Содержание к диссертации
стр.
Перечень сокращений 5
Введение 6
Глава 1. Актуальность разработки кремниевых чувствительных
элементов давления,с повышенной стойкостью к перегрузкам 14
1.1 Способы-преобразования сигнала 14
Преобразование сигнала изменением ёмкости 14
Вибрационно-частотный способ преобразования 16
Преобразование сигнала изменением сопротивления 18
Конструкции и технологические методы изготовления ЧЭ 20
Способы выполнения защиты первичных преобразователей
от разрушения при перегрузках 23
1.4 Конструктивно-технологические решения датчиков
для измерения малых давлений 27
Способы математического описания погрешности нелинейности выходного сигнала тензопреобразователей 29
Методы микрообработки кремния 30
Жидкостное анизотропное травление 31
Качество вытравливаемого рельефа 34
Электромеханический ограничитель травления 35
1.7 Компенсация растравливания выпуклых углов 36
1.8 Выводы к первой главе 40
Глава 2. Разработка конструкции и технологии изготовления
чувствительного элемента давления со встроенной защитой от перегрузок 42
Введение 42
Исследование нагрузочной способности макета тензомодуля 42
Разработка чувствительного элемента с защитой от перегрузок 45
Технология формирования стопорного углубления 48
2.4.1 Формирование стопорного углубления за счёт стеклянного
основания 48
стр.
Формирование стопорного углубления за счёт кремниевого кристалла 51
Технологические приёмы для устранения взаимодействия поверхностей жёсткого центра и основания в процессе электростатического соединения 56
2.5 Исследование характеристик тензомодулей с защитой от перегрузок 60
Методика проведения экспериментов 60
Исследование тензомодулей при комнатной температуре 63
Исследование работоспособности тензомодулей
при повышенных и пониженных температурах 68
2.6 Моделирование нагрузочной способности чувствительных элементов 72
Методы моделирования 72
Результаты моделирования нагрузочной способности ЧЭ 73
Методика расчёта величины стопорного углубления 76
Анализ возможных технологических отказов в работе ЧЭ с защитой
от перегрузок и способы устранения вызывающих их причин 81
2.9 Выводы ко второй главе 86
Глава 3. Исследование причин возникновения нелинейности
преобразовательной характеристики чувствительного элемента 87
Оценка чувствительности первичного тензопреобразователя 87
Теоретический расчёт нелинейности преобразовательной характеристики ЧЭ 90
Исследование линейности преобразовательных характеристик опытных образцов ЧЭ 93
Моделирование преобразовательной характеристики ЧЭ 96
Исследование возможности создания ЧЭ для измерения давлений, существенно превышающих номинальное 99
Выводы к третьей главе 101
стр.
Глава 4. Разработка чувствительного элемента для измерения малых
давлений (менее 6,3 кПа) 103
Введение 103
Разработка ЧЭ для измерения малых давлений 104
Исследование характеристик ЧЭ на малые давления 108
Исследование точностных характеристик датчиков
на малые давления 111
4.5 Выводы к четвёртой главе 115
Глава 5. Разработка методики выбора формы и назначения размеров
фигур компенсации при анизотропном травлении кремния 116
Введение 116
Методика проведения эксперимента и обработки результатов 117
Результаты экспериментов 121
Квадратный компенсатор 125
Диагональный компенсатор 129
Компенсатор в форме полоски 135
Комбинированный компенсатор 140
Назначение размеров мембраны 144
Выводы к пятой главе 146
Общие выводы по работе 147
Список литературы 149
5 Перечень сокращений
АСУ — автоматизированная система управления
AT - анизотропное травление
ВПИ - верхний предел измерения
ДАД - датчик абсолютного давления
ДИД - датчик избыточного давления
ДРД - датчик разности давлений
ЖЦ - жёсткий центр
ИПС - изопропиловый спирт
КНК — кремний на кремнии
КНС - кремний на сапфире
МКЭ - метод конечных элементов
МОП - металл - оксид - полупроводник
ПИ - периодические испытания
ПСИ - приемо-сдаточные испытания
ПХТ — плазмохимическое травление
РЭ - руководство по эксплуатации
ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения
ТП - технологический процесс
ТУ - технические условия
ЧЭ - чувствительный элемент
ХДП — химико-динамическое полирование
ЭДС — электродвижущая сила
Введение к работе
Актуальность проблемы. Давление входит в качестве одной из переменных величин в описание явлений, связанных с поведением жидких или газообразных сред. Почти 70 % всех измерений, выполняемых в науке, промышленности и сельском хозяйстве, связаны с измерениями давления, расхода, количества'и уровня, веществ. Это-основные рабочие параметры, точность и надёжность измерения которых лежит в основе учёта и планирования продукции; определяет ценность результатов исследований, качество и оптимальные режимы проведения технологических процессов [1-3].
Первичным звеном систем контроля и управления, поставляющим данные о давлении сжатого воздуха, газа, пара, масла или других жидкостей, являются датчики давления. Они используются в нефтяной и газовой промышленности для измерения гидростатического1 напора и> распределения давлений в скважинах, нефте- и газопроводах, на'перерабатывающих заводах; в атомных энергетических установках для измерения и контроля параметров жидкометаллического теплоносителя и основных технологических процессов; в химической, пищевой и бумажной промышленности; в судо-и станкостроении, ракетной технике, авиации, транспорте, медицине, биофизике, термо- и аэродинамике, акустике, гидромеханике, геофизике и т.д.
Можно констатировать, что одна лишь энергетика поглощает большую часть выпускаемых промышленностью датчиков давления. Энергетические возможности тепло-, гидро- и атомных электростанций определяются давлением пара или воды на лопасти турбин, под действием давления по каналам и трубопроводам на тысячи километров транспортируются вода, нефть и газ. Установки^ поставляющие механическую, тепловую или электрическую энергию, нуждаются в пристальном непрерывном наблюдении за давлением, чтобы оно находилось в заданных пределах, ибо его превышение может повлечь за собой повреждение стенок сосудов и трубопроводов, не говоря уже о риске, связанном с разрывом стенок, и авариях.
Широкий спектр потребностей - каждый датчик должен наилучшим образом соответствовать поставленной задаче - привёл к большому разнообразию применяемых датчиков. Понятие "давление" охватывает очень протяжённую область значений от глубокого вакуума до сверхвысоких давлений, оно может выражаться в абсолютных (по отношению к вакууму) или в относительных (по отношению к атмосферному давлению) величинах или представлять собой разность двух произвольных величин — двух разных давлений. Наконец, измерение давления может относиться к различным средам, физические (например, температура) или химические (например, опасность коррозии) характеристики которых весьма разнообразны.
Автоматизация технологических процессов (ТП) и широкое применение микропроцессоров в различных областях промышленности обусловлены переходом от относительно простых локальных к сложным многосвязным системам, осуществляющим непрерывный или непрерывно-дискретный контроль и регулирование. Точность, эксплуатационная и метрологическая надёжность АСУ ТП во многом определяется качеством датчиков, среди которых наиболее распространёнными являются датчики давления с электрическим выходным^ сигналом, совместимые с микроэлектронными системами контроля и управления. К таким датчикам предъявляются жёсткие требования: высокая точность, долговременная стабильность, миниатюрность, механическая прочность, надёжность, возможность сопряжения с микроэлектронными преобразователями сигналов, большинство из которых определяется параметрами первичного преобразователя давления — сердца датчика [4]. В наибольшей степени эти показатели характерны для кремниевых чувствительных элементов (ЧЭ), создаваемых на основе технологии микроэлектроники. При изготовлении ЧЭ из монокристаллического кремния удаётся получить уникальные параметры изделий. В их число входят конструктивная и технологическая простота, малые габариты и масса, высокая прочность, идеальная упругая характеристика, большой срок службы, стабильность электрофизических характеристик в течение длительного времени, высокие пьезорезистивные свойства кремния, превышающие по чувствительности остальные материалы более чем в 20 раз.
8 Большой вклад в развитие теории и технологии полупроводниковых преобразователей давления внесён российскими учёными Осадчим Е.П., Чистяковым Ю.Д., Вагановым В.И., Олеском А.С., Гридчиным В.А., Стучебнико-
*
вым В.М., Чаплыгиным Ю.А., Лучининым В.В., Мальцевым П.П. и другими.
Несмотря на большое количество работ, посвященных исследованиям первичных преобразователей давления, ряд вопросов остаётся невыясненным. Это, прежде всего, касается разработки технологий защиты чувствительных элементов от разрушения при воздействии перегрузок; выявления конструктивно-технологических факторов, влияющих на их нагрузочную способность и метрологические характеристики; исследования способов увеличения чувствительности первичных тензопреобразователей при измерении малых давлений. Не до конца изучены технологические вопросы формирования кремниевых мембран с концентраторами напряжений для создания приборного ряда преобразователей. Известные методы угловой компенсации не позволяют получать сверхтонкие мембраны с прямоугольной конфигурацией жёсткого центра (ЖЦ). Поэтому выбранная тема диссертационной работы является актуальной.
Целью работы является разработка, теоретическое и экспериментальное обоснование конструктивно-технологических методов производства параметрического ряда кремниевых чувствительных элементов давления с повышенной стойкостью к перегрузкам.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.
Исследовать конструктивные и технологические факторы, влияющие на нагрузочную способность кремниевых мембран.
Разработать научные основы проектирования и изготовления чувствительных элементов давления со встроенной защитой от разрушения при воздействии перегрузок.
Исследовать технологические причины возникновения нелинейности преобразовательной характеристики чувствительного элемента и выявить пути их устранения.
Исследовать и реализовать конструктивно-технологические способы повышения чувствительности первичных преобразователей для измерения малых давлений.
Разработать технологические приёмы и методику защиты внешних углов концентраторов напряжений при изготовлении кремниевых мембран в широком диапазоне толщин.
Методы исследований. Теоретические исследования проводились на основе теории пьезорезистивного эффекта в полупроводниках, сопротивления материалов, математического анализа. Экспериментальные исследования осуществлялись на специализированных стендах- с использованием прецизионных средств измерения, обработка результатов велась с помощью теории-вероятностей и математической статистики.
В ходе исследований. применялись расчёты напряжённо-деформированного состояния'кремниевых кристаллов, с использованием современных компьютерных программных пакетов. Регистрация процесса анизотропного травления осуществлялась с применением современной цифровой фототехники.
Научная новизна
Установлена взаимосвязь нагрузочной способности мембраны чувствительного элемента с величиной стопорного углубления, позволяющая рассчитать его номинальный размер и назначить технологические допуски на него.
Аналитически установлено и экспериментально на модели и натурных образцах ЧЭ подтверждено, что технологический подтрав жёсткого центра приводит к асимметрии чувствительности тензорезисто-ров и является основной причиной нелинейности1 преобразовательной характеристики тензопреобразователей.
Разработана методика многоступенчатой защиты внешних углов концентраторов напряжений, позволяющая изготавливать кремниевые мембраны в широком диапазоне отношений ширины их рабочей области к толщине.
10 Практическая ценность работы
Разработаны конструктивно-технологические методы производства кремниевых чувствительных элементов со встроенной защитой от разрушения при перегрузках на давления от сотен паскалей до десятков и сотен мегапаскалей.
Получены зависимости, позволяющие минимизировать нелинейность преобразовательной характеристики тензопреобразователя на этапах проектирования и разработки технологии его изготовления.
Разработаны и практически реализованы методика и технология многоступенчатой защиты внешних углов при анизотропном травлении кремния на глубину до 450 мкм и более.
Реализация результатов. Результаты, полученные в данной работе, использованы при разработке приборного ряда датчиков давления нового поколения во ФГУП ВНИИА им. Н.Л. Духова (г. Москва). Получен акт о внедрении.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
Технология изготовления и методика проектирования параметрического ряда кремниевых чувствительных элементов давления с повышенной стойкостью к перегрузкам.
Конструктивно-технологические методы производства тензопреоб-разователей для измерения давлений в диапазонах, в десятки раз превышающих номинальный.
Методика расчёта нелинейности преобразовательной характеристики ЧЭ, позволяющая минимизировать погрешность нелинейности на стадиях проектирования первичного тензопреобразователя и разработки технологии его изготовления.
Методика и технология многоступенчатой защиты внешних углов концентраторов напряжений для производства кремниевых мембран в широком диапазоне отношений ширины их рабочей области к толщине.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры МТ-11 "Электронные технологии в машиностроении" МГТУ им. Н.Э. Баумана, на научно-технической конференции молодых учёных "ВНИИА 2006" (ВНИИА им. Н.Л. Духова, г.Москва, октябрь 2006), на 5-й и 6-й научно-технических конференциях "Молодёжь в науке" (РФЯЦ ВНИИЭФ, г. Саров, ноябрь 2006, ноябрь 2007).
Личный вклад автора. Результаты,.изложенные в диссертации, получены лично автором, а также совместно с сотрудниками ФГУП ВНИИА им. Н.Л. Духова. Участие в работе каждого сотрудника отражено в> совместных публикациях и в научно-исследовательских отчётах. Совместно с научным руководителем Рябовым В.Т. был определён план работы, разработаны основные теоретические положения III главы, обсуждались результаты исследований. Личный вклад автора включает разработку топологий чувствительных элементов; выпуск комплекта конструкторской документации* на тензомодули; авторский надзор за изготовлением кристаллов; сборку опытных образцов тензомодулей; планирование, подготовку и проведение экспериментальных исследований; моделирование характеристик тензо-преобразователей; интерпретацию полученных результатов. Идея разработки чувствительного элемента с защитой от перегрузок принадлежит Тинякову Ю.Н., являвшемуся в 2004-2007 г.г. начальником научно-исследовательского отдела по разработке датчиков и сигнализаторов давления ФГУП ВНИИА им. Н.Л. Духова.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 10 работах.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов по работе, библиографического списка использованной литературы из 124 наименований и изложена на 160 страницах машинописного текста, включает 47 рисунков и 15 таблиц.
В первой главе проанализированы данные из литературных и патентных источников, касающиеся вопросов разработки и технологии изготовления первичных преобразователей давления, в том числе способов их защиты от перегрузок и измерения малых давлений. Показано, что до конца не решена задача расчёта нелинейности и не исследовано влияние различных конструктивных и технологических факторов на метрологические и прочностные характеристики тензопреобразователей. Дан обзор технологий анизотропного травления и методов защиты выпуклых углов для-получения кремниевых мембран различной конфигурации и толщины. Выявлено, что накопленные к настоящему времени данные не позволяют получать сверхтонкие мембраны с прямоугольной конфигурацией жёсткого центра.
Вторая глава посвящена исследованию нагрузочной способности кремниевых мембран и проектированию чувствительных элементов с повышенной стойкостью к перегрузкам. Разработаны технологические методы изготовления и методика проектирования таких ЧЭ, позволяющая задавшись давлением срабатывания защиты и размерами мембраны рассчитать величину стопорного углубления и назначить технологические допуска на него. Экспериментальным путём и с помощью компьютерного моделирования исследовано влияние конфигурации мембраны на её нагрузочную способность. Даны рекомендации по выбору оптимальной величины стопорного углубления для получения наилучшего сочетания параметров чувствительного элемента и обеспечения его безотказной работы в выбранном рабочем интервале давлений и температур.
В третьей главе получены аналитические зависимости для расчёта нелинейности на основе данных о чувствительности тензорезисторов. Установлено, что основной причиной нелинейности тензопреобразователей с жёстким центром является технологический подтрав ЖЦ, вызывающий различия чувствительности резисторов в плечах тензомоста. Показано, что кристаллы с жёстким центром могут быть использованы для измерения давлений, существенно превышающих номинальное. Исследования, проведённые во 2 и 3
