Диагностика чувствительных элементов и измерительных модулей датчиков давлений и технологий их изготовления

• Автор: Лапшин, Игорь Олегович
• Шифр специальности: 05.11.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Пенза
• Количество страниц: 182 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
1 Обзор и анализ методов и средств диагностики датчиков, измерительных систем и изделий
1.1. Общие вопросы и задачи функциональной диагностики датчиков
и измерительных систем
1.2. Объекты диагностики
1.3. Контролепригодность чувствительных элементов, измерительных моделей и датчиков физических величин
1.4. Обзор и анализ существующих методов и устройств контроля, диагностики и испытания датчиков и их элементов
2 Диагностика и контроль механических напряжений, температуры и вибраций в чувствительных элементах и измерительных модулях датчиков
2.1. Механические напряжения в сенсорных элементах и структурах датчиков, модели, методы и средства диагностики
2.2. Исследование методов и средств контроля механических напряжений в чувствительных элементах и измерительных модулях датчиков статико-динамических давлений
2.3 Пьезорезистивные эффекты в активных структурах и их использование для контроля и диагностики чувствительных элементов и измерительных модулей
2.4. Емкостный метод диагностики и контроля механических напряжений
в чувствительных элементах и измерительных модулях
2.5 Методы преобразования и контроля тепловых параметров
2.6. Физические эффекты в пьезоэлектрических материалах и структурах
и их использование для контроля и диагностики датчиков
2.7. Исследование методов и средств измерения вибраций и применение их для контроля и диагностики чувствительных элементов и измерительных модулей
2.8. Методы и программы анализа тестовых сигналов и воздействий на чувствительные элементы и измерительные модули пьезоэлектрических датчиков

3 Диагностика технологий формирования элементов и структур чувствительных элементов и измерительных модулей датчиков статикодинамических давлений
3.1. Контроль и диагностика технологических процессов изготовления элементов и структур датчиков
3.2. Контроль и диагностика специальных технологических операций изготовления чувствительных элементов и измерительных модулей
3.3. Технологии формирования и контроля электроадгезионного соединения полупроводников и изоляторов в микромеханических узлах и измерительных модулях датчиков
4 Внедрение технологий, методик и устройств функциональной диагностики чувствительных элементов, измерительных модулей и датчиков статикодинамических давлений
4.1. Усовершенствование методов неразрушающего контроля и диагностики чувствительных элементов и измерительных модулей датчиков
4.2. Организация технологии контроля и диагностики чувствительных элементов и измерительных модулей
4.3. Особенности диагностики полупроводниковых чувствительных элементов и измерительных модулей многофункциональных датчиков
4.4. Разработка методов уменьшения объема контроля чувствительных элементов и измерительных модулей
4.5. Организация технологии сквозной диагностики системы «чувствительный элемент-измерительный модуль-датчик»
4.6 Усовершенствование средств контроля и диагностики датчиков
Основные результаты и выводы
Перечень сокращений
Библиографический список
Приложение

Введение
Актуальность работы. Важнейшим ключевым элементом систем контроля, диагностики и автоматического управления являются датчики физических величин (ДФВ), воспринимающие информацию о состоянии параметров контролируемого объекта и формирующие измерительные сигналы в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования и обработки. Сердцевиной любого датчика, определяющего его основные технические характеристики, является чувствительный элемент (ЧЭ), конструктивно выполненный или в виде отдельного кристалла, пьезопластины, балки и проч., или в виде конструктивно законченного измерительного модуля (ИМ).
Анализ задач измерений динамических давлений в ракетно-космической (РКТ) и авиационной технике показал, что датчиковая и преобразующая аппаратура (ДПА), применяемая для этих целей, подвергается наиболее сосредоточенному и комплексному воздействию внешних дестабилизирующих факторов (ВДФ), таких как: перепады давлений, вибрации и удары, резкие перепады температур, агрессивные среды.
Непрерывное усложнение создаваемых аппаратов и объектов для длительных орбитальных полетов, высокая насыщенность их системами диагностики, управления и контроля, а также повышение их срока активного функционирования, требуют дальнейшего совершенствования и создания нового поколения ДПА, содержащей в своем составе элементы самодиагностики и искусственного интеллекта.
В перечень критических технологий по наиболее важным проблемам РКТ, внесены ряд задач, при решении которых будут использоваться системы диагностики и контроля в которые входят соответствующие датчики:
-оперативный контроль внешних условий полета космических аппаратов и идентификация аварийных и катастрофических ситуаций на борту космических аппаратов;
- регистрация и диагностика ударов техногенных и метеороидных частиц на международной космической станции и космических аппаратах;

полезного сигнала, от которой невозможно избавиться ни фильтрацией, ни коррекцией ввиду идентичности физических воздействий полезного сигнала и помехи на интегральные элементы и системы ДФВ [12, 88].
В отличие от ранее рассмотренных пленочных и эпитаксиальных структур, наличие МН (СН и ТН) в пьезочувствительных областях обусловлено возникновением, накоплением и миграцией дислокаций и дефектов. Дефекты и дислокации генерируются в ЧЭ главным образом при проведении высокотемпературных физико-термических операций (термодиффузия, окисление, термообработка), а так же при ионной имплантации, которая при больших дозах приводит к возникновению в полупроводнике аморфизированных областей, имеющих пониженную чувствительность.
При внедрении и последующей активации легирующей примеси в кристаллической решетке материала ЧЭ возникают упругие МН в том случае, когда размеры атомов диффузанта и кремния различаются (если атомы диффузанта больше, чем атомы кремния, то возникают растягивающие МН, а если меньше, то сжимающие МН). В случае, когда величина наведенных напряжений становиться больше предела текучести при температуре диффузии, то в объеме диффузионного слоя возникают дислокации, распространяющиеся вглубь диффузионных областей. При этом возникают сдвиговые напряжения [45]:
0,3 ЕуСзГу 0,ЗЕуСяГх
ау2~ (1 -/лУтЁН И 0x2 (1-//)л/2п7 ('2ЛЗ'>
где х, у-координаты локальной диффузионной области; у-коэффициент сжатия (растяжения) решетки примесью-диффузантом; С5-поверхностная концентрация примеси, Е-козффициент диффузии, Е-модуль Юнга.
Наличие полей деформаций в ЧЭ при проведении физико-термических операций и температурных воздействиях в процессе эксплуатации, способствует перераспределению примеси, при этом легирующая примесь с атомным радиусом больше, чем у кремния (Р, Аэ, 8Ь), будет распределяться в основном в зоне растягивающих напряжений, а с меньшим (В, А1)-в зонах с