УДК 621.3:531:768

С.Ф.Коновалов, д-р техн. наук, Т.H.Лаптева, И.И.Медведева, Г.М.Новоселов,

А.В.Полынков, канд. техн. наук, А.А.Трунов, канд. техн. наук,

А.А.Коновченко, канд. техн. наук, В.М.Прокофьев, канд. техн. наук,

Московский государственный технический университет им. H.Э. Баумана,

К.С.Ли (Корея), Ф.Люк (Франция)

ОПЫТ РАЗРАБОТКИ НАВИГАЦИОННЫХ ПРИБОРОВ НА БАЗЕ МОНОКРИСТАЛЛА КРЕМНИЯ

Представлена история разработки в МГТУ им. Н.Э.Баумана совместно с другими организациями навигационных приборов, изготовленных на базе монокристаллического кремния. Приводятся конструкции маятниковых узлов семи акселерометров, а также измерительных узлов датчиков угловой скорости. Дан краткий обзор технологических процессов изготовления измерительных узлов навигационных приборов из монокристаллического кремния. Рассмотрена возможность использования компенсационного акселерометра с кремниевым маятником в качестве геофонического сенсора

Широко известны разработанные компанией “Sundstrend” компенсационные маятниковые акселерометры типа “Q-Flex” [1]. Эти акселерометры содержат корпус с размещенным внутри чувствительным элементом и двумя магнитными системами магнито-электрического датчика момента. Маятниковый узел акселерометра изготовлен из единой пластины плавленого кварца и содержит подвижную часть (выполненную в виде лопасти), соединенную с неподвижной частью (с опорной рамкой) с помощью двух гибких (утоненных) плоскопараллельных перемычек. Каждая сторона лопасти имеет металлическое покрытие, которое образует конденсатор с внутренней поверхностью магнитной системы на каждой стороне лопасти. Зазор емкостного датчика угла (он же зазор газового демпфера) формируется с помощью трех равновысоких выступов (базирующих платиков), выполняемых по обе стороны опорной рамки.

Подвес маятника акселерометра, изготовленный из плавленого кварца методом изотропного травления, практически не имеет гистерезисных свойств, что обеспечивает высокие метрологические характеристики прибора.

Вместе с тем использование плавленого кварца создает ряд технологических проблем:

· необходимость производства специальных заготовок для изготовления маятников;

· трудности защиты поверхности заготовки от травления;

· возможность подтрава заготовки под защитный слой, связанная с изотропным характером процесса травления.

Сейчас в приборостроении в качестве конструкционного материала широкое распространение получил монокристаллический кремний. Механические характеристики кремния позволяют обеспечить точностные параметры акселерометра не хуже, чем при использовании кварца. В то же время кремний лучше использовать из-за возможности применения при работе с ним больших серийных заготовок (кремниевых пластин типа КЭФ), позволяющих осуществить групповое изготовление маятников, а также из-за возможности применять технологические процессы (окисление, фотолитография и т.д.) и оборудование, традиционные для производства полупроводниковых элементов.

Помимо этого кремний обладает еще рядом преимуществ перед кварцем, среди которых отметим высокую теплопроводность. Электрическая проводимость кремния обеспечивает возможность использования кремниевой лопасти в качестве подвижного электрода емкостного датчика угла без напыления металлических электродов и без специального токоподвода к этим электродам. Кроме того, кремний обеспечивает свободное отекание электростатического заряда, накапливающегося на поверхности лопасти в процессе работы и приводящего к нестабильности нулевого сигнала прибора.

История создания приборов на базе монокристаллического кремния в МГТУ им. Н.Э.Баумана открывается работами доцента канд. техн. наук С.М.Заседателева и его учеников, занимавшихся экспериментами с микромеханическими кремниевыми манометрами с тензорезистивными мостами.

Позднее монокристаллический кремний стали применять в конструкциях обычных (не микромеханических) приборов различного назначения, подобно тому, как использовался кварцевый маятник в конструкции приборов “Q-Flex”.

Первым таким прибором был разработанный в МГТУ им. Н.Э.Баумана по заданию НИИ ПМ им. В.И.Кузнецова цифровой акселерометр с емкостным датчиком угла и электростатическим датчиком момента. Вид кремниевого маятника этого прибора показан на рис. 1.

Рис. 1. Кремниевый маятник акселерометра с емкостными датчиком угла и электростатическим датчиком момента

Последовательность технологических операций изготовления маятника и набор используемых при его изготовлении фотошаблонов представлены на рис. 2.

Рис. 2. Технологические операции изготовления кремниевого маятника и набор используемых при изготовлении фотошаблонов

Кремниевый маятник этого прибора изготавливался из пластины монокристалла кремния ориентации (001) и имел упругий подвес с концентраторами напряжений: в местах пересечения плоскостей (111) с плоскостью балок (001) образовывались явно выраженные углы без радиусов скругления. Это являлось причиной поломки маятников во время их изготовления и эксплуатации.

Рис. 3. Результаты измерения продольного
сечения перехода от упругой
перемычки к опорной рамке

В целях устранения указанного недостатка был разработан способ изготовления упругих перемычек [2,3], обеспечивающий при анизотропном травлении плавный переход от тонкой упругой перемычки к опорной рамке и лепестку маятника. На рис. 3 показаны результаты измерения продольного сечения данного перехода.

Рис. 4. Зависимость высоты микронеровностей от режимов травления

Одновременно было проведено определение оптимальных режимов анизотропного травления монокристаллического кремния при изготовлении деталей с упругими элементами. Результаты оптимизации приведены на рис. 4-6.

На рис. 4 показана зависимость высоты h микронеровностей на поверхности упругой перемычки толщиной 20 мкм, полученной двусторонним травлением из полированной пластины кремния КЭФ 4,5 толщиной 380 мкм при использовании в качестве травителя раствора КОН при различной температуре и концентрации травителя. Минимальная шероховатость получается при концентрации травителя 33% и температуре 105-107°С.

На рис. 5 приведены профилограммы поверхности упругой перемычки, полученные при горизонтальном и вертикальном расположении пластины-заготовки в травителе.

Рис. 5. Профилограммы поверхности упругой перемычки

На рис. 6 иллюстрируются результаты двустороннего травления из тех же пластин цилиндрических отверстий и дисков радиусом мкм.

Рис. 6. Результаты двустороннего травления цилиндрических отверстий и дисков

Графики рис. 6 показывают отклонение DR от окружности наружного профиля полученной кремниевой детали в двух случаях: травление цилиндрического отверстия и травление цилиндрического диска. Как видно, в направлениях, расположенных под углами 45° к осям á110ñ, имеет место заметное уменьшение или увеличение размера детали, а в направлениях, расположенных под углами 22,5 и 67,5° к осям поверхность детали имеет выраженные зубцы, определяемые неустойчивостью процесса травления.

Результаты исследования были использованы при создании кремниевого маятника акселерометра ДА-9Б. Этот прибор являлся совместной разработкой РПКБ и МГТУ им. Н.Э.Баумана конца 70-х годов. На рис. 7 показан кремниевый маятниковый узел этого акселерометра, а на рис. 8 представлен случай деформации кремниевого маятникового узла, имеющего одну упругую перемычку сечением 20´500 мкм (вторая перемычка сломана). Упругая перемычка здесь не имеет концентраторов напряжений.


Рис. 7. Кремниевый маятниковый узел акселерометра ДА-9Б	Рис. 8. Деформация упругой перемычки кремниевого маятникового узла

Начиная с 1993 г. МГТУ им. Н.Э.Баумана, выполняя работы по контрактам с южнокорейскими фирмами, разработал конструкции компенсационных маятниковых акселерометров КА-100, КА-200, КА-300, КА-400 и КА-600, а также датчика угловой скорости KRS-300. В этих приборах применяются измерительные узлы, выполненные из монокристаллического кремния.

Акселерометры КА-100, КА-200 и КА-300 [4-6] имеют сдвоенный магнитоэлектрический датчик момента и совмещенный с ним дифференциальный индукционный датчик угла.

Электромеханические схемы акселерометров КА-100, КА-200 и КА-300 приведены соответственно на рис. 9, 10 и 11.


Рис. 9. Схема акселерометра КА-100	Рис. 10. Схема акселерометра КА-200	Рис. 11. Схема акселерометра КА-300

Акселерометр КА-100, предназначенный для работы в малом диапазоне измеряемых ускорений, имеет электромагниты для создания постоянных магнитных потоков датчика момента.

Акселерометр КА-200 имеет сдвоенный магнитоэлектрический датчик момента с внутренними постоянными магнитами, а акселерометр КА-300 – с внешними кольцевыми постоянными магнитами.

Рис. 12. Конструкция маятникового узла акселерометров КА-100, КА-200 и КА-300

Конструкция кремниевого маятникового узла акселерометров КА-100, КА-200 и КА-300 представлена на рис 12. Здесь используются четыре упругие перемычки, и их расположение обеспечивает большую ударную прочность, так как при любой ориентации боковых ускорений две перемычки подвеса остаются растянутыми и не дают возможность потерять устойчивость и сломаться сжимаемым перемычкам. Канавки, выполненные в лопасти маятникового узла, позволяют прокладывать монтажный провод от токоподводов до катушек датчика момента.

Рис. 13. Электромеханическая схема акселерометра
КА-400

Акселерометр содержит корпус 1, в котором размещен маятниковый узел 2, выполненный из единой пластины монокристалла кремния и содержащий подвижную лопасть 3 на упругом подвесе 4 и опорную рамку 5 с выступами (платиками) 6. Две электроизолирующие втулки 7, 8 закреплены по обеим сторонам опорной рамки 5 на выступах 6. Прибор имеет две магнитные системы 9, 10, каждая из которых включает магнитопровод 11, 12, постоянный магнит 13, 14 и полюсный наконечник 15, 16 соответственно. Магнитные системы 9, 10 закреплены каждая на соответствующей электроизолирующей втулке 7, 8. Две катушки 17, 18 датчика момента с выводами расположены каждая в зазоре соответствующей магнитной системы и закреплены на соответствующих сторонах подвижной лопасти 3. Маятниковый узел акселерометра имеет гибкие токоподводы 19 для подключения катушек датчика момента.

Маятниковый узел 2 и магнитопроводы 11, 12 электрически связаны с входом компенсационного усилителя акселерометра. Подвижная лопасть маятникового узла является подвижным электродом дифференциального емкостного датчика угла, а неподвижными электродами датчика угла являются магнитопроводы магнитных систем датчика момента. Выход датчика угла соединен с входом датчика момента через компенсационный усилитель.

Электроизолирующие втулки 7, 8 охватывают магнитопроводы 11, 12 магнитных систем по внешней боковой поверхности, а опорная рамка 5 маятникового узла упирается своими выступами в торцы втулок, образующих общие плоскости с обращенными к маятниковому узлу торцами магнитопроводов.

Акселерометр имеет узел 20 для соединения маятникового узла 2 с магнитными системами 9, 10 в единую сборочную технологическую единицу – чувствительный элемент. Акселерометр также имеет установочную втулку 21, закрепленную в корпусе 1 и предназначенную для фиксации чувствительного элемента прибора относительно его корпуса.

С двух сторон опорной рамки 5 на выступах 6 соосно с катушками 17, 18 датчика момента закреплены кольца 22, 23. Каждое из колец 22, 23 охватывает соответствующую изоляционную втулку 7, 8, причем кольцо 23 установлено на втулке 8 без радиального зазора, а кольцо 22 имеет радиальный зазор с втулкой 7.

Акселерометр содержит также две изоляционные платы 24, 25 с металлизированными с одной стороны поверхностями, причем каждая из этих плат закреплена изолированной стороной на внешней торцевой поверхности соответствующего магнитопровода 9, 10. Металлизированные поверхности плат 24, 25 электрически связаны проводниками 26, 27 с узлом 20 для образования электростатического экрана. Акселерометр имеет кожух 28.

Конфигурация кремниевого маятникового узла акселерометра КА-400 иллюстрируется рис. 14. Особенностью маятникового узла этого прибора является наличие прорези в опорной рамке, устраняющей влияние деформаций корпусных деталей на стабильность нулевого сигнала акселерометра.

Рис. 14. Конфигурация кремниевого маятникового узла акселерометра КА-400

Модернизацией прибора КА-400 является акселерометр КА-600, который разрабатывался по контракту с французской фирмой для использования в качестве геофонического сенсора [7]. Поясним это подробнее.

Рядом компаний проводятся работы по акустическому картографированию морского дна и акустическому поиску полезных ископаемых (в основном нефти) в морском шельфе Используемый при этом метод заключатся в креплении в кормовой части корабля до восьми гибких пластмассовых труб (стримеров) длиной до 12 км, внутри которых с шагом 3 м размещены трехосные геофонические сенсоры с взаимно перпендикулярными осями. При движении корабля стримеры расходятся на ширину 400 м. В кормовой части судна возбуждается акустическая волна, которая отражается от подводной земной поверхности и от включений, залегающих под земной поверхностью. Эта отраженная волна воспринимается множеством геофонических сенсоров и после соответствующей обработки в компьютере дает искомую информацию.

На рис. 15 и рис. 16 представлен вид расположенных на корме корабля барабанов с намотанными на них стримерами и вид движущегося корабля с растяжками для стримеров.


Рис. 15. Барабаны с намотанными стримерами	Рис. 16. Вид движущегося корабля с растяжками для стримеров

Корабль следует параллельными галсами, затем меняет направление движения на 90°, образуя траекторию, представленную на рис. 17. После обработки информации получается, например, карта подводной местности, изображенная на рис. 18.


Рис. 17. Траектория движения корабля при картографировании морского шельфа	Рис. 18. Карта морского дна, полученная после обработки геофонической информации

К геофоническому сенсору, используемому в указанной системе, предъявляются очень высокие требования по шумовым характеристикам: уровень шума их не должен превышать 40 нg/ÖГц в диапазоне частот от 5 до 250 Гц При этом глобальный шум не должен превышать уровня нg. Сенсоры должны обеспечивать:

· работоспособность при произвольной ориентации относительно вертикали;

· разрешающую способность порядка 1 мкg;

· линейность характеристики на уровне 0,01%;

· температурный коэффициент изменения масштаба не больше 100 ppm/°C

Кроме того, требуется, чтобы частотный диапазон измерения начинался с 0 Гц и чтобы обеспечивалась возможность периодического тестирования приборов в составе стримера в процессе проведения измерения. Таким образом, требования к точностным характеристикам геофонического сенсора становятся сопоставимыми с требованиями к навигационным акселерометрам.

Изучая перспективы развития систем акустического сканирования, одна из компаний, специализирующаяся в области производства сейсмического оборудования, обратила внимание на публикацию в материалах Санкт-Петербургской конференции [4] о совместных корейско-российских работах по созданию акселерометра КА-300 типа “Si-Flex” и предложила провести совместные исследования возможности использования подобных приборов в качестве геофонических сенсоров.

В связи с указанным обстоятельством была разработана оригинальная схема прибора “Si-Flex”, получившая название КА-600.

Чтобы удовлетворить требованиям, предъявляемым к приборам для сейсмической съемки, в МГТУ им. Н.Э. Баумана (как уже отмечалось выше) была осуществлена модернизация приборов КА-400, позволившая использовать их в качестве геофонических сенсоров. Модернизация велась к следующему:

· для обеспечения требуемого диапазона измерений увеличена маятниковость за счет изготовления специальных каркасов для катушек из вольфрамомарганцевого сплава;

· для увеличения масштабного коэффициента и, следовательно, уменьшения относительного уровня шумов были изменены намоточные данные катушек магнитоэлектрического датчика силы;

· была изменена схема входящих в состав прибора КА-400 гибридных усилителей, в частности, был уменьшен частотный диапазон измерения и установлен дополнительный фильтр;

· были использованы внутренние заземленные электростатические экраны для измерительного узла акселерометра (шасси прибора не объединены с общей точкой источника питания ±15 В).

Партия изготовленных модифицированных приборов, получившая название КА-600, была испытана в акустической камере фирмы-заказчика на специальном стенде, обеспечивающем исключение влияния внешних шумовых факторов. Результаты испытаний представлены на рис. 19.

Рис. 19. Результаты измерения шумов акселерометра КА-600 в лаборатории

Приведенная в статье таблица 1 содержит сравнительные данные испытаний приборов КА-600 и проектные характеристики имеющихся на рынке геофонических сенсоров GS-30 СТ и X-phone. Как видно из приведенных результатов, акселерометр КА-600 имеет более высокие точностные характеристики. Кроме того, классические геофоны чувствительны к их ориентации и требуют сложного подвеса, что может затруднить измерения, а прибор КА-600 способен работать при любой ориентации. Собственные шумы акселерометров КА-600 приближаются к теоретическому уровню океанического шума. Это обусловливает возможность использования приборов КА-600 в качестве геофонических сенсоров высокого класса.

Таблица 1. Сравнение КА-600 с GS-30 СТ и X-phone
(согласно техническим характеристикам на геофон)

*Параметры*	*КА-600*	*GS 30 СТ*	*X-phone*
Диапазон частот, Гц	Пост. 100	10-160	10-250
Уровень шума, дБ	SS 0 + 4 (< SS Y)	SS 0-10 (с 2 нВ/Гц^1/2 Па)	SS 0-10 (с 2 нВ/Гц^1/2 Па)
Выходное сопротивление, Ом	500	395	425
Чувствительность	4 B/g (В/см/с при 10 Гц)	0,275 В/см/с	0,224 В/см/с
Ориентация	Любой угол	+/-20°	+/-20°
Дисторсия, %	0,02 при 1g (< 0,01% достижимо)	0,08 при 0,1g	0,05 при 0,1g
Разрешение	< 1 mg
Температурная чувствительность, %	Лучше 0,01
Габаритные размеры, мм	Диаметр < 30	Диаметр 25,4	Диаметр 28
Габаритные размеры, мм	Высота < 20	Высота 33	Высота 37
Масса, г	42	86	108
Температурная эксплуатация, °С	-45/+75 (при 100°С не испытывался)	-45/+100	-45/+100

Помимо акселерометров авторы данной статьи ведут разработку других навигационных приборов на базе монокристалла кремния. Примеры изготовления кремниевых измерительных узлов для датчиков угловых скоростей и акселерометров, не рассматриваемых в данной статье, иллюстрируются рис. 20.

Рис. 20. Кремниевые измерительные узлы датчиков угловых скоростей и акселерометров

Опыт разработки навигационных приборов, в конструкции которых используются измерительные узлы из монокристаллического кремния, подтвердил высокую технологичность кремния (как конструкционного материала) и возможность получения точностных характеристик приборов с кремниевыми измерительными узлами не хуже, чем в навигационных приборах с кварцевыми измерительными узлами.

Список литературы

1. Q-Flex Accelerometers Instruction Manual. Sundstrand Data Control, Inc. Unit of Sundstrand Corporation. 1990.

2. Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния. А. с. СССР № 1708103 от 31.03.89 / И.И.Медведева, С.Ф.Коновалов, А.А.Трунов, Т.Н.Лаптева.

3. Способ изготовления упругих элементов из монокристаллического кремния. Пат. РФ № 2059321 от 04.08.93 / А.В.Полынков, А.А.Трунов.

4. Коновалов С.Ф., Новоселов Г.М., Трунов А.А., Полынков А.В., Ли Ч.О., Ли К.С., О Ч.X. Особенности проектирования навигационного акселерометра типа “Si-Flex” // Третья Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. СПб.: ЦНИИ “Электроприбор”, 1996. С. 170-178.

5. Компенсационный акселерометр. Пат. РФ № 2126161 от 27.06.94 / С.Ф.Коновалов, Г.М.Новоселов, А.В.Полынков, Ч.О.Ли, Ч.X.О, К.С.Ли.

6. Servo accelerometer. United States Patent № 6073490, Jun 13, 2000 / S.F.Konovalov, G.M.Novosyolov, V.A.Polynkov, Ch.O.Lee, J.H.Oh, К.S.Lee.

7. Компенсационный маятниковый акселерометр. Пат. РФ № 2155964 от 23.06.88 / В.М.Прокофьев, А.С.Ларшин, В.И.Курносов, А.А.Коновченко, А.Р.Бахратов, С.Ф.Коновалов, А.В.Полынков, А.А.Трунов, М.С.О, Т.X.Ченг, X.Г.Мун, Дж.Б.Се, О.С.Квон.

Наверх