Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Технология приборостроения

Диссертационная работа:

Волохов Игорь Валерианович. Технологические методики повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.14 / Волохов Игорь Валерианович; [Место защиты: Пенз. гос. ун-т]. - Пенза, 2008. - 143 с. : ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 4

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗРАБОТКИ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ТЕНЗОРЕЗИ-

СТОРНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ 12

Выводы 31

ГЛАВА 2 ПРОЦЕССЫ, ПРОИСХОДЯЩИЕ В ТОНКОПЛЕНОЧНОМ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНОМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОМ ЭЛЕМЕНТЕ ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ

  1. Анализ причин нестабильности параметров тонкопленочных тензоре-зисторов 33

  2. Анализ толщины и состава реальной тонкопленочной гетероструктуры на чувствительном элементе тензорезисторного тонкопленочного

ДД 40

  1. Процессы образования тонких резистивных пленок 46

  2. Выбор физико-математической модели электропроводности и температурного коэффициента сопротивления тонкой пленки 59

  3. Выбор физико-математической модели тензочувствительности тонкой пленки 62

2.6 Механизм образования дефекта в тонкопленочной гетерострукту-

ре 69

Выводы 76

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ИМПУЛЬСНОЙ ТОКОВОЙ ОТБРАКОВКИ ПОТЕНЦИАЛЬНО НЕНАДЕЖНЫХ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ТЕНЗОРЕЗИ-СТОРОВ

  1. Особенности применения импульсной токовой отбраковки для тонкопленочного тензорезисторного чувствительного элемента датчика давления 78

  2. Модель воздействия импульсной токовой нагрузки на тонкопленочный тензорезистор и тензомост 85

3.3 Разработка методики применения импульсной токовой отбраковки для реальной тонкопленочной гетероструктуры на чувствительном элементе

тензорезисторного тонкопленочного датчика давления 95

Выводы 102

ГЛАВА 4 ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДИКИ ПОВЫШЕНИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ПАРАМЕТРОВ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

  1. Внедрение методики импульсной токовой отбраковки в технологию изготовления реальных чувствительных элементов тензорезисторных тонкопленочных датчиков давления 103

  2. Результаты изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления с импульсной токовой отбраковкой тензосхе-

мы 106

Выводы 122

Заключение 127

Перечень принятых сокращений 129

Литература 130

ПРИЛОЖЕНИЕ А Акт внедрения технологической инструкции № 81/600 от 11.12.2000 г.

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Акт об использовании результатов кандидатской диссертации (НИИФИ)

ПРИЛОЖЕНИЕ В Акт об использовании результатов диссертационной работы (Роскосмос)

Введение к работе:

В последние десятилетия с развитием космонавтики, оборонной техники и ядерной энергетики появились насыщенные средствами автоматического контроля комплексы оборудования и объекты техники, при эксплуатации которых риск, связанный с метрологическим отказом, значителен. В определенные периоды, например, перед принятием ответственного решения, касающегося управления оборудованием или объектом техники, такой риск возрастает до крайней степени. Ошибочность информации, поступающей от датчиков на объекте, может повлечь крупные материальные потери, многочисленные человеческие жертвы. При этом доступ персонала для калибровки датчиков практически исключен на протяжении всего непрерывного технологического цикла (например, в ядерной энергетике) или вообще невозможен в случае пребывания объекта в космическом пространстве.

Особенностью работы датчиков на объектах техники с многолетним сроком эксплуатации является накопление последствий воздействия на них внешних факторов, например, проявление усталости металла в упругих чувствительных элементах, изменение свойств тонкопленочных гетероструктур под воздействием проникающего излучения и т. д. Эти последствия и скорость их нарастания зависят от места установки датчика и реального режима эксплуатации объекта техники. Как правило, эти последствия неконтроли-руемы и могут прогнозироваться лишь очень ориентировочно.

В настоящее время основную роль в системах контроля параметров энергетических установок изделий ракетно-космической техники (РКТ) играет датчиковая аппаратура в микроэлектронном исполнении. Одним из средств измерений (СИ) являются тонкопленочные тензорезисторные датчики давления (ДЦ), предназначенные для преобразования давления рабочих сред в энергетических установках изделий РКТ в электрический сигнал и выдачи информации в систему телеметрических измерений (СТИ) или систему

5 автоматического управления (САУ). К ним предъявляются достаточно жесткие требования:

надёжность в эксплуатации с вероятностью безотказной работы не менее 0,99;

стабильность метрологических характеристик в условиях эксплуатации и длительного хранения (до 20 лет);

устойчивость к воздействию рабочих сред (газообразного и жидкого кислорода, водорода, гелия, ракетного топлива);

сохранение работоспособности при воздействии внешних дестабилизирующих факторов - температуры измеряемой среды от минус 250 до +100С; перегрузочного давления на мембрану до ЗРН; пониженного давле-ния окружающей среды до 133x10" Па; относительной влажности до 95% при 40С; перепадов температуры внешней среды в диапазоне от минус 60 до +150С; вибраций и ударов.

Опыт эксплуатации ДД на изделиях РКТ показал высокую эффективность использования тонкопленочных тензорезисторных чувствительных элементов (ЧЭ) для них в СТИ и САУ энергетических установок за счет высокой чувствительности и надежности, малых габаритов и массы.

Перспективы развития РКТ, определенные в Федеральной космической программе России на период до 2015 года, предусматривают создание нового поколения ракет носителей и ракетных двигателей для них. Конструкции и режимы работ ракетных двигателей нового поколения требуют создания более надежных ДД для жестких условий эксплуатации при длительных сроках эксплуатации и хранения.

Опыт разработки, изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных ДД, созданных в 70 - 80-х годах прошлого века, показал наличие у них больших потенциальных возможностей. Актуальной задачей является разработка технологических методов повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных ДД.

Теоретические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных ученых: Осадчего Е. П., Мокрова Е. А., Ваганова В.И., Тихонова А.И., Тихоненкова В. А., Зеленцова Ю. А., Лебедева Д. В., Семенова В. А., Печерской Р. М, Васильева В. А., Аверина И. А. и других авторов. В то же время, в научно-технической литературе недостаточно отражены особенности разработки конструкции и технологии изготовления тонкопленочных тензорезисторных ДД для изделий РКТ. Требуется систематизация технологических методов повышения их надежности, необходимо сконцентрировать усилия на разработке простых, надежных и универсальных методов повышения их стабильности во времени и надёжности.

В связи с высокой стоимостью и трудоемкостью изготовления тонкопленочных тензорезисторных ДД необходимо разработать и реализовать методы отбраковки потенциально ненадежных ЧЭ.

Цель работы

Целью работы является разработка и внедрение в производство технологических методик повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления на ранних стадиях их изготовления.

Задачи диссертационной работы

Поставленная цель достигается решением следующих задач:

исследованием методов и средств повышения стабильности параметров тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления на ранних стадиях их изготовления;

исследованием механизмов образования тонких резистивных пленок, их электропроводности, температурного коэффициента сопротивления и тензочувст-вительности;

корректировкой механизма дефектообразования в тонкопленочной гетероструктуре;

\

; 7

разработкой физико-математической модели расчета допустимой величины импульсного напряжения на тонкопленочном тензорезисторе с учетом его коэффициента тензочувствительности и величины относительной деформации при подаче номинального давления на мембрану датчика;

разработкой методики импульсной токовой отбраковки тонкопленочных гетероструктур;

проведением экспериментальных исследований по влиянию импульсной токовой отбраковки на свойства тонкопленочных гетероструктур чувствительных элементов тензорезисторных тонкопленочных датчиков давления;

отработкой и внедрением методики применения импульсной токовой отбраковки по обоснованным критериям для существующих и вновь разрабатываемых датчиков давления;

1 — оценкой результатов изготовления и эксплуатации тонкопленочных

тензорезисторных датчиков давления с импульсной токовой отбраковкой' тензосхемы.

Методы исследований

Использованы основные положения физики тонких пленок, теории конденсации тонких пленок и методы математического моделирования физических процессов в тонкопленочной гетероструктуре.

Экспериментальные исследования базировались на положениях теории измерений, планировании эксперимента и статистической обработке полученных результатов.

Научная новизна работы

1. Систематизированы технологические методы повышения стабиль-
ности параметров тонкопленочных тензорезисторных чувствительных эле
ментов датчиков давления, что позволило выявить критические для качества
> датчиков технологические процессы разработать методики управления ими и

8 принять меры по повышению их управляемости и стабильности, в результате чего повышено качество и надежность датчиков,

  1. Уточнены механизмы дефектообразования в тонкопленочной гете-роструктуре на чувствительном элементе тонкопленочного тензорезисторно-го датчика давления, что обеспечило установление корреляционных зависимостей между скоростью изменения начального выходного сигнала при импульсной токовой отбраковке и уровнем изменения этой величины при дальнейшей сборке датчика,

  2. Установлены режимы импульсной токовой ступенчатой отбраковки потенциально нестабильных чувствительных элементов датчиков по обоснованным критериям, что обеспечило снижение отказов датчиков давления по нестабильности начального выходного сигнала.

На защиту выносится

  1. Технологические методики изготовления тонкопленочных тензо-резисторных чувствительных элементов на ранних стадиях изготовления, критерии для повышения стабильности параметров тонкопленочных тензоре-зисторных чувствительных элементов,

  1. Методика импульсной токовой отбраковки тонкопленочной гете-роструктуры для конструктивных вариантов чувствительных элементов датчиков давления,

  2. Результаты статистической обработки выходных параметров датчиков давления по итогам применения методики импульсной токовой отбраковки в производстве.

Практическая значимость

Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в ФГУП «НИИ физических измерений», и способствует решению актуальной научно-технической задачи - созданию технологических методов повышения стабильности параметров тонкопленочных тензоре-

9 зисторных ДЦ на ранних стадиях их изготовления. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили перейти к промышленному применению вновь разработанной методики в производстве. Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России 2000 — 2005 гг. при выполнении ОКР «Сиалон» «Разработка и освоение комплекса базовых технологических процессов изготовления чувствительных элементов датчиков давления нового поколения с применением комбинированной интегрально-пленочной технологии».

С января 1999 года по март 2001 года проводились экспериментальные исследования по отработке, опробованию и внедрению методики импульсной токовой отбраковки. Были проведены типовые испытания датчиков Вт 206 и Вт 212, изготовленных с применением вновь разработанной методики, и выпущен Отчет № 73 О-111/600от 13.03.2001г., в котором было принято решение о внедрении этой методики в конструкторскую и технологическую документацию на эти датчики.

Разработана, отработана и внедрена в опытном производстве ( Акт внедрения №81/600 от 11.12.2001) ФГУП «НИИ физических измерений» технологическая инструкция ТИ 783.25000.00155 «Методика импульсной токовой отбраковки тонкопленочных тензорезисторных ЧЭ датчиков давления».

В 2007 году был проведен анализ результатов изготовления датчиков Вт 206 и Вт 212 с применением методики импульсной токовой отбраковки и выпущены два отчета (Отчет № 3 О 108/600 от 24.04.2007 и Отчет № 75 О 301/600 от 20.08.2007, инв. №2017) по оценке результатов изготовления и эксплуатации тонкопленочных тензорезисторных датчиков с использованием методов математической статистики.

Результаты работы внедрены в технологические процессы изготовления ДЦ: ТИ 783.25000.00155; ТП 583.01188.00007; ТП 783.02100.00817; ТП 583.01188.00092; ТП 583.01188.00089.

10 Апробация .работы

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации публиковались в периодических изданиях, докладывались и обсуждались на четвертом межрегиональном совещании «Тонкие пленки в электронике» (г. Улан-Удэ, 1993 г.), научно-технической конференции «Датчики и детекторы для авиационной техники» (г. Пенза, 2003 г.), международном симпозиуме «Надежность и качество-2004» (г. Пенза, 2004 г.), научно-технической конференции «Датчики и детекторы для АЭС 2004» (г. Пенза, 2004 г.), девятой международной научно-методической конференции «Университетское образование МКУО-2005» (ПТУ, г. Пенза, 2005 г.), международной научно-технической конференции «Датчики и системы 2005» (г. Пенза, 2005 г.), семинаре «Вакуумная техника и технология 2005» (г. С-Петербург, 2005 г.), четвертой международной конференции «Авиация и космонавтика 2005» (МАИ, г. Москва, 2005 г.), второй научно-технической конференции «Прецизионное оборудование и.технологии производства мик~ ро- и радиоэлектроники» (г. Минск, 2005 г.), десятой международной научно-методической конференции «Университетское образование МКУО-2006» (ПТУ, г. Пенза, 2006 г.), всероссийской научно-технической конференции «Методы создания, исследования материалов, приборов и экономические аспекты микроэлектроники» (ПГУ, г. Пенза, 2006 г.), отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий - 2007» (г. Москва, 2007г.), научно-технической конференции «Информационно-управляющие системы -2007» (г. Королев, Моск. обл., 2007 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 22 работы, из них 9 статей в центральных (в том числе 7 из них из списка ВАК) изданиях и межвузовских сборниках, три научно-технических отчета. Без соавторов опубликовано 4 работы.

По результатам исследований в соавторстве получен патент на изобретение № 2 301 977 G01L 7/02 «Способ стабилизации упругого элемента датчика давления с тензорезисторами», заявка № 2005 133 016 с приоритетом от 26.10.2005.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, 3 приложения. Основная часть изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 19 таблиц. Список литературы содержит 81 наименование.

Подобные работы
Цибизов Павел Николаевич
Чувствительные элементы для микроэлектронных датчиков давления информационно-измерительных систем
Богданов Борис Григорьевич
Обоснование и разработка методики повышения стабильности нивелирных знаков в районах многолетней мерзлоты
Васин Максим Павлович
Повышение стабильности параметров точности шлифованных поверхностей качения колец подшипников на основе многопараметрового активного контроля
Пивкин Александр Григорьевич
Моделирование и конструирование амплитудных волоконно-оптических датчиков давления аттенюаторного типа для систем контроля, испытаний авиакосмической техники
Коломиец Лев Николаевич
Дифференциальные волоконно-оптические датчики давления отражательного типа
Цибизов Павел Николаевич
Чувствительные элементы для микроэлектронных датчиков давления информационно-измерительных систем
Бадеева Елена Александровна
Волоконно-оптические датчики давления отражательного типа для информационно-измерительных систем
Макарова Наталья Юрьевна
Сенсорные устройства очувствления экстремальных роботов на основе механолюминесцентных датчиков давления
Крупкина Татьяна Юрьевна
Волоконно-оптические датчики давления с отражательными аттенюаторами для информационно-измерительных систем
Покладова Юлия Валерьевна
Математическое моделирование системы "трубопровод - датчик давления"

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net