УДК 681. 586'326.621.315.612
КЕРАМИЧЕСКИЕ УПРУГИЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ СТРУКТУР КНС
Е. Г. Савченко, В. В. Светухин, В. М. Стучебников, А. А. Устинов
Представлены сравнительные метрологические характеристики серийных тензопреобразователей (ТП) давления с титановыми мембранами, спаянными с чувствительным элементом на основе КНС припоем ПСр-72 и ТП с керамическими мембранами, спаянными аморфным припоем СТЕМЕТ. Показано, что ТП с керамическими мембранами имеют меньшую вариацию и гистерезис. Основную роль в разнице характеристик играет соединительный слой. Приведено распределение элементов и микротвердости в слоях.
Ключевые слова: тензопреобразователь давления, структура "кремний на сапфире", гистерезис, вариация, температурный дрейф, аморфный припой, пайка керамики с сапфиром, микротвердость.
ВВЕДЕНИЕ
Как известно, тензопреоб-разователи (ТП) давления на основе тензочувствительных элементов, изготовленных из ге-тероэпитаксиальных структур "кремний на сапфире" (КНС), обладают рядом преимуществ в сравнении с другими микроэлектронными тензорезистор-ными преобразователями [1]. Обычно при производстве ТП на основе КНС сапфировые подложки полупроводниковых чувствительных элементов (ПЧЭ) напаиваются на упругие мембраны из титанового сплава с помощью серебросодержащего припоя ПСр72 [2]. При этом из-за различных коэффициентов теплового расширения (КТР) титанового сплава и сапфира в ТП после высокотемпературной пайки возникают значительные термические напряжения, которые ухудшают метрологические характеристики ТП и, в частности, приводят к появлению температурной погрешности преобразования.
Одним из кардинальных способов снижения этой погреш-
ности является уход от титанового сплава как материала упругой мембраны и применение другого материала, близкого по КТР к сапфиру. Привлекательным с этой точки зрения является алюмосиликатная керамика, тем более, что керамические упругие элементы достаточно широко используются в датчиках давления. Применение в качестве материала мембраны керамики должно также положительно сказаться на временной стабильности параметров ТП из-за отсутствия в ней пластических деформаций, свойственных металлам. В настоящей работе приведены результаты использования керамических упругих элементов в ТП давления на основе КНС.
Наиболее просто соединение сапфира с керамикой достигается путем пайки стекло-припоем; такие ТП сравнимы по точности с традиционными и имеют значительно меньшие температурные дрейфы нулевого сигнала [3]. Однако стекло при температурах больше 150 °C начинает размягчаться, что не-
гативно сказывается на параметрах ТП и ограничивает температурный диапазон их применения. Кроме того, стекло-припой обладает плохими прочностными характеристиками и имеет свойство растрескиваться при больших нагрузках. Эти проблемы оказалось возможным решить, используя при соединении сапфира с керамикой аморфный припой марки СТЕМЕТ [4]. Ниже проводится сравнение метрологических характеристик тензопреобразователей давления на основе КНС с керамической и титановой упругими мембранами, а также анализ и сравнение непосредственно самих паяных соединений.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ТП ДАВЛЕНИЯ С КЕРАМИЧЕСКОЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МЕМБРАНАМИ
Керамическая мембрана чашечного типа изготавливалась из алюмосиликатной керамики с содержанием AI2O3 более 97 %1.
1 Мембраны изготовлены фирмой Barat Ceramics.
58
Sensors & Systems • № 10.2014
Рис. 1. ТП с керамической мембраной
Рис. 2. Метрологические характеристики ТП с керамической мембраной в сравнении с серийными ТП с титановой мембраной в диапазоне температур (-40...+80) °С:
I I — мембрана из сплава ВТ-6; ЩЩ\ — керамическая мембрана
Чувствительный элемент на основе КНС припаивался к мембране аморфным припоем СТЕМЕТ. В качестве демпфера между штуцером, изготовленным из нержавеющей стали, и керамической мембраной использовалась вставка из сплава 29НК, близкого по КТР к керамике. Вставка необходима для компенсации температурных напряжений, связанных со значительным различием КТР керамической мембраны и штуцера. Эта вставка со штуцером соединялась сваркой, а с керамической мембраной спаивалась тем же припоем СТЕМЕТ (рис. 1).
Сравнительные метрологические характеристики ТП с керамической мембраной и стандартными ТП с мембраной из титанового сплава [5] приведены на рис. 2. Из данных, показанных на рисунке, видно, что:
— вариация у ТП с керамической мембраной значительно меньше, чем у ТП с титановой мембраной, даже с учетом разброса параметров;
— гистерезис у ТП с керамической мембраной также меньше, особенно при низкой температуре;
— гистерезис первого нагру-жения (ГПН) у ТП с керамической мембраной также значительно меньше, особенно при отрицательных температурах.
Проблему возникновения гистерезиса первого нагружения (ГПН) рассмотрим более подробно [6]. Дело в том, что в соответствии с ГОСТ 22520—85 [7] перед проведением испытаний датчики давления предварительно нагружаются измеряемым давлением, которое затем сбрасывается, и только после этого определяются их метрологичес-
кие характеристики. Разность начальных выходных сигналов до и после такого предварительного нагружения и представляет собой ГПН. В реальных условиях эксплуатации предварительное обдавливание невозможно, так что датчик должен показывать истинное давление непосредственно после установки и
после изменения условий измерения (в частности, при изменении температуры). Опыт показывает, что ГПН возникает только при изменении температуры датчика; при постоянной температуре разность начальных выходных сигналов до и после последующих нагружений (гистерезис) остается постоян-
4
3
2
¿г 1
<
0
-1
и
/2
-60 -30 0 30
г, °с
60 90
Рис. 3. Типичная температурная зависимость начального выходного сигнала ТП с керамической мембраной и мембраной из сплава ВТ-6:
кривые 1 — мембрана из сплава ВТ-6; 2 — керамическая мембрана
ной. При отрицательных температурах величина ГПН у ТП с титановой мембраной достигает 0,3 %, что значительно ухудшает характеристики датчиков, работающих при этих температурах, и, в частности, препятствует получению датчиков с перестраиваемым диапазоном. Также этот параметр может давать существенный вклад в общую нестабильность датчиков давления.
Температурный дрейф начального выходного сигнала (рис. 3) у ТП с керамической мембраной заметно меньше, чем у ТП с титановой мембраной, что вполне ожидаемо, так как коэффициенты теплового расширения керамики и сапфира близки друг к другу.
АНАЛИЗ ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ КЕРАМИКИ И СПЛАВА ВТ-6 С САПФИРОМ
В свойства ТП давления на основе КНС значительный вклад вносят не только материалы упругой мембраны, но и соединительные слои между мембраной и сапфировой подложкой ПЧЭ. Пайка керамики с лейкосапфи-ром припоем СТЕМЕТ произ-
водилась в вакуумной печи. При визуальном осмотре паяных соединений было отмечено хорошее смачивание материала мембраны и сапфира, причем расте-каемость припоя по керамике зависит от степени обработки поверхности. Для дальнейшего анализа полученного соединительного слоя был приготовлен косой (под углом 1°) шлиф одного из образцов (рис. 4).
Для изучения химической неоднородности паяных соединений применялся микрорент-генофлуоресцентный спектрометр Вгикег TORNADO М4. Путь сканирования показан на рис. 5, распределение элементов по данному пути — на рис. 6, а.
Измерения микротвердости проводились на микротвердомере ПМТ-3М.
Как видно из рис. 6, а, распределение химического состава в слое припоя близко к равномерному; лишь вблизи сапфировой подложки концентрация титана падает. Однако это практически не сказывается на механических свойствах соединительного слоя — микротвердость слоя практически одинакова по всей его толщине (см. рис. 6, б) и достаточно высока (для сравнения: микротвердость титанового сплава составляет ~ 360 НУ). Видимо, такая однородность соединительного слоя в сочетании с его твердостью
Рис. 4. Изображение косого шлифа образца:
а — оптическое; б — электронно-микроскопическое; 1 — керамика; 2 — слой припоя; 3 — лейкосапфир; 4 — кремний
Рис. 5. Электронно-микроскопическое изображение места исследования с указанием пути сканирования
60
вепвогв & Эувгетв • № 10.2014
и обусловливает наблюдаемое уменьшение гистерезиса, вариации и ГПН.
Физико-химические качества аморфных припоев обусловливают значительно более высокую диффузионную [9] и капиллярную [9, 10] активность в сравнении с кристаллическими аналогами, а также превосходную гибкость. Быстрое затвердевание сужает интервалы плавления и кристаллизации, что в сочетании с малой толщиной (20...50 мкм) обеспечивает "мгновенное" равномерное плавление припоя по всему объему. Аморфность структуры означает также идентичность физико-химических свойств произвольно взятого участка ленты из любой партии сплава-припоя
[9].
Совершенно по-другому обстоят дела в соединительном слое ТП с титановой мембраной и ПЧЭ, напаянном припоем ПСр72. Как видно из рис. 7, а, однородный припой после высокотемпературной пайки разделяется на составляющие. Серебро накапливается у границы с сапфиром, а медь — у границы с титановым сплавом. При этом титан из мембраны проникает на всю глубину соединительного слоя, в достаточно большом количестве оставаясь в области скопления меди, практически исчезая в области скопления серебра и несколько накапливаясь у границы с сапфиром, обеспечивая соединение сапфира с серебром. Такая неоднородность состава соединительного слоя ведет к неоднородности его микротвердости (см. рис. 7, б) [8] и снижению его механических характеристик. Высокая твердость соеди-
Рис. 6. Распределение основных элементов (а) и микротвердости (б) в паяном слое:
-□- — И; -♦- — Си; -о- — А1
100 9080-Ж 70
I 60 4 8 50 ^
§ 40
I 301
20100
0
600
| 500-е° 400-1
о ся ,пг,
«о з°°Н
ащ 200-1 « 1003 0
Припой
Титановый сплав ВТ-6
500 1000 1500 2000 Расстояние, мкм а)
2500
3000
3500
551* .499 494
351/ ^ 392 \ ^362 364 368
♦ ♦ ♦
356 368
500 1000 1500 2000 Расстояние, мкм б)
2500
3000
3500
0
Рис. 7. Распределение э
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.