Конструктивно-технологические решения для создания кварцевого чувствительного элемента акселерометра с повышенной температурной стабильностью нулевого сигнала тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Харламов Максим Сергеевич

• Харламов Максим Сергеевич
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Харламов Максим Сергеевич

Введение

Глава 1. Обзор и анализ предметной области, постановка цели и задач исследований

1.1 Анализ объекта исследования

1.2 Температурная стабильность нулевого сигнала акселерометра с кварцевым ЧЭ

1.3 Влияние конструктивно-технологических отклонений ЧЭ на характеристики акселерометра

1.4 Технологии микрообработки кварца для изготовления ЧЭ

Выводы по главе

Глава 2. Моделирование влияния конструктивно-технологических отклонений параметров упругого подвеса ЧЭ на характеристики температурной стабильности нулевого сигнала акселерометра

2.1 Постановка задачи, описание исходных данных для моделирования

2.2 Описание расчетной области и граничных условий

2.3 Описание свойств материалов

2.4 Результаты моделирования термодеформаций

2.5 Моделирование статических термоиспытаний акселерометра

2.5.1 Описание исходных данных для моделирования

2.5.2 Результаты моделирования статических термоиспытаний для технологических отклонений параметров упругого подвеса ЧЭ

2.5.3 Исследование влияния пластических деформаций токоподводов ЧЭ на температурный гистерезис и невозврат нулевого сигнала акселерометра

2.5.4 Параметризация отклонений размеров токоподводов

2.5.5 Параметризация размеров кварцевой упругой перемычки

2.5.6 Феноменологическая модель влияния отклонений параметров упругого подвеса ЧЭ на температурную стабильность нулевого сигнала акселерометра

Выводы по главе

Глава 3. Технологии групповой микрообработки кварца для изготовления ЧЭ

3.1 Исследование особенностей применения сквозного реактивного ионного травления кварца

3.1.1 Описание проблемы, постановка задач исследования

3.1.2 Исследование особенностей выбора маскирующего материала

3.1.3 Исследование особенностей травления деформированной мембраны

3.1.4 Выбор материала плёнки-носителя для сквозного РИТ

3.2 Технология изготовления ЧЭ с токоподводами на упругих перемычках

3.3 Анализ влияния технологии ЧЭ на характеристики акселерометра

Глава 4. Исследование и разработка конструктивно-технологической модернизации ЧЭ

4.1 ЧЭ с токоподводами в углублениях на упругой перемычке

4.1.1 Описание конструкции, моделирование термодеформации ЧЭ

4.1.2 Моделирование статических термоиспытаний с параметризацией глубины углублений с токоподводами

4.2 ЧЭ со свободновисящими тонкоплёночными токоподводами

4.2.1 Описание конструктивно-технологического варианта разрабатываемого ЧЭ

4.2.2 Оптимизация геометрии токоподводов

4.3 Сравнение температурной стабильности нулевого сигнала различных вариантов ЧЭ

4.4 Технологии изготовления модернизированных конструкций ЧЭ

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А. Акты внедрения результатов диссертационной работы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Конструктивно-технологические решения для создания кварцевого чувствительного элемента акселерометра с повышенной температурной стабильностью нулевого сигнала»

Актуальность.

Появление кремниевой микроэлектроники во второй половине ХХ века послужило основой для создания и развития нового направления микросистемной техники - микроэлектромеханических систем (МЭМС). Благодаря возникновению новых методов высокоточной микрообработки различных материалов для формирования объёмных микроструктур и созданию компактных микросборок новым направлением развития технологий стала миниатюризация чувствительных и исполнительных элементов датчиков и систем различного функционала. Ключевую роль МЭМС технологии получили в инерциальных датчиках, используемых для решения задач стабилизации, управления, измерения внешних воздействий, а также автономной навигации различных подвижных аппаратов и систем.

Среди высокоточных датчиков линейного ускорения особой

востребованностью пользуются акселерометры с кварцевым чувствительным

элементом (ЧЭ). Благодаря компактности, надёжности, низкому

энергопотреблению и отличным точностным характеристикам эти приборы

являются незаменимыми элементами бесплатформенных инерциальных

навигационных систем, повсеместно применяемыми в изделиях аэрокосмической

техники, а также в системах мониторинга в строительстве, в качестве научной

аппаратуры и т.д. Создаваемые более 50 лет назад как дешёвые приборы средней

точности, акселерометры с кварцевым ЧЭ претерпели значительную

модернизацию и на данный момент стали наиболее перспективными среди прочих

аналогов. Ключевыми организациями, занимающимися разработкой и

изготовлением изделий такого типа, являются НИИ ПМ им. В.И. Кузнецова (г.

Москва), АО «РПКБ» (г. Раменское), МГТУ им. Баумана (г. Москва), АО

«Серпуховский завод «Металлист» (г. Серпухов), ПАО «ПНППК» (г. Пермь), АО

«Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», ФГУП «НПЦАП» (г. Москва), а также

зарубежные фирмы - Sundstrand Data Inc. (США), Honeywell Internernetional Inc.

(США), PoongSan FNS Corp. (Корея), InnaLabs Ltd (Ирландия). Значительный вклад

4

в исследования по данной теме внесли Калихман Д.М., Тимошенков С.П., Коновалов С.Ф., Курносов В.И., Валько А.Д., Григорьев Л.П., Seo J. B., H. Richard, J. Beitia и пр.

В связи с ужесточением требований к автономной навигации и бурным развитием беспилотных систем появилась необходимость улучшения точностных характеристик акселерометров (обеспечение стабильности нулевого сигнала лучше 10 м^) с сохранением массогабаритов, энергопотребления и снижением себестоимости. Ключевой задачей, на решение которой на данный момент направлены усилия разработчиков, является улучшение температурной стабильности характеристик акселерометра (нулевой сигнал, масштабный коэффициент). Наиболее острой проблемой является температурный гистерезис и невозврат нулевого сигнала, так как эти погрешности не устраняются методами алгоритмической коррекции. На температурной стабильности могут сказываться технологические погрешности процессов изготовления кварцевых ЧЭ, что требует проведения исследований и разработок новых технологий групповой высокоточной микрообработки кварца. Наиболее остро данная проблема стоит для отечественных серийных производителей - изготовление ЧЭ проводится методами ручной индивидуальной микрообработки, из-за чего увеличиваются погрешности ЧЭ и растёт количество брака, что влияет на характеристики и себестоимость конечного изделия.

В ходе работы решалась следующая научная задача - определение и минимизация доминирующих факторов, влияющих на температурный гистерезис и невозврата нулевого сигнала акселерометра с кварцевым ЧЭ.

Цель работы: создание конструктивно-технологических решений для усовершенствования кварцевого ЧЭ, способствующих улучшению температурной стабильности нулевого сигнала акселерометра.

Для достижения целы сформулированы следующие задачи:

1. обзор актуальных исследований и разработок в части улучшения характеристик акселерометров с кварцевым ЧЭ и технологий их изготовления;

2. анализ особенностей термодеформации ЧЭ с различными отклонениями геометрии упругого подвеса с использованием численного моделирования;

3. разработка метода моделирования статических термоиспытаний акселерометра, позволяющего строить зависимости характеристик температурной стабильности нулевого сигнала акселерометра от технологических отклонений параметров кварцевого ЧЭ;

4. разработка феноменологической модели, описывающей зависимости характеристик температурной стабильности нулевого сигнала акселерометра от технологических отклонений параметров кварцевого ЧЭ;

5. исследование и разработка технологического процесса сквозного реактивного травления кварца для формирования структуры кварцевого ЧЭ;

6. разработка маршрута изготовления кварцевого ЧЭ акселерометра с улучшенной точностью формирования размеров;

7. разработка и оптимизация нового конструктивно-технологического исполнения кварцевого ЧЭ, позволяющего улучшить температурную стабильности нулевого сигнала акселерометра.

Методология и методы исследования.

Для исследования влияния отклонения параметров упругого подвеса ЧЭ на характеристики температурной стабильности нулевого сигнала акселерометра, а также исследования особенностей деформации кварца при реактивном ионном травлении, использовалось численное моделирование с использованием САПР на основе конечно-элементного метода. В ходе экспериментальных исследований технологий изготовления ЧЭ применялись методы оптической, электронной и атомно-силовой микроскопии, контактной и оптической профилометрии, энергодисперсионной спектроскопии.

Объект исследования: кварцевый ЧЭ акселерометра.

Предмет исследования: температурная стабильность нулевого сигнала акселерометра с кварцевым ЧЭ.

Научная новизна.

1. Предложен новый метод моделирования статических термоиспытаний акселерометра, позволяющий оценивать влияние конструктивно-технологических особенностей ЧЭ на температурную стабильность нулевого сигнала акселерометра.

2. Создана феноменологическая модель, описывающая зависимости характеристик температурной стабильности нулевого сигнала акселерометра (исходное значение, температурный коэффициент, гисретезис и невозврат) от отклонений параметров упругого подвеса ЧЭ (разнотолщинность и разноширинность токоподводов до ±10%, отклонений размеров упругих перемычек до ±10%, отклонений температуры напыления токоподводов до ±1 К), вызванных технологическими погрешностями при изготовлении, что позволяет рассчитывать и прогнозировать влияние особенностей технологии изготовления ЧЭ на характеристики акселерометра.

3. Впервые установлена взаимосвязь между температурным гистерезисом и невозвратом нулевого сигнала акселерометра и пластическими термодеформациями золотых токоподводов ЧЭ, позникающих при эксплуатационных температурах ниже 233 К и выше 353 К.

4. Впервые продемонстрирован эффект локального увеличения скорости реактивного ионного травления мембран из аморфного кварца до 10% в областях с растягивающими деформациями.

5. Предложен ряд оригинальных технологических решений при изготовления кварцевого ЧЭ, позволяющих улучшить точность формирования топологических размеров до ± 5 мкм и высоты/толщины ± 0,5 мкм используя методы групповой микрообработки.

6. Предложено, реализовано и оптимизировано оригинальное конструктивно-технологическое исполнение кварцевого ЧЭ, позволяющее снизить термодеформации упругого подвеса и, как следствие, более чем на 1 порядок уменьшить зависимость характеристик температурной стабильности нулевого сигнала акселерометра от технологических отклонений параметров упругого подвеса ЧЭ.

Теоретическая значимость работы заключается в создании нового расчётного метода оценки погрешностей акселерометров с кварцевым ЧЭ.

Практическая значимость.

На основе полученных результатов разработана технологическая документация производства ЧЭ акселерометров, изготовлены экспериментальные образцы, вошедшие в состав акселерометра АК-18М, разрабатываемого в рамках СЧ ОКР «Модернизация маятника акселерометра АК-18М и разработка триады на основе модернизированного акселерометра» (договор № ОЗП_139.00261.18-03.02/03-18 от 06.09.2018). В результате испытаний экспериментальных образцов акселерометров достигнуты значения температурного невозврата нулевого сигнала от 5 до 20 м^, что кратно превосходит результаты серийно производимых акселерометров. Созданные технологии позволяют снизить себестоимость производства ЧЭ более чем на 40% за счёт использования автоматизированных групповых методов микрообработки кварца при выходе годных более 90%. По результатам работы получены 2 патента РФ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод моделирования статических термоиспытаний акселерометра, позволяющий анализировать влияние технологических отклонений и особенностей параметров упругого подвеса ЧЭ (отклонение размеров токоподводов и упругих перемычек, отклонение температуры напыления токоподводов) на характеристики температурной стабильности нулевого сигнала акселерометра (исходное значение, температурный коэффициент, гисретезис и невозврат), и создавать адекватные феноменологические модели.

2. Технологический процесс сквозного реактивного ионного травления кварцевых пластин, позволяющий формировать вертикальный профиль стенок (угол наклона около 90°) с высокой скоростью (около 0,6 мкм/мин) и равномерностью травления по площади пластины, что достигается за счёт формирования контуров травления и балластных элементов в областях с большой открытой площадью и использования металлической плёнки-носителя.

3. Маршрут изготовления кварцевых ЧЭ с применением групповой микрообработки, позволяющий получать ЧЭ с предельными отклонениями топологических размеров ± 5 мкм и отклонениями толщины/высоты менее ± 0,5 мкм, а также комплексные результаты исследований особенностей применения реактивного ионного травления кварца для изготовления ЧЭ.

4. Модернизированная конструкция и маршрут изготовления кварцевого ЧЭ (ЧЭ со свободновисящими тонкоплёночными микропрофилированными токоподводами), позволяющие на 1 порядок снизить влияние отклонений технологических параметров упругого подвеса на характеристики температурной стабильности нулевого сигнала за счёт уменьшения термодеформаций.

Апробация результатов диссертации. Основные положения работы обсуждались на: XXVII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам (г. Санкт-Петербург, 2020); X Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы ракетно-космического приборостроения и информационных технологий» (г. Москва, 2021); The 4th international symposium on précision opto-mechatronics technology & the 1-st éditorial board meeting for advanced devices & instrumentation (Пекин, 2020); Всероссийский молодёжный конкурс научно-технических работ «ОРБИТА МОЛОДЁЖИ - 2019» (г. Санкт-Петербург, 2019), заседании кафедры ИУ-2 «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУ им. Баумана (г. Москва, 2022 г.).

Результаты работы отмечены серебряной медалью XXVI Московского международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2022».

Глава 1. Обзор и анализ предметной области, постановка цели и задач

исследований

1.1 Анализ объекта исследования

Акселерометры с кварцевым ЧЭ занимают промежуточное место между поплавковыми и кремниевыми МЭМС акселерометрами по точностным характеристикам и себестоимости производства (Рисунок 1) [1]. Это позволило им получить широкое распространение благодаря сравнительно низкой цене и компактным размерам при уровнях точности, соответствующих требованиям автономной инерциальной навигации.

Рисунок 1 - Диаграмма сравнения серийно производимых акселерометров [1]

Конструктивная схема акселерометра с кварцевым ЧЭ представлена на Рисунке 2. ЧЭ, выполненный из плавленого кварца марки КУ-1, состоит из фиксируемой рамки (1) с установочными возвышенностями (платиками) (2) и подвижной лопасти (инерционная масса) (3), связанной с рамкой упругими перемычками с токоподводами (упругим подвесом) (4). Отклонение инерционной массы вдоль измерительной оси, ортогональной плоскости ЧЭ, регистрируется изменением дифференциальной ёмкости, исходный зазор которой задаётся платиками на фиксируемой рамке. Подвижные обкладки этой ёмкости сформированы на обеих сторонах лопасти ЧЭ, а роль неподвижных обкладок играют элементы магнитопроводов (5), фиксирующие рамку ЧЭ. На подвижной лопасти закреплены компенсационные катушки (6), внутрь которых заходит полюсный наконечник (7) на постоянном магните (8). Магнитные системы и катушки являются элементами системы отрицательной обратной связи акселерометра, удерживающей подвижную лопасть в нулевом положении. Изменение ёмкости при отклонении подвижной лопасти с помощью системы обработки акселерометра преобразуется в ток, подаваемый на компенсационные катушки, находящиеся в магнитном поле, создавая тем самым компенсационное воздействие за счёт силы Ампера. Генерируемый ток, необходимый для удержания инерционной массы в нулевом положении, является выходным сигналом акселерометра. Выходной сигнал акселерометра при отсутствии внешних воздействий по измерительной оси называется нулевым сигналом и является одной из ключевых характеристик прибора. Уровень нулевого сигнала может меняться со временем или при различных внешних воздействиях, в первую очередь -температурных нагрузках. Температурная стабильность нулевого сигнала является одной из ключевых характеристик акселерометра, так как определение координат в инерциальной автономной навигации происходит путем интегрирования выходной характеристики акселерометра.

Рисунок 2 - Конструкция акселерометра с кварцевым ЧЭ: 1 - фиксируемая рамка;

2 - установочные платики; 3 - подвижная лопасть; 4 - упругий подвес; 5 -магнитопроводы; 6 - компенсационные катушки; 7 - полюсный наконечник; 8 -

постоянный магнит

Выбор материала для ЧЭ акселерометра ключевым образом сказывается на характеристиках. В работе [2] проводится детальное сравнение свойств кремния и кварца с точки зрения их влияния как конструкционного материала ЧЭ на особенности акселерометров. Согласно исследованию, для кварца можно выделить следующие преимущества:

• модуль упругости кварца (71,4 ГПа) более чем в два раза меньше модуля упругости кремния (160 ГПа), что позволяет при одинаковых прочностных свойствах упругого подвеса маятника иметь в два раза меньшую жесткость кварцевого упругого подвеса по сравнению с кремниевым и по этой причине в два раза снизить требования к величине временного и температурного дрейфа нуля усилителя компенсационного контура для Q-flex акселерометров;

• низкий модуль упругости кварца в сравнении с кремнием позволяет формировать элементы упругого подвеса больших размеров при идентичной жесткости, что увеличивает технологичность;

• температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) кварца

близок по значению к ТКЛР суперинвара - материала магнитопроводов, что

уменьшает проблему температурных деформаций фиксируемой рамки ЧЭ и

12

позволяет обеспечить существенно большую стабильность в сравнении с кремнием.

Однако применение кварца в качестве конструктивного материала ЧЭ в сравнении с кремнием имеет ряд следующих недостатков:

• теплопроводность кремния (157 Вт/(К м)) многократно превышает теплопроводность кварца (1,38 Вт/(К м)), по этой причине кремниевые ЧЭ обеспечивают лучший теплоотвод от компенсационных катушек;

• кварц, в отличие от кремния, является диэлектриком, из-за чего для формирования подвижных электродов требуется напыление металлических слоёв на поверхности кварцевого ЧЭ, в отличие от кремния, который сам может выполнять роль подвижного электрода;

• имеющийся глубокий задел и широкие возможности в части методов микрообработки кремния (например, глубинное плазменное bosch-травление) делает этот материал более технологичным для производства акселерометров в сравнении с кварцем, имеющим значительно большие ограничения в возможностях формирования микроструктур.

Сравнению кварцевых и кремниевых акселерометров также посвящена работа [3]. Для сравнения рассматриваемых приборов разработана методика испытаний нестабильности масштабного коэффициента и нулевого сигнала (Таблица 1).

Таблица 1 - Характеристики акселерометров по результатам испытаний [2]

Наименование параметра А-18 АК-15 А-18Т АК-6 Е1

Нестабильность масштабного коэфф., ррт 100-150 160-180 30-50 30-70 10-240

Нестабильность нулевого сигнала, м^ 150-190 10- 30 150-280 40-80 40-60

Материал ЧЭ кремний кварц кварц кварц кварц

В результате получено, что акселерометры с кварцевым ЧЭ являются наиболее совершенными по стабильности нулевого сигнала и наиболее близки к необходимым значениям по другим характеристикам по сравнению кремниевыми

аналогами. Однако их ключевым недостатком является слабый уровень освоения технологий групповой микрообработки кварца для изготовления кварцевых ЧЭ.

1.2 Температурная стабильность нулевого сигнала акселерометра с кварцевым ЧЭ

Анализ температурной стабильности нулевого сигнала акселерометра осуществляется при проведении динамических и статических термоиспытаний [3]. Готовый прибор помещается в термокамеру и подвергается температурным воздействиям по синусоидальному закону в эксплуатационном диапазоне температур. При динамических термоиспытаниях температура меняется непрерывно с периодом порядка 3 часов. Выходной сигнал акселерометра при этом имеет вид гистерезисной петли, показанной на Рисунке 3 (а). Ширина гистерезиса в этом случае связана с инерционностью тепловых процессов - временем, необходимым для передачи температуры извне к термодатчику прибора и его конструктивным элементам. Динамические испытания используются в основном для выявления аномалий, например, повторяющихся «скачков» нулевого сигнала, пример которого представлен на Рисунке 3 (б). Установлено, что первопричиной «скачков» при охлаждении акселерометра является резкая деформация или изменение объёма малых объёмов материала в магнитопроводе, что приводит к нарушению плоскостности сопрягаемой с поверхностью кварцевого ЧЭ. Подобная деформация происходит при фазовом превращении в сплаве 32НКД, то есть при переходе части зёрен материала из аустенитной фазы в мартенситную. При этом основной объём материала магнитопровода сохраняет аустенитную структуру. Возможность мартенситного преобразования в суперинварных сплавах при рассматриваемых температурах также описана в работе [4]. В материалах типа Super Invar 32-5 производитель Carpenter Technology Corporation гарантирует отсутствие мартенситных превращений в сплаве при отрицательных температурах вплоть до минус 75 °С.

Рисунок 3 - Типовой график выходного сигнала при динамических термоиспытаниях; а) - вариант без «скачка», б) - вариант со «скачком» при

отрицательной температуре [3]

При статических термоиспытаниях температура ступенчато меняется с небольшим шагом (порядка 10°С) и выдержкой на каждой температурной ступени в течение времени, необходимого для равномерного распределения температуры в корпусе прибора (обычно около часа), после чего фиксируется нулевой сигнал прибора. График зависимости нулевого сигнала от температуры при этом обычно имеет вид гистерезисной петли, показанной на Рисунке 4. По наклону гистерезисной петли определяют зависимости нулевого сигнала и масштабного коэффициента от температуры, а также других параметров, которые используют для алгоритмической компенсации температурных погрешностей приборов. Использование в составе акселерометра термодатчика позволяет проводить алгоритмическую компенсацию температурного дрейфа нулевого сигнала и масштабного коэффициента акселерометра [6 - 8] или реализовывать термостатирование прибора [9]. Тем не менее, амплитуды гистерезиса и его неповторяемости при многократном термоциклировании не могут быть учтены и снижены алгоритмическими методами, что является наиболее существенной и

актуальной проблемой для производителей и потребителей [8, 10], а термостатирование значительно увеличивает время запуска и энергопотребление акселерометра.

Рисунок 4 - Типовой график нулевого сигнала при статических

термоиспытаниях [3]

Помимо исследований единичных приборов, особый интерес представляют статистические данные термоиспытаний акселерометров при серийном производстве. Из-за технологических погрешностей процессов микрообработки и сборки при производстве акселерометры имеют отличающиеся характеристики. Это вынуждает производителей испытывать все изготовленные приборы и проводить итоговую селективную выборку, разделяя их на группы с различными классами точности. В [11] описываются подробности проектирования, разработки и исследований акселерометров с кварцевым ЧЭ фирмы «InnaLabs Ltd» моделей AI-Q-2010, AI-Q-1410 и AI-Q-710. Представленные модели идентичны с точки зрения конструкции и технологии изготовления, однако отличаются по температурной стабильности характеристик и разделяются на классы точности при проведении испытаний. Данные о характеристиках температурной стабильности

нулевого сигнала для приборов в партии представлены на Рисунке 5 и в Таблице 2. В выборке изготовленных приборов характеристики могут отличаться более чем на порядок. При этом, количество наиболее точных акселерометров не превышает 50% из изготовленной партии приборов. Продемонстрированные результаты статистических испытаний подтверждают актуальность проблемы повторяемости характеристик приборов при серийном производстве.

а)

б)

в)

Рисунок 5 - Статистические данные о температурной стабильности нулевого сигнала акселерометров InnaLabs Ltd моделей AI-Q-2010, AI-Q-1410 и AI-Q-710; а) - нулевой сигнал при комнатной температуре, б) - температурный коэффициент нулевого сигнала, в) - температурный гистерезис

нулевого сигнала [11]

Таблица 2 - Характеристики температурной стабильности нулевого сигнала акселерометров InnaLabs Ltd для различных моделей [11]

Параметр 50% партии 70% партии Модель акселерометра Значения в спецификации

Нулевой сигнал при комнатной температуре, м^ 1250 1950 AI-Q-2010 4000

2200 3100 AI-Q-1410 5000

AI-Q-710 8000

Температурный коэффициент нулевого сигнала, м^/К 10 20 AI-Q-2010 30

20 30 AI-Q-1410 70

AI-Q-710 70

Температурный гистерезис нулевого сигнала, м^ 40 50 AI-Q-2010 -

60 90 AI-Q-1410

AI-Q-710

В работе [12] представлены статистические данные о нестабильности различных характеристик акселерометров АК-15. Распределение приборов в диапазоне нестабильности нулевого сигнала от 10 до 80 м^ из партии представлено на Рисунке 6. Из диаграммы видно, что доля приборов с нулевым сигналом менее 10 м^ составляет 6,6 %, от 10 до 30 м^ - 53,3%, от 30 до 50 м^ -29,5%, более 50 м^ - 10.6%.

12 3 4 Рисунок 6 - Статистические данные нестабильности нулевого сигнала партии серийно изготовленных акселерометров АК-15 [12]

В работе [13] продемонстрированы результаты испытаний нестабильности нулевого сигнала акселерометров партией из 25 приборов (Рисунок 7). Из графика видно, что около 10% приборов имеют нулевой сигнал менее 25 м^, а 3 из 25 приборов выходят за пределы 50 м^.

100 10^

Л.

• г Ш • ■ . \ ' Л . V. • • : • ■ t ■ ■ - , * ■ * ■ 1

■ .' . * 1 ■ ■ * •

• ■* - dgt (нестабильность)

Номер акселерометра

О ! 2 3 4 5 6 7 S 9 10 11 12 13 14 15 16 ¡7 1S 19 20 21 22 23 24 25 26

Рисунок 7 - Средние значения нестабильности нулевого сигнала в партии серийно

изготовленных акселерометров [13]

Авторами [13] установлено, что многократное термоциклирование изготовленных приборов позволяет улучшить стабильность нулевого сигнала акселерометров в среднем в 2 раза (Рисунок 8).

а) б)

Рисунок 8 - Статистические данные нестабильности нулевого сигнала в партии серийно изготовленных акселерометров до (а) и после (б) термоциклирования [13]

В работе [14] рассматривается задача создания термоуниверсального инвариантного акселерометра с рабочим диапазоном измеряемых ускорений ±50 g, рабочим диапазоном температур от -60 до +80°С, с погрешностью масштабного коэффициента не хуже 0,01% и случайной составляющей смещения нуля не более 50 м^. Данные требования были достигнуты за счёт использования алгоритмической компенсации температурного дрейфа нулевого сигнала (Рисунок 9), однако задача снижения гистерезиса и невозврата осталась нерешённой.

Температура, ед. АЦП терм о датчика Температура, ед. АЦП термодатчика

а) б)

Рисунок 9 - Зависимость показаний акселерометров в положении ±1 g от в диапазоне температур от -60 до + 80°С до (а) и после (б) термокомпенсации [14]

1.3 Влияние конструктивно-технологических отклонений ЧЭ на характеристики акселерометра

Известно, что погрешности выходного сигнала акселерометров могут быть вызваны двумя независимыми составляющими - различными отклонениями и несовершенствами ЧЭ, связанными с погрешностями процессов микрообработки и сборки, и погрешностями электроники системы обработки. На данный момент для акселерометров с кварцевым ЧЭ первый фактор имеет ключевое и преобладающее значение, так как многие задачи по снижению влияния второго фактора уже решены. Это подтверждается большинством актуальных публикаций, посвященных исследованию связи погрешностей акселерометра с конструктивно-технологическими несовершенствами ЧЭ [15 - 19]. При таких исследованиях широко применяются различные методы математического и физического моделирования, что позволяет ограничить конкретные исследуемые области акселерометра и сравнить их вклад между собой. Экспериментальные исследования не дают такой возможности, так как все технологические отклонения имеют случайный характер, не поддаются прогнозированию и параметризации, а

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Харламов Максим Сергеевич, 2023 год

Список литературы

1. Коновалов С.Ф. Навигационные акселерометры / С.Ф. Коновалов.

- Москва : МГТУ им Н.Э. Баумана, 2022. - 456 с.

2. Голяев Ю.Д., Колбас Ю.Ю., Коновалов С.Ф., Соловьева Т.И., Томилин А.В. Критерии выбора акселерометра для инерциального измерительного блока // Системотехника: Системные проблемы надежности, качества и информационных технологий, 2012.

3. Голяев Ю.Д., Колбас Ю.Ю., Коновалов С.Ф., Соловьева Т.И., Томилин А.В. Метод выбора акселерометра для бесплатформенной инерциальной навигационной системы нового поколения и результаты сравнительных испытаний акселерометров различных типов // International Scientific - Practical Conference «Innovative Information Technologies». - Чехия, Прага, 2013. С. 372 - 378.

4. Distl J., Juranek H.L., Luichtel G. Expansion behaviour of superinvar in the vicinity of martensite transformation temperature // Steel Research. - 2002, № 72, С. 416

- 420.

5. Коновалов С.Ф. и др. Температурный дрейф и нестабильность нулевого сигнала маятниковых компенсационных Q-flex акселерометров // XXVII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. - СПб., 2020. С. 237 - 243.

6. Distl Josef, Juranek Hans Joachim, Luichtel Georg. Expansion behaviour of Superinvar in the vicinity of martensite transformation temperature // Steel Research. -2002, № 72. С. 416-420.

7. Weibin Yang et al. A temperature compensation model for low cost quartz accelerometer and its application it tilt sensing // Mathematical Problems in Engeneering.

- 2016, ID 2950376. - 10 с. DOI: 10.1155/2016/2950376

8. Jing-Min Gao, Ke-Bei Zhang, Fu-Bin Chen, Hong-Bo Yang. Temperature characteristics and error compensation for quartz flexible accelerometer // International Journal of Automation and Computing. - Октябрь 2015, 15(5). С. 540 - 550. doi: 10.1007/s11633-015-0899-5.

9. Пат. 2528119 (С2) (РФ), МКП G01P 15/00. Термоинвариантный измеритель линейного ускорения / Л.Я. Калихман Лариса Яковлевна, Д.М. Калихман, С.Ф. Нахов, В.М. Поздняков, В.С. Рыжков, Р.М. Самитов, Ю.С. Чурилин; ФГУП «НПЦАП им. Н.А. Пилюгина». - Заявл. 26.12.2012; Опубл. 10.09.2014, Бюл. № 25. - 23 с.

10. Chunxi Zhang, Xin Wang, Lailiang Song, Longjun Ran. Temperature hysteresis mechanism and compensation of quartz flexible accelerometer in aerial inertial navigation system // Sensors. - 2021, 21, 294. - 17 c. https://doi.org/10.3390/s21010294.

11. J. Beitia, A. Clifford, C. Fell, P. Loisel. Quartz pendulous accelerometer for navigation and tactical grade systems // Inertial sensors and systems. - Карлсруэ, Германия, 2015. - 20 с.

12. Смирнов А.А., Денисов С.Ю., Измайлов Е.А. Кварцевые маятниковые акселерометры инерциального класса точности // Четвертая Всероссийская научно-техническая конференция «Навигация, наведение и управление летательными аппаратами. Тезисы докладов. - Москва, ноябрь, 2019. С. 80 - 82.

13. Денисов С.Ю., Акилин В.И. Технологические методы повышения точностных характеристик кварцевых акселерометров // Навигация и управление летательными аппаратами. - 2016, № 15. С. 17 - 31.

14. Скоробогатов В.В. Проблемы разработки широкодиапазонного кварцевого маятникового акселерометра с цифровой обратной связью и пути их решения // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2016, вып. 10. С. 17 - 29.

15. Гнусарев Д.С. Моделирование работы кварцевого маятникового акселерометра с замкнутым контуром управления // Известия ТулГУ. Технические науки. - 2019, вып. 8. С. 77 - 83.

16. Коновалов С.Ф., Майоров Д.В., Пономарев Ю.А., Чулков В.Е., Сео Дж. Б. Причины нелинейности акселерометров типа Q-flex и Si-flex при взаимном смещении центра масс и точки приложения компенсационной силы // XLIII академические чтения по космонавтике. - Москва, 2019. С. 228 - 229.

17. Измайлов А.Е. Исследование точности прецизионных акселерометров и повышение их качества : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.11.14 / Андрей Евгеньевич Измайлов. - Москва, 2003. - 24 с.

18. Сео Дж. Б. Оптимизация параметров и моделирование рабочих режимов в компенсационных акселерометрах типа Q-flex и Si-flex : автореф. . канд. техн. наук : 05.11.03 / Сео Дже Бом. - Москва, 2012. - 17 с.

19. Конотоп Д.А., Максимов П.В. Применение численного моделирования для анализа конструктивных особенностей маятникового кварцевого акселерометра // Научно-технический вестник Поволжья. - 2018, №7. С. 118 - 121.

20. Коновалов С.Ф., Пономарев Ю.А., Майоров Д.В., Подчезерцев В.П. Гибридные микроэлектромеханические гироскопы и акселерометры // Наука и образование. - Октябрь 2011, № 10. - 23 с.

21. Ветрова Е.В., Смирнов И.П., Козлов Д.В., Запетляев В.М. Особенности создания чувствительных элементов кремниевых и кварцевых маятниковых акселерометров // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. - 2017, том 4, выпуск 2. С. 95 - 102.

22. Минкин А.М. Технологические основы формообразования чувствительного элемента из кварцевого стекла методом химического травления через текстурированное молибденовое покрытие : дис. ... канд. техн. наук : 05.17.01 / Минкин Александр Михайлович. - Пермь, 2020. - 116 с.

23. Пат. 2656109 (С1) (РФ), МКП H01L 21/308. Способ изготовления чувствительного элемента акселерометра / Д.В. Козлов, И.П. Смирнов, А.С. Корпухин, В.М. Запетляев, Г.А. Исакова; АО «Российские космические системы». - Заявл. 24.03.2017; Опубл. 31.05.2018, Бюл. № 16. - 12 с.

24. Гусева О.С., Козлов Д.В., Корпухин А.С., Смирнов И.П., Андреев П.А. Применение фемтосекундного лазера при изготовлении кварцевых чувствительных элементов МЭМС-акселерометров // Нано- и микросистемная техника. - 2022, том 24, № 1. С. 3 - 8.

25. Strelsoy A., Borrelli N. Study of femtosecond-laser-written waveguides in glasses // Journal of the optical society of America B. - 2002, том. 19, вып. 10. С. 24962504.

26. Пат. US3702073 (A), G01P15/13, Accelerometer / Earl D. Jacobs; Sundstrand Data Control Inc. Заявл. 28.02.1969; Опубл. 7.11.1972. - 8 с.

27. Wuyong Peng. Optimization studies of thermal bimorph cantilevers, electrostatic torsion actuators and variable capacitors : A Dissertation Submitted to the Faculty of New Jersey Institute of Technology In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Materials Science and Engineering Interdisciplinary Program in Materials Science and Engineering. - May 2004. - 112 с.

28. Лучкин А.Г. Температурный режим нанесения тонкопленочных покрытий на полимеры методом магнетронного распыления // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. №16. С. 121-125.

29. Лунин Б.С., Торбин С.Н. О температурной зависимости модуля юнга чистых кварцевых стёкол // Вестник московского университета. Серия 2. Химия. -2000, т. 41, №3. С. 172 - 173.

30. Schmelzer, J.W.P., Glass: selected properties and crystallization / Берлин, 2014. - 588 c.

31. Wallenius J. et al. Development of an EAM potential for simulation of radiation damage in Fe-Cr alloys // Journal of Nuclear Materials. - 2004, 329-333. С. 1175 - 1179.

32. Karanjgaokar N. J. Strain rate and temperature dependent mechanical behavior of nanocrystalline gold : Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering in the Graduate College of the University of Illinois at Urbana-Champaign, 2013. - 112 p.

33. Haque M. A., Saif M. T. A. Deformation mechanisms in free-standing nanoscale thin films: A quantitative in situ transmission electron microscope study // PNAS. - Апрель, 2004, вып. 101, № 17. С. 6335 - 3640.

34. Volinsky A. A. et al. Nanoindentation of Au and Pt/Cu thin films at elevated temperatures // Journal Material Research. - сентябрь 2004, вып. 19, № 9. С. 2650 -2657.

35. Birleanu C. et al. Temperature effect on the mechanical properties of gold nano films with different thickness // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. - 2016; № 147, 012021. doi:10.1088/1757- 899X/147/1/012021.

36. Hodge Th.C. et al. Stress in thin film metallization // IEEE transactions on components, packaging and manufacturing technology - part A. - 1997; вып. 20; № 2. С. 241-250.

37. Nastaran Ghazi Esfahani. Investigation of plastic strain recovery and creep in thin film nanocrystalline metals : Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Graduate School of Arts and Sciences Columbia university, 2014, 119 p.

38. Chang-Wook Beak et al. Mechanical characterization of gold thin films based on strip bending and nanoindentation test for MEMS/NEMS application // Sensors and Materials. - 2005; вып. 17, № 5. С. 277 - 288.

39. Pamato M.G. et al. The thermal expansion of gold: point defect concentrations and pre-melting in face-centered cubic metal // J. Appl. Cryst. - 2018; № 51. С. 470-480, doi: 10.1107/S1600576718002248.

40. Семенов А.Е. Исследования кварцевых маятниковых акселерометров : научно-квалификационная работа : 05.11.03 / Семенов Александр Евгеньевич. -москва, 2022. - 134 с.

41. Jung H.C. Design and fabrication of microfluidic devices for electrokinetic studies : a thesis for the Degree Master of Science : The Ohio State University. - 2008. 81 с.

42. Волков А.В. Исследование технологических режимов плазменного ионно-химического травления на установке «Caroline PE15» : электрон. учеб.-метод. пособие / А.В. Волков; М-во образования и науки РФ, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Королёва. - Самара, 2013. - 89 с.

43. Ветошкин В.М., Крылов П.Н. Высокоскоростное ВЧ-магнетнонное реактивно-ионное травление кварца // 4-я международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом». - Октябрь, 2001, Минск, Беларусь. С. 67 - 69.

44. Ветошкин В.М. Экспериментальная установка для исследования вакуумно-плазменных процессов обработки кварца : дис. ... канд. техн. наук : 01.04.01 / Ветошкин Владимир Михайлович. - Ижевск, 2009. - 139 с.

45. Сагателян Г.Р., Новосёлов К.Л., Шишлов А.В., Щукин С.А. Применение нанотехнологических методов для изготовления пластины маятникового акселерометра // Инженерный журнал: наука и инновации. - 2013, вып. 6. С. 1 - 22.

46. Дикарев А.Ю. и др. Каталитическое плазмохимическое травление кварца // Конденсированные среди и межфазные границы. - 2005, том 7, № 2. - С. 217 - 221.

47. Knizikevicius R. Simulations of Si and SiO2 etching in SF6 + O2 plasma // Acta Physica Polonica A. - 2010, вып. 117, №3. - С. 478 - 483.

48. Zeze D.A. et al. Reactive ion etching of quartz and Pyrex for microelectronic applications // Journal of applied physics. - Октябрь, 2002, вып. 92, №7. - С. 3624 - 3629.

49. Kim D.W., Lee H.Y., Park B.J., Kim H.S., Sung Y.J., Chae S.H., Ko Y.W., Yeom G.Y. High rate etching of 6H-SiC in SF6-based magnetically-enhanced inductively coupled plasmas // Thin Solid Films. - 2004; № 447-448. C. 100 - 104.

50. Park J.H., Lee N.-E., Jaechan Lee, Park J.S., Park H.D. Deep dry etching of borosilicate glass using SF6 and SF6/Ar inductively coupled plasmas // Microelectronic Engineering. - 2005; № 82. C. 119-128.

51. Chen H., Fu C. An investigation into the characteristic of deep reactive ion etching of quartz using SU-8 as a mask // J. Micromec. Microeng. - 2008; № 18; 105001. С. 1-8.

52. Ujile T., Kikuchi T., Ichiki T., Horiike Y. Fabrication of quartz microcapillary electrophoresis chips using plasma etching // J. Appl. Phys. - 2000; выпуск 39; часть № 6A. С. 3677-3682.

53. Abe T., Esashi M. One-chip multichannel quartz crystal microbalance (QCM) fabricated by Deep RIE // Sensors and Actuators. - 2000; № 82. С. 139-143.

54. Fedynyshyn Th. H. et al. The effect of aluminum vs. photoresist masking on the etching rates of silicon and silicon dioxide in CF4/O2 plasmas // J. Electrochem, Soc,: Solid-state science and technology. - Январь 1987, вып. 134, № 1. С. 206 - 209.

55. Сейдман Л.А. Формирование трехмерных структур в подложках карбида кремния плазмохимическим травлением // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. - 2015, т. 18, № 3. C. 157 - 171.

56. Shin-ichi Imai. Effect of copper emitted from wafers on etch rates of insulator films in capacitively coupled fluorocarbon plasma // J. Vac. Scl. Technol. A. -Февраль 2009, вып. 27, № 1. С. 1 - 9.

57. Fedynyshyn Th. H. et al. The effect of metal masks on the plasma etch rate of silicon // J. Electrochem. Soc. - Июнь, 1989, вып. 136, № 6. - С. 1799 - 1804.

58. Волков А.В. и др. Тонкопленочная медь как маскирующий слой в процессе плазмохимического травления кварца // Компьютерная оптика. - 2007, том 31, № 4. - С. 53 - 54.

59. Mohamed Kh., Alkaisi M. M. The fabrication of high aspect ratio nanostructures on quartz substrate // Updates in Advanced Litography. - 2013, chapter 9. С. 211 - 225.

60. Dahm G. et al. Quartz etching for phase shifting masks // Microelectronic Engineering. - 1995, №27. С. 263 - 266.

61. Макарчук М.В., Королев А.П. Физика тонких пленок: конспект лекций. Тамбов: Изд-во ФГБОУ ВПО "ТГТУ" - 2013. - 44 с.

62. Lallement L. et al. Etching studies of silica glasses in SF6/Ar inductively coupled plasmas: Implications for microfluidic devices fabrication // J. Vac. Scl. Technol. A. - 2010; выпуск 28; № 2. С. 277-286.

63. Дунаев А.В., Мурин Д.Б. Кинетика травления меди в ВЧ-разряде фреона R-12 // Микроэлектроника. - 2017; том. 46; № 4. С. 294-289.

64. Youtsey C., Romano L.T., Adesida I. Gallium nitride whiskers formed by selective photoenhanced wet etching dislocations // Applied physics letters. - 1998; вып. 73; № 6. С. 797-799.

65. Albert J. et al. Maskless writing of submicrometer gratings in fused silica by focused ion beam implantation and differential wet etching // Appl. Phys. Lett. - 1993; вып. 63; 2309. С. 11.

66. Blum A.E., Yund R.A., Lasaga A.C. The effect of dislocation density on the dissolution rate of quartz // Geochimica et Cosmochimica Acta. - 1989; вып. 54. С. 283297.

67. Емалетдинов А.К., Нуруллаев Р.Л. Линейные дефекты и микроскопические механизмы деформации аморфных материалов // Вестник ТГУ. - 2003; том 8; вып. 4. С. 762-765.

68. Волынский А.Л., Бакеев Н.Ф. Структурные аспекты неупругой деформации стеклообразных полимеров // Высокомолекулярные соединения. Серия С. - 2005; том 47; № 7. С. 1332-1367.

69. Корпухин А.С. Методы получения и характеристики полиимид-кремниевых микроактюаторов и устройств микромеханики на их основе : дисс. . канд. техн. наук : 05.27.01 / Корпухин Андрей Сергеевич. - Москва, 2012. - 129 с.

70. Пат. US4400979 (A), G01L1/00; G01L1/14; G01L1/26; G01P15/13, Force transducer flexure with conductors on surfaces in the neutral bending plane / Hanson Richard A., Atherton Kim W.; Sundstrand Data Control Inc. Заявл. 14.07.1981; Опубл. 30.08.1983. - 8 с.

71. Пат. 2291450 (С1) (РФ), G01P 15/13, Компенсационный маятниковый акселерометр / А.Р. Бахратов, Т.Л. Егорова, А.С. Игнатов, С.Ф. Коновалов, А.А. Коновченко, В.И. Курносов, В.А. Куртюков, А.С. Ларшин, Е.Л. Межирицкий, Е.С. Смирнов, В.В. Юрасов; ФГУП «НПЦАП им. Н.А. Пилюгина». - Заявл. 26.05.2005; Опубл. 10.01.2007, Бюл № 1. - 14 с.

Приложение А Акты внедрения результатов диссертационной работы

об использовании рсэугшгатов диссертационной работы «Конструктивно-технологические решения для усовершенствования кварцевого чувствительного элемента акселерометра с повышенной температурной стабильностью

нулевого сигнала» Харламова Максима Сергеевича

Настоящий акт подтверждает использование научных результатов, полученных в диссертационшж работе Харламова М.С.:

- созданный метод моделирования статических тсрмоиспытаний акселерометра с кварцевым чувствительным элементом, а также результаты исследований влияния технологических отклонений параметров упругого подвеса на характеристики температурной стабильности, полученные на его основе:

- результаты исследования и оптимизации конструкции модернизированного кварцевого чувствительного элемента со снободповисящнми тонкоплёночными мигсропрофилнропанпьши токоподкодами, а также технология его изготовления

в МГТУ им, Баумана при выполнении СЧ ОКР «Модернизация маятника акселерометра АК-18М и разработка триады на основе модернизированного акселерометра», договор № ОЗП 139.00261.18-03,02/03-1& от 06.04.201 В.

Разработанные и изготовленные экспериментальные образцы модернизированного ЧЭ вошли в состав акселерометров АК-18М. испытания которого показали кратное улучшение температурной стабильности нулевого сигнала по сравнению с серийными а1 ¡ ало там и.

Данные по исследованиям влияния термодеформации чувствительного элемент® на характеристики акселерометра и технологические решения процессов микрообработки кварца использованы в учебном процессе на кафедре ИУ-2 «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУ им, Баумана в дисциплинах «Навигационные акселерометры» и «Микромеханические приборы».

Заместитель заведующего кафедрой ИУ-2 кандидат технических наук, доцент

УТВЕРЖДАЮ Заместитель генерального конструктора но

об использовании результатов диссертационной работы Харламова Максима Сергеевича

Настоящим актом подтверждаем, что полученные в диссертационной работе Харламова М.С. результаты, в числе которых:

- анализ и моделирование влияния технологических погрешностей параметров кварцевого чувствительного элемента на характеристики акселерометра;

ионного травления кварца при изготовлении чувствительных элементов акселерометров;

- созданные технологические ранения для Изготовления кварцевых чувствительных элементов акселерометров

используются в АО «Российские космические системы» в рамках выполняемых работ по разработке технологий изготовления и производству кварцевых чувствительных элементов акселерометров.

Полученные технологические решения внедрены в производство и представлены в технологи ческой документации для изготовления кварцевых чувствительных элементов акселерометров с использованием групповых методон микрообработки, что позволяет повысить точностные характеристики и уменьшить себестоимость производства гго сравнению с имеющимися аналогами.

- результаты исследований особенностей применения сквозного реактивного

Председатель комиссии:

Краснов М.И.

Ануров А.Е.