. | Practical Approach Design Piezoresistive Pressure Sensor in Circular Diaphragm |