Савченко Е.Г., д.т.н. Стучебников В.М., Устинов А.А.

ЗАО «Микроэлектронные датчики и устройства», г. Ульяновск, Россия

Управление характеристиками преобразователей давления на основе структур «кремний на сапфире»

 

С повышением точности преобразователей давления актуальной становится проблема возможности влияния на метрологические характеристики преобразователей. В данной работе показано, что изменять определенные характеристики тензопреобразователей (ТП) давления на основе структур КНС [1] можно, используя комбинации различных материалов металлической мембраны и припоев.

Для исследований были изготовлены ТП с мембранами из сплавов ВТ-6, ВТ-16 и ОТ4. На мембраны были напаяны полупроводниковые чувствительные элементы (ПЧЭ) на основе КНС толщиной 100 мкм. Пайка происходила в вакууме припоем ПСр-72, а также одним из аморфных припоев марки СТЕМЕТ [2]. После пайки были изготовлены ТП давления, общий вид которых представлен на рис.1.

После сборки все тензопреобразователи прошли термоциклирование в температурном диапазоне -50…+300 0С с фиксацией значения начального выходного сигнала после каждых двух термоциклов. Изменение начального выходного сигнала ТП в результате термоциклирования отражено на рис.2.

 

 

Мембрана           (ВТ-6, ВТ-16, ОТ-4)
 

Рис. 1. Общий вид ТП давления с ПЧЭ на основе КНС.

 

 

Рис. 2. Изменение начального выходного сигнала тензопреобразователей с мембранами из различных сплавов в результате термоциклирования.

 

Из-за различия коэффициентов теплового расширения (ТКЛР) материала мембраны и подложки (сапфира) в ПЧЭ после высокотемпературной пайки возникают значительные термические напряжения, которые приводят к появлению температурной погрешности начального выходного сигнала [1].

Изменение начального выходного сигнала ТП после термоциклирования свидетельствует о релаксации термических напряжений в паяном слое. Можно предположить, что чем больше напряжений возникло после процесса пайки, тем больше изменение начальный выходной сигнал при термоциклировании. Это согласуется с данными по ТКЛР использованный титановых сплавов (Рис 3). Наименьший уход наблюдается у ТП с мембраной из сплава ОТ-;, который имеет ТКЛР наиболее близкий к сапфиру.

 

 

ОТ 4

ВТ6

ВТ16

сапфир

ТКЛР×10-6, 1/0С в диапазоне температур 20 - 100 0С

8

8.4

9.1

6.2

Рис.3.  Температурные коэффициенты линейного расширения используемых материалов.

 

В процессе исследований был выявлен ряд различий в характеристиках ТП с разными материалами мембран и используемыми припоями. Мы остановимся на двух параметрах, связанных с гистерезисными явлениями в ТП.

При снятии нагрузочной характеристики ТП при первичной подаче давления наблюдается невозврат начального выходного сигнала (гистерезис первого нагружения – ГПН); после второго и последующего нагружений невозврат начального выходного сигнала резко уменьшается и в ряде случаев становится пренебрежимо малым [3]. Важно отметить, что ГПН не связан с установкой ТП: во-первых, выходной сигнал ТП не зависит от усилия затяжки, а во-вторых, величина ГПН не изменяется после возврата с больших или меньших температур.

Оказалось, что величина ГПН и её температурная зависимость сильно изменяется при использовании различных материалов мембраны и разных припоев для соединения ПЧЭ с металлической мембраной; особенно разительна разница при отрицательной температуре (Рис.4). Видно, что использование пайки ПЧЭ СТЕМЕТом существенно улучшает характеристики ТП, работающих при отрицательных температурах.

Ещё одним параметром ТП, влияющим на его метрологические характеристики, является температурный гистерезис, т.е. разница в значениях начального выходного сигнала при определённой температуре при приближении к этой температуре со стороны более высокой или более низкой температуры [3,4]. На рис.5 показана величина температурного гистерезиса в диапазоне температур -40…+80 оС в зависимости от используемых титановых сплавов и материалов соединительного слоя.

Полученные результаты следует рассмотреть с двух точек зрения.

Во-первых, в промежуточном слое между мембраной и сапфиром припой ПСР-72 оказывается неоднородным по составу: у сапфира образуется слой с повышенным содержанием серебра, а у титанового сплава – с повышенным содержанием меди. В результате у сапфира образуется слой с пониженной твёрдостью, что может быть причиной большой величины ГПН. Слой СТЕМЕТа после пайки остаётся однородным по составу и поэтому образует более жёсткое соединение.

Во-вторых, используемые титановые сплавы  различны по структуре. Сплавы ВТ-6 и ВТ-16 являются двухфазными, а ОТ-4 – однофазным. Видимо, фазовый состав сплава и определяет величину температурного гистерезиса при пайке СТЕМЕТом. При пайке серебро-медным припоем соединительный слой компенсирует напряжения, возникающие при изменении температуры.

Таким образом, используя различные комбинации материала мембраны и припоя, можно влиять на метрологические характеристики тензопреобразователей давления и в зависимости от поставленных задач улучшать определенные параметры ТП.

Рис. 4. Гистерезис нагружения номинальным давлением при температуре

 -40 0С на приборах с различными комбинациями материалов мембраны и припоев.

Рис. 5. Температурный гистерезис в диапазоне температур -40 …+ 80 0С для приборов с различными комбинациями материалов мембраны и припоев.

 

 

 

Литература

1.     Стучебников, В.М. Структуры КНС как материал для тензо- преобразователей механических величин // Радиотехника и электроника, 2005. - Том 50. - №6. - С. 678-696.

2.     Савченко Е. Г., Стучебников В. М. Пайка чувствительных элементов в преобразователях давления на основе структур "кремний на сапфире" //  Сварочное производство, 2013 – №1. –C.23-25

3.     Стучебников В.М., Устинов А.А. Некоторые свойства тензопреобразователей давления на основе структур КНС // Радиоэлектронная техника. Межвузовский сборник научных трудов, 2013, УлГТУ.

4.     Стучебников В.М., Устинов А.А. Некоторые свойства полупроводниковых чувствительных элементов на основе структур КНС для тензопреобразователей давления. // Радиоэлектронная техника. Межвузовский сборник научных трудов, 2011, УлГТУ. – С.52-59.