FAKTORJI GAUGE
Marko Hrovat, Darko Belavič , Goran Dražič, Janez Hole, Stojan Šoba Institut Jožef Stefan, Univerza v Ljubljani, Ljubljana,Slovenija * HIPOT Hybrid, Šentjernej
Ključne besede: upori debeloplastni, GF gauge fal<torji, TEM mikroskopija elektronska, mikrostrukture, Ru02 oksid rutenija, analize impedanc, TCR koeficienti uporov temperaturni, BigRuaO?
Povzetek; Mikrostrukture nekaterih komercialnih debeloplastnih uporov z nizkimi in visokimi faktorji gauge smo preiskali s transmisijskim elektronskim mikrosl<opom. Posnetki so pokazali značilno razliko med mikrostrukture uporovnih materialov z nizkih oziroma visokim faktorjem gauge. Bolj homogen material z veliko majhnih delcev prevodne faze, ki so blizu skupaj, ima nizek faktor gauge, manj homogen, kjer so delci prevodne faze bolj oddaljeni drug od drugega, pa visok faktor gauge. Rezultati kažejo, da ima mikrostruktura debeloplastnih uporov večji vpliv na velikost faktorjev gauge kot sama sestava prevodne faze.
Nekaterim uporovnim materilom, žganim na dlelektrikih za večplastna vezja, so močno narasli faktorji gauge, hkrati pa so se povišale plastne upornosti in temperaturni koeficienti upornosti. Preiskave s kompleksno impedančno analizo so nakazale, da med žganjem steklasta faza difundira iz dlelektrika v upor in mu spremeni električne karakteristike.
Investigations of Thick Film Resistors with High Gauge
Key words: thick film resistors, gauge factors, GF, TEM, Transmission Electron Microscopy, microstructures, RuOa ruthenium oxide, impedance analysis. Temperature coefficient of resistivity, TCR, Bl2Ru207
Abstract: The gauge factors (GF) of thick film materials are higher than those of thin metal films and lower than those of semiconductors. Due to their stability and the low temperature coefficient of resistivity (TCR) of thick film materials strain gauges realised In thick film technology offer advantages in some applications over both metal film (low GF, low TCR) and semiconducting elements (hl|D GF, high TCR).
The gauge factors of thick film resistors depend on a conductive phase In the resistor material and Increase with increasing sheet resistivity. Gauge factors of thick filrn resistors based on ruthenates {BI2RU2O7 or Pb2Ru206 5) are usually higher than those of resistors based on RuO?. However, investigation of microstructure of thick film resistors with low and high GF by TEM Indicated, that the microstructure of materials plays an important role. Regardless of the composition of the conductive phase the materials with low gauge factors have many small grains of conductive phase embedded in glass matrix while resistors with high gauge factors have less conductive particles in a given volume of material, and therefore a larger average distance between conducting sites. This is also in accordance with the fact that the gauge factors of thick film resistors Increase with Increasing sheet resistivity. Higher sheet resistivities mean a lower concentration of the conductive phase, i.e. less particles in a given volume of material and therefore a larger average distance between conducting sites.
The reason why RUO2 based resistors have ordinarily lower GF is probably the following; Ru02 powders for thick film resistors are customarily prepared by precipitation of ruthenium compounds, e.g. ruthenium hydroxide from a solution of Ru bearing compounds, while ruthenates are made by high temperature reaction between Ru02 and, for example, 81203, and then milled to decrease particle size. Therefore it Is (comparatively) easier to prepare very fine grained RUO2 powder with a particle size of a few tens of nanometers than fine grained ruthenate powder.
When resistor pastes are fired on or under multilayer dielectrics Instead of on alumina substrates, the interaction between the resistor and multilayer material changes the electrical characteristics of the resistors (usually for the worse, as they are optimised for firing on alumina). The possibility of increasing gauge factors of thick film resistors in this way was investigated. For some resistors, fired on multilayer dielectrics, GF Increased over 30. However, sheet resistivities, TCR and noise Indexes also Increased, Examinations with complex Impedance analysis. Indicated the diffusion of glass phase from multilayer dielectric into resistor during firing. This phase "dilutes" the conductive phase in resistor resulting In Increased gauge factors, sheet resistivities and noise indexes.
UVOD
dR/R =
+ dl/l" dš/š + dd/d
Pri nnehanski obremenitvi se električnemu prevodniku spremeni upornost. Ta sprememba upornosti je delno posledica deformacije, to je spremembe dimenzij, delno pa posledica spremembe specifične upornosti zaradi sprememb v mikrostrukturi materiala /1/, Deformacija je relativni podaljšek ali skrček pod vplivom mehanske napetosti. Sprememba upornosti upora dolžine I, širine š in debeline d (presek upora je produkt širine in dolžine) pri obremenitvi je:
Sprememba upornosti upora zaradi deformacije je vsota "mikrostrukturnega" prispevka (prvi člen enačbe - spre^ memba specifične upornosti d(|)/(|)) in geometrijskega pris--pevl<a (ostali členi enačbe).
Faktor gauge materiala GF je definiran kot razmerje med relativno spremembo upornosti in relativno deformacijo. Vrednost faktorja gauge zaradi sprememb dimenzij upora pri deformaciji je med 2 in 2,5, višji faktorji gauge pa so
rezultat sprememb v mikrostrukturi, to je spremembe specifične upornosti materiala.
GF = (dR/R) / (dl/l)
Faktorji gauge debeloplastnih uporov so višji kot pri tankih kovinskih filmih, kjer so posledica samo geometrijskih sprememb, in nižji kot pri polprevodnikih. Ker so debe-loplastni uporovni materiali stabilni, relativno poceni in imajo nizek temperaturni koeficient upornosti, so za nekatere aplikacije pri senzorjih upogiba ali tlaka primernejši tako tenkoplastnih (imajo višje višje faktorje gauge) kot polprevodnih (nižji TCR) komponent /2,3/. Tipične lastnosti tenkoplastnih, debeloplastnih in polprevodnih materialov, to so faktorji gauge (GF), temperaturni koeficienti upornosti (TCR) in stabilnost, so prikazane v tabeli!/4,5/.
Tabela I Tipične lastnosti materialov za senzorje upogiba 14,5/
II------------------------ || Senzor	GF	TRC (10"®/K)	Stabilnost 1
Tenkoplasten	2-5	2-10	I Odlična
1 Debeloplasten	5-20	50-100	Zelo dobra I
I Polprevoden	50	1500	Dobra J
Nekateri avtorji so poročali tudi o razvoju debeloplastnih uporovnih materialov z višjimi faktorji gauge, do 40, ki pa so jih dosegli na račun nekaterih drugih karakteristik, na primer višjega temperaturnega koeficienta upornosti, višjega šuma ali nižje stabilnosti /6,7/. Mimogrede še omenimo, da imajo zelo tenki (nezvezni) kovinski filmi faktorje gauge tudi nekaj 100, vendar se zaradi nestabilnosti in neponovljivosti rezultatov zaenkrat še ne uporabljajo kot senzorji /8,9/.
Pri uporabi za senzorje upogiba se običajno uporabljajo štirje upori, ki so vezani v Wheatstonov most. Zaradi večje občutljivosti je merilni del včasih oblikovan tako, da se dva upora raztezata (upornost naraste), dva se pa krčita (upornost se zniža). Ena od znanih izvedb merilnik pritiska je shematično prikazana na sliki 1 zgoraj /3,10/, Okrogla keramična membrana oziroma substrat, na katerm so natiskani štirje upori, je vpeta ob robu. Pod pritiskom se membrana deformira. Upora na sredini se raztezata (upornost raste), upora bliže oboda pa krčita (upornost pada). To je shematično (in zelo pretirano) narisano spodaj.
Debeloplastni uporovni materiali so (poenostavljeno povedano) zmes prevodnih delcev in stekla. Prevodna faza v današnjih debeloplastnih uporih je na osnovi Ru02 ali rutenatov, predvsem Bi2Ru207 za nižje plastne upornosti in Pb2Ru206,5 za višje. Po žganju je mikrostruktura "sestavljena" iz prevodnih delcev z nizko specifično upornostjo in skupkov delcev z višjo specifično upornostjo, oboje porazdeljeno v stekleni fazi /11,12/. Nekateri avtorji trdijo, da so skupki delcev in ne posamezni delci Ru02 ali rutenatov "osnovne enote" električne prevodnosti v debeloplastnih uporih /13/.
SKRČEK RAZTEZEK 'SKRČEK
Slika 1: Ena od izvedb merilnika pritiska (shematično) 13,10/. Okrogla keramična membrana ozi-roma substrat, na katerm so natiskani in žgani štirje debeloplastni upori, je vpeta ob robu. Pod pritiskom se membrana deformira. Upora na sredini se raztezata (upornost raste), upora bliže obodu pa krčita (upornost pada).
Za uporabo debeloplastnih uporov za senzorje upogiba je seveda zaželjeno, da imajo čim višje faktorje gauge. Podatki v literaturi kažejo, da so faktorji gauge debeloplastnih uporov odvisni od prevodne faze v materialu in da naraščajo s plastno upornostjo /4/. Materiali na osnovi rutenatov imajo v glavnem višje faktorje gauge kot tisti na osnovi Ru02.
Gauge faktorji nekaterih komercialnih debeloplastnih uporov s plastnimi upornostmi med 1 kohm/o do 100 kohm/oso prikazani v tabeli 11/14/. Prevodna faza v uporih je bila določena z rentgensko praškovno analizo in EDS (Energy Dispesive X-ray Microanalysis). Sestavo uporovne paste 3414 firme Electro Science Labs. je proizvajalec prilagodil za visoke faktorje gauge /5,15./.
Tabela II Nominalne plastne upornosti, sestava prevodne faze in vzdolžni faktorji gauge nekaterih debeloplastnih uporov/14/
Uporovna pasta	Nominalna plastna upornost (ohm/G)	Prevodna faza	.....|: Longitudinalni faktor gauge
Du Pont HS 8031	1 k	Ru02	2,5 j
-H Ou Pont HS 8029	10k	Bi2RU207	8,5
*Du Pont HS 8041	lOk	RuOz	3,5
*Du Pont HS 8039	10k	BižRugO?	11
*+ HeraeusR 8241	10k	Ru02	16
-H ESL 3414-A	10k	Bi2RU207	16,5
Du Pont HS 8049	100 k	Bi2RU207	Zi!!'""......1
Iz podatkov v tabeli II vidimo, da faktorji gauge večirie uporovnili materialov sledijo "pravilu", da so višji pri višjih plastnih upornostih in pri istih plastnih upornostih višji, kadar so upori na osnovi rutenatov. Zanimiva izjema je pasta 8241 firme Heraeus, ki ima (takoj za 3414) najvišji faktor gauge, vendar sta tako rentgenska praškovna analiza kot analiza EDS pokazali, da je na osnovi ruteni-jevega oksida,
V delu poročamo o mikrostrukturnih preiskavah debe-lopiastnih uporov s transmisijskim elektronskim mikroskopom (TEM) s ciljem, da ugotovimo možno povezavo med mikrostrukturo materiala in faktorjem gauge. Poleg tega navajamo tudi rezultate meritev faktorjev gauge uporov, ki so bili žgani na plasti dielektrikov za večplastna hibridna vezja. Uporovne paste so nanireč prirejene za žganje na AI2O3 keramičnih substratih. Če jih žgemo na steklastih dielektrikih, interakcije med uporom in dielektrikom spremenijo (običajno poslabšajo) električne karakteristike uporov /16,17/. Želeli smo ugotoviti, kako te interakcije vplivajo na faktorje gauge.
Za preiskave mikrostruktur s TEM smo izbrali debe-loplastne upore HS 8041, HS 8039 in R 8241. Vsi trije imajo nominalno plastno upornost 10 kohm/D. Kot vidimo v tabeli II, ima HS 8041, ki je na osnovi Ru02, nizek faktor gauge, R 8241 na isti osnovi pa visokega. V tabeli II so ti materiali označeni z zvezdico (*). Za testiranje karakteristik uporov, žganih na dielektrikih za večplastna vezja, smo izbrali debeloplastne upore HS 8029, R 8241 in 3414-A, ki imajo vsi razmeroma visoke faktorje gauge. V tabeli II so označeni z znakom plus (-1-).
EKSPERIMENTALNO DELO
Spremembe upornosti pri deformaciji substrata smo merili na preprosti napravi, ki je prikazana na sliki 2. Debe-loplastni upor je obremenjen na nateg. Povezava med deformacijo (e) in upogibom je podana z naslednjo enačbo:

i

UPOR
Slika 2: Shematičen prikaz naprave za meritev spremembe upornosti od upogiba keramičnega substrata. Keramični substrat je podprt na obeh straneh, na sredini pa nanj pritiska mik-rometrski vijak. Debeiopiastni upor je obremenjen na nateg.
Za preiskave karakteristik uporov na plasteh večplastnih dielektrikov smo najprej natiskali in žgaii plast dielektrika, na tej plasti pa debeloplasten upor. Upori so bili HS 8029 (Du Pont, 1 kohm/D), R 8241 (Heraeus, 10 kohm/D) in 3414-A (Electro Science Labs., 10 kohm/D). dielektriki pa 4905 (Electro Science Labs.), 9117 (Heraeus) in 5704 (Du Pont). Izmerili smo faktorje gauge in jih primerjali s fakorji gauge uporov na keramiki.
REZULTATI IN DISKUSIJA
Na slikah 3 in 4 je prikazana mikrostruktura upora HS 8041 pri različnih povečavah. Upor je na osnovi rutenijevega oksida in ima razmeroma nizek faktor gauge 3,5. V stekleni matriki so delci Ru02 povprečne velikosti okrog 10 nm. Večja zrna velikosti do 100 nm so ZrSi04, ki je med žganjem verjetno izkristaliziral iz steklene faze.
e = Al/i = (d X h X 6)/L^
d = debelina substrata (m) h = upogib (m)
L = razdalja med podporama (m)
V našem primeru je razdalja med podporama 40 mm, debelina substrata, ki se uporablja za izdelavo debe-loplastnih hibridnih vezij, pa 0,635 mm. Če je na primer pri upogibu 100 |a.m sprememba upornosti 0,2%, je izračunana vrednost faktorja gauge 8,4.
Upore smo tiskali in žgali pri 850°C na 96% AI2O3 substrate. Prevodnik na osnovi Pd/Ag je bil predžgan. Za preiskave mikrostruktur s TEM smo izbrali debeloplastne upore HS 8041, HS 8039 in R 8241 z nominalnimi plastnimi upornostmi 10kohm/D. IZAI2O3keramičnih substratov, na kateri so bili tiskani in žgani upori, smo izrezali diske s premerom 3 mm. Ti so bili stanjšani z brušenjem in jamičastem ta.njšanjem do debeline 20 jim in nato preluknjani z ionsko erozijo s snopom argonovih ionov.



iiiiiSi
Siika 3: Mikrostruktura upora i-iS 8041 z nizkim faktorjem gauge (GF=3,5). Uporovni materiai je na osnovi rutenijevega oksida. C - skupki deioev Ru02 G - steklasta faza Z - delci ZrSiÖA

M
P

m



Slika 4: Mikrostruktura upora HS 8041 z nizkim faktorjem gauge (GF=3,5). V stekleni matriki so delci Ru02 povprečne velikosti okrog 10 nm.
Na sliki 5 je mikrostruktura upora R 8241, ki je prav tako na osnovi rutenijevega oksida in ima visok gauge faktor.
V	stekleni matriki so zrna Ru02 velikosti do 200 nm. Na sliki 6 je mikrostruktura upora HS 8039 na osnovi rutenata.
V	stekleni fazi so zrna Bi2Ru207 velikosti do 200 nm in nekaj večjiti, do 400 nm, zrn Pb2Ru206,5.
osnovi Bi2Ru207 in R 8241 na osnovi Ru02) pa so delci za razred večji in bolj oddaljeni drug od drugega. Dvodimenzionalna struktura teh dveh tipov mikrostruktur je shematično predstavljena na sliki 7. Krogci predstavljajo zrna prevodne faze v steklu.


Slika 6: Ivlikrostruktura upora l-IS 8039 z razmeroma visokim faktorjem gauge (GF= 11). Uporovni material je na osnovi bizmutovega rutenata. V stekleni matriki so zrna Bi2Ru207 velikosti do 200 nm. B - zrna Bi2Ru207 P - zrna Pb2Ru20Q^5 G - Steklasta faza

Slika 5: Ivlikrostruktura upora R 8241 z visokim faktorjem gauge (GF= 16). Uporovni material je na osnovi rutenijevega oksida. V stekleni matriki so zrna Ru02 velikosti do 200 nm. R - zrna Ru02 G - steklasta faza
Posnetki s TEM kažejo na značilno razliko med mikro^ strukturo uporovnih materialov z nizkih oziroma visokim faktorjem gauge. Prevodni delci v uporu z nizkim faktorjem gauge (HS 8041 na osnovi Ru02) so majhni in blizu skupaj, v uporih z visokim faktorjem gauge (HS 8039 na
o ° 0° °
o
° 00
°	G ° °
O O
° O o ^ O C
o o o o o
o o ° o o o 00 00 0000
et
O O
O O
o o
00 o 000
o o o
o o , o °
o o ° o
o o o o g
o
0 0 o o o o o o o ° o o o o o
Slika 7: Shematična dvodimenzionalna struktura dveh tipov mikrostruktur debeloplastnih uporov z visokimi (zgoraj) in nizkimi (spodaj) faktorji gauge. Krogci predstavljajo zrna prevodne faze v steklu. Prevodni delci v uporu z nizkim faktorjem gauge so majhni in blizu skupaj, v uporih z visokim faktorjem gauge pa so delci za razred večji in bolj oddaljeni drug od drugega.
Rezultati mikrostrukturniti preiskav torej kažejo, da ima mikrostruktura debeloplastnih uporov najverjetneje večji vpliv na velikost faktorjev gauge kof sama sestava prevodne faze. Bolj homogen material z veliko majhniti delcev prevodne faze, ki so blizu skupaj, ima nizek faktor gauge, manj tiomogen, kjer so delco prevodne faze bolj oddaljeni drug od drugega, pa visok faktor gauge. To se tudi ujema s tem, da imajo upori z višjimi plastnimi upornostmi višje faktorje gauge. Višje plastne upornosti pomenijo namreč manjšo koncentracijo prevodne v stekleni fazi in s tem večjo povprečno razdaljo med prevodnimi delci.
Iz dobljenih podatkov lahko sklepamo (oziroma ugibamo), zakaj imajo upori na osnovi rutenijevega oksida v glavnem nižje faktorje gauge kot upori na osnovi rutena-tov. Prah rutenijevega oksida se običajno pripravlja s precipitacijo rutenijevih spojin, na primer rutenijevega hidroksida, iz raztopine. Oborjeni delci so navadno zelo majhni. Rutenati pa se pripravljajo z visokotemperaturno reakcijo med Ru02 In, na primer, Bi203. Sintetiziran material se melje, da dobimo delce majhnih dimenzij. Zato je (sorazmerno) laže pripraviti zelo drobnozrnat prah Ru02 kot rutenatov in iz njega debeloplastne upore s homogeno, "urejeno", mikrostrukturo. Znano je namreč, da so upori z nizkimi gauge faktorji bolj večinoma stabilni in imajo nižji termični šum /18/.
V tabeli III so podani hladni (-25°C do 25°C) in vroči (25°C do 125°C) temperaturni koeficienti upornosti (TCR) in spremembe upornosti po staranju (kuhanje v destilirani vodi, 20 min) debeloplastnih uporov, žganih na AI2O3 keramiki ali na dielektrikih, v tabeli IV pa njihove plastne upornosti, indeksi termičnega šuma in faktorji gauge. Faktorji gauge in indeksi termičnega šuma so grafično prikazani na slikah 8 in 9,
Tabela III Temperaturni koeficienti upornosti in spre-
membe upornosti po staranju debeloplastnih uporov, žganih na keranniki ali na dielektrikih
Upor	Diel.	Hladen TCR (-25 do	Vroč TCR (25 do 125"C) (10"7K)	AR/R Vrela voda
		25;C)		(%)
	AI2O3	10	50	0,03
Du Pont	ESL4905	0	55	<0,01
HS 8029	Her. 9117	-15	40	0,03
t	Du Pont 5704	30	85	0,01
	AI203	-95	-40	0,13
ESL3414	ESL4905	-325	-270	0,12
	Her. 9117	-415	-405	1,14
	Du Pont 5704	-365	-305	1,11
i|	AI2O3	10	50	0,06
i Heraeus	ESL4905	-45	-15	0,04
R 8241				
	Her. 9117	-25	5	0,04
	Du Pont 5704	50	90	0,04
Tabela IV Plastne upornosti, relativne plastne upornosti, indeksi termičnega šuma in faktorji gauge debeloplastnih uporov, žganih na keramiki ali na dielektrikih
Upor	Diel.	Plastna upor. (otim/D)	Rel. plast. upor, (%)	Indeks šuma (dB)	Faktor [ gauge
Du Pont HS 8029	AI2O3	1,2 k	100	-14	8,5 jj
	ESL4905	1,0 k	78	-21	9,0 ii
	Her. 9117	1,6k	129	-21	9,5 1
	Du Pont 5704	1,0 k	80	-21	10,5
	AI2O3	9,3 k	100	8,3	16,5
ESL	ESL4905	24,4 k	261	1,5	18,0
3414	Her. 9117	99,1 k	1061	20	43,0 jI
	Du Pont 5704	26,3 k	282	17	31,5
	AI2O3	7,4 k	100	-6,0	16,0
Heraeu s R	ESL 4905	18,0 k	243	-4,4	16,5
8241	Her. 9117	3,4 k	46	-6,0	12,5
	Du Pont 5704	3,3 k	45	-3,5	11,0
Najvišje faktorje gauge smo dobili z uporovno pasto 3414 firme Electro Science Labs., žgano na dielektrikih 5704 (GF preko 30) in na 9177 (GF preko 40). Te vrednosti so blizu vrednostim, dobljenim s posebnimi debeloplastnimi uporovnimi materiali /7/. To povišanje faktorjev gauge, za katerega predpostavljamo, da je posledica interakcije med dielektričnim in uporovnim materialom, pa je povezano, kot vidimo v tabelah III in IV, s poslabšanjem dugih karakteristik; z zvišanjem plastnih upornosti, temperaturnih koeficientov upornosti in termičnega šuma. Tudi stabilnost teh uporov, žganih na dielektrikih, je slabša.
LONGITUDINALNI FAKTORJI GAUGE Upori na keramiki in na dielektriku
O
na 4905
na 9117 na 5704
/ ESL3414 R 8241 DP 8029
Slika 8: Faktorji gauge debeloplastnih uporov, žganih na AI2O3 keramiki in na plasteh dielektrikov
SUM (uV/V) Upori na keramiki in na dieiektriku
e
ESL3414 R8241 DP 8029
na 4905
Slika 9: Indeksi termičnega šuma (jiV/V) debeioplast-nih uporov, 'ganih na AI2O3 keramiki in na plasteh dieiektrikov
Mikrostrukturne razlike med EL 3414 upori, žganimi na AI2O3 substratih ali na Heraeus-ovem dieiektriku 9117 (najvišji faktor gauge), smo poizkusili ugotoviti z metodo kompleksne impedance. Ta metoda predpostavlja, da se lahko odziv materiala predstavi kot preprost ekvivalent uporov in kondenzatorjev, povezanih vzporedno ali zaporedno /19/. Na sliki 10 je prikazana kompleksna im-pedančna analiza nedeformiranih in deformiranih (upogib substrata 100 |im) uporov, merjenih od 5 (Hz do 13 MHZ.
	0.9
K	
01	o.bI
0 1	0.7-
CO	
C	0.6-
e'	
JO o	0.5-
C	
ni	0.4-j
« e	0.3-
O	
C	0.2-
NI	
	0.1-
	0-
2.82 MHz


3.55 MHz
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Z'normaliztran [Ohm]
Slika 10: Kompleksna impedančna analiza (5 Hz do 13 MHz) nedeformiranih in deformiranih (upogib 100 ixm) uporov EL 3414, 'ganih na keramiki in na dieiektriku Heraeus 9117. Vrednosti so normalizirane na upornosti nedeformiranih uporov.
A - EL 3414 na keramiki, nedeformiran B - EL 3414 na keramiki, deformiran C - EL 3414 na dieiektriku, nedeformiran D - EL 3414 na dieiektriku, deformiran
Realni del (Z\ abscisna os) je funkcija sprememb upornosti, imaginarni del (Z'\ ordinatna os) pa sprememb dielektričnih karakteristik med upogibom. Zaradi različnih plastnih upornosti uporov, žganih na keramiki ali na dieiektriku, so vrednosti normalizirane na upornosti nedeformiranih uporov. Upori na keramiki se "obnašajo" ko skoraj idealni upori. Upore, žgane na dieiektriku, pa lahko opišemo kot vzporedno kombinacijo uporov in kondenzatorjev z maksimumom pri pogoju (joC=1 . Rezultati potrjujejo intereakcijo med dielektrikom in uporom med procesom žganja. Predpostavljamo, da je steklo difundi-ralo iz dielektrika v upor in "razredčilo" prevodno fazo. Posledica so višji faktorji gauge, višja plastna upornost in višji termični šum.
SKLEPI
Mikrostrukturo debeloplastnih uporov z visokimi in nizkimi faktorji gauge smo preiskali z elektronskim vrstičnim mikroskopom. Posnetki s TEM so pokazali značilno razliko med mikrostrukturo obeh tipov uporovnih materialov. Prevodni delci v uporu z nizkim faktorjem gauge so majhni in blizu skupaj, v uporih z visokim faktorjem gauge pa so za razred večji in bolj oddaljeni drug od drugega. Rezultati kažejo, da ima mikrostruktura debeloplastnih uporov večji vpliv na velikost faktorjev gauge kot sama sestava prevodne faze (Ru02 ali rutenati). Bolj homogen material z veliko majhnih delcev prevodne faze, ki so blizu skupaj, ima nizek faktor gauge, manj homogen, kjer so delci prevodne faze bolj oddaljeni drug od drugega, pa visok faktor gauge.
Ker so debeloplastni upori prirejeni za žganje na AI2O3 keramiki, se njihove karakteristike spremenijo, če jih žgemo na dielektrikih za večplastna vezja. Uporom, narejenim z uporovno pasto 3414 firme Electro Science Labs., so faktorji gauge narasli na okrog ali preko 40, če so bili žgani na nekaterih dielektrikih (5704 firme Du ont in 9117 firme Heraeus). Hkrati so se poslabšale druge karakteristike. Narasli so plastne upornosti, temperaturni koeficienti upornosti in termični šum, poslabšala pa se je tudi stabilnost. Rezultati kompleksne impedančne analize so nakazali, da so spremembe karakteristik povezane z difuzijo steklaste faze iz dielektrika v upor med procesom žganja.
ZAHVALA
Zahvaljujemo se ge. Jarmili Wernig za analize ED in ge. Medeji Gec za pripravo vzorcev za TEM. Ministrstvu za znanost in tehnologijo Republike Slovenije se zahvaljujemo za finančno podporo.
LITERATURA
/1/K. Hoffman. An introduction to measurements using strain gages, Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH, Darmstadt, 1989
/2/N. White, A. Cranny, Design and fabrication of thick film sensors. Hybrid Circuits. (12), (1987), 32-35
/3/S. Satoh.atoh Y. Takatsuji, F. Katoh, H. Hirata, Thick film pressure sensor using zirconia diaphragm, Proc. 1991 Int. Symp, on Microelectronics ISHM-91. Orlando, 1991, 148-152
/4/ A, Cattaneo, R, Deii,Acqua, G. DelLOrto, L. Pirozzi, C. Canali, A practical utilization of ttie piezoresistive effect in ttiick film resistors: a low cost pressure sensor, Proc, 1980 Int. Symp. on Microelectronics ISHM-80. New York, 1980, 221-227
/5/ S. Chitale. C. Huang. M. Stein, High gauge factor thick film resistors for strain gauges. Hybrid Circuits Technol,,ß, (5), (1989)
/6/ O. Abe, Y. Taketa, A new thick film strain sensor, Proc. 1988 Int. Symp. on Microelectronics ISHM-88, Seattle, 1988, 217-221
/7/ M. Prudenziati, B. Morten, F. Cilloni, G. Ruffi, Very high strain sensitivity in thick film resistors: real and false gauge factors. Sensors and Actuators, IS, (1989), 401-414
/8/ A. G. Bishay, D. A. Abdelhady, A. M. Darwish, Applicability of discontinuous palladium films as strain gauges, J. Mater. Sei.: Materials in Electronics, 2, (3), (1992), 195-199
/9/ M. M. Nayak, S. Srinivasulu, K. Rajanna, S. Mohan, A. E. Muthu-nayagam. Electrical and strain-sensitive behaviour of sputtered gold films, J. Mater. Sei. Lett., 12, (2), (1993), 119-121
/10/ M. Prudenziati, B. Morten, Thick film sensors: an oveiview. Sensors and Actuators, Iß, (1-2), (1986), 65-82
/11/ R. DelPAcqua, Non-conventional applications of thick-film technology, Hybrid Circuits, (12), (1987), 11-20
/12/ F. Muller, M. Wolf, Dependence of the sheet resistivity and current noise behaviour of the grain size and volume fraction of conducting material in thick-film resistors experiments, Active and Passive Elec. Comp., 12. (1), (1988), 1-6
/13/ A. Le Corre, N. Nicoloso, J. Maier, J. C. Niepce, M. Maglione, Resistor inks: comprehension and modeling of the conduction mechanism in Ru02/glass composites, Proc. 3 rd Int. Conf. Electroceramics, Vol. II, Maubege, 1992, D4.1-3
/14/ M. Hrovat, D. Belavič, J. Hole, S. Šoba, An evaluation of some commercial thick film resistor materials for strain gauges, J. Mater. Sei. Lett., 13, (1994), 992-995
/15/ Prospekt firme Electro Science Labs., High gauge factor resistor, D-3414-A/B, 9008 A
/16/ B. Rzasa, J, Potencki, Thick film resistors on dielectrics as temperature detectors. Active and Passive Elec. Comp., 12, (2). (1986), 135-147
/17/ M. Hrovat, D, Belavič, "Thick film multilayer circuits with "buried" resistors - resistors under multilayer dielectric". Proc. iSHM-Europe Conf., Bournemouth, 1987, 305-312
/18/ P. O.Callaghan, A. T. Walker, K. W. Hang, V. P. Siuta, J. J. Osborne, J. Smith, K. Hayakawa, A. Buckthorpe, New resistor systems for hybrid circuits and resistor components. Microelectronics Int., (37), (1995), 14-17
/19/ J. E. Bauerle, Study of solid electrolyte polarization by a complex admittance method, J. Phys. Chem. Solids,_2Q, (1969), 2657-2670
dr. Marko Hrovat, dipl. ing., dr. Goran Dražič. dipl. ing., dr. Janez Hole, dipl. ing. Institut "Jožef Stefan", Jamova 39, 61111 Ljubljana, Slovenija tel. +386 61 1773 900 fax: +386 61 1261 029
Darko Belavič, dipl. ing., Stojan Šoba, dipl. ing., HIPOT Hybrid, d.o.o., Trubarjeva 7, 68310 Šentjernej, Slovenija tel. +386 68 42 020 fax: +386 68 42 370
Prispelo (Arrived): 2.6.1995
Sprejeto (Accepted): 11.7.1995