RU2547291C1 - Method to manufacture thin-film nano and microelectromechanical system of high temperature sensor of mechanical values - Google Patents
Method to manufacture thin-film nano and microelectromechanical system of high temperature sensor of mechanical values Download PDFInfo
- Publication number
- RU2547291C1 RU2547291C1 RU2014100411/28A RU2014100411A RU2547291C1 RU 2547291 C1 RU2547291 C1 RU 2547291C1 RU 2014100411/28 A RU2014100411/28 A RU 2014100411/28A RU 2014100411 A RU2014100411 A RU 2014100411A RU 2547291 C1 RU2547291 C1 RU 2547291C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- elastic element
- strain
- temperature
- film
- thin
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологии изготовления тонкопленочных тензорезисторных датчиков механических величин, предназначенных для работы в условиях повышенных температур.The invention relates to measuring technique and can be used in the manufacture of thin-film strain gauge sensors of mechanical quantities designed to operate at elevated temperatures.
Нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) тонкопленочного тензорезисторного датчика давления (ТТДД) представляет собой упругий элемент (УЭ) с нанесенной на него гетерогенной структурой, состоящей из тонких нано- и микроразмерных слоев проводящих, диэлектрических, резистивных пленок материалов [1]. Гетерогенная структура НиМЭМС датчика давления обычно состоит из четырех нано- и микроразмерных слоев, сформированных на упругом элементе (в качестве материала УЭ может быть сталь 36НХТЮ) с высотой микронеровностей не более 50-100 нм (при высоте микронеровностей мембраны более 100 нм становится принципиально невозможным получение устойчивых тонкопленочных структур, а, следовательно, и новых качественных показателей, характерных для датчика).The nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) of a thin-film strain gauge pressure sensor (TTDD) is an elastic element (RE) with a heterogeneous structure deposited on it, consisting of thin nano- and micro-sized layers of conductive, dielectric, resistive films of materials [1]. The heterogeneous structure of the NiMEMS pressure sensor usually consists of four nano- and micro-sized layers formed on an elastic element (36NXTJ steel may be the UE material) with a microroughness height of not more than 50-100 nm (when the microroughness of the membrane is more than 100 nm, it becomes essentially impossible to obtain stable thin-film structures, and, consequently, new qualitative indicators characteristic of the sensor).
Известен способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного резистора для НиМЭМС датчика давления на основе сплава Х20Н75Ю [2]. Он заключается в формировании в вакууме резистивных монослоев с отрицательным и положительным температурными коэффициентами сопротивления (ТКС). Послойное формирование резистивных монослоев проводят в едином технологическом цикле, причем резистивный слой с отрицательным ТКС формируют электронно-лучевым испарением, а резистивный слой с положительным ТКС - термическим испарением.A known method of manufacturing a high-temperature thin-film resistor for NIMEMS pressure sensor based on alloy X20N75YU [2]. It consists in the formation in vacuum of resistive monolayers with negative and positive temperature coefficients of resistance (TCS). Layer-by-layer formation of resistive monolayers is carried out in a single technological cycle, moreover, the resistive layer with negative TCS is formed by electron beam evaporation, and the resistive layer with positive TCS is formed by thermal evaporation.
Недостатком известного способа является узкий температурный диапазон работы датчика давления - (от минус 196 до 150°C) и невозможность воспроизводимости точного состава тензорезистивной пленки, так как при использовании термического испарения тонкопленочных тензорезисторов они структуризуются в виде более тонких слоев хрома, никеля, алюминия и т.д. Осаждение пленок из одного испарителя возможно тогда, когда вещество переходит в пар в виде молекул стехиометрического состава, либо когда материалы сплава обладают одинаковой летучестью. Компоненты сплава Х20Н75Ю имеют разную летучесть при испарении, что приводит к неконтролируемому составу тонкой тензорезистивной пленки. В итоге воспроизводимость тензорезисторов мостовой измерительной цепи оказывается не высокой, значения ТКС тензорезисторов значительно отличаются у НиМЭМС, изготовленных в разное время (в разных партиях, в разных вакуумных циклах). Из-за этого НиМЭМС и датчики давления на их основе имеют большой разброс по температурной чувствительности, не всегда соответствуют предъявляемым техническим требованиям, оказываются непригодными для работы в условиях повышенных температур (свыше 150°C).The disadvantage of this method is the narrow temperature range of the pressure sensor - (from minus 196 to 150 ° C) and the impossibility of reproducibility of the exact composition of the strain gauge film, because when using thermal evaporation of thin-film strain gauges they are structured in the form of thinner layers of chromium, nickel, aluminum and t .d. The deposition of films from a single evaporator is possible when the substance passes into vapor in the form of molecules of stoichiometric composition, or when the alloy materials have the same volatility. The components of the X20H75Y alloy have different volatilities during evaporation, which leads to an uncontrolled composition of a thin tensoresistive film. As a result, the reproducibility of the strain gauges of the bridge measuring circuit is not high, the values of the TCS of the strain gauges are significantly different for NiMEMS manufactured at different times (in different lots, in different vacuum cycles). Because of this, NIMEMS and pressure sensors based on them have a large variation in temperature sensitivity, do not always meet the technical requirements, and are unsuitable for operation at elevated temperatures (above 150 ° C).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является способ изготовления нано- и микроэлектромеханической системы датчика механических величин - датчика давления с применением тонкопленочной нано- и микроэлектронной технологии [3]. Он заключается в том, что на планарной стороне упругого элемента методами вакуумного распыления образуют гетерогенную структуру из нано- и микроразмерных пленок материалов, содержащую тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные и контактные слои, после чего с использованием фотолитографии и травления формируют тензоэлементы (тензорезисторы), контактные проводники и контактные площадки к ним. При этом в качестве метода вакуумного распыления для всех слоев используют термическое испарение. По данному способу тензорезисторы формируют на плоской стороне мембраны. В качестве исходного материала для формирования тензорезистивного слоя используют сплав Х20Н75Ю. Полученные в результате его использования тензорезисторы имеют положительный ТКС от 10-4 до 10-5 °C-1.The closest in technical essence to the proposed solution is a method of manufacturing a nano- and microelectromechanical system of a sensor of mechanical quantities - a pressure sensor using thin-film nano- and microelectronic technology [3]. It consists in the fact that on the planar side of the elastic element by vacuum spraying methods they form a heterogeneous structure of nano- and micro-sized films of materials containing thin-film dielectric, strain gauge and contact layers, after which, using photolithography and etching, strain gauges (strain gauges), contact conductors and contact pads to them. Moreover, thermal evaporation is used as a vacuum spraying method for all layers. In this method, strain gages are formed on the flat side of the membrane. As the starting material for the formation of the strain-resistant layer using alloy X20N75YU. The strain gauges obtained as a result of its use have a positive TCR from 10 -4 to 10 -5 ° C -1 .
Недостатком данного способа также является узкий температурный диапазон работы датчика давления - (от минус 196 до 150°C), не высокая воспроизводимость параметров тензорезисторов (электрическое сопротивление, ТКС), относительно высокая температурная чувствительность (из-за недостаточно малых значений ТКС тензорезисторов) и как следствие, высокая температурная погрешность. НиМЭМС и датчики механических величин, изготовленные по способу, выбранному в качестве прототипа, также оказываются непригодными для работы в условиях повышенных температур (свыше 150°C).The disadvantage of this method is the narrow temperature range of the pressure sensor - (from minus 196 to 150 ° C), the low reproducibility of the parameters of the strain gages (electrical resistance, TCS), the relatively high temperature sensitivity (due to the insufficiently small values of the TCS strain gages) and how consequence, high temperature error. NiMEMS and mechanical value sensors manufactured by the method selected as a prototype also prove to be unsuitable for operation at elevated temperatures (above 150 ° C).
Техническим результатом изобретения является расширение температурного диапазона работы датчика механических величин (до 200°C), к примеру, датчика давления на основе тонкопленочной НиМЭМС за счет того, что после нанесения диэлектрического слоя тензорезистивный слой формируют из никеля (Ni) и титана (Ti). Кроме того, техническим результатом является более высокая воспроизводимость параметров тензорезисторов (электрического сопротивления, ТКС), за счет того, что тензорезистивный слой из Ni и Ti формируют методом магнетронного распыления в вакуумной камере с одновременным использованием карусели и двух мишеней из никеля и титана, при определенном отношении плотностей токов магнетронного разряда на мишенях из Ni и Ti. Техническим результатом также является более низкая температурная чувствительность датчика механических величин на основе тонкопленочной НиМЭМС за счет того, что при установленных режимах распыления получаются меньшие значения ТКС тензорезисторов. В связи с этим, датчик, изготовленный по предлагаемому способу, имеет более низкую температурную погрешность в широком диапазоне температур.The technical result of the invention is the expansion of the temperature range of the sensor of mechanical quantities (up to 200 ° C), for example, a pressure sensor based on thin-film NiMEMS due to the fact that after applying the dielectric layer, the resistive layer is formed from nickel (Ni) and titanium (Ti). In addition, the technical result is a higher reproducibility of the parameters of the strain gages (electrical resistance, TCS), due to the fact that the resistive layer of Ni and Ti is formed by magnetron sputtering in a vacuum chamber with the simultaneous use of a carousel and two targets made of nickel and titanium, with a certain ratio of the current density of the magnetron discharge on targets of Ni and Ti. The technical result is also a lower temperature sensitivity of the sensor of mechanical values based on thin-film NiMEMS due to the fact that under the established spraying conditions, lower values of the TCS of the strain gauges are obtained. In this regard, the sensor manufactured by the proposed method has a lower temperature error in a wide temperature range.
Это достигается тем, что в известном способе изготовления тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы датчика механических величин, заключающемся в том, что на планарной стороне упругого элемента методами вакуумного распыления образуют гетерогенную структуру из нано- и микроразмерных пленок материалов, содержащую тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные и контактные слои, после чего с использованием фотолитографии и травления формируют тензоэлементы (тензорезисторы), контактные проводники и контактные площадки к ним, согласно предлагаемого изобретения, тензорезистивный слой формируют методом магнетронного распыления в вакуумной камере, одновременно из двух раздельных источников, при плотностях токов магнетронного разряда jNi и jTi на мишенях из Ni и Ti, которые перед этим определяют по соотношению , при этом упругий элемент со сформированным на нем диэлектрическим слоем устанавливают на карусель, расположенную на расстоянии 0,05 м от мишеней, нагревают до температуры 180-200°C, создают давление аргона 6,5·10-3 мм рт.ст., а затем вращают карусель с упругим элементом со скоростью 50-60 об/мин в течение 10 минут, после чего упругий элемент с нанесенным на него тензорезистивным слоем выдерживают в вакууме при температуре 370°C в течение 5-6 часов.This is achieved by the fact that in the known method of manufacturing a thin-film nano- and microelectromechanical system of a sensor of mechanical quantities, which consists in the fact that on the planar side of the elastic element by vacuum spraying methods they form a heterogeneous structure of nano- and micro-sized films of materials containing thin-film dielectric, tensoresistive and contact layers, after which using photolithography and etching form strain cells (strain gauges), contact conductors and contact pads to them, according to the present invention, the thin-layer is formed by magnetron sputtering in the vacuum chamber, simultaneously from two separate sources, magnetron discharge current densities j Ni and j Ti on targets of Ni and Ti, which before it is determined by the ratio wherein the elastic element with the dielectric layer formed on it is mounted on a carousel located at a distance of 0.05 m from the targets, heated to a temperature of 180-200 ° C, create an argon pressure of 6.5 · 10 -3 mm Hg, and then a carousel with an elastic element is rotated at a speed of 50-60 rpm for 10 minutes, after which the elastic element with a tensoresistive layer deposited on it is kept in vacuum at a temperature of 370 ° C for 5-6 hours.
В этом способе изготовления тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы датчика механических величин, в соответствии с предлагаемым изобретением, карусель располагают на расстоянии 0,05 м от мишеней из никеля (Ni) и титана (Ti), упругий элемент со сформированным на нем диэлектрическим слоем, установленный на карусели, нагревают до температуры 180-200°C, давление аргона создают 6,5·10-3 мм рт.ст., карусель с упругим элементом вращают со скоростью 50-60 об/мин в течение 10 минут, упругий элемент с нанесенным на него тензорезистивным слоем выдерживают в вакууме при температуре 370°C в течение 5-6 часов.In this method of manufacturing a thin-film nano- and microelectromechanical system of a mechanical quantity sensor, in accordance with the invention, the carousel is placed at a distance of 0.05 m from targets of nickel (Ni) and titanium (Ti), an elastic element with a dielectric layer formed on it, mounted on a carousel, heated to a temperature of 180-200 ° C, create argon pressure of 6.5 · 10 -3 mm Hg, a carousel with an elastic element is rotated at a speed of 50-60 rpm for 10 minutes, the elastic element with a strain-resistant layer deposited on it is kept in vacuum at a temperature of 370 ° C for 5-6 hours.
На фиг.1, 2 показана конструкция датчика механических величин - датчика давления, который изготавливается по предлагаемому способу. Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2 (фиг.1), установленную в нем тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) 3, выводные проводники 4, кабельную перемычку 5. Тонкопленочная НиМЭМС 3 представляет собой конструктивно законченный модуль, обеспечивающий высокую технологичность сборки датчика.Figure 1, 2 shows the design of the sensor of mechanical quantities - pressure sensor, which is manufactured by the proposed method. The sensor contains a
На фиг.2 отдельно показана тонкопленочная нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) датчика. Она состоит из упругого элемента - круглой мембраны 6 с жестким центром 7, жестко заделанной по контуру, с периферийным основанием 8 за границей 9 мембраны с жестким центром, гетерогенной структуры 10, контактной колодки 11, герметизирующей втулки 12, соединительных проводников 13, выводных колков 14, диэлектрических втулок 15.Figure 2 separately shows a thin-film nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) sensor. It consists of an elastic element - a
На фиг.3 показана схема установки для магнетронного распыления тензорезистивного слоя. Установка содержит магнетронный распылитель 16 мишени Ni, магнетронный распылитель 17 мишени Ti, нагреватель 18, карусель 19, расположенные на опорной плите 20 вакуумной камеры. На карусели 19 установлен держатель подложек 21, термопара 22 для измерения температуры. Карусель 19 соединена с приводом вращения 23.Figure 3 shows a diagram of an installation for magnetron sputtering of a resistive layer. The installation contains a
На фиг.4 отдельно представлена гетерогенная структура 10 на упругом элементе - мембране 6.Figure 4 separately presents a
Способ изготовления тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы высокотемпературного датчика механических величин, например, тензорезистивного датчика давления (фиг.1), реализуется следующим образом. На планарной стороне упругого элемента - мембране 6 (фиг.2) методами вакуумного распыления образуют гетерогенную структуру 10 из нано- и микроразмерных пленок материалов, содержащую тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные и контактные слои. Так, к примеру, на фиг.4 представлена гетерогенная структура 10, образованная на плоской поверхности мембраны 6, которая служит в качестве подложки. На ней методами вакуумного распыления нанесены подслой хрома (Cr) 24, первый диэлектрический слой (SiO) 25, второй диэлектрический слой (SiO2,) 26, тензорезистивный слой (Ni-Ti) 27 и контактный слой (V-Au) 28.A method of manufacturing a thin film nano- and microelectromechanical system of a high temperature sensor of mechanical quantities, for example, a strain gauge pressure sensor (figure 1), is implemented as follows. On the planar side of the elastic element - the membrane 6 (Fig.2) by vacuum spraying methods form a
Первый слой - подслой хрома (Cr) 24 служит, во-первых, буфером между упругим элементом и диэлектриком для снятия температурных напряжений, возникающих в процессе напыления, а, во-вторых, обеспечивает адгезию диэлектрической пленки с материалом упругого элемента. Толщина подслоя равна 150-300 нм.The first layer, the chromium sublayer (Cr) 24, serves, firstly, as a buffer between the elastic element and the dielectric to relieve temperature stresses arising during the deposition process, and, secondly, ensures the adhesion of the dielectric film with the material of the elastic element. The thickness of the sublayer is 150-300 nm.
Второй и третий слои (25 и 26) - диэлектрические (SiO-SiO2). Диэлектрическая пленка из слоев диэлектрика должна обладать сопротивлением изоляции при напряжении до 100 B - не менее 1000 МОм, иметь тангенс угла диэлектрических потерь на частоте 1 кГц не более 80·10-4; адгезия к металлической подложке, характеризующаяся усилием отрыва, должна быть не менее 80 г/мм.The second and third layers (25 and 26) are dielectric (SiO-SiO 2 ). A dielectric film of dielectric layers must have insulation resistance at voltages up to 100 V - at least 1000 MΩ, have a dielectric loss tangent at a frequency of 1 kHz of not more than 80 · 10 -4 ; adhesion to a metal substrate, characterized by a peel force, must be at least 80 g / mm.
Четвертый - тензорезистивный слой. Его толщина составляет 40…100 нм. К нему предъявляются жесткие требования: максимальный коэффициент тензочувствительности; хорошая адгезия с диэлектрическим слоем и материалом контактных групп; высокие механические характеристики. Выходные параметры тензорезисторного датчика давления напрямую зависят от изменений сопротивлений тензорезисторов в мостовой схеме [3]. Для обеспечения стабильной работы датчика давления материал тензорезисторов должен сохранять свои свойства в условиях воздействия повышенных температур и нестационарных тепловых потоков. Следовательно, значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС) используемого материала тензорезисторов должно быть близким к нулю в широком диапазоне температур. В качестве материала тензорезистивного слоя обычно используют сплав Х20Н75Ю. Однако лучшие результаты можно получить по предлагаемому способу с использованием аморфного соединения Ni-Ti.The fourth is the strain gauge layer. Its thickness is 40 ... 100 nm. Strict requirements are imposed on it: maximum coefficient of strain sensitivity; good adhesion with the dielectric layer and the material of the contact groups; high mechanical characteristics. The output parameters of the strain gauge pressure sensor directly depend on changes in the resistance of the strain gauges in the bridge circuit [3]. To ensure stable operation of the pressure sensor, the material of the strain gauges must maintain its properties under the influence of elevated temperatures and unsteady heat fluxes. Therefore, the value of the temperature coefficient of resistance (TCR) of the material used strain gauges should be close to zero in a wide temperature range. As the material of the strain gauge layer, an alloy X20H75YU is usually used. However, the best results can be obtained by the proposed method using an amorphous Ni-Ti compound.
Пятый слой - контактная группа (площадки, перемычки, проводники). К нему предъявляются следующие требования: низкое удельное сопротивление; хорошая адгезия и низкое переходное сопротивление с материалом тензорезистора; малый уровень тепловой и электромиграции; хорошая свариваемость с выводными проводниками при минимальной толщине; широкий диапазон рабочих температур; низкий уровень окисления при воздействии рабочих температур и во времени. В качестве контактной группы может быть структура V-Au.The fifth layer is the contact group (pads, jumpers, conductors). The following requirements are imposed on it: low resistivity; good adhesion and low transition resistance with a strain gauge material; low level of heat and electromigration; good weldability with lead-out conductors with a minimum thickness; wide range of operating temperatures; low oxidation when exposed to operating temperatures and over time. As the contact group may be the structure of V-Au.
После формирования гетероструктуры с использованием фотолитографии и травления формируют мостовую измерительную цепь тонкопленочной НиМЭМС тензорезисторного датчика давления, как например, в [3].After the heterostructure is formed using photolithography and etching, a bridge measuring circuit of a thin-film NiMEMS strain gauge pressure sensor is formed, as, for example, in [3].
Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что тензорезистивный слой формируют методом магнетронного распыления в вакуумной камере с одновременным использованием карусели 19 и двух мишеней 16 и 17 из никеля (Ni) и титана (Ti), в среде рабочего газа аргона. В качестве материалов мишеней 16 и 17 может использоваться никель 99,99% чистоты и титан 99,9% чистоты. По данному способу упругий элемент - мембрану 6 (фиг.2) со сформированным на нем диэлектрическим слоем - слоями 25 и 26 (фиг.4) устанавливают на карусель 19 (фиг.3). Карусель 19 с установленным на ней упругим элементом 6 нагревают до температуры 180-200°C, создают давление аргона 6,5·10-3 мм рт.ст., а затем вращают карусель 19 (фиг.3) с упругим элементом 6 (фиг.2) со скоростью 50-60 об/мин в течение 10 минут. При этом задают плотности токов в зонах распыления первой 16 и второй 17 мишеней (фиг.3), исходя из отношения , где jNi и jTi - плотности токов магнетронного разряда на мишенях из Ni и Ti. После этого упругий элемент 6 с нанесенным на него тензорезистивным слоем выдерживают в вакууме при температуре 370°C в течение 5-6 часов.A distinctive feature of the proposed method is that the resistive layer is formed by magnetron sputtering in a vacuum chamber while using a
Мишени 16 и 17 (фиг.3) выполняют одинаковой толщины (к примеру, 6 мм) и одинаковым радиусом (к примеру, rTi=rNi=6 см). Упругий элемент - мембрану 6 со сформированными на ней диэлектрическими слоями 25 и 26 (фиг.4) удобно помещать в держатели подложек 21, после чего их устанавливают на карусель 19. Расстояние от магнетронных источников распыления - мишеней 16 и 17 до держателей подложек 21 с упругим элементом 6 устанавливается равным h=0,05 м. Перед напуском аргона в вакуумную камеру и созданием среды рабочего газа (аргона) камеру вакуумируют до давления остаточных газов не более 2·10-5 мм рт.ст.
Плотности токов jNi и jTi в зонах распыления первой 16 и второй 17 мишеней (фиг.3) задают блоком управления режимами магнетронного распыления. После установления режима магнетронного распыления включают вращение карусели 19 (фиг.3) с упругим элементом 6 (фиг.2) с заданной скоростью и временем. Упругий элемент 6 с нанесенным на него тензорезистивным слоем выдерживают в вакууме при температуре 370°C в течение 5-6 часов для стабилизации параметров (ТКС и сопротивления).The current densities j Ni and j Ti in the spray zones of the first 16 and second 17 targets (Fig. 3) are set by the magnetron sputtering mode control unit. After the magnetron sputtering regime is established, the carousel 19 (FIG. 3) is rotated with the elastic element 6 (FIG. 2) at a given speed and time. The
Экспериментально установлено, что пленки (тензорезистивные слои) Ni-Ti толщиной ~70 нм получаются при расположении карусели на расстоянии 0,05 м от мишеней из никеля (Ni) и титана (Ti), нагревании упругого элемента со сформированным на нем диэлектрическим слоем до температуры 180-200°C, создании давления аргона 6,5·10-3 мм рт.ст., вращении карусели со скоростью 50-60 об/мин в течение 10 минут, а затем выдержки упругого элемента с нанесенным на него тензорезистивным слоем в вакууме при температуре 370°C в течение 5-6 часов. Для этого необходимо задать плотности токов в зонах распыления исходя из отношения . При этом температурный коэффициент сопротивления (ТКС) принимает отрицательные значения от минус 10-5 °C-1 до минус 5·10-6 °C-1 (в диапазоне температур от минус 70°C до 200°C). Удельные поверхностные сопротивления ρS образцов с тензорезистивными слоями Ni-Ti составили ~30 Ом/квадрат. Эксперимент проводился при плотности тока на мишени из Ti, jTi=1·10-3 [А/см2] и плотности тока на мишени из Ni: jNi=0,3jTi=0,3·10-3 [А/см2].It has been experimentally established that Ni-Ti films (strain-resistant layers) of a thickness of ~ 70 nm are obtained by arranging a carousel at a distance of 0.05 m from nickel (Ni) and titanium (Ti) targets, heating an elastic element with a dielectric layer formed on it to a temperature 180-200 ° C, creating argon pressure of 6.5 · 10 -3 mm Hg, rotating the carousel at a speed of 50-60 rpm for 10 minutes, and then holding the elastic element coated with a strain gauge layer in vacuum at a temperature of 370 ° C for 5-6 hours. For this, it is necessary to set the current densities in the spray zones based on the ratio . In this case, the temperature coefficient of resistance (TCS) takes negative values from minus 10 -5 ° C -1 to
Плотности токов jNi и jTi, на мишенях из Ni и Ti (плотности ионных токов на мишенях в сечении, перпендикулярном направлению падения ионов), определялись по формуле:The current densities j Ni and j Ti , on targets of Ni and Ti (the density of ion currents on targets in a cross section perpendicular to the direction of incidence of ions), were determined by the formula:
где I - ток магнетронного разряда, A; S - площадь распыляемой поверхности мишени, см2.where I is the magnetron discharge current, A; S is the area of the sprayed surface of the target, cm 2 .
Площади распыляемой поверхности мишени определялись из выражения (фиг.5):The area of the sprayed surface of the target was determined from the expression (figure 5):
В конкретном случае площади распыления имели значения: для мишени титана (Ti) - 83,7 см2, для мишени никеля (Ni) - 52,8 см2.In a specific case, the sputtering areas had the following values: for a target of titanium (Ti) - 83.7 cm 2 for a target of nickel (Ni) - 52.8 cm 2 .
Полученное низкое значение ТКС объясняется следующим образом. Двухкомпонентные пленки, такие как Ni-Ti, полученные одновременным распылением чистых металлов, имеют аморфную дисперсную структуру. Наличие дисперсности в структуре пленок позволяет в первом приближении рассматривать их электросопротивление как суммарное сопротивление отдельных гранул и барьеров между ними (правило Матиссена [4]), при котором характер общего сопротивления определяет величину ТКС. В чистой пленке никеля (Ni) преобладающим является сопротивление самих зерен, проводимость пленки имеет металлический характер и ТКС в связи с этим положительный. С другой стороны, в чистой пленке титана (Ti) сопротивление обусловлено прохождением электронов через промежутки между зернами, проводимость носит полупроводниковый характер и ТКС в связи с этим уменьшается до значений от минус 10-5 °C-1 до минус 5·10-6 °C-1.The obtained low value of TCS is explained as follows. Bicomponent films, such as Ni-Ti, obtained by simultaneous spraying of pure metals, have an amorphous dispersed structure. The presence of dispersion in the structure of the films makes it possible to consider, to a first approximation, their electrical resistance as the total resistance of individual granules and the barriers between them (Matisen rule [4]), in which the nature of the total resistance determines the value of the TCS. In a pure nickel (Ni) film, the resistance of the grains themselves is predominant, the conductivity of the film is metallic and the TCR is therefore positive. On the other hand, in a pure titanium (Ti) film, the resistance is due to the passage of electrons through the gaps between the grains, the conductivity is semiconductor in nature and the TCS is therefore reduced to values from minus 10 -5 ° C -1 to
Таким образом, при отношении плотностей токов на мишенях из Ni и Ti получается отрицательное значение ТКС менее минус 10-5 °C-1 (величины поверхностного сопротивления пленок Ni-Ti получаются ~30 Ом/квадрат), что лучше, чем у аналогов и прототипа. При соблюдении указанного отношения представляется возможным изготавливать тензорезистивные слои Ni-Ti с низким отрицательным значением ТКС, а следовательно и тензорезисторы, с низкой температурной чувствительностью. Благодаря отрицательным значениям ТКС тензорезисторов, получаемых по предлагаемому способу из пленки Ni-Ti, представляется возможным осуществлять компенсацию температурной погрешности мостовой измерительной цепи, в которой имеются навесные элементы с положительными значениями ТКС.Thus, with respect to current densities on targets from Ni and Ti, a negative TCS value of less than minus 10 -5 ° C -1 is obtained (the surface resistance of Ni-Ti films is ~ 30 Ohm / square), which is better than that of analogues and prototype. Subject to the indicated relationship, it seems possible to produce Ni-Ti strain gauge layers with a low negative TCR value, and hence strain gauge resistors, with low temperature sensitivity. Due to the negative values of the TCS of the strain gages obtained by the proposed method from the Ni-Ti film, it seems possible to compensate for the temperature error of the bridge measuring circuit, in which there are mounted elements with positive values of the TCS.
Предлагаемый способ изготовления тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы высокотемпературного датчика механических величин выгодно отличается от известных ранее. С его помощью представляется возможным расширить температурный диапазон работы датчика, повысить воспроизводимость таких параметров тензорезисторов, как электрическое сопротивление и температурный коэффициент сопротивления (ТКС), снизить температурную чувствительность датчиков. А в итоге - изготавливать датчики механических величин на основе тонкопленочных НиМЭМС с более низкой температурной погрешностью в широком диапазоне температур. Данный способ может найти широкое применение для изготовления тонкопленочных НиМЭМС датчиков механических величин (давления, силы, ускорения и др.).The proposed method of manufacturing a thin-film nano- and microelectromechanical system of a high-temperature sensor of mechanical quantities compares favorably with those previously known. With its help, it seems possible to expand the temperature range of the sensor, increase the reproducibility of such parameters of strain gauges as electrical resistance and temperature coefficient of resistance (TCS), reduce the temperature sensitivity of the sensors. And in the end - to produce mechanical value sensors based on thin-film NiMEMS with a lower temperature error in a wide temperature range. This method can be widely used for the manufacture of thin-film NiMEMS sensors of mechanical quantities (pressure, force, acceleration, etc.).
Источники информацииInformation sources
1. Belozubov Е.М., Vasil′ev V.A., Gromkov N.V. Thin-film nano- and micro-electromechanical systems - the basis of contemporary and future pressure sensors for rocket and aviation engineering // Measurement Techniques. - USA, New York: Springer, 2009. - V.52. - N7 - P.739-744.1. Belozubov E.M., Vasil′ev V.A., Gromkov N.V. Thin-film nano- and micro-electromechanical systems - the basis of contemporary and future pressure sensors for rocket and aviation engineering // Measurement Techniques. - USA, New York: Springer, 2009 .-- V. 52. - N7 - P.739-744.
2. Волохов И.В., Песков E.B., Попченков Д.В. Патент РФ №2326460 H01C 17/00, G01L 7/08. Способ изготовления высокотемпературного тонкопленочного резистора. Опубл. 10.06.2008. Бюл. №16.2. Volokhov IV, Peskov E.B., Popchenkov D.V. RF patent No. 2326460
3. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Чернов П.С. Патент РФ №2398195 G01L 9/04, В82B 3/00. Способ изготовления нано- и микроэлектромеханической системы датчика давления и датчик давления на ее основе. Опубл. 27.08.2010. Бюл. №24.3. Belozubov EM, Vasiliev V.A., Chernov P.S. RF patent No. 2398195
4. Пасынков В.В., Сорокин B.C. Материалы электронной техники Учеб. для студ. вузов по спец. электронной техники. 3-е изд. - СПб.: Издательство «Лань», 2001. - 368 с.4. Pasynkov V.V., Sorokin B.C. Materials of electronic technology Textbook. for stud. universities for special. electronic technology. 3rd ed. - St. Petersburg: Publishing House "Lan", 2001. - 368 p.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014100411/28A RU2547291C1 (en) | 2014-01-09 | 2014-01-09 | Method to manufacture thin-film nano and microelectromechanical system of high temperature sensor of mechanical values |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014100411/28A RU2547291C1 (en) | 2014-01-09 | 2014-01-09 | Method to manufacture thin-film nano and microelectromechanical system of high temperature sensor of mechanical values |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2547291C1 true RU2547291C1 (en) | 2015-04-10 |
Family
ID=53296257
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014100411/28A RU2547291C1 (en) | 2014-01-09 | 2014-01-09 | Method to manufacture thin-film nano and microelectromechanical system of high temperature sensor of mechanical values |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2547291C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1615578A1 (en) * | 1988-10-10 | 1990-12-23 | Предприятие П/Я А-1891 | Pressure-transducer |
RU2326460C1 (en) * | 2007-01-23 | 2008-06-10 | ФГУП "НИИ физических измерений" | Method of manufacture of high-temperature thin-film resistor |
RU2398195C1 (en) * | 2009-08-26 | 2010-08-27 | Евгений Михайлович Белозубов | Method of making nano- and micro-electromechanical pressure sensor system and pressure sensor based on said system |
RU2427810C1 (en) * | 2010-05-13 | 2011-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Pressure sensor of increased sensitivity based on nano- and microelectromechanical system with thin-film resistance strain gauges |
-
2014
- 2014-01-09 RU RU2014100411/28A patent/RU2547291C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1615578A1 (en) * | 1988-10-10 | 1990-12-23 | Предприятие П/Я А-1891 | Pressure-transducer |
RU2326460C1 (en) * | 2007-01-23 | 2008-06-10 | ФГУП "НИИ физических измерений" | Method of manufacture of high-temperature thin-film resistor |
RU2398195C1 (en) * | 2009-08-26 | 2010-08-27 | Евгений Михайлович Белозубов | Method of making nano- and micro-electromechanical pressure sensor system and pressure sensor based on said system |
RU2427810C1 (en) * | 2010-05-13 | 2011-08-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Pressure sensor of increased sensitivity based on nano- and microelectromechanical system with thin-film resistance strain gauges |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Тонкоплёночные тензорезисторные датчики давления - изделия нано- и микросистемной техники. Белозубов Е.М. и др. Нано- и микросистемная техника, 2007, N12, с.49-51 * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4276535A (en) | Thermistor | |
CN111689457B (en) | Gas sensor based on temperature compensation structure | |
JP6954999B2 (en) | How to make a sensor, the sensor, and the use of the sensor | |
Resnik et al. | Microstructural and electrical properties of heat treated resistive Ti/Pt thin layers | |
Wang et al. | High temperature sensors fabricated on Al2O3 ceramic and nickel-based superalloy substrates | |
RU2326460C1 (en) | Method of manufacture of high-temperature thin-film resistor | |
RU2547291C1 (en) | Method to manufacture thin-film nano and microelectromechanical system of high temperature sensor of mechanical values | |
JP4622946B2 (en) | Resistance thin film material, sputtering target for forming resistance thin film, resistance thin film, thin film resistor, and manufacturing method thereof. | |
RU2544864C1 (en) | Method of manufacturing of thin film nano- and microelectromechanical system of mechanical values transmitter | |
RU2548380C1 (en) | Method of manufacturing of heat-resistant nano and microelectromechanical system of mechanical value transmitter | |
KR101695590B1 (en) | ELECTRODE FOR WATER TREATMENT WITH DIAMOND COATING LAYER ON Ti SUBSTRATE AND MANUFACTURING METHOD THREREOF | |
CN101203074A (en) | Ultra-alloy minitype heater and method for making | |
RU2554083C1 (en) | Manufacturing method of nano- and micro-sized system of sensor of physical values with specified positive temperature coefficient of resistance of resistive elements | |
Gregory et al. | A low TCR nanocomposite strain gage for high temperature aerospace applications | |
Ayerdi et al. | Ceramic pressure sensor based on tantalum thin film | |
Duan | High Temperature Sensors for Intellegent Aero-Engine Applications | |
Park et al. | Pt heating electrode for microheater based on electrochemically prepared anodic porous alumina | |
Huang et al. | Research on platinum film resistance temperature sensing method | |
US9709453B2 (en) | Pressure sensor and method for manufacturing the same | |
Gierczak et al. | Fabrication and characterization of mixed thin-/thick-film thermoelectric microgenerator based on constantan/chromium and silver arms | |
JP2015210201A (en) | Thermal air flow rate sensor | |
CN114122540B (en) | Temperature detector, preparation method thereof and lithium battery structure combination | |
Azerou et al. | Temperature coefficient of thin film resistance temperature detectors for improved heat flux sensors | |
JP3288241B2 (en) | Resistive material and resistive material thin film | |
RU2750503C1 (en) | Method for producing a multilayer thin-film heterostructure with a given value of specific surface resistance |