eng
Выпуск #5/2024
С.А.Жукова, Д.Ю.Обижаев, С.А.Ульянов, М.А.Зиновьев, Д.Д.Рискин, С.Ю.Суздальцев, Е.Н.Фролов, Ю.А.Ганцева
СОЗДАНИЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ И ОРГАНИЗАЦИЯ ИХ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
СОЗДАНИЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ И ОРГАНИЗАЦИЯ ИХ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Просмотры: 1138
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.282.290
В ФГУП "ЦНИИХМ" создана линейка микромеханических датчиков линейных ускорений. В состав линейки входят датчики трех исполнений ММА-2, ММА-10 и ММА-30 с диапазонами преобразования ±20 м/с2, ±100 м/с2 и ±300 м/с2 соответственно. Датчики предназначены для использования в составе систем ориентации, стабилизации и навигации в составе различных изделий. Проведен полный комплекс испытаний, подтверждающий заявленные технические характеристики и стойкость к внешним воздействиям, а также утверждена рабочая конструкторская документация для организации серийного производства. Возможный объем производства датчиков составляет несколько тысяч штук в год.
В ФГУП "ЦНИИХМ" создана линейка микромеханических датчиков линейных ускорений. В состав линейки входят датчики трех исполнений ММА-2, ММА-10 и ММА-30 с диапазонами преобразования ±20 м/с2, ±100 м/с2 и ±300 м/с2 соответственно. Датчики предназначены для использования в составе систем ориентации, стабилизации и навигации в составе различных изделий. Проведен полный комплекс испытаний, подтверждающий заявленные технические характеристики и стойкость к внешним воздействиям, а также утверждена рабочая конструкторская документация для организации серийного производства. Возможный объем производства датчиков составляет несколько тысяч штук в год.
Теги: accelerometer capacitive sensor mems sensor calibration sensor packaging sensor test акселерометр емкостной датчик испытания датчиков калибровка датчиков мэмс сборка датчиков
Получено: 4.07.2024 г. | Принято: 11.07.2024 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.282.290
Научная статья
СОЗДАНИЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ И ОРГАНИЗАЦИЯ ИХ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
С.А.Жукова1, к.т.н., зам. нач. центра по науч. раб., ORCID: 0009-0004-1566-8182 / szh17@yandex.ru
Д.Ю.Обижаев1, к.т.н., нач. упр., ORCID: 0009-0001-4437-558X
С.А.Ульянов1, нач. НИЦ нанотехнологий, ORCID: 0009-0002-7308-6063
М.А.Зиновьев1, нач. лаб., ORCID: 0009-0000-3322-317X
Д.Д.Рискин1, вед. инж., ORCID: 0009-0006-6164-1284
С.Ю.Суздальцев1, к.т.н., нач. отд. – зам. нач. упр., ORCID: 0009-0001-0224-619X
Е.Н.Фролов1, к.т.н., нач. лаб., ORCID: 0009-0002-1802-373X
Ю.А.Ганцева1, нач. лаб. – зам. нач. отд., ORCID: 0009-0006-9899-4972
Аннотация. В ФГУП "ЦНИИХМ" создана линейка микромеханических датчиков линейных ускорений. В состав линейки входят датчики трех исполнений ММА-2, ММА-10 и ММА-30 с диапазонами преобразования ±20 м/с2, ±100 м/с2 и ±300 м/с2 соответственно. Датчики предназначены для использования в составе систем ориентации, стабилизации и навигации в составе различных изделий. Проведен полный комплекс испытаний, подтверждающий заявленные технические характеристики и стойкость к внешним воздействиям, а также утверждена рабочая конструкторская документация для организации серийного производства. Возможный объем производства датчиков составляет несколько тысяч штук в год.
Ключевые слова: МЭМС, акселерометр, емкостной датчик, сборка датчиков, калибровка датчиков, испытания датчиков
Для цитирования: С.А. Жукова, Д.Ю. Обижаев, С.А. Ульянов, М.А. Зиновьев, Д.Д. Рискин, С.Ю. Суздальцев, Е.Н. Фролов, Ю.А. Ганцева. Создание микромеханических датчиков линейных ускорений и организация их серийного производства. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 5. С. 282–290. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2024.17.5.282.290.
Received: 31.05.2024 | Accepted: 7.06.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.282.290
Original paper
DEVELOPMENT OF MICROMECHANICAL LINEAR ACCELERATION SENSORS AND THEIR SERIAL INDUSTRIAL ENGINEERING
S.А.Zhukova1, Cand.of Sci. (Tech), Deputy Director, ORCID: 0009-0004-1566-8182 / szh17@yandex.ru / mail@cniihm.ru
D.Yu.Obizhaev1, Cand.of Sci. (Tech), Head of Department, ORCID: 0009-0001-4437-558X
S.А.Ulyanov1, Head of SRC of Nanotechnology, ORCID: 0009-0002-7308-6063
М.А.Zinoviev1, Head of Laboratory, ORCID: 0009-0000-3322-317X
D.D.Riskin1, Leading Engineer, ORCID: 0009-0006-6164-1284
S.Yu.Suzdaltsev1, Cand.of Sci. (Tech), Head of Department, ORCID: 0009-0001-0224-619X
Y.N.Frolov1, Cand.of Sci. (Tech), Head of Laboratory, ORCID: 0009-0002-1802-373X
Yu.А.Gantseva1, Head of Laboratory, ORCID: 0009-0006-9899-4972
Abstract. In SRC RF FSUE "Central Research Institute of Chemistry and Mechanics" has been developed a line of micromechanical linear acceleration sensors. The line includes sensors of three versions MMA-2, MMA-10 and MMA-30 with conversion ranges of ±20 m/s2, ±100 m/s2 and ±300 m/s2 respectively. The sensors are intended for use as part of orientation, stabilisation and navigation systems in various products. The full range of tests confirming the declared technical characteristics and resistance to external influences has been carried out, and the operating design documentation for serial industrial engineering has been approved. The planned production value of these sensors is several thousand pieces per year.
Keywords: MEMS, accelerometer, capacitive sensor, sensor packaging, sensor calibration, sensor test
For citation: S.А. Zhukova, D.Yu. Obizhaev, S.А. Ulyanov, М.А. Zinoviev, D.D. Riskin, S.Yu. Suzdaltsev, Y.N. Frolov, Yu.А. Gantseva. Development of micromechanical linear acceleration sensors and their serial industrial engineering. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 5. PP. 282–290. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.282.290.
ВВЕДЕНИЕ
Микромеханические датчики линейных ускорений находят широкое применение в составе бесплатформенных навигационных систем (БИНС). Они способны обеспечить высокую чувствительность, временную и температурную стабильность параметров в сочетании с высокой стойкостью и прочностью к внешним воздействиям, малыми габаритами и низким энергопотреблением. Одним из наиболее эффективных вариантов исполнения является микромеханический акселерометр, в качестве чувствительного элемента которого использован полностью кремниевый миниатюрный преобразователь емкостного типа с маятниковым подвесом. Такая конструкция используется разработчиками акселерометров с девяностых годов прошлого столетия и позволяет обеспечить низкий температурный и временной дрейф, высокую стойкость и прочность к внешним воздействиям. Примеры конструкций и способов их изготовления описаны в [1–5].
В Российской Федерации, несмотря на существенный интерес со стороны организаций-разработчиков инерциальных приборов и изделий на их основе, серийное производство микромеханических датчиков линейных ускорений отсутствует. При этом поставка прецизионных датчиков не осуществляется в виду экспортных ограничений.
Таким образом, создание линейки прецизионных миниатюрных микромеханических датчиков линейных ускорений и организация их серийного производства является безусловно актуальной задачей. Кроме того, одной из важнейших задач при проведении разработки было исключение использования в создаваемой конструкции материалов и покупных комплектующих изделий (далее – ПКИ) зарубежного производства.
ОСОБЕННОСТИ И КЛЮЧЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДАТЧИКОВ
Каждый датчик включает электронную подсистему преобразования "емкость – напряжение" и микромеханический маятниковый чувствительный элемент (ЧЭ), смонтированные в герметичный газонаполненный металлокерамический корпус с информационными выводами.
Измерение ускорения обеспечивается в результате формирования выходного аналогового сигнала, пропорционального изменению электрической емкости ЧЭ, обусловленной действием силы инерции вдоль оси чувствительности.
Датчики всех трех исполнений имеют единый принцип функционирования, разработаны с применением единого комплекта ПКИ и отличаются только характеристиками ЧЭ.
ЧЭ изготавливается из низкоомных кремниевых пластин диаметром 100 мм и представляет собой микромеханическую структуру, выполненную на основе трех герметично соединенных кремниевых элементов – центрального подвижного электрода и крайних неподвижных электродов. В центральной пластине методом жидкостного анизотропного травления выполнена инерционная масса, соединенная с герметизирующей рамкой при помощи упругого подвеса [6]. Верхняя и нижняя пластины соединены с центральным электродом методом прямого сращивания (без использования адгезива) через слой диоксида кремния.
На поверхности верхнего и нижнего электродов сформировано по четыре диэлектрических ограничителя перемещения инерционной массы на основе диоксида кремния. Они обеспечивают электрическую изоляцию инерционной массы от поверхности электродов при ее большом отклонении от положения равновесия. На негерметизируемой части структуры каждого электрода сформированы алюминиевые контакты. На последнем этапе изготовления пластины разделяют на кристаллы методом дисковой резки. На рис.1 представлены фотографии пластины, содержащей ЧЭ, перед разделением на кристаллы и ЧЭ, подготовленный для сборки датчика.
На следующем этапе проводится сборка датчиков. При этом, в связи с необходимостью обеспечения низкого температурного дрейфа в широком диапазоне температур (-60 ÷ +85 °C), технологический процесс сборки имеет решающее значение. Разработанная технология монтажа обеспечивает минимальный уровень деформаций ЧЭ во всем рабочем диапазоне температур, обусловленных деформацией керамического основания корпуса. Это достигается за счет применения специализированного эластичного адгезива, методов его нанесения и установки ЧЭ. На рис.2 представлена микрофотография датчиков на этапе сборки.
При герметизации датчиков особое внимание уделяется обеспечению минимального уровня влаги в их подкорпусном объеме. Процесс проводится в атмосфере азота с содержанием влаги, не превышающем 1 ppm, с применением специализированного оборудования, в котором также реализована возможность длительной дегазации элементов корпусов при повышенной температуре перед их герметизацией. На рис.3 представлена фотография оборудования для проведения процессов герметизации датчиков.
После завершения процесса герметизации все датчики проходят тестирование на наличие течей и передаются для проведения процесса калибровки.
КАЛИБРОВКА И ИСПЫТАНИЯ ДАТЧИКОВ
Процесс калибровки выполняется при помощи программно-аппаратного комплекса, выполненного на базе лабораторной центрифуги и реализующего автоматизированный алгоритм подбора конфигурационных параметров электронной подсистемы, обеспечивающих минимальный уровень нелинейности выходного сигнала датчика. На рис.4 представлены фотографии фрагмента аппаратно-программного комплекса и комплекта измерительной оснастки.
Следует отметить, что изделие также оснащено встроенным датчиком температуры, показания которого передаются в виде аналогового сигнала и могут использоваться для термокомпенсации. При этом характеристики встроенного датчика температуры не нормируются производителем.
После проведения калибровки датчики подвергают комплексу приемо-сдаточных испытаний. Каждый датчик проходит контроль четырнадцати параметров, полностью характеризующих пригодность эксплуатации изделия. Значения параметров, подтверждаемых при проведении испытаний для каждого исполнения датчиков, представлены в табл.1 [7, 8]. На рис.5 представлены фотографии датчиков при подготовке к проведению контроля изменения смещения нуля в рабочем диапазоне температур.
При проведении разработки была подтверждена прочность и стойкость создаваемых датчиков к внешним воздействиям (механическим и климатическим). Полученные значения представлены в табл.2 и 3.
После проведения приемо-сдаточных испытаний датчики маркируются, упаковываются и пломбируются. Упаковка состоит из групповой потребительской тары в виде ложемента матричного типа, изготовленной из антистатического пластика, и транспортной тары в виде коробки из гофрированного картона. На рис.5 представлены фотографии датчиков ММА-2 после маркировки и в процессе упаковывания.
Изготовление датчиков выполняется под контролем ОТК. В рамках выполнения разработки утверждена рабочая конструкторская документация для организации серийного производства датчиков. Имеющаяся во ФГУП "ЦНИИХМ" технологическая и испытательная база обеспечивает возможность серийного изготовления датчиков линейных ускорений с объемом производства на уровне нескольких тысяч штук в год.
ВОЗМОЖНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ
Анализ полученных в ходе разработки данных показал, что дальнейшее совершенствование характеристик датчиков (выходной шум, нестабильность параметров) ограничено характеристиками применяемой электронной подсистемы. При этом в результате математического моделирования установлено, что в случае использования ЧЭ в компенсационном режиме возможно снизить указанные параметры на один десятичный порядок. Таким образом, реализация электронной подсистемы, обеспечивающей компенсационный режим работы ЧЭ, является приоритетным направлением совершенствования характеристик микромеханических датчиков линейных ускорений. В свою очередь, совершенствование ЧЭ может быть направлено на повышение его прочности к ударному воздействию за счет оптимизации параметров диэлектрических ограничителей перемещения инерционной массы.
ВЫВОДЫ
В ФГУП "ЦНИИХМ" создана линейка микромеханических датчиков линейных ускорений с приемкой ОТК со следующими диапазонами преобразования: ±20 м/с2, ±100 м/с2 и ±300 м/с2. Датчики выполнены на базе материалов и комплектующих российского производства. Созданные датчики сочетают в себе малые габариты (занимаемая площадь менее 1 см2) и энергопотребление (менее 1 мА при напряжении питания 3,3 В) с достаточно высокими эксплуатационными характеристиками, широким диапазоном рабочих температур (–60 ÷ +85 °C) и других внешних воздействий. Имеющаяся технологическая и испытательная во ФГУП "ЦНИИХМ" база обеспечивает возможность серийного изготовления датчиков линейных ускорений с объемом производства на уровне 1000 штук в год.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
US5006487A. Method of making an electrostatic silicon accelerometer. Honeywell Inc., Minneapolis, Minn. (US). H01L 21/302. 09.04.1991.
US5551294A. Micromachined measuring cell with arm supported sensor. CSEM-Centre Suisse D’Electronique et de Microtechnique, Neuchatel (Switzerland). H01L 21/00. 27.01.1995.
US5352918A Capacitive micro-sensor with a low stray capacity and manufacturing method. Sextant Avionique, Cedex, (France). H01L 29/84 H01L 29/96. 04.10.1994. 16.02.1993.
EP0937985B1 A method of producing an acceleration sensor. Panasonic Holdings Corp. (JP) G01P 15/12. G01P 15/125. G01P 15/08. G01P 15/09. H01L 29/84. 07.09.1998.
Marjoux D., Ullah P., Frantz-Rodriguez N., Morgado-Orsini P.F., Soursou M., Brisson R., Lenoir Y., Delhaye F. Silicon MEMS by Safran-Navigation grade accelerometer ready for mass production. In Proceedings of the 2020 DGON Inertial Sensors and Systems (ISS), Braunschweig, Germany, 15–16 September 2020.
Способ изготовления упругого элемента микромеханического устройства/ RU2580910C1. Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ") (RU). H01L 21/308 10.04.2016.
Микромеханический датчик линейных ускорений. ММА-2, ММА-10, ММА-30. Технические условия. ВШДИ.402131.002 ТУ, 84 с.
Микромеханический датчик линейных ускорений. ММА-2, ММА-10, ММА-30. Руководство по эксплуатации. ВШДИ.402131.002 РЭ, 25 с.
Научная статья
СОЗДАНИЕ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ И ОРГАНИЗАЦИЯ ИХ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
С.А.Жукова1, к.т.н., зам. нач. центра по науч. раб., ORCID: 0009-0004-1566-8182 / szh17@yandex.ru
Д.Ю.Обижаев1, к.т.н., нач. упр., ORCID: 0009-0001-4437-558X
С.А.Ульянов1, нач. НИЦ нанотехнологий, ORCID: 0009-0002-7308-6063
М.А.Зиновьев1, нач. лаб., ORCID: 0009-0000-3322-317X
Д.Д.Рискин1, вед. инж., ORCID: 0009-0006-6164-1284
С.Ю.Суздальцев1, к.т.н., нач. отд. – зам. нач. упр., ORCID: 0009-0001-0224-619X
Е.Н.Фролов1, к.т.н., нач. лаб., ORCID: 0009-0002-1802-373X
Ю.А.Ганцева1, нач. лаб. – зам. нач. отд., ORCID: 0009-0006-9899-4972
Аннотация. В ФГУП "ЦНИИХМ" создана линейка микромеханических датчиков линейных ускорений. В состав линейки входят датчики трех исполнений ММА-2, ММА-10 и ММА-30 с диапазонами преобразования ±20 м/с2, ±100 м/с2 и ±300 м/с2 соответственно. Датчики предназначены для использования в составе систем ориентации, стабилизации и навигации в составе различных изделий. Проведен полный комплекс испытаний, подтверждающий заявленные технические характеристики и стойкость к внешним воздействиям, а также утверждена рабочая конструкторская документация для организации серийного производства. Возможный объем производства датчиков составляет несколько тысяч штук в год.
Ключевые слова: МЭМС, акселерометр, емкостной датчик, сборка датчиков, калибровка датчиков, испытания датчиков
Для цитирования: С.А. Жукова, Д.Ю. Обижаев, С.А. Ульянов, М.А. Зиновьев, Д.Д. Рискин, С.Ю. Суздальцев, Е.Н. Фролов, Ю.А. Ганцева. Создание микромеханических датчиков линейных ускорений и организация их серийного производства. НАНОИНДУСТРИЯ. 2024. Т. 17. № 5. С. 282–290. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2024.17.5.282.290.
Received: 31.05.2024 | Accepted: 7.06.2024 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.282.290
Original paper
DEVELOPMENT OF MICROMECHANICAL LINEAR ACCELERATION SENSORS AND THEIR SERIAL INDUSTRIAL ENGINEERING
S.А.Zhukova1, Cand.of Sci. (Tech), Deputy Director, ORCID: 0009-0004-1566-8182 / szh17@yandex.ru / mail@cniihm.ru
D.Yu.Obizhaev1, Cand.of Sci. (Tech), Head of Department, ORCID: 0009-0001-4437-558X
S.А.Ulyanov1, Head of SRC of Nanotechnology, ORCID: 0009-0002-7308-6063
М.А.Zinoviev1, Head of Laboratory, ORCID: 0009-0000-3322-317X
D.D.Riskin1, Leading Engineer, ORCID: 0009-0006-6164-1284
S.Yu.Suzdaltsev1, Cand.of Sci. (Tech), Head of Department, ORCID: 0009-0001-0224-619X
Y.N.Frolov1, Cand.of Sci. (Tech), Head of Laboratory, ORCID: 0009-0002-1802-373X
Yu.А.Gantseva1, Head of Laboratory, ORCID: 0009-0006-9899-4972
Abstract. In SRC RF FSUE "Central Research Institute of Chemistry and Mechanics" has been developed a line of micromechanical linear acceleration sensors. The line includes sensors of three versions MMA-2, MMA-10 and MMA-30 with conversion ranges of ±20 m/s2, ±100 m/s2 and ±300 m/s2 respectively. The sensors are intended for use as part of orientation, stabilisation and navigation systems in various products. The full range of tests confirming the declared technical characteristics and resistance to external influences has been carried out, and the operating design documentation for serial industrial engineering has been approved. The planned production value of these sensors is several thousand pieces per year.
Keywords: MEMS, accelerometer, capacitive sensor, sensor packaging, sensor calibration, sensor test
For citation: S.А. Zhukova, D.Yu. Obizhaev, S.А. Ulyanov, М.А. Zinoviev, D.D. Riskin, S.Yu. Suzdaltsev, Y.N. Frolov, Yu.А. Gantseva. Development of micromechanical linear acceleration sensors and their serial industrial engineering. NANOINDUSTRY. 2024. Vol. 17. No. 5. PP. 282–290. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2024.17.5.282.290.
ВВЕДЕНИЕ
Микромеханические датчики линейных ускорений находят широкое применение в составе бесплатформенных навигационных систем (БИНС). Они способны обеспечить высокую чувствительность, временную и температурную стабильность параметров в сочетании с высокой стойкостью и прочностью к внешним воздействиям, малыми габаритами и низким энергопотреблением. Одним из наиболее эффективных вариантов исполнения является микромеханический акселерометр, в качестве чувствительного элемента которого использован полностью кремниевый миниатюрный преобразователь емкостного типа с маятниковым подвесом. Такая конструкция используется разработчиками акселерометров с девяностых годов прошлого столетия и позволяет обеспечить низкий температурный и временной дрейф, высокую стойкость и прочность к внешним воздействиям. Примеры конструкций и способов их изготовления описаны в [1–5].
В Российской Федерации, несмотря на существенный интерес со стороны организаций-разработчиков инерциальных приборов и изделий на их основе, серийное производство микромеханических датчиков линейных ускорений отсутствует. При этом поставка прецизионных датчиков не осуществляется в виду экспортных ограничений.
Таким образом, создание линейки прецизионных миниатюрных микромеханических датчиков линейных ускорений и организация их серийного производства является безусловно актуальной задачей. Кроме того, одной из важнейших задач при проведении разработки было исключение использования в создаваемой конструкции материалов и покупных комплектующих изделий (далее – ПКИ) зарубежного производства.
ОСОБЕННОСТИ И КЛЮЧЕВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДАТЧИКОВ
Каждый датчик включает электронную подсистему преобразования "емкость – напряжение" и микромеханический маятниковый чувствительный элемент (ЧЭ), смонтированные в герметичный газонаполненный металлокерамический корпус с информационными выводами.
Измерение ускорения обеспечивается в результате формирования выходного аналогового сигнала, пропорционального изменению электрической емкости ЧЭ, обусловленной действием силы инерции вдоль оси чувствительности.
Датчики всех трех исполнений имеют единый принцип функционирования, разработаны с применением единого комплекта ПКИ и отличаются только характеристиками ЧЭ.
ЧЭ изготавливается из низкоомных кремниевых пластин диаметром 100 мм и представляет собой микромеханическую структуру, выполненную на основе трех герметично соединенных кремниевых элементов – центрального подвижного электрода и крайних неподвижных электродов. В центральной пластине методом жидкостного анизотропного травления выполнена инерционная масса, соединенная с герметизирующей рамкой при помощи упругого подвеса [6]. Верхняя и нижняя пластины соединены с центральным электродом методом прямого сращивания (без использования адгезива) через слой диоксида кремния.
На поверхности верхнего и нижнего электродов сформировано по четыре диэлектрических ограничителя перемещения инерционной массы на основе диоксида кремния. Они обеспечивают электрическую изоляцию инерционной массы от поверхности электродов при ее большом отклонении от положения равновесия. На негерметизируемой части структуры каждого электрода сформированы алюминиевые контакты. На последнем этапе изготовления пластины разделяют на кристаллы методом дисковой резки. На рис.1 представлены фотографии пластины, содержащей ЧЭ, перед разделением на кристаллы и ЧЭ, подготовленный для сборки датчика.
На следующем этапе проводится сборка датчиков. При этом, в связи с необходимостью обеспечения низкого температурного дрейфа в широком диапазоне температур (-60 ÷ +85 °C), технологический процесс сборки имеет решающее значение. Разработанная технология монтажа обеспечивает минимальный уровень деформаций ЧЭ во всем рабочем диапазоне температур, обусловленных деформацией керамического основания корпуса. Это достигается за счет применения специализированного эластичного адгезива, методов его нанесения и установки ЧЭ. На рис.2 представлена микрофотография датчиков на этапе сборки.
При герметизации датчиков особое внимание уделяется обеспечению минимального уровня влаги в их подкорпусном объеме. Процесс проводится в атмосфере азота с содержанием влаги, не превышающем 1 ppm, с применением специализированного оборудования, в котором также реализована возможность длительной дегазации элементов корпусов при повышенной температуре перед их герметизацией. На рис.3 представлена фотография оборудования для проведения процессов герметизации датчиков.
После завершения процесса герметизации все датчики проходят тестирование на наличие течей и передаются для проведения процесса калибровки.
КАЛИБРОВКА И ИСПЫТАНИЯ ДАТЧИКОВ
Процесс калибровки выполняется при помощи программно-аппаратного комплекса, выполненного на базе лабораторной центрифуги и реализующего автоматизированный алгоритм подбора конфигурационных параметров электронной подсистемы, обеспечивающих минимальный уровень нелинейности выходного сигнала датчика. На рис.4 представлены фотографии фрагмента аппаратно-программного комплекса и комплекта измерительной оснастки.
Следует отметить, что изделие также оснащено встроенным датчиком температуры, показания которого передаются в виде аналогового сигнала и могут использоваться для термокомпенсации. При этом характеристики встроенного датчика температуры не нормируются производителем.
После проведения калибровки датчики подвергают комплексу приемо-сдаточных испытаний. Каждый датчик проходит контроль четырнадцати параметров, полностью характеризующих пригодность эксплуатации изделия. Значения параметров, подтверждаемых при проведении испытаний для каждого исполнения датчиков, представлены в табл.1 [7, 8]. На рис.5 представлены фотографии датчиков при подготовке к проведению контроля изменения смещения нуля в рабочем диапазоне температур.
При проведении разработки была подтверждена прочность и стойкость создаваемых датчиков к внешним воздействиям (механическим и климатическим). Полученные значения представлены в табл.2 и 3.
После проведения приемо-сдаточных испытаний датчики маркируются, упаковываются и пломбируются. Упаковка состоит из групповой потребительской тары в виде ложемента матричного типа, изготовленной из антистатического пластика, и транспортной тары в виде коробки из гофрированного картона. На рис.5 представлены фотографии датчиков ММА-2 после маркировки и в процессе упаковывания.
Изготовление датчиков выполняется под контролем ОТК. В рамках выполнения разработки утверждена рабочая конструкторская документация для организации серийного производства датчиков. Имеющаяся во ФГУП "ЦНИИХМ" технологическая и испытательная база обеспечивает возможность серийного изготовления датчиков линейных ускорений с объемом производства на уровне нескольких тысяч штук в год.
ВОЗМОЖНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ
Анализ полученных в ходе разработки данных показал, что дальнейшее совершенствование характеристик датчиков (выходной шум, нестабильность параметров) ограничено характеристиками применяемой электронной подсистемы. При этом в результате математического моделирования установлено, что в случае использования ЧЭ в компенсационном режиме возможно снизить указанные параметры на один десятичный порядок. Таким образом, реализация электронной подсистемы, обеспечивающей компенсационный режим работы ЧЭ, является приоритетным направлением совершенствования характеристик микромеханических датчиков линейных ускорений. В свою очередь, совершенствование ЧЭ может быть направлено на повышение его прочности к ударному воздействию за счет оптимизации параметров диэлектрических ограничителей перемещения инерционной массы.
ВЫВОДЫ
В ФГУП "ЦНИИХМ" создана линейка микромеханических датчиков линейных ускорений с приемкой ОТК со следующими диапазонами преобразования: ±20 м/с2, ±100 м/с2 и ±300 м/с2. Датчики выполнены на базе материалов и комплектующих российского производства. Созданные датчики сочетают в себе малые габариты (занимаемая площадь менее 1 см2) и энергопотребление (менее 1 мА при напряжении питания 3,3 В) с достаточно высокими эксплуатационными характеристиками, широким диапазоном рабочих температур (–60 ÷ +85 °C) и других внешних воздействий. Имеющаяся технологическая и испытательная во ФГУП "ЦНИИХМ" база обеспечивает возможность серийного изготовления датчиков линейных ускорений с объемом производства на уровне 1000 штук в год.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
US5006487A. Method of making an electrostatic silicon accelerometer. Honeywell Inc., Minneapolis, Minn. (US). H01L 21/302. 09.04.1991.
US5551294A. Micromachined measuring cell with arm supported sensor. CSEM-Centre Suisse D’Electronique et de Microtechnique, Neuchatel (Switzerland). H01L 21/00. 27.01.1995.
US5352918A Capacitive micro-sensor with a low stray capacity and manufacturing method. Sextant Avionique, Cedex, (France). H01L 29/84 H01L 29/96. 04.10.1994. 16.02.1993.
EP0937985B1 A method of producing an acceleration sensor. Panasonic Holdings Corp. (JP) G01P 15/12. G01P 15/125. G01P 15/08. G01P 15/09. H01L 29/84. 07.09.1998.
Marjoux D., Ullah P., Frantz-Rodriguez N., Morgado-Orsini P.F., Soursou M., Brisson R., Lenoir Y., Delhaye F. Silicon MEMS by Safran-Navigation grade accelerometer ready for mass production. In Proceedings of the 2020 DGON Inertial Sensors and Systems (ISS), Braunschweig, Germany, 15–16 September 2020.
Способ изготовления упругого элемента микромеханического устройства/ RU2580910C1. Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ") (RU). H01L 21/308 10.04.2016.
Микромеханический датчик линейных ускорений. ММА-2, ММА-10, ММА-30. Технические условия. ВШДИ.402131.002 ТУ, 84 с.
Микромеханический датчик линейных ускорений. ММА-2, ММА-10, ММА-30. Руководство по эксплуатации. ВШДИ.402131.002 РЭ, 25 с.
Отзывы читателей
