Розділ 2. СТРУКТУРА, ТЕХНОЛОГІЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ТА ДОСЛІДЖЕННЯ СТАБІЛЬНОСТІ СЕНСОРІВ ТЕПЛОВИХ ВЕЛИЧИН.
Як було відмічено в першому розділі найбільшого розповсюдження отримали металеві термоперетворювачі опору завдяки високій температурній чутливості та температурному діапазону застосування. Зменшення інерційності промислових термоперетворювачів досягається використанням тонкоплівкових технологій. Платина залишається матеріалом, який найбільш часто використовується при виготовленні плівкових термоперетворювачів опору. Існуючі промислові плівкові платинові термоперетворювачі опору характеризується високою собівартістю давача.
При дослідженні теплового розширення твердих тіл широкого розповсюдження отримали ємнісні сенсори переміщень, які володіють високою чутливістю та чіткою аналітичною залежністю ємності від віддалі між обкладками.
Тому метою даного розділу є розробка малоінерційних лінійних термоперетворювачів опору та дослідження впливу непаралельності обкладок ємнісного сенсора на результат вимірювання теплового розширення твердих тіл.
2.1. Конструкція та технологія виготовлення мідного плівкового термоперетворювача опору
Для зменшення собівартості термоперетворювача опору в якості термочутливого елементу було обрано відносно дешевший матеріал - мідь. Мідь має більший температурний коефіцієнт опору у порівнянні з платиною, а також лінійну температурну залежність опору. Температурна залежність опору мідних термоперетворювачів залишається лінійною і в плівковому варіанті ?88?. Розробка плівкового мідного термоперетворювача опору поставила ряд конструкторсько-технологічних проблем, а саме вибір корпусу для термоперетворювача, забезпечення стабільності його характеристик.
На відміну від роботи ?88?, в якій запропоновано використати в якості корпусу для плівкового термоперетворювача опору корпус від гібридної інтегральної схеми типу "Львів", нами було вирішено відмовитися від корпусування термочутливого елементу термоперетворювача опору. Це зменшило інерційність приладу. При створенні термоперетворювача опору використані результати технологічних досліджень авторів[92]. Термочутливий шар міді формували на твердій підкладці. У якості підкладки термоперетворювача опору використовували ситалові пластини марки СТ-50-1-2-0,6. Для очищення від механічних забруднень підкладки попередньо обробляли в хромовій суміші з промиванням у деіонізованій воді та наступною гідромеханічною обробкою і промивкою в деіонізованій проточній воді. Потім підкладки сушили, обробляли в 98% азотній кислоті і знову промивали в проточній деіонізованій воді. Якість очищення поверхні контролювали по змочуваності підкладок. У випадку поганої змочуваності виконувалось повторне очищення підкладок.
Безпосереднє нанесення термочутливого шару міді на ситалову підкладку в перших експериментальних зразках термоперетворювачів опору не забезпечувало належного рівня адгезії. Рівень адгезії напиленої міді з ситаловою підкладкою узгоджується з результатами авторів [89, 90], проте при термоциклюванні сформованих згодом термочутливих структур в окремих місцях спостерігалися розриви і навіть відлущування плівок міді. Більш високу адгезію термочутливого шару міді до ситалу нам удалося забезпечити при наявності проміжного адгезійного шару титан-вольфраму. Адгезія титану та вольфраму до ситалу вища, ніж у міді. Вольфрам окрім високої адгезії з ситалом має близький до міді температурний коефіцієнт опору ?в=(4,6?4,8)·10-3 0С-1. Нанесення плівок титан-вольфраму та міді виконувалось з двох відповідних мішень методом магнетронного розпилення. Плівки титан-вольфраму наносили з титанової шайби діаметром 100 мм в якій були зроблені вольфрамові заклепки. Процентний склад в шайбі вольфраму та титану - 50%. Адгезійний шар титан-вольфраму і термочутливий шар наносили при напрузі 400В і струмах 9 та 10А відповідно, при цьому час напилювання адгезійного шару складав 40с; термочутливого - 80?100с. Використання даної установки дозволяло без розгерметизації здійснювати остаточне іонне очищення підкладок від абсорбованих поверхнею ситалу частинок тліючим розрядом в атмосфері аргону безпосередньо перед напилюванням, що дозволяє підвищити якість очищення поверхні підкладки. Час очищення поверхні тліючим розрядом складає 2-5с при напрузі 100В.
У перших експериментальних зразках як захисний шар використовувалась тонка плівка двоокису кремнію. Проте нанесення захисного шару двоокису кремнію безпосередньо на поверхню термочутливого шару не забезпечувало належної часової стабільності характеристик термоперетворювача опору. Виявилося, що нанесення додаткового шару титан-вольфраму між термочутливим і ізолюючим шаром двоокису кремнію істотно збільшувало стабільність R0. Товщини адгезійного і захисного шарів титан-вольфраму вибиралися виходячи з міркувань забезпечення належної адгезії і запобіганні окислювання з одному боку, а з іншого боку - забезпечення найменшого шунтування терморезистивного шару. Експериментальним шляхом було встановлено, що товщина захисного шару титан-вольфраму складає 400?600A, а адгезійного 600?800A при товщині терморезистивного шару міді 1,2?1,5мкм.
Рис. 10. Топологія плівкового мідного термоперетворювача опору з елементами корекції опору
З метою зниження розподіленої індуктивності в якості базової топології обрана плоска біфілярна структура (рис. 10).
Загальна довжина термочутливого елементу при геометричних розмірах термоперетворювача опору 6?4?1 мм3 складає 140 мм, так що опір отриманих зразків термоперетворювачів складав 160 ?200 Ом. Формування малюнка здійснювалося з використанням фотолітографії.
Процес фотолітографії виконувався на промисловій установці Лада-125. Фоторезист марки ФП-383 наносили на підкладки методом центрифугування в такому режимі: доза нанесення фоторезисту 0,3-1,0с; час розтікання фоторезисту 1,0-2,0с; швидкість обертання 2500-3000об/хв; час сушіння 2,0-4,0 с. Операція експонування здійснювалася на установці ЭМ-576А.
Піс