Разработка датчика давления

метки: Датчик, Разработка, Коэффициент, Пластина, Формула, Помощь, Температура, Схема

Мир датчиков чрезвычайно разнообразен. Это обусловлено целым рядом причин главной из которых является глобальное вхождение в нашу жизнь электроники, автоматизированных систем и механизмов, роботов и великого множества другой техники требующей постоянного контроля параметров. Вследствии вышесказанного можно сделать вывод, что предложенная тема курсового проекта является весьма актуальной и востребованной.

Разрабатываемый датчик давления представляет собой конструкцию, содержащую внешнюю металлическую гофрированную мембрану, воспринимающую внешнее воздействующее на датчик давление и передающую его чувствительному элементу — плоской кремниевой мембране, на которой сформированы четыре тензорезистора, соединенных в мостовую схему. Передача давления от внешней металлической мембраны к кремниевой осуществляется через несжимаемую жидкость, которая заполняет межмембранную полость датчика.

Необходимость применения внешней разделительной металлической мембраны и, соответственно, несжимаемой жидкости обусловлена защитой чувствительной кремниевой мембраны от непосредственного воздействия на нее агрессивных сред и высоких температур, которые приводят к ухудшению метрологических свойств и надежности датчика.

В составе датчика необходимо также продумать расположение усилителя для увеличения мощности выходного сигнала.

1. Анализ исходных данных и формирование расширенного технического задания

1. Диапозон измеряемых давлений не уже 0-0,2 атмосферы;

2. Выходное напряжение при номинальном давлении не менее 0,5В;

3. Напряжение питания 10В;

4. Диапозон рабочих температур от минус 20О до плюс 50ОС;

5. Габаритные размеры датчика не более мм;

6. Определим чувствительность к давлению мембранного преобразователя с мостовой тензорезистивной схемой:

, (1.1)

где -выходное напряжение при номинальном давлении, мВ;

• напряжение питания, В;
• номинальное давление, кПа;
• (мВ/(кПа*В);

7. Температурный дрейф нуля:

, (1.2)

примем ;

8. Температурный коэффициент чуствительности датчика:

,(1.3)

принимаем ;

9. По всей длине полупроводниковых тензорезисторов деформация от воздействия усилия должна быть постоянной;

10. Корпус и воспрингимающая мембрана должны быть выполнены из материала стойкого к агрессивным средам (нефть, аммиак, бензин, кислоты);

2. Выбор и обоснование выбираемых материалов и конструкций

Датчики управления двигателем автомобиля

... являются датчики положения распределительного и коленчатого валов, дроссельной заслонки, датчик скорости автомобиля, датчик клапана ... -- сенсорное напряжение; г -- планарный нагреваемый датчик концентрации кислорода Bosch; д, е -- универсальный нагреваемый датчик Bosch; д ... очередь датчик концентрации кислорода, а также датчики массового расхода воздуха и давления). Оптимизация ... этого реферата очень ...

При проектировании любой конструкции особо важное внимание следует уделять материалу из которого будет изготовлено устройство. В нашем случае к материалу предъявляются особо строгие требования из-за условий в которых теоретически придётся работать нашему датчику ( аммиак, кислоты, бензин, нефть).

Вследствии этого необходимо выполнение сразу нескольких условий. Материал должен быть:

• Химически стойким к опредлённым видам воздействий;
• Обладать достаточной прочностью;
• Хорошо обрабатываться;
• Достаточную пластичность в закаленном состоянии и высокие механические свойства после термомеханической обработки имеют дисперсионно-твердеющие сплавы на железоникелевой основе.

Химический состав, технические характеристики и примерное назначение наиболее распространенных сплавов 36НХТЮ, 36НХТЮ5М, 42НХТЮ, 44НХТЮ, 36НХТЮМ8, 40КНХМВТЮ приведены в таблице 1, а их механические и физические свойства — в таблице 2

Таблица 1

Химический состав, технические характеристики и примерное назначение сплавов для изготовления УЧЭ

Сплав	Химический состав	Технические характеристики	Примерное назначение
1	2	3	4
42НХТЮ	5,1-5,9 Cr; 41,57-43,5 Ni; 0,5-1,0 Al; 2,4-3 Ti; Fe — остальное	Дисперсионно-твердеющий с низким температурным коэффициент упругости до +100?С	УЧЭ, работающие до +100?С
44НХТЮ	5,2-5,8 Cr; 43,5-45,5 Ni; 0,4-0,8 Al; 2,2-2,7 Ti; Fe — остальное	Дисперсионно-твердеющий с низким температурным коэффициент упругости до (+180 — 200)?С	УЧЭ, работающие до +200?С
36НХТЮ	0,8-1,2 Mn; 11,5-13,0 Ni; 35-37 Cr; 0,9-1,2 Al; 2,7-3,2 Ti; Fe — остальное	Дисперсионно-твердеющий, немагнитный, коррозионностойкий, устойчив к агрессивным средам (парам и растворам азотной кислоты и т.д.)	УЧЭ (сильфоны, анероидные коробки, колпачки, мембраны и т. д.), работающие до +200?С
36НХТЮ5М	0,8-1,2 Mn; 12,5-13,5 Cr; 35-37 Ni; 1,0-1,3 Al; 2,7-3,2 Ti; 4-6 Mo; Fe — остальное	Коррозионностойкий, дисперсионно-твердеющий	УЧЭ, работающие до +400?С
36НХТЮМ8	0,8-1,2 Mn; 12,5-18,5 Cr; 35-37 Ni; 1,0-1,3 Al; 2,7-3,2 Ti; 7-9 Mo; Fe — остальное	Коррозионностойкий в условиях тропического климата и других агрессивных сред	УЧЭ, работающие до (+400+500) ?С
40КНХМВТЮ	1,8-2,2 Mn; 11,5-13,0 Cr; 18-20 Ni; 0,2-0,5 Al; 1,5-2,0 Ti; 3-4 Mo; 39-41 Со; 6-7 W; Fe — остальное	Коррозионностойкий; немагнитный; с высоким модулем нормальной упругости; высокопрочный	Для заводных пружин наручных часов. Применяется после наклепа и последующего отпуска

Таблица 2

Механические и физические свойства сплавов для изготовления УЧЭ

Сплав	Механические свойства	Физические свойства
	уВ	ут	, %	HB	Е, МПа	В, Дж/(см*с*К)	Э. ср., С	, г/см3	, мкОм*м
	МПа					100	200
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11
42НХТЮ	1250	800	20	310	—	0,146	9,5	10,8	—	1,0
44НХТЮ	1200	800	20	300		0,154	8,0	9,0		0,98
36НХТЮ	1400 1650	1300 1450	812	330350	190000 200000	—	1214	—	7,9	0,91,0
36НХТЮ5М	1400 1750	1300 1600	510	400 420	200000 210000	0,154	1213	9,0	8,0	1,0 1,1
36НХТЮМ8	1400 1900	1300 1600	510	420 450		—		—	8,3
40КНХМВТЮ	2000 2200	1900 2200	46	550 600	220000		1415		8,5

Из приведённых в таблице свойств различных материалов видно, что для нашего случая наиболее подходит сплав 36НХТЮ. Из этого материала мы будем выполнять как воспринимающую мембрану, так и сам корпус датчика.

3. Конструкторские расчёты

3.1 Расчёт упругого элемента

На схему подаётся стабилизированное напряжение питания Еп=10В, тогда при приведённых величинах сопротивления на диагонали моста будет подаваться напряжение:

1) Деформацию одного тензорезистора при номинальной нагрузке, когда все 4 плеча моста активны, можно определить по следующей формуле:

(3.1.1)

Напряжение моста должно быть больше на 12%, поэтому:

2) В качестве упругого элемента будем использовать плоскую квадратную мембрану. Форма упругого элемента зависит от ориентации монокристалла. В нашем случае [1-1-0]. Сторону квадрата примем равной 2 мм.

При выборе радиуса кремниевой мембраны необходимо учитывать следующие ограничения:

• следует проверить соотношение между толщиной и радиусом кремниевой мембраны из (4).

  Для плоской мембраны должно выполняться соотношение ;

• величина радиуса и соответствующая этому радиусу толщина кремниевой мембраны должна обеспечивать изготовление мембраны традиционными методами микроэлектроники (например, изотропным травлением).

• слишком тонкая мембрана механически менее прочна по сравнению с более толстой и может иметь большую погрешность изготовления (по толщине);
• меньший радиус кремниевой мембраны предпочтительнее с точки зрения возможности получения большего количества мембран с одной кремниевой пластины и, соответственно, меньшей ее стоимости.

Типичные значения радиуса кремниевой мембраны лежат в пределах 0,5.10-3 — 2,0.10-3 м, а толщины — 10.10-6 — 100.10-6 м.

3) Связь относительной деформации тензорезистора, расположенного на плоской кремниевой мембране, с внешним давлением, воздействующим на плоскую кремниевую мембрану, выражается соотношением

, где(3.1.2)

• относительная деформация тензорезистора, расположенного на плоской круглой мембране;
• модуль упругости (модуль Юнга) материала мембраны для кристаллографической ориентации (для нашего случая =1,9·104 , Па;
• радиус плоской круглой мембраны, м;
• толщина плоской круглой мембраны, м;
• эффективное давление, воздействующее на кремниевую мембрану (составляет 98-99% от давления, воздействующего на датчик, что связано с потерями на вязкое трение в несжимаемой жидкости и о стенки межмембранной полости), Па.

4) С учетом приведённых выше выражений толщина кремниевой мембраны, обеспечивающая необходимую деформацию тензорезисторов (а значит и необходимый уровень выходного сигнала преобразователя) при воздействии номинального давления будет высчитываться по следующей формуле:

, мм(3.1.3)

(мм)

5) Прогиб центра кремниевой мембраны под воздействием на нее номинального эффективного давления

, где (3.1.4)

• коэффициент Пуассона (=0,184)

мм

6) Объем, который заполнится несжимаемой жидкостью при прогибе кремниевой мембраны под воздействием номинального эффективного давления при условии, что прогиб мембраны описывается параболой

, (3.1.5)

мм3

8) Т.к. полость между кремниевой мембраной и разделительной металлической гофрированной мембраной заполнена несжимаемой жидкостью, то прогиб центра разделительной металлической гофрированной мембраны под воздействием номинального эффективного давления может быть найден из равенства вытесняемых объемов обеими мембранами

,(3.1.6)

где — радиус разделительной металлической гофрированной мембраны (выбирается из анализа исходных данных, а именно габаритных размеров датчика).

Для нашего случая примем Ra=30мм.

,мм

3.2 Выбор способа гофрировки воспринимающей мембраны

Для каждого варианта конструкции металлической мембраны рассчитывается эквивалентное давление для максимальной величины (при воздействии номинального эффективного давления) прогиба металлической мембраны

, Па(3.2.1)

где — модуль упругости материала металлической мембраны, Па;

• толщина металлической мембраны, м;

, — коэффициенты, зависящие от параметров гофрировки мембраны:

(3.2.2)

(3.2.3)

где ; (3.2.4)

, — коэффициенты, зависящие от профиля гофрированной мембраны, определяемые из таблицы 1.

• коэффициент Пуассона материала металлической гофрированной мембраны.

,-поправочные коэффициенты гофрировки, зависящие от относительного радиуса жёсткого центра и .

1) Рассмотрим вариант конструкции мембраны с пологим синусоидальным профилем.

Профиль

Самостоятельно выбираем параметры гофрировки:

• H=1мм-глубина гофрировки;
• hм=0,15мм-толщина металлической мембраны;

Рассчитываем коэффициенты гофрировки:

;

;

• Рассчитываем б по формуле (3.2.4):

Т.к. в нашем датчике в центре гофрированной мембраны будет использоваться жёсткий центр, то рассчитываем относительный радиус жёсткого центра:

, (3.2.5)

где -радиус жёсткого центра, мм.

Выбираем поправочные коэффициенты параметров гофрировки (из методических указаний в электронном виде).

Далее рассчитываем коэффициенты a и b зависящие от параметров гофрировки:

Теперь у нас есть все данные для расчёта pЭКВ по формуле (3.2.1):

(Па)

Для анализа и выбора оптимальной конструкции металлической гофрированной мембраны построим график зависимости эквивалентного давления от прогибов центра металлической мембраны:

2) Рассмотрим вариант конструкции мембраны с пильчатым профилем гофрировки;

Профиль

Самостоятельно выбираем параметры гофрировки:

• H=1мм-глубина гофрировки;
• hм=0,15мм-толщина металлической мембраны;
• угол наклона гофрировки;

Рассчитываем коэффициенты гофрировки:

;

• Выбираем поправочные коэффициенты (из методических указаний в электронном виде).

Далее рассчитываем коэффициенты a и b зависящие от параметров гофрировки:

Теперь у нас есть все данные для расчёта pЭКВ по формуле (3.2.1):

(Па)

Для анализа и выбора оптимальной конструкции металлической гофрированной мембраны построим график зависимости эквивалентного давления от прогибов центра металлической мембраны:

Из графиков видно, что зависимость эквивалентного давления от величины прогибов металлической мембраны практически полностью линейна, а значит линейным будет и упругая характеристика .

Проанализировав полученные данные приходим к выводу, что в проектируемом нами датчике необходимо использовать пильчатый профиль гофрировки воспринимающей металлической мембраны.

3.3 Расчёт технологических режимов процессов для формирования тензорезисторов

Для формирования тензорезисторов будем проводить диффузию бора в две стадии: загонки и разгонки.

Исходные данные для проведения загонки бора выбираются согласно известной методике: Т1=1000C, NS=2·1020см-3, D1=5·10-14см2/c, t=10 мин.

Рассчитаем количество примеси при загонке, используя формулу

(3.3.1)

где Ns — поверхностная концентрация при температуре загонки, см-3; D1 — коэффициент диффузии при загонке, определяется по графику с учетом температуры, см2/с; t1 — время загонки, с.

Для проведения разгонки бора выбираем температуру T2=1150 C и время t2=40 мин.

Коэффициент диффузии при разгонке определяется по графику с учетом температуры и равен D2=6·10-13см2/с.

Условием образования р-n перехода является равенство концентраций примеси в исходной подложке NO и примеси N(x, t), полученной в результате разгонки. Из этого условия можно определить глубину залегания p-n перехода

(3.3.2)

где D2 — коэффициент диффузии при разгонке, см2/с; t2 — время разгонки, с; No — концентрация примеси в пластине, см-3; Xj — глубина залегания р-n перехода, см.

Концентрацию примеси в пластине рассчитаем по формуле

(3.3.3)

где е — заряд электрона, 1.6

• 10-19 Кл;
• n — подвижность электронов (1450 см2/В·с);

• удельное сопротивление материала пластины, 4.5 Ом·см.

Глубина залегания р-n перехода

(3.3.4)

где (3.3.5)

Для расчета поверхностного сопротивления воспользуемся номограммой для определения проводимостей полупроводниковых областей, полученных диффузией акцепторной примеси. Номограммы позволяют найти усредненную удельную объемную проводимость резистивного слоя в зависимости от поверхностной концентрации примесей N’s, концентрации примесей в исходном материале (эпитаксиальном слое) No и глубины р-n перехода Xj .

В данном случае проводимость равна =70 (Ом·см)-1.

Удельное сопротивление квадрата резистивного слоя

Ом

3.4 Расчёт геометрических размеров тензорезисторов

Определим ширину тензорезисторов:

Врасчmax{Втех, Вточн, Вр}, (3.4.1)

где Втех — минимальная ширина резистора, определяемая разрешающей способностью технологических процессов, Втех=4 мкм;

• Вточн — минимальная ширина резистора, при которой точность его изготовления равна заданной;
• Вр — минимальная ширина резистора, определяемая максимально допустимой рассеиваемой мощностью.

(3.4.2)

где — абсолютная погрешность ширины резистивной полоски, обусловленная в основном процессами литографии.

Для типовых технологических процессов можно принимать =0,4мкм, R/R=10%.

(3.4.3)

где P0 — максимально допустимая мощность рассеивания, выбирается в зависимости от типа корпуса микросхемы и условий ее эксплуотации в пределах 0,5…4,5 Вт/мм2, в данном случае Р0=4,5 Вт/мм2;

Минимальная ширина резистора ВР определяется исходя из максимально допустимой рассеиваемой мощности по формуле

(3.4.4)

где Ро — максимально допустимая мощность рассеивания, выбирается в зависимости от типа корпуса микросхемы и условий ее эксплуатации в пределах 0.5 4.5 Вт/мм2, в данном случае Ро=4.5 Вт/мм2; Р — средняя мощность, рассеиваемая резистором

Таким образом, ширина резистора должна быть не менеe 27 мкм. Ширина резистора на фотошаблоне

(3.4.5)

где dok — толщина маскирующего слоя, равна 0,5 мкм; а — коэффициент, учитывающий боковую диффузию, равный 0.8 мкм; k — коэффициент, связывающий боковое подтравливание маскирующего окисла с его толщиной, равный 0.85 мкм; ho — толщина резистивного слоя, равная глубине залегания р-n перехода 2.4 мкм.

Вычислим ширину резистора на фотошаблоне

В=27-2·(0.85·0.5+0.8·2.4)=22.3 мкм.

Принимаем ширину резистора на фотошаблоне равной 23 мкм.

Длина резистора на фотошаблоне равна

(3.4.6)

где Кф — коэффициент формы, который находится из выражения

(3.4.7)

где КР — коэффициент, учитывающий растекание тока в контакте и равен 0.65 для контактов сложной конфигурации.

Коэффициент формы равен

Находим длину резистора на фотошаблоне I=23·7.03=161.69162 мкм.

Длина резистора на кристалле должна быть

(3.4.8)

IP = 27

• 7.03 = 189.8 мкм.

Примем I = 190 мкм.

Для разработки фотошаблонов и топологического чертежа будем учитывать, что размеры контактного окна 4х4 мкм, размеры внешних контактных площадок 75х75 мкм.

4. Разработка топологии кристалла

Упругие чувствительные элементы могут выполняться в различных исполнениях, различающихся по форме, толщине, используемому материалу. Возможно выполнение ЧЭ в виде круга, квадрата, восьмиугольника и некоторых других форм. В нашем случае используется квадратная форма кристалла.

В зависимости от расположения и формы тензорезисторов, а также ориентации и типа проводимости монокристалла кремния можно в значительных пределах управлять чувствительностью. В следствии этого при разработки топологии кристалла важно правильно выбрать расположение интегральных тензорезисторов. Кроме этого необходимо соблюдать ряд правил важных при разработке любого устройства в интегральном исполнении.

1. Каждый элемент должен размещаться в отдельной изолированной области, в изолированных областях располагаются также внешние контактные площадки и пересечения токоведущих дорожек.

2. Каждая изолированная область должна занимать возможную меньшую площадь.

3. Резисторы, изготовленные на основе базовой диффузии, могут быть расположены и одной изолированной области n-типа, которая должна быть подсоединена к наибольшему положительному потенциалу системы.

4. Резисторы на основе коллекторной n-области располагают в отдельных изолированных областях.

5. Резисторы на основе эмиттерного n+-слоя могут располагаться в одной базовой р-области. соединённой с точкой схемы, имеющей наименьший потенциал.

6. Если в группе резисторов необходимо соблюсти стабильное отношение номиналов, их следует располагать рядом друг с другом.

7. Подложку р-типа следует соединить с источником отрицательной полярности.

8. Если в результате разработки топологии остались свободные участки площади, они могут быть использованы для увеличения наиболее критичных размеров элементов.

9. Исходя из вышеприведённых положений, разрабатывается топология кристалла, т.е. оптимальное размещение на кристалле элементов схемы и соединений между ними. Чертеж кристалла приведён в приложении. Элементы и соединения расположены с учетом конструктивно-технологических ограничений на минимально-допустимые размеры.

5. Составление схемы электрической принципиальной

Основные схемы включения тензорезисторов в настоящее время — потенциометрическая и мостовая. Потенциометрическую схему применяют в тех случаях, когда необходимо выделить переменную составляющую.

При помощи мостовых схем измеряют как статические, так и динамические деформации. Мостовые схемы работают как на постоянном, так и на переменном токе. Мосты постоянного тока балансируются по активному сопротивлению, например, перемещением подвижного контакта реохорда или с помощью балансировочных сопротивлений.

В нашем случае будем использовать мостовую схему включения с 4-мя активными тензорезисторами:

Использование 4-ёх активных тензорезисторов позволяет улучшить чувствительность датчика примерно в 4 раза.

Кроме этого нам необходимо при проектировании электрической схемы решить несколько задач. А именно:

1) балансировки мостовой схемы;

2) градуировки;

3) дрейфа нуля в заданном диапазоне температуры;

4) изменения чувствительности преобразователя с температурой.

Так как схема включения тензорезисторов представляет собой классический мост Уинстона, то задача балансировки сводится к вычислению балансировочного сопротивления подключаемого параллельно к одному из плеч моста.

Рассмотрим мост Уитстона (рис. 1), в котором сопротивление трех плеч одинаково и равно R, а одно из плеч имеет сопротивление R(1+), где

0<<<1. Для балансировки моста параллельно этому плечу необходимо подключить подтягивающий резистор Rt.

Рис. 1. Мост Уитстона: E — напряжение питания, Евых — выходное напряжение, Rt — подтягивающий резистор.

Сопротивление подтягивающего резистора можно найти, используя формулу для параллельного включения резисторов:

(5.1.1)

Отсюда:

(5.1.2)

В ходе технологического процесса по изготовлению тензорезистивного моста были получены следующие номиналы резисторов, измеренные при температуре Т=25 С и Т=50 С

Для R = 460 Ом, = 0,001 (отклонение в 0,1 %, т. е. один из резисторов имеет сопротивление 1001 Ом) имеем Rt = 460460 Ом ~ 461 кОм.

Влияние факторов времени, температуры, напряжения приводит к тому, что сопротивление подтягивающего резистора, вначале равное величине Rt, может измениться до величины Rt(1 + ), где << 1.

При этом изменение выходного напряжения (разбаланс моста) составит:

(5.1.3)

Производя необходимые преобразования, получим:

(5.1.4)

Знаменатель второй дроби в выражении (5.1.4) при малых значениях и близок к единице. Таким образом, влияние погрешности подтягивающего резистора тем меньше, чем лучше был изначально сбалансирован мост Уитстона (чем меньше ).

Говоря иными словами, чем большая величина сопротивления подтягивающего резистора требуется для балансировки, тем меньшие требования предъявляются к классу его точности.

В нашем случае R=460 Ом, =0,001, =0,01 (уход сопротивления подтягивающего резистора составляет 1 %), E=10 В. Тогда: по формуле (5.1.2) Rt=1001000 Ом ~ 1 МОм; по формуле (5.1.3) Eвых10000000 мкВ * 0.25 * 0.00001 = 25 мкВ.

Полученное значение величины разбаланса Eout удовлетворяет требуемой точности измерений. Использование подтягивающего резистора более высокого класса точности не требуется.

Градуировка возможна путем изменения питающего напряжения (тока) или включения параллельно выходной диагонали моста шунтирующего сопротивления. Однако наиболее приемлемым для этой цели является регулирование коэффициента усиления последующего усилителя, входящего в схему датчика. В нашем случае будем использовать ОУ и градуировку осуществлять путём регулирования коэффициента усиления. Кроме того применение ОУ позволяет частично, до необходимых пределов, компенсировать температурный дрейф нуля и температурную погрешность.

Полная электрическая принципиальная схема приведена в приложении.

6. Разработка технологии изготовления чувствительного элемента

Примерный маршрут изготовления чувствительного элемента с мембраной для датчика давления:

1. Химическая обработка пластин в смеси Каро (Н2О : Н2SО4=1:3) с последующей отмывкой в деионизованной воде в течение 4-6 минут.

2. Термическая обработка пластин в диффузионной печи при температуре Т=(11501)С в течение t=12020 мин до толщины SiO2 0.20.27 мкм в атмосфере сухого кислорода.

3. Фотолитография по двуокиси кремния со вскрытием окон для формирования терморезисторов ионным легированием.

Провести контроль ширины терморезисторов на микроскопе

В=(502) мкм

4. Ионное легирование бором для формирования р-областей. Энергия 80-100 кэВ, доза облучения 330 мкКл/см2, удельное сопротивление слоя =1000-2000 Ом/. Диффузант — флюбор ОСТ6-02-4-83.

5. Межоперационная обработка пластин перед окислением в перекисно-аммиачном растворе.

6. Термическая обработка пластин при температуре Т = (12001)С в течение t=360 мин до толщины окисла 0.8 мкм.

7. Фотолитография по окиси кремния со вскрытием окон для формирования тензорезисторов

ширина тензорезистора (232)мкм.

8. Контроль удельного поверхностного сопротивления на пластине в технологической области

S= 10001200 Ом/.

9. Межоперационная очистка пластин перед проведением операции диффузии.

10. Загонка бора для формирования области р-типа при температуре Т=(10002)С в течение t=105 мин.

11. Термическая обработка пластин при Т=(8505)С в течение t=315 мин.

12. Снятие примесно-силикатного стекла.

Травитель — см. приложение 3 (П3).

13. Межоперационная обработка перед разгонкой бора.

14. Разгонка бора при температуре Т=(11502)С в сухом кислороде в течение t=(51) мин, во влажном кислороде в течение t=(3510) мин, до получения диффузионных областей с S=60 Ом/ и глубины залегания р-n перехода (2.4 0.05) мкм.

15. Фотолитография для вскрытия контактных окон в окисле к областям резисторов.

16. Межоперационная обработка пластин перед напылением проводящего слоя.

17. Напыление пленки сплава Al + (1%) Si толщиной (11.6) мкм. Температура подложки 200 С.

18. Фотолитография по сплаву алюминий-кремний для формирования контактных площадок и разводки. Клин травления не более 1.5 мкм, уход размеров не более 2 мкм. Травитель алюминия — согласно табл. П.4.1 (приложение 4).

19. Разбраковка кристаллов по электропараметрам. Номиналы резисторов и токи утечки должны соответствовать КД.

20. Межоперационная обработка пластин.

21. Вжигание алюминия в холодной зоне диффузионной печи для формирования надежных контактов между контактными площадками и диффузионными кремниевыми слоями при температуре Т=(5501) С в течение 10 мин в атмосфере азота.

22. Напыление пленки V-Cu для формирования защитного покрытия при травлении мембраны на обе стороны пластины: адгезионный ванадий с S=(180220)Ом/, пленка меди толщиной (15)мкм.

23. Гальваническое осаждение пленки меди толщиной 1.5 мкм на обе стороны пластины с целью защиты рабочей части пластины при травлении мембраны.

24. Двухсторонняя фотолитография для формирования окна в пленке V-Cu с непланарной стороны пластины. Травитель меди и ванадия (см. табл. П.4.1).

25. Удаление маски фоторезиста плазмохимическим травлением в атмосфере кислорода.

26. Травление пленки SiO2 и монокристаллического Si на глубину

H2 = H1 — H3,

где Н1 — исходная толщина пластины, мкм; Н2 — глубина травления, мкм; Н3 — толщина мембраны в соответствии с требованиями КД.

Контролировать толщину мембраны с учетом толщины осажденной меди.

27. Травление пленки меди и пленки ванадия со всей поверхности пластины.

28. Межоперационная очистка пластин.

29. Напыление пленки Al толщиной 0.6 мкм на непланарную сторону пластины для проведения операции электроэрозионной резки.

30. Контроль внешнего вида кристаллов с отметкой бракованных маркировочными чернилами с последующей сушкой при температуре Т=(7010)С в течение t = (255) мкм.

31. Нанесение фоторезиста ФН-11СК на планарную сторону пластины с целью защиты сформированной схемы от повреждений во время электроэрозионной резки.

32. Электроэрозионная резка пластин для разделения их на кристаллы. В качестве рабочей жидкости используется 0.04 % раствор азотистого натрия, в качестве электрода — проволока ДКРНМ 0.1КТЛ63.

33. Травление пленки Al с обратной стороны кристаллов. Травитель Al (см. табл. П.4.1).

34. Очистка кристаллов в ацетоне.

35. Разбраковка кристаллов по электропараметрам проводится с помощью промежуточной тары и вакуумных пинцетов с использованием высокопроизводительного контрольного оборудования. Одновременно производится контроль внешнего вида на соответствие требованиям КД и ТД, после чего кристаллы идут на операции сборки в корпус датчика.

7. Разработка конструкции датчика и технологический процесс сборки измерительной системы

При разработке конструкции прибора необходимо учитывать ряд факторов и условий, необходимых для его нормальной работы. Прежде всего это удобство в обращении, функциональная простота, надёжность.

Разрабатываемый датчик представляет собой цилиндр диаметром 40 и высотой 35 мм, выполненный из специального материала устойчивого к агрессивным средам. По контуру датчика нарезана резьба для его установки на рабочий объект. Снизу корпуса 2 предусмотрена свободная от резьбы поверхность с насечками для удобства вкручивания. Крепеж датчика осуществляется без использования каких-либо дополнительных устройств или приспособлений. Верхняя крышка 1 позволяет более качественно закрепить воспринимающую мембрану 4, а также служит для нее защитой. Снятие электрического сигнала с датчика, а также подвод к нему питающего напряжения осуществляется с помощью трех медных жестко закрепленных выводов 8.

Технологический процесс сборки прибора производится в следующем порядке:

1. К корпусу датчика 2 с помощью верхней крышки 1 крепится воспринимающая мембрана 4. Все три детали соединяются между собой с помощью ультразвуковой сварки.

2. К держателю 9 приклеивается ЧЭ 5 и ПП 7 с припаянными элементами и готовыми контактными площадками. Выводы от ЧЭ проводятся через специальные отверстия и заливаются герметиком.

3. Наливается необходимый объём КОЖ и устанавливается держатель с приклеенными к нему ЧЭ и ПП. Крепление держателя к стенкам корпуса осуществляется с помощью ультразвуковой сварки.

4. К ПП крепятся жесткие выводы с помощью пайки.

5. Проводится настройка и регулировка датчика при воздействии известного давления. Регулировка производится с помощью подстроечного и регулировочного резистора закрепленного на ПП.

6. Снизу приваривается нижняя крышка с отверстиями, в которые вставлен диэлетрик для исключения контакта с токоведущими конструкциями. Для лучшей герметизации и защиты диэлектрика все заливается герметиком. В качестве изолирующего материала может использоваться, например резина или пластик. Выбор не принципиален так как напряжения небольшие, а диэлектрик защищен.

7. Датчик обрабатывается (шлифуется, зачищается) для последующего нарезания резьбы.