Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологии изготовления чувствительных элементов малогабаритных металлопленочных датчиков физических величин повышенной точности. The invention relates to measuring equipment and can be used in the manufacturing technology of sensitive elements of small-sized metal-film sensors of physical quantities of increased accuracy.
Целью изобретения является повышение выхода годных чувствительных элементов путем повторного использования некачественных деформированных элементов. The aim of the invention is to increase the yield of sensitive elements by reusing low-quality deformed elements.
П р и м е р. Чувствительные элементы с упругим элементом из сплава 36НХТЮ, измерительная схема которых не соответствовала требованиям технической документации по результатам изготовления и сборки, подвергали повторному использованию. Предварительно с чувствительных элементов удаляли химическим травлением слои проводящего материала золота с адгезионным подслоем хрома и тензорезистивного материала Х20Н75Ю до изолирующего слоя на основе моноокиси кремния. Первоначальная толщина изолирующего слоя моноокиси кремния на металлическом упругом элементе составляла 3-4 мкм. На изолирующий слой дополнительно наносили в вакуумной напылительной установке второй изолирующий слой моноокиси кремния толщиной 0,05-0,1 толщины первого изолирующего слоя. Выбранное соотношение толщины дополнительного изолирующего слоя справедливо и для других изолирующих материалов, например для двуокиси кремния SiO2, двуокиси алюминия Al2O3. Для конкретного примера с применением в качестве материала изолирующего слоя моноокиси кремния SiO толщина дополнительного изолирующего слоя составляла 0,15-0,4 мкм в зависимости от первоначальной толщины ранее нанесенного изолирующего слоя. Нижний предел по толщине дополнительного изолирующего слоя выбран из условия запыления возможных дефектов (пор) в нижнем (ранее нанесенном) изолирующем слое. Верхний предел по толщине дополнительного изолирующего слоя определения из условия полного запыления сквозных дефектов в нижнем изолирующем слое, которые могут приводить к потере изоляции измерительной схемы относительно корпуса металлического упругого элемента.PRI me R. Sensitive elements with an elastic element made of 36НХТЮ alloy, the measuring circuit of which did not meet the requirements of technical documentation according to the results of manufacturing and assembly, were reused. Previously, layers of a conductive gold material with an adhesive chromium sublayer and X20H75Y strain-resisting material were removed from the sensitive elements by chemical etching to an insulating layer based on silicon monoxide. The initial thickness of the insulating layer of silicon monoxide on the metal elastic element was 3-4 microns. A second insulating layer of silicon monoxide with a thickness of 0.05-0.1 of the thickness of the first insulating layer was additionally applied to the insulating layer in a vacuum spraying apparatus. The selected ratio of the thickness of the additional insulating layer is also true for other insulating materials, for example, silicon dioxide SiO 2 , aluminum dioxide Al 2 O 3 . For a specific example, using as the material of the insulating layer of silicon monoxide SiO, the thickness of the additional insulating layer was 0.15-0.4 μm, depending on the initial thickness of the previously applied insulating layer. The lower limit on the thickness of the additional insulating layer is selected from the condition of dusting of possible defects (pores) in the lower (previously applied) insulating layer. The upper limit on the thickness of the additional insulating layer of determination from the condition of complete dusting of through defects in the lower insulating layer, which can lead to loss of insulation of the measuring circuit relative to the body of the metal elastic element.
Дефекты в нижнем изолирующем слое возникают по двум причинам. Во-первых, в процессе изготовления чувствительных элементов путем последовательного нанесения на рабочую поверхность элемента тонких слоев изолирующего, тензорезистивного и проводящего материалов имеет место отход чувствительных элементов по несоответствию сопротивления изоляции нанесенных слоев относительно металлического корпуса чувствительного элемента заданному значению. Это объясняется дефектами (порами) в изолирующем слое, например, на основе моноокиси кремния, которые имеют невоспроизводимый характер в процессе нанесения изолирующего слоя и обусловлены состоянием исходной поверхности чувствительного элемента (чистотой механической обработки поверхности и качеством ее подготовки перед нанесением изолирующего слоя). Дополнительное нанесение на нижний изолирующий слой, имеющий в своей структуре дефекты, снижающие (Rиз < Rиз.треб) или не обеспечивающие (Rиз 0) величину сопротивления изоляции, дополнительного изолирующего слоя из того же материала (моноокиси кремния) определенной толщины позволяет исключить влияние этих дефектов на величину сопротивления изоляции и тем самым получить чувствительные элементы с требуемой величиной сопротивления изоляции, т.е. улучшить параметры изолирующего слоя.Defects in the lower insulating layer occur for two reasons. Firstly, in the manufacturing process of sensitive elements by successively applying thin layers of insulating, strain-resisting and conductive materials to the element’s working surface, there is a departure of the sensitive elements due to the mismatch of the insulation resistance of the applied layers relative to the metal housing of the sensitive element to a predetermined value. This is explained by defects (pores) in the insulating layer, for example, based on silicon monoxide, which are irreproducible in the process of applying the insulating layer and are caused by the state of the initial surface of the sensitive element (the purity of the mechanical surface treatment and the quality of its preparation before applying the insulating layer). Additional deposition on the lower insulating layer, which has defects in its structure that reduces (R from <R from the requirement ) or does not provide (R from 0) the insulation resistance, an additional insulating layer from the same material (silicon monoxide) of a certain thickness, allows to exclude the influence of these defects on the value of insulation resistance and thereby to obtain sensitive elements with the required value of insulation resistance, i.e. improve the parameters of the insulating layer.
При стравливании с деформированных чувствительных элементов слоя тензорезистивного материала (например, сплавов К50С, П65ХС, Х20Н750) в растворах фтористоводородной (плавиковой) кислоты частично подтравливается (повреждается) и сам изолирующий слой. Поэтому для восстановления поверхности нижнего изолирующего слоя наносится дополнительный изолирующий слой определенной толщины (0,05-0,1 толщины нижнего изолирующего слоя), что позволяет в этом случае одновременно восстановить общую толщину изолирующего слоя и закрыть локальные дефекты, которые возникают в нижнем изолирующем слое при воздействии "агрессивного" травителя, и тем самым обеспечить требования по сопротивлению изоляции для реставрированных чувствительных элементов. Затем изолирующий слой моноокиси кремния обрабатывали в низкотемпературной кислородной плазме в течение 30-60 мин при следующих режимах: мощность плазмы 200-250 Вт, рабочее давление в реакционной камере 0,8-1,0 мм рт.ст. расход кислорода 4,5-5,0 см3/мин, температура упругих элементов в процессе обработки не превышает 80оС. Низкотемпературная кислородная плазма, генерируемая в реакционной камере, где образуется реакционно-способный кислород, является единственно возможным методом окисления изолирующей пленки чувствительного элемента за счет химического взаимодействия атомарных кислородоповерхностных атомов изолирующей пленки, не создающих в изолирующей пленке внутренних механических напряжений, которые могут привести к растрескиванию изолирующей пленки и ухудшению ее изолирующих свойств. Обработка в кислородной плазме позволила дополнительно создать на поверхности изолирующего слоя окисленную пленку, которая также улучшила изолирующие свойства слоя. Обработка в кислородной плазме более часа не увеличивала сопротивление изоляции измерительной схемы, а вела к дополнительному расходу кислорода. После обработки в кислородной плазме упругие элементы с изолирующим слоем из моноокиси кремния закрепляли в держателях и помещали в вакуумную камеру напылительной установки. Производилось повторное нанесение в вакууме тензорезистивного материала Х20Н75Ю и проводящего материала золота с адгезионным хромовым подслоем. Затем вновь формировали тензорезисторы с контактными площадками и коммутацией и производили настройку мостовых схем чувствительных элементов.When etching a layer of a strain-resisting material (for example, K50C, P65XC, X20N750 alloys) from deformed sensitive elements in solutions of hydrofluoric (hydrofluoric) acid, the insulating layer is also partially etched (damaged). Therefore, to restore the surface of the lower insulating layer, an additional insulating layer of a certain thickness is applied (0.05-0.1 of the thickness of the lower insulating layer), which allows in this case to simultaneously restore the total thickness of the insulating layer and close local defects that occur in the lower insulating layer when exposure to an “aggressive” etchant, and thereby ensure insulation resistance requirements for restored sensitive elements. Then, the insulating layer of silicon monoxide was processed in low-temperature oxygen plasma for 30-60 minutes under the following conditions: plasma power 200-250 W, working pressure in the reaction chamber 0.8-1.0 mm Hg oxygen flow rate of 4.5-5.0 cm 3 / min, the temperature of the elastic elements during processing does not exceed 80 ° C. The low-temperature oxygen plasma generated in the reaction chamber, where it forms a reactive oxygen, is the only feasible method of oxidation insulating film sensitive element due to the chemical interaction of atomic oxygen-surface atoms of the insulating film, which do not create internal mechanical stresses in the insulating film, which can lead to cracking of the insulating film Enki and deterioration of its insulating properties. Processing in oxygen plasma allowed us to additionally create an oxidized film on the surface of the insulating layer, which also improved the insulating properties of the layer. Processing in oxygen plasma for more than an hour did not increase the insulation resistance of the measuring circuit, but led to an additional oxygen consumption. After treatment in oxygen plasma, the elastic elements with an insulating layer of silicon monoxide were fixed in the holders and placed in a vacuum chamber of the spraying unit. Repeated deposition in vacuum of the X20H75Y tensoresistive material and a conductive gold material with an adhesive chromium sublayer was carried out. Then, strain gages with contact pads and switching were formed again and the bridge circuits of the sensitive elements were set up.
Использование данного способа изготовления чувствительных элементов тензодатчиков обеспечивает следующие преимущества. Выход годных чувствительных элементов при повторном использовании упругих элементов с первоначально нанесенным изолирующим слоем повышается в 1,7-2,1 раза. Трудоемкость изготовления чувствительных элементов снижается в 1,4 раза. Имеется возможность повторного использования в производстве упругих элементов с тонкими мембранами, изготовленными на малые диапазоны измерения физической величины. Using this method of manufacturing sensitive elements of load cells provides the following advantages. The yield of suitable sensitive elements when reusing elastic elements with the originally applied insulating layer increases 1.7-2.1 times. The complexity of manufacturing sensitive elements is reduced by 1.4 times. There is the possibility of reuse in the production of elastic elements with thin membranes made for small ranges of measurement of physical quantities.