close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY6050

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 6050
(13) C1
(19)
7
(51) H 01H 59/00,
(12)
H 01L 41/08
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
МИКРОГИРОСКОП КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ТИПА
(21) Номер заявки: a 20001061
(22) 2000.12.01
(46) 2004.03.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ" (BY)
(72) Авторы: Мухуров Николай Иванович;
Ефремов Георгий Игнатьевич (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "ИНСТИТУТ
ЭЛЕКТРОНИКИ НАЦИОНАЛЬНОЙ
АКАДЕМИИ НАУК БЕЛАРУСИ" (BY)
BY 6050 C1
(57)
1. Микрогироскоп колебательного типа, содержащий диэлектрическое основание с
двумя неподвижными электродами цепи возбуждения вынужденных колебаний и двумя
неподвижными электродами цепи измерения, плоскую диэлектрическую подложку с одним общим заземленным подвижным электродом, выполненную из каркасной рамки,
внешней рамки и внутренней колебательной системы, соединенных между собой торсионами, расположенными попарно на взаимно перпендикулярных осях, электропроводящую
разводку, отличающийся тем, что в диэлектрических основании и подложке предусмотрены соосные отверстия, в которых размещены штырьки для соединения подложки с основанием, в средней части диэлектрического основания выполнена полость, глубина которой равна величине межэлектродного промежутка, а ширина и длина равны ширине и
длине соответственно внутреннего контура каркасной рамки подложки, торсионы в которой имеют прямоугольное сечение, диэлектрические основание и подложка выполнены из
анодного оксида вентильного металла, а электроды и электропроводящая разводка сформированы из тонких металлических пленок с коэффициентом термического расширения в
диапазоне, близком к коэффициенту термического расширения анодного оксида вентильного металла.
Фиг. 1
BY 6050 C1
2. Микрогироскоп колебательного типа по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрические основание и подложка выполнены из анодного оксида алюминия, а тонкие металлические пленки выполнены из материала с коэффициентом термического расширения в
диапазоне (4-10)·10-6 град-1.
(56)
Погалов А.И. и др. Микросистемная техника. - 1999. - № 1. - С. 36-41.
RU 2073952 C1, 1997.
RU 2123219 C1, 1998.
US 5493166 A, 1996.
US 5708320 A, 1998.
US 5912524 A, 1999.
Изобретение относится к микроэлектронике, микромеханике, электротехнике, автоматике и может быть использовано в системах управления и навигации.
Известен плоский микромеханический гироскоп [1], который содержит два плоских
чувствительных элемента, закрепленных в единой плоской рамке системой стержневых
растяжек, электростатические гребенчатые приводы, расположенные между чувствительными элементами и с внешних сторон последних, и емкостные электроды датчиков выхода, размещенные под чувствительными элементами. При включении гироскопа электростатические гребенчатые приводы сообщают чувствительным элементам противофазные
колебательные движения в плоскости прибора. В случае приложения к оси чувствительности, проходящей в плоскости прибора перпендикулярно направлению колебаний,
внешней угловой скорости вследствие действия сил Кориолиса один чувствительный элемент будет подниматься над плоскостью гироскопа, другой - опускаться, что изменит емкость между электродами датчиков выхода и вызовет соответствующую заданной программе реакцию управляющей аппаратуры. Рамка с растяжками, чувствительные элементы, приводы изготавливаются путем химического травления монокристаллического кремния или по гибридной технологии из поликристаллического кремния. Процесс включает
высокотемпературные операции, которые приводят к короблению элементов конструкции
и возникновению в них значительных внутренних механических напряжений, что стимулирует разрушение конструкции.
Данный гироскоп не может обеспечить высокой надежности работы.
Известен вибрационный гироскоп [2], содержащий консольную тонкую упругую пластину, на одной из сторон свободного конца которой жестко закреплен брусок. У продольных краев пластины на обеих ее сторонах размещены симметрично две пары боковых
пьезоэлектрических слоев, на внешнюю поверхность которых нанесена электропроводящая пленка. Между боковыми пьезоэлектрическими слоями параллельно им сформирован
центральный пьезоэлектрический слой, также содержащий электропроводящую пленку.
При подаче на боковые пьезоэлектрические слои высокочастотного переменного сигнала
пластина переходит в режим колебаний, который детектируется центральным пьезоэлектрическим слоем. При повороте колеблющейся пластины относительно перпендикулярной ее плоскости оси под действием кориолисовых сил, возникающих вследствие асимметричного расположения массы бруска, характер колебаний пластины изменяется, что
вносит шумовой фон в сигналы центрального пьезоэлектрического слоя, который фиксируется функциональной аппаратурой системы ориентации.
Данный вибрационный гироскоп имеет низкую надежность в связи с большими механическими напряжениями в его элементах, вызванными асимметричным расположением
массы бруска.
Наиболее близким по технической сущности является многослойный микрогироскоп
колебательного типа [3], содержащий плоское основание из диэлектрика (по технологии
2
BY 6050 C1
КНИ из SiO2 или Si3N4) и перфорированную плоскую подложку из монокристаллического
кремния. На внутренней плоскости основания размещены электропроводящая разводка из
поликремния Si* и две пары неподвижных электродов (обкладок конденсатора), входящих
попарно в цепь возбуждения вынужденных колебаний и в цепь измерения и выполненных
также из поликремния Si*.
Подложка состоит из каркасной рамки, внешней рамки и внутренней колебательной
системы. Внутренняя колебательная система с внешней рамкой и внешняя рамка с каркасной рамкой соединены между собой двумя соосными упругими торсионами, причем
оси соответствующих пар торсионов расположены взаимно перпендикулярно. Сечение
торсионов выполнено треугольным или трапециевидным, что обусловлено кристаллографической ориентацией плоскостей кремниевой подложки и получением пазов в подложке
методами химического травления. На всей внутренней плоскости подложки сформирован
электропроводящий слой поликремния Si*, являющийся общим подвижным электродом,
подключенным к нулевой шине.
Основание и подложка разделены изолирующим слоем строго определенной толщины, который расположен на периферийной части внутренней плоскости основания, находящейся под каркасной рамкой подложки. Изолирующий слой обеспечивает электрическую развязку подвижного и неподвижных электродов и создает межэлектродный
промежуток. Изолирующий слой выполнен из оксида кремния SiO2 или нитрида кремния
Si3N4.
Основание, изолирующий слой и подложка соединены стеклоприпоями при температурах 500 °С (свинцово-силикатное стекло С-67)...1200 °С (барий-алюмо-силикатное стекло системы БАС).
Многослойность конструкции, содержащей существенно отличающиеся по физикомеханическим свойствам материалы, большой диапазон технологических температур обусловливают возникновение в элементах микрогироскопа высоких внутренних механических напряжений, которые приводят к изменению структуры энергетических зон полупроводниковых материалов, а также к изгибу и короблению колебательной системы.
Концентрация механических напряжений на острых гранях торсионов приводит к образованию трещин. Искажение электростатических полей в межэлектродных промежутках,
зависимость размера межэлектродных промежутков от температурного режима, трещины
в торсионах значительно снижают надежность микрогироскопа.
Микрогироскопы колебательного типа многослойной конструкции на основе пластин
из кремния и его модификаций, соединенных стеклоприпоями, не могут иметь высокую
надежность.
Технической задачей изобретения является повышение надежности микрогироскопов
колебательного типа.
Решение технической задачи достигается тем, что в микрогироскопе колебательного
типа, содержащем диэлектрическое основание с двумя неподвижными электродами цепи
возбуждения вынужденных колебаний и двумя неподвижными электродами цепи измерения, плоскую диэлектрическую подложку с одним общим заземленным подвижным электродом, выполненную из каркасной рамки, внешней рамки и внутренней колебательной
системы, соединенных между собой торсионами, расположенными попарно на взаимно
перпендикулярных осях, электропроводящую разводку, в диэлектрических основании и
подложке предусмотрены соосные отверстия, в которых размещены штырьки для соединения подложки с основанием, в средней части диэлектрического основания выполнена
полость, глубина которой равна величине межэлектродного промежутка, а ширина и длина равны ширине и длине соответственно внутреннего контура каркасной рамки подложки, торсионы в которой имеют прямоугольное сечение, диэлектрические основание и подложка выполнены из анодного оксида вентильного металла, а электроды и электропроводящая разводка сформированы из тонких металлических пленок с коэффициентом терми3
BY 6050 C1
ческого расширения в диапазоне, близком к коэффициенту термического расширения
анодного оксида вентильного металла, причем диэлектрические основание и подложка
выполнены из анодного оксида алюминия, а тонкие металлические пленки выполнены из
материала с коэффициентом термического расширения в диапазоне (4-10)⋅10-6 град-1.
Совокупность указанных признаков исключает возникновение в элементах микрогироскопа высоких внутренних механических напряжений, которые приводят к изгибу, короблению и разрушению колебательной системы, и обеспечивает повышение надежности
микрогироскопов колебательного типа. Коэффициент термического расширения анодного
оксида алюминия составляет 6,5⋅10-6 град-1. Его значение с учетом температурного режима и механических свойств материалов определяет допустимый диапазон коэффициента
термического расширения материалов пленок, при котором возникающие термомеханические напряжения не превышают допустимую величину. Одновременно упрощается технологический процесс, сокращается трудоемкость изготовления, используются менее дорогостоящие материалы, что дает возможность существенно снизить себестоимость приборов.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2.
На фиг. 1 представлено сечение АА микрогироскопа колебательного типа, на которой:
1 - основание,
2 - полость,
3 - дно,
4 - неподвижный электрод цепи возбуждения,
5 - неподвижный электрод цепи измерения,
6 - подложка,
7 - каркасная рамка,
8 - внешняя рамка,
9 - внутренняя колебательная система,
10 - торсион внутренней колебательной системы,
11 - торсион внешней рамки,
12 - внутренний контур,
13 - подвижный электрод,
14 - отверстие,
15 - штырек.
На фиг. 2 представлен вид сверху на микрогироскоп колебательного типа и часть основания и на которой:
16 - электропроводящая разводка.
Микрогироскоп колебательного типа (фиг. 1, 2) содержит жесткое основание 1, выполненное из анодного оксида вентильного металла, например алюминия. На его внутренней плоскости сформирована полость 2, глубина которой равна величине межэлектродного промежутка. На дне 3 полости 2 размещены четыре тонкопленочных электрода:
два неподвижных электрода цепи возбуждения 4 вынужденных колебаний и два неподвижных электрода цепи измерения 5. На внутренней плоскости основания 1 закреплена
плоская подложка 6, сформированная также из анодного оксида вентильного металла, например алюминия. Она состоит из каркасной рамки 7, внешней рамки 8 и внутренней колебательной системы 9. Между собой внутренняя колебательная система 9 и внешняя
рамка 8 соединены двумя соосными торсионами внутренней колебательной системы 10,
расположенными на оси симметрии подложки 6. Аналогично соединены торсионами
внешней рамки 11 внешняя рамка 8 и каркасная рамка 7, но ось торсионов внешней рамки
11 перпендикулярна оси торсионов внутренней колебательной системы 10. Все торсионы
имеют прямоугольное сечение, что обеспечивает снижение концентрации напряжений.
Прямоугольное сечение реализуется в конструкции благодаря применению вентильных
металлов, сотовая микроструктура которых обеспечивает перпендикулярность стенок па4
BY 6050 C1
зов относительно плоскости подложек и клин травления не превышает 10 мкм/мм. Длина
и ширина внутреннего контура 12 каркасной рамки 7 определяется соответствующими
размерами расположенных в ней внешней рамки 8 и внутренней колебательной системы 9
и, в свою очередь, задает размеры полости 2 в плоскости основания 1. На внутренней
плоскости подложки 6 (обращена к основанию 1) сформирован подвижный электрод 13,
общий для цепи возбуждения и цепи измерения. Он подключен к нулевой шине. Вместе с
соответствующими электродами на внутренней плоскости основания 1 (обращена к подложке 6) подвижный электрод 13 образует систему плоских конденсаторов. В основании 1
и подложке 6 предусмотрены соосные отверстия 14, в которые вставлены штырьки 15, соединяющие основание 1 и подложку 6 и служащие выводами электропроводящей разводки 16, которые подключаются к внешним электрическим цепям.
Диэлектрические детали микрогироскопа из анодного оксида вентильного металла с
прецизионной точностью могут быть получены путем локального анодирования и травления металла и его оксида электрохимическими методами с использованием фотолитографических процессов планарной интегральной микроэлектронной технологии, что гарантирует формирование высокоточных размеров сечения торсионов и глубины полости,
являющихся основными геометрическими параметрами микрогироскопа.
Электропроводящая разводка и электроды выполнены из тонких пленок металлов и
сплавов, обладающих хорошей адгезией к анодному оксиду алюминия и близким к нему
коэффициентом термического расширения, в частности, из ванадия, молибдена, ковара,
которые позволяют снизить удельное сопротивление разводки по сравнению с поликремнием на несколько порядков. Штырьки с деталями микрогироскопа соединяются электропроводящими клеями или низкотемпературными припоями.
Микрогироскоп колебательного типа работает следующим образом.
При подаче на неподвижные электроды цепи возбуждения 4 знакопеременных потенциалов генератором гармонических колебаний внутренняя колебательная система 9 приходит в вынужденное колебательное движение относительно оси торсионов внутренней
колебательной системы 10 за счет возникновения между электродами, являющимися фактически обкладками конденсатора, электростатических сил, создающих крутящий момент
в результате притяжения электродов с разноименным зарядом с одной стороны оси и отталкивания электродов с одноименным зарядом с другой стороны оси. Колебания внутренней колебательной системы 9 при повороте микрогироскопа в плоскости подложки 6
приводят к возникновению во внешней рамке 8 наведенных колебаний относительно оси
торсионов внешней рамки 11, перпендикулярной оси торсионов внутренней колебательной системы 10. Частота наведенных колебаний равна частоте вынужденных колебаний, а
их амплитуда пропорциональна величине угловой скорости поворота. Наведенные колебания внешней рамки 8 изменяют расстояние между неподвижными электродами цепи
измерения 5 и подвижным электродом 13. Соответствующее изменение емкости фиксируется измерительной системой.
Источники информации:
1. Скалон А.И. и др. Принципы построения датчиков угловых скоростей для систем
управления и навигации / Датчики и системы. - № 2. - 1999. - С. 41.
2. US 5912524 A, 1999.
3. Погалов А.И. и др. Микросистемная техника. - 1999. - № 1. - С. 36-41.
5
BY 6050 C1
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
145 Кб
Теги
by6050, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа