Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор и анализ методов и средств диагностики датчиков, измерительных систем и изделий 12
1.1. Общие вопросы и задачи функциональной диагностики датчиков и измерительных систем 12
1.2. Объекты диагностики 13
1.3. Контролепригодность чувствительных элементов, измерительных моделей и датчиков физических величин 20
1.4. Обзор и анализ существующих методов и устройств контроля, диагностики и испытания датчиков и их элементов 25
2 Диагностика и контроль механических напряжений, температуры и вибраций в чувствительных элементах и измерительных модулях датчиков 29
2.1. Механические напряжения в сенсорных элементах и структурах датчиков, модели, методы и средства диагностики 29
2.2. Исследование методов и средств контроля механических напряжений в чувствительных элементах и измерительных модулях датчиков статико-динамических давлений 37
2.3 Пьезорезистивные эффекты в активных структурах и их использование для контроля и диагностики чувствительных элементов и измерительных модулей 52
2.4. Емкостный метод диагностики и контроля механических напряжений в чувствительных элементах и измерительных модулях 57
2.5 Методы преобразования и контроля тепловых параметров 59
2.6. Физические эффекты в пьезоэлектрических материалах и структурах и их использование для контроля и диагностики датчиков 69
2.7. Исследование методов и средств измерения вибраций и применение их для контроля и диагностики чувствительных элементов и измерительных модулей 74
2.8. Методы и программы анализа тестовых сигналов и воздействий на чувствительные элементы и измерительные модули пьезоэлектрических датчиков 77
3 Диагностика технологий формирования элементов и структур чувствительных элементов и измерительных модулей датчиков статико-динамических давлений 91
3.1. Контроль и диагностика технологических процессов изготовления элементов и структур датчиков 91
3.2. Контроль и диагностика специальных технологических операций изготовления чувствительных элементов и измерительных модулей ... 95
3.3. Технологии формирования и контроля электроадгезионного соединения полупроводников и изоляторов в микромеханических узлах и измерительных модулях датчиков 110
4 Внедрение технологий, методик и устройств функциональной диагностики чувствительных элементов, измерительных модулей и датчиков статико-динамических давлений 118
4.1. Усовершенствование методов неразрушающего контроля и диагностики чувствительных элементов и измерительных модулей датчиков 118
4.2. Организация технологии контроля и диагностики чувствительных элементов и измерительных модулей 125
4.3. Особенности диагностики полупроводниковых чувствительных элементов и измерительных модулей многофункциональных датчиков 135
4.4. Разработка методов уменьшения объема контроля чувствительных элементов и измерительных модулей 142
4.5. Организация технологии сквозной диагностики системы «чувствительный элемент-измерительный модуль-датчик» 146
4.6 Усовершенствование средств контроля и диагностики датчиков 152
Основные результаты и выводы 156
Перечень сокращений 158
Библиографический список 159
Приложение 172
- Контролепригодность чувствительных элементов, измерительных моделей и датчиков физических величин
- Исследование методов и средств контроля механических напряжений в чувствительных элементах и измерительных модулях датчиков статико-динамических давлений
- Контроль и диагностика специальных технологических операций изготовления чувствительных элементов и измерительных модулей
- Организация технологии контроля и диагностики чувствительных элементов и измерительных модулей
Введение к работе
Актуальность работы. Важнейшим ключевым элементом систем контроля, диагностики и автоматического управления являются датчики физических величин (ДФВ), воспринимающие информацию о состоянии параметров контролируемого объекта и формирующие измерительные сигналы в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования и обработки. Сердцевиной любого датчика, определяющего его основные технические характеристики, является чувствительный элемент (ЧЭ), конструктивно выполненный или в виде отдельного кристалла, пьезопластины, балки и проч., или в виде конструктивно законченного измерительного модуля (ИМ).
Анализ задач измерений динамических давлений в ракетно-космической (РКТ) и авиационной технике показал, что датчиковая и преобразующая аппаратура (ДПА), применяемая для этих целей, подвергается наиболее сосредоточенному и комплексному воздействию внешних дестабилизирующих факторов (ВДФ), таких как: перепады давлений, вибрации и удары, резкие перепады температур, агрессивные среды.
Непрерывное усложнение создаваемых аппаратов и объектов для длительных орбитальных полетов, высокая насыщенность их системами диагностики, управления и контроля, а также повышение их срока активного функционирования, требуют дальнейшего совершенствования и создания нового поколения ДПА, содержащей в своем составе элементы самодиагностики и искусственного интеллекта.
В перечень критических технологий по наиболее важным проблемам РКТ, внесены ряд задач, при решении которых будут использоваться системы диагностики и контроля в которые входят соответствующие датчики: - оперативный контроль внешних условий полета космических аппаратов и идентификация аварийных и катастрофических ситуаций на борту космических аппаратов; -регистрация и диагностика ударов техногенных и метеороидных частиц на международной космической станции и космических аппаратах;
В области диагностики датчиков физических величин необходимо отметить работы отечественных и зарубежных ученых, внесших значительный вклад в диагностику: Йориш Ю.И, Клюев Ю. Н., Мокров Е.А., Панич А.Е, Распопов В.Я., Михайлов П.Г., Eller Е.Е., Н. Jaffe, и ряд других. В направлении совершенствования функциональной диагностики и создания новых устройств, материалов и технологий работают такие научные школы и организации, как ОАО «НИИФИ», Южный федеральный университет, ОКБ «Пьезоприбор» (г. Ростов на Дону), НПО «Измерительная техника» (г. Королев), Тульский государственный университет, ОАО «НИИФИ» (г. Пенза), «ЭЛЛА» (г. Зеленоград).
Следует отметить, что датчики статико-динамических давлений (ДСДД) являются универсальными, широко распространенными в РКТ датчиками, так как используются для измерения давлений в широком диапазоне частот, и давлений [31, 32, 71, 72]. При этом ДСДД являются наиболее сложными диагностическими объектами в ДПА, так как их работоспособность должна контролироваться как в статических, так и в динамических режимах.
Так, например, в ракетной и авиационной технике ДСДД используются при стендовой отработке летательных аппаратов (ЛА), особенно крупногабаритных, а также при испытаниях маломасштабных моделей в аэродинамических трубах. При этом основными параметрами, измеряемыми в процессе проведения испытаний, являются акустические давления, пульсации давления и опорное статическое давление. Теоретический расчет акустических полей и полей пульсаций сильно осложнен ввиду их нестационарного характера и значительных градиентов. Существующие в аэродинамике методы расчета таких полей дают большую погрешность, поэтому основным методом их определения является экспериментальные исследования с использованием ДСДД [16, 33, 65].
При этом для жестких условий эксплуатации, которые характерны для РКТ и специальной техники, наиболее предпочтительны пьезоэлектрические, а для измерения и контроля высокочастотных процессов и статических давлений наиболее подходят пьезорезистивные датчики [46, 48, 70, 71].
В процессе изготовления и эксплуатации ДСДД они подвергаются многочисленным испытаниям и проверкам, которые служат для установления и работоспособности датчика и подтверждения его метрологических характеристик. Для этих испытаний и проверок существуют многочисленные методы, программы и регламенты, которые приняты на предприятиях-производителях датчиков или в организациях-разработчиках.
Однако известные методы и программы имеют ряд существенных недостатков, которые не позволяют провести экспрессную оценку работоспособности и измерения основных характеристик чувствительных элементов и измерительных модулей датчика, в том числе и в составе датчика. Кроме того, существующие методы испытаний, а также используемые приборы контроля отличаются значительными трудозатратами и недостаточной информативностью.
Это связано в основном с тем, что существующие и ныне действующие методы и испытательные устройства были созданы более 30-40 лет тому назад, когда еще не было компьютеризированных программно-испытательных комплексов, а сами датчики не имели элементов и средств диагностики и микропроцессорной техники.
Кроме того, существенным недостатком известных методов и средств диагностики является то, что для получения достоверного подтверждения работоспособности датчика, его проверяют по единичным критериям (значения выходного сигнала при различных давлениях и температурах, виброэквивалент и проч.), после чего, путем взвешенной оценки и вычисления статистических параметров, выносится решение о годности датчика.
Существует еще и фактор наличия противоречия между законодательной метрологией и практической метрологией в части функций и особенностей чувствительных элементов (ГОСТ Р 51086-97 «Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения»). Основное из которых заключается в том, что в нем, указано "...компонент датчика (к числу которых относятся ЧЭ и ИМ) не обладает метрологическими характеристиками, в отличие от самого датчика, в который они входят...".
С другой стороны, на практике, при комплектации датчиков изготовленных на специализированных предприятиях ИМ и ЧЭ, они должны отвечать определенным нормам, в которые в обязательном порядке входят и метрологические характеристики.
По перечисленным причинам разработка технологий и устройств функциональной диагностики датчиков статико-динамических давлений, является весьма актуальной научно-технической задачей.
Основной целью диссертационной работы является разработка и исследование методов, средств и технологий функциональной диагностики чувствительных элементов и измерительных модулей датчиков статико-динамических давлений информационно-измерительных и управляющих систем и изделий ракетно-космической техники.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие основные задачи:
Анализ и обобщение методов и средств диагностики ЧЭ и ИМ ДСДД;
Выбор и исследование диагностических воздействий и методов обработки откликов структур ЧЭ и ИМ;
Разработка критериев годности ЧЭ и ИМ и специальных технологических операций;
Проведение исследований по обеспечению конструктивной и технологической совместимости диагностических структур, формируемых на ЧЭ и ИМ многофункциональных датчиков;
Разработка новых устройств контроля и диагностики ЧЭ, ИМ и ДСДД;
Разработка и исследование режимов проведения и контроля специальных технологических операций формирования ЧЭ и ИМ;
Проведение экспериментальных исследований ЧЭ и ИМ полупроводниковых и пьезоэлектрических датчиков с использованием разработанных методов и устройств диагностики.
Методы исследования.
Для решения поставленных задач использовались положения физики твердого тела, кристаллофизики, тензорного анализа, теории упругости, теории распознавания образов. Основные теоретические положения подтверждены результатами экспериментальных исследований разработанных диагностических устройств, программ и технологий диагностики и контроля при испытаниях экспериментальных образцов ЧЭ и ИМ датчиков статико-динамических давлений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Развиты методы контроля и диагностики структур пьезорезисторных и пьезоэлектрических ЧЭ и ИМ многофункциональных датчиков статико-динамических давлений, обеспечившие повышение технологичности контроля.
Разработаны и обоснованы диагностические критерии оценки качества ЧЭ и ИМ датчиков в процессе изготовления и настройки, позволившие повысить достоверность контроля на всех стадиях их изготовления.
Развиты конструктивно-технологические методы компенсации влияния механических напряжений на электрофизические характеристики пьезорезистивных структур, обеспечившие повышение качества и уменьшение погрешностей измерения.
Предложены и апробированы режимы специальных технологических операций, обеспечивающие снижение трудоемкости изготовления за счет исключения промежуточного контроля процессов формообразования полупроводниковых ЧЭ.
Разработаны и внедрены конструкции устройств диагностики и контроля технических характеристик ЧЭ, ИМ и датчиков, позволившие повысить оперативность и технологичность контроля их качества.
Практическая значимость.
Основные теоретические положения диссертации использованы при разработке методов и устройств диагностики чувствительных элементов и измерительных модулей пьезоэлектрических и пьезорезистивных датчиков быстропеременных и акустических давлений. Уменьшена трудоемкость диагностики и контроля ЧЭ, ИМ и специальных технологических операций за счет исключения промежуточных контрольных операций. Повышена оперативность контроля ЧЭ путем использования зондового устройства экспресс-диагностики и диагностических критериев качества. В результате трудоемкость контроля изготовления ЧЭ уменьшена в среднем на 10%. Показаны и реализованы возможности дополнительного получения информации о температуре и вибрациях, действующих в ЧЭ и ИМ, которые использованы для их диагностики по влияющим параметрам. Разработана топология контролепригодных ЧЭ многофункциональных пьезорезистивных датчиков статикодинамических давлений. На защиту выносятся:
1. Методы контроля и диагностики структур пьезорезисторных ЧЭ и ИМ многофункциональных датчиков статико-динамических давлений, основанные на анализе: -конфигураций обратных ветвей вольтамперных характеристик и их производных; -фотоответа при лазерном сканировании пьезорезистивных структур и контактных дорожек.
Метод контроля и диагностики пьезоэлектрических ЧЭ и ИМ датчиков динамических давлений, основанный на использовании прямого и обратного пьезоэффектов и обработки откликов с помощью вейвлет-преобразования, позволяющий повысить оперативность и информативность диагностики.
Диагностические критерии оценки качества ЧЭ и ИМ датчиков в процессе их изготовления и настройки, позволяющие повысить достоверность контроля качества на всех стадиях их изготовления
Конструктивно-технологический метод компенсации влияния механических напряжений на электрофизические характеристики пьезорезистивных структур ДСДД.
Режимы и содержание специальных технологических операций формообразования полупроводниковых ЧЭ.
Конструкции устройств диагностики и контроля технических характеристик ЧЭ, ИМ и датчиков, обеспечивающие оперативный контроль, диагностику и архивирование характеристик ЧЭ, ИМ и датчиков в процессе их изготовления.
Реализация результатов работы.
Результаты работы были реализованы при выполнении НИОКР в рамках Федеральной космической программы России на 2006-2015 гг. (НИР «Датчик» и ОКР «Возрождение»), в которых были внедрены методы функциональной диагностики пьезоэлектрических и полупроводниковых чувствительных элементов датчиков акустических и быстропеременных давлений. Использование теоретических и практических материалов диссертационной работы, позволило повысить эффективность и достоверность контроля как ЧЭ и ИМ, так и самих датчиков за счет ускорения испытаний и исключения субъективных факторов.
Лабораторные макеты устройств контроля использовались в приборном производстве ОАО «НИИФИ» при функциональной диагностике и контроле полупроводниковых ЧЭ датчиков давления, как на пластинах, так и после их разделения на кристаллы.
Для анализа вибросигналов при вибро-и самодиагностике пьезоэлектрических ЧЭ, ИМ и датчиков был использован математический аппарат вейвлет-преобразования.
Кроме того, результаты исследований внедрены в системы контроля и испытания автомобильных датчиков в ООО Пензенский завод «Электромехизмерение».
Теоретические результаты работы внедрены в учебный процесс преподавания дисциплин «Датчиковая аппаратура» и «Методы измерения физических величин» на кафедре «Информационно-измерительная техника» в Пензенском государственном университете, а также использованы при выполнении курсовых и дипломных проектов.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (г. Пенза, 1999); Всероссийской научно-технической конференции (г. Пенза, 2001); Международной школе-семинаре «Синтез и сложность управляющих систем» (г. Пенза, 2002);
Международной конференции «Математическое моделирование экологических систем» (г. Алматы, 2003); Международной научно-технической конференции «Методы, средства и технологии получения и обработки измерительной информации» (г. Пенза, 2008); Международной научно—технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2008, 2009); Международной научно-методической конференции «Университетское образование» (г. Пенза, 2009); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК России. Без соавторов опубликовано 6 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, и трех приложений. Общий объем диссертации 179 страниц, из которых 171 страница основного текста, в том числе 98 рисунков и 5 таблиц. Библиографический список содержит 184 наименования.
1 ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИКИ ДАТЧИКОВ, ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И ИЗДЕЛИЙ
Контролепригодность чувствительных элементов, измерительных моделей и датчиков физических величин
Как было указано ранее, для разработки новых методов и средств поверки и диагностики элементов и структур ДФВ, необходимо провести анализ методов испытаний, контролируемых параметров и принципов преобразования контролируемой величины в информативную, чаще всего электрическую. Для этого рассмотрим наиболее известные в литературе методики и инструкции входного контроля параметров ДФВ и процедуры ПСИ, а также используемые при этом комплекты контрольно-измерительной аппаратуры.
Следует отметить, что существующие методы настройки и диагностики ДФВ предполагают наличие универсальных электроизмерительных приборов и измерительных приспособлений и выполнение предписанных операций, изложенных в соответствующих методиках и стандартах (ТУ, СТП, ГОСТ и проч.). Кратко изложим некоторые положения ныне действующей инструкций по контролю, настройке и регулированию ряда ДФВ.
Наименьший объем диагностики приходится на входной контроль пьезоэлементов, включающий проверку их емкости, полярности, пьезочувствительности и термочувствительности. Полярность пьезоэлемента контролируется с помощью осциллографа путем легкого постукивания по мембране и наблюдению за всплеском напряжения на экране осциллографа. Чувствительность ИМ может быть определена путем воздействия на него гармоническим механическим воздействием, тарированным по амплитуде, частоте и фазе. Термозависимость пьезочувствительности ПЭ контролируется путем наложения на ЧЭ механической динамической нагрузки и одновременному нагреву его до определенной температуры [101, 181].
Пьезоэлектрические датчики акустических давлений (ДАД) Последовательность основных операций и переходов по настройке и диагностике пьезоэлектрических ДАД состоит в следующем: 1. Собрать схему (рисунок 1.11). 2. Включить питание и установить на генераторе частоту 1000 Гц. 3. Создать в акустической камере давление 10 Па по показаниям милливольтметра подключенному к контрольному датчику. 4. Замерить выходной сигнал с усилителя заряда и его форму. Сигнал должен быть синусоидальным с амплитудой 400 мВ. 5. Произвести монтаж подгоночных резисторов на первичный преобразователь (измерительный модуль) без их герметизации. 6. Провести работы по п.п. 2—5 на частотах 32, 63, 125, 250, 500, 2000, 4000 Гц. 7. Определить и зафиксировать величину неравномерности амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), которая не должна быть более ±20%. В системах контроля и диагностики ДФВ для имитации (моделирования) подачи естественной величины, например давления, используют калибраторы, которые подключают параллельно одному из плеч мостовой схемы датчика точные резисторы определенной величины. Это подключение вызывает появление на выходе датчика электрического сигнала (разбаланса), по величине которого судят о метрологической исправности ДФВ. Так же моделируется воздействие температуры, при котором изменение температуры имитируется изменением сопротивления терморезистивного элемента (рисунок 1.13). 1. ЧЭ и ИМ являются основными узлами любого датчика, поэтому они должны подвергаться входному контролю в объеме, позволяющем подтвердить их основные метрологические и эксплуатационные характеристики. 2. Структуры ЧЭ и ИМ датчиков, используемых в РКТ в наибольшей степени подвержены влиянию механических деформаций и температуры, как в процессе формирования и сборки, так и в процессе эксплуатации, поэтому их необходимо контролировать на структурном уровне ЧЭ и ИМ. 3. Изготавливаемые ЧЭ и ИМ должны иметь гарантированные индивидуальные технические характеристики, которые используются при монтаже, настройке и испытаниях датчиков, в том числе и интеллектуальных. 4. Разрабатываемые ЧЭ, ИМ и ДФВ должны содержать встроенные элементы диагностики, основанные на электрических методах тестового воздействия. Как показала практика, около 50% отказов микроэлектронной аппаратуры вызвано механическими воздействиями, возникающими в процессе производства, испытания и эксплуатации. Причиной такого рода отказов являются механические напряжения (МН), возникающие в ЧА и ИМ При этом МН возникают и изменяются на всех стадиях изготовления, начиная с операций изготовления кремниевых пластин и заканчивая операциями герметизации ЧЭ и ИМ. Величины и градиенты механических напряжений могут быть такими значительными, что при проведении физико-термических операций (диффузия, окисление, эпитаксия и т.д.), они могут привести как к деградации технических характеристик (ТХ) микроприборов, так и к разрушению пластин и кристаллов в процессе изготовления [98, 105].
Что касается ЧЭ и ИМ датчиков, являющихся по своей сути преобразователями МН в электрический сигнал, влияние МН таково, что они в некоторых случаях могут привести к разрушению отдельных элементов и структур датчика [119].
В информационно-энергетическом плане, действие МН проявляется в возникновении дополнительных нестационарных погрешностей, имеющих аддитивный и мультипликативный характер, а также в усилении деградационных явлений [84].
Исследование методов и средств контроля механических напряжений в чувствительных элементах и измерительных модулях датчиков статико-динамических давлений
Достоинством пленочных ТЗР является отсутствие клеевой прослойки между ТЗР и изоляционной пленкой, поэтому они имеют очень малые гистерезис и временной дрейф, что определяет их высокую временную стабильность. Недостатки по сравнению с фольговыми ТР-более высокое значение ТКС и большой разброс по номиналам, что требует необходимости использования балансировочных резисторов. Недостатками пленочных ТЗР являются их невысокая чувствительность а также сравнительно большие размеры, что затрудняет устанавливать их на миниатюрные ЧЭ и ИМ датчиков.
Полупроводниковые пьезорезисторы (ПР), в отличие от пленочных, имеют тензочувствительность в 10...50 раз большую, чем у пленочных ТР. ПР имеют значительно меньшие размеры, по сравнению с пленочными, что позволяет их монтировать в миниатюрные ЧЭ и ИМ МЭД или формировать их на поверхности кристаллов. Основным недостатком ПР, является их недостаточная термостабильность и ограниченный температурный диапазон работы. Пьезорезисторы для диагностики МН, как правило, используются в тех случаях, когда уровни измеряемых деформаций или очень малы, или необходимы точечные измерения на малых площадках. Конструкции ПР приведены на рисунке 2.7, в-д).
В качестве приложения рассмотренного тензоэффекта и измерительных элементов на его основе, рассмотрим методику диагностики и контроля МН при формировании микромеханических узлов (ММУ) «стекло (ЛК 105)— кремний (КЭФ 4,5)» при электроадгезионном соединении [59, 61, 119]. Метод позволяет исследовать распределение дефектов вдоль зон «р-п» переходов, проводить анализ распределения деформаций в различных участках ММУ и деформационных нарушений в ЧЭ и ИМ, подвергшихся разнообразным режимам эксплуатации.
В качестве преобразователей МН используют пьезорезисторы, сформированные в приповерхностном слое кремния диффузией или ионным легированием. Этот метод характеризуется высокой чувствительностью и является одним из немногих, которые можно применять для изучения напряжений в кристаллах микроприборов, герметизированных пластмассой. При этом, если создать тестовый кристалл с сеткой пьезорезисторов (ПР), то метод позволит оценить распределение напряжений в приповерхностном слое кристалла ЧЭ (рисунок 2.8).
Для оценки плоского напряженного состояния ПР ориентировались так, чтобы измерять деформации в трех направлениях, образуя «розетку». ПР были получены ионным легированием бора в подложку кремния и-типа с ориентацией (100). Пластины 075 мм полностью заполнены такими «розетками» после мультиплицирования. Тестовый кристалл можно вырезать любого размера.
При оценке напряжений в кристаллах ЧЭ используют все ТЗР, а после герметизации в составе ИМ только те, которые соединены гибкими внутренними проводниками с внешними выводами герморазъема. Оценку напряженного состояния кристалла проводили различными способами. В первом случае по вычисленным значениям напряжений /-го модуля кристалла (8 ;» 8ум " ) СТР0ЯТ графики распределения напряжений по поверхности кристалла по осям х, у, t в различных его сечениях. Во втором случае по измеренным деформациям exh zyi, є,- вычисляли главные напряжения зц, а2, для /-го модуля и строили графики распределения главных напряжений по осям х, у в различных сечениях. Вычисление главных напряжений аь а2, угла наклона главных площадок а проводят по измеренным деформациям є , єу, є, по формулам:
Эксперименты показали, что погрешность измерения МН пьезорезисторами при стабилизации температуры кристалла ЧЭ не превышает 2%. Для оценки вклада различных сборочных операций в общий уровень МН на ЧЭ и ИМ вычисляли среднее напряжение по всем тензорезисторам кристалла стср после каждой операции.
Возможность применения стср в качестве диагностического критерия определяется тем, что на каждой сборочной операции происходит изменение МН одного знака по всему кристаллу ЧЭ. Например, электроадгезионное соединение кремниевого кристалла со стеклобусой при сборке ЧЭ МЭД, приводит к появлению МН растяжения на всей поверхности кристалла, а заливка герметиком вносит МН сжатия.
Исходную чувствительность партии ПР, сформированных на одной пластине, определяют механическим нагружением консольно закрепленной полоски, вырезанной из этой пластины, с одновременным измерением сопротивления тензорезистора и прогиба свободного конца полоски. Измерения механических напряжений и деформаций с использованием поликремниевых тензорезисторов
Поликремниевые тензорезисторы имеют два преимущества перед монокристаллическими. Поликремний осаждается обычно на пленку двуокиси кремния, которая предварительно создается на поверхности кремниевой пластины. Двуокись кремния - отличный изолятор, поэтому поликремниевые тензорезисторы могут работать при значительно более высоких температурах, чем тензорезисторы с изоляцией p-n-переходами. В качестве верхней границы рабочего диапазона температур в литературе указывается 300 С.
Контроль и диагностика специальных технологических операций изготовления чувствительных элементов и измерительных модулей
Основой данного этапа является принцип сравнительной оценки степени сходства распознаваемого изображения с изображением классов из заданного алфавита изображений.
Поскольку за основу построения классифицирующего правила при этом берется некоторая мера расстояния между векторами-точками метрического пространства, то эти методы распознавания называются метрическими [156]. В качестве метрики используется евклидово расстояние между векторами. Для оценки близости векторов могут быть использованы и другие показатели. 2. Идентификация двух наиболее близких объектов. На основе минимальных значений рассчитанных расстояний идентифицируются два наиболее близких объекта из библиотеки образов. Для данных объектов рассчитывается функция сходства.
Правило о принятии решения о контролируемом объекте, состоит в распознавании его сходства с теми из объектов, для которых функция сходства оказывается наибольшей.
Основным преимуществом предлагаемого метода по сравнению с другими является простота его алгоритмической и технической реализации. Его использование целесообразно при реализации систем диагностики, где в качестве основного математического аппарата выступает ВП.
Таким образом, для качественной диагностики ранее рассмотренных сложных систем недостаточно ограничиваться измерениями и анализом формы и спектра исследуемых процессов. Оптимальные методы анализа колебаний сложных систем, позволяющие производить их глубокую диагностику, должны выбираться на базе математических моделей, наиболее полно описывающих влияние основных элементов и связей на формирование и распространение виброколебаний в системе.
Вибрация, возбуждаемая в диагностируемых объектах, представляется как сигнал, спектр которого содержит большое количество составляющих (рисунок 2.36), что, как было ранее отмечено, затрудняет выбор и представление диагностических признаков, характеризующих состояние объекта и процессы, протекающие в нем. Аналитическое выражение спектра исследуемого сигнала может быть представлено в следующем виде: где ф,(/)-периодические сигналы; 2(/)-случайные составляющие. Можно с большой долей вероятности утверждать, что аналитически описать реальные связи колебаний объекта с параметрами вибрационного диагностического сигнала практически невозможно. Поэтому, наряду с математическими моделями исследуемого процесса, большой интерес представляет использование диагностических моделей. Следует отметить, что использование диагностических моделей неизменно влечет за собой определенную идеализацию, при которой исключаются из рассмотрения некоторые несущественные стороны исследуемого процесса, а основное внимание сосредотачивается на главных его свойствах. Такая модель, лишенная некоторых деталей, неполно характеризует исследуемый объект, но, при этом, ее легче анализировать при неполной информации о текущем состоянии объекта. Все это дает существенный выигрыш во времени, которое затрачивается на получение результатов исследования. При контроле сложных систем или отдельных их подсистем фактор времени зачастую играет определяющую роль, поэтому использование таких моделей становится целесообразным.
Кроме того, ввиду постоянной смены режимов функционирования контролируемого объекта и высокой динамики быстропеременных процессов в системах «ЧЭ-ИМ-датчик-агрегат РКТ», построение единой универсальной диагностической модели представляется достаточно сложной задачей. Это связано с необходимостью учета характерных особенностей каждого режима работы модели, что приводит к ее неоправданному усложнению. Полученная модель будет описываться большим количеством параметров, что, в свою очередь, приведет к значительному увеличению времени и необходимой производительности вычислительной техники.
Одним из возможных способов решения указанных противоречий является использование нескольких моделей быстропеременных процессов (БПП), каждая из которых относится к конкретному диагностируемому состоянию (режиму работы объекта диагностики). Это дает возможность описания модели сравнительно небольшим количеством признаков Пі п (і -номер модели). При этом анализ моделей объекта выполняется в два этапа, каждый из которых реализуется сравнительно простыми и быстрыми алгоритмами. На первом этапе оценивается вид модели, т.е. определяются глобальные параметры без детализации. На втором этапе оценивается полнота соответствия БПП принятой модели. Использование упрощенных моделей позволяет добиться того, что суммарное время анализа на двух этапах Та\+ Та2 будет меньше заданного времени Гэ.
Модели, построенные на основе ВП, позволяют обнаруживать не только частоты, принадлежащие дефектам, но и время их появления. Используя ВП можно обнаружить такие тонкие свойства ответного сигнала, которые другие преобразования пропускают или игнорируют. Следует отметить, что данное преобразование оперирует не непосредственно частотами, а масштабами. Поэтому информативность ВП гораздо выше, чем информативность Фурье-преобразования. Это связано с тем, что ВП W(x,a) является одновременно функцией двух переменных:
Организация технологии контроля и диагностики чувствительных элементов и измерительных модулей
Следует отметить, что большое число ТП и ТО, которые используются для изготовления МЭД, характерны только для ЧЭ и ИМ и были разработаны специально для процессов изготовления МЭД. К ним относятся формообразующие операции, процессы электроадгезионного соединения, микросварные соединения, термостабилизация и проч. Они имеют специфику по отношению к другим технологиям, в том числе и по отношению к микроэлектронным, поэтому рассмотрим их более подробно.
Так, при изготовлении ИМ на основе профилированного кремниевого кристалла (рисунок 3.4), соединенного со стеклянным основанием с применением метода группового электростатического соединения в вакууме пластин-заготовок из кремния и стекла, с последующим разделением алмазными дисками на отдельные ЧЭ должны быть обеспечены [83, 86]: -габаритные размеры 4x4 мм. с допуском не хуже ± 0,05 мм.; -вакуумированная полость между мембраной и стеклянным основанием со степенью вакуума не хуже 1х10 4 мм рт.ст.; -размещение на ЧЭ сенсора температуры-терморезистора с сопротивлением изоляции между терморезистором и кремниевой подложкой не менее 20 МОм при напряжении 100 В; -прочность на отрыв ультразвукового сварочного контакта «выводной проводник-контактная площадка»-не менее 10 г. Контроль и диагностика физико-термических операций формирования чувствительных элементов Физико-термические операции (ФТО) являются одними из основных операций микроэлектроники и микромеханики. К ФТО относятся такие технологические операции и процессы, как окисление, термодиффузия, загонка и разгонка примеси при ионном легировании, рекристаллизация, термоотжиг, термостабилизация, термоциклирование. В результате проведения ФТО на ЧЭ формируются: -области с иным, чем подложка типом проводимости, выполняющие роль чувствительных структур или проводящих шин; -окисные пленки, выполняющих роль изолирующих пленок, защитных покрытий, масок или источников диффузии; -пленки и покрытия, с измененным фазовым составом или политипом. С помощью ФТО, можно проводить модификацию материалов в части изменения ЭФХ (типа проводимости, концентрации основных и неосновных носителей заряда, поверхностного и объемного сопротивления, времени жизни, размеров кристаллитов и проч.). При проведении ФТО необходим постоянный контроль и диагностика проводимых технологических режимов, которые осуществляются или напрямую, например, путем измерения температуры термоотжига термопарой, или опосредствованно, например, путем контроля толщины окисла по его цвету и числу дифракционных полос, наблюдаемых визуально [111]. Очень важным элементом в структуре ЧЭ является окисный слой, который служит электрической изоляцией и защитой от воздействия внешней и внутренней среды на сенсорные элементы (СЭ) и структуры (СС). Кроме того, окисные слои служат технологической маской при проведении процессов фотолитографии, диффузии и ионного легирования, поэтому от его качества зависят практически все ЭФХ СЭ и СС ДФВ. Поэтому для обеспечения необходимого качества ЧЭ и ИМ, необходимо контролировать качество изолирующих, защитных и технологических слоев формируемых в процессе окисления кремния [24, 127]. Основными характеристиками окисного слоя являются его объемное сопротивление, пористость, диэлектрическая проницаемость, стойкость к травителям, маскирующая способность по отношению к различным примесям и ряд других. С технологической точки зрения основными показателями окисла являются пористость, стойкость и маскирующая способность, которые в значительной мере зависят от режимов его формирования и чистоты проведения ТП. Сквозные поры в окисле возникают от целого ряда причин, главными из которых являются: плохая очистка поверхности Si, наличие в пленке SiC 2 ионов металлов, включения кристаллитов в пленке. В результате действия локальных МН на участках с кристаллической структурой образуются микротрещины, а по их периферии-скопления пор с размерами сопоставимыми с толщиной окисла. Кроме того, некачественное проведение процессов фотолитографии приводит к тому, что пористость окисной пленки может увеличиваться на порядок. Влияют на пористость пленки Si02 также и микроорганизмы, содержащиеся в деионизованной воде. Следует отметить, что микроканалы, поры и неровности краев SiC 2 являются причиной образования не предусмотренных топологией локальных легированных областей в СЭ (рисунок 3.5), которые приводят к неконтролируемым разбросам номиналов пьезорезисторов [45, 119]. В настоящее время процессы ионного легирования являются основными процессами формирования элементов и структур датчиков, ввиду точности и хорошей управляемости процессов введения различных легирующих примесей. Но при проведении ионного легирования возникают значительные нарушения кристаллической структуры приповерхностного слоя полупроводника из-за накопления радиационных дефектов. При больших дозах примеси на поверхности пластины образуется сплошной аморфный слой [87, 112]. Для восстановления кристаллической решетки полупроводника, нарушенной при ионном легировании и активации внедренной примеси, пластины подвергаются термоотжигу. Диагностическим критерием электрической активности легирующей примеси, внедренной в полупроводник, является величина поверхностной концентрации носителей заряда или, что более удобно для измерения, поверхностное сопротивление легированной области.
Контроль и диагностика технологических процессов и операций формообразования чувствительных элементов
Основными технологическими процессами формообразования элементов и структур ЧЭ является изотропное и анизотропное травление кремния в различных жидкостных травителях. При проведении процессов травления проводится контроль размеров формообразующих поверхностей (наружных и внутренних), состава и температуры травителей, глубины травления и величины рассовмещения планарной и непланарной сторон кристалла, скорость (динамика)травления.
Следует отметить, что с позиций физико-химических реакций, происходящих в процессе травления, динамика травления лимитируется процессами диффузии ионов травителя в подложку и их адсорбции на поверхности подложки [120, 134, 143].
