Способ изготовления и конструкция инерциального измерительного модуля
METHOD OF MANUFACTURING AND DESIGN OF INERTIAL MEASURING MODULE

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к способу изготовления и конструкции инерциальных измерительных модулей для регистрации первичной инерциальной и магнитной информации: угловых скоростей, линейных ускорений и компонент вектора напряженности магнитного поля.
Классическим способом повышения точности и надежности приборов и систем ориентации, стабилизации и навигации является использование избыточности [Водичева Л.В., Бельский Л.Н., Парышева Ю.В., Лысцов А.А. Инерциальные измерительные блоки перспективных изделий ракетно-космической техники: обеспечение отказоустойчивости // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. 2018. №1], означающее избыточную комплектацию инерциальных измерительных модулей датчиками первичной информации сверх минимально необходимого для измерения (т.е. одного акселерометра, гироскопа и магнитометра вдоль каждой оси системы координат) и соответствующий выбор оптимальной конфигурации его основания. В качестве последних в большинстве случаев используют правильные многогранники.
В частности, известна конструкция бесплатформенного инерциального измерительного блока [патент РФ №2162203 от 13.03.2000 г.], содержащего подложку, выполненную в виде платы из диэлектрика, и основание в виде правильной шестиугольной усеченной пирамиды, по меньшей мере на трех боковых гранях которой размещены чувствительные элементы микромеханических вибрационных гироскопов-акселерометров, а на меньшей торцевой грани - датчик температуры, при этом основание по плоскости большей торцевой грани закреплено в центральной части подложки, а вокруг основания по периферии подложки установлены микросборки сервисной электроники.
Недостатками данной конструкции является недостаточная технологичность, обусловленная отсутствием токопроводящего рисунка непосредственно на боковых гранях основания, наряду с невозможностью измерения компонент вектора напряженности магнитного поля.
Функциональным аналогом заявляемого объекта является устройство определения курса и пространственного положения (AHRS) MotionCore фирмы Senlution [URL: http://www.senlution.com/node/63 (дата обращения 05.04.2019 г.)], содержащее жесткое несущее основание кубической формы, на гранях которого винтами закреплены снабженные гибкими межплатными соединениями печатные платы с размещенными на них интегральными датчиками инерциальной информации.
Недостатком данного устройства является невозможность его миниатюризации, обусловленная сложностью точной ориентации интегральных датчиков относительно несущего основания.
Известен способ изготовления объемных мини-модулей для радиоэлектронной аппаратуры [патент РФ №2336595], заключающийся в сборке и настройке фрагментов мини-модулей-мини-плат, представляющих собой многослойные или двухсторонние миниатюрные печатные платы с установленными на них радиоэлектронными компонентами, в котором мини-платы располагают встык в виде замкнутой объемной фигуры - параллелепипеда, затем электрически и механически соединяют мини-платы между собой путем установки перемычек между соседними мини-платами, проверяют работоспособность полученного мини-модуля, после чего заливают компаундом, образующим после застывания внешнюю оболочку мини-модуля, и повторно проверяют его работоспособность.
Недостатками данного способа является высокая трудоемкость, обусловленная применением перемычек для соединения соседних мини-плат, наряду с невозможностью создания модулей сложной геометрической формы.
Известен способ изготовления инерциального измерительного модуля [S.А. Zotov, М.С. Rivers, A.A. Trusov, А.М. Shkel, Folded MEMS Pyramid Inertial Measurement Unit, IEEE Sensors Journal, vol. 11, no. 11, pp. 2780-2789, Nov. 2011] из гибко-жесткой развертки, выполненной из полупроводниковых пластин с гибкими соединениями из полиимида путем сгибания развертки в форме усеченной правильной многоугольной пирамиды и соединения полупроводниковых пластин по торцам с помощью пайки или микросварки. Развертку формируют методами фотолитографии и травления. Этими же методами на полупроводниковых пластинах развертки формируют структуры датчиков инерциальной информации.
Основными недостатками способа являются высокая трудоемкость и высокая себестоимость изготовления инерциального измерительного модуля, которые вытекают из многоэтапности и длительности технологического процесса, циклы которого требуют сложного и прецизионного оборудования.
Известен также является способ изготовления миниатюрного инерциального измерительного модуля [патент США №8239162 В2], включающий размещение ортогонально ориентированных датчиков угловой скорости, линейного ускорения и магнитного поля на несущем основании.
Основным недостатком способа является невозможность создания модулей сложной геометрической формы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления миниатюрного инерциального измерительного модуля [патент США №7526402 В2] включающий размещение датчиков угловой скорости, линейного ускорения и магнитного поля на несущем основании, сформированном путем сгибания гибко-жесткой развертки под прямыми углами.
Основным недостатком способа является невозможность создания модулей сложной геометрической формы.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение технологичности и надежности конструкции инерциального измерительного модуля, снижение трудоемкости и себестоимости его изготовления путем сокращения числа технологических операций и уменьшения числа типов основного оборудования.
Для решения поставленной задачи в предлагаемом способе изготовления инерциального измерительного модуля, включающем изготовление несущего основания в форме многогранника, закрепление на нем комбинированных датчиков угловой скорости, линейного ускорения и магнитного поля путем поверхностного монтажа и контроль работоспособности полученного инерциального измерительного модуля, изготовление несущего основания осуществляют из диэлектрической керамики путем формования керамической массы в пресс-форме, с последующим обжигом в печи, формированием на боковых гранях несущего основания токопроводящего рисунка с контактными площадками.
Вышеуказанный результат достигается также тем, что в предлагаемой конструкции инерциального измерительного модуля, содержащей несущее основание в форме многогранника, на гранях которого закреплены комбинированные датчики угловой скорости, линейного ускорения и магнитного поля, несущее основание изготовлено из диэлектрической керамики, а на боковых гранях сформирован токопроводящий рисунок с контактными площадками
Способ изготовления инерциального измерительного модуля реализуется следующим образом.
2
3
Из диэлектрической керамики, например AlO, AlN, путем формования керамической массы в пресс-форме с последующим обжигом в печи изготавливают несущее основание. Далее любым известным способом выполняют на боковых гранях несущего основания токопроводящий рисунок с контактными площадками, после чего путем поверхностного монтажа прикрепляют к несущему основанию комбинированные датчики угловой скорости, линейного ускорения и магнитного поля.
Формированием токопроводящего рисунка на боковых гранях несущего основания обеспечивается возможность непосредственной установки на них комбинированных датчиков (в виде микросборок или в SMD-исполнении) угловой скорости, линейного ускорения и магнитного поля, путем поверхностного монтажа.
Токопроводящий рисунок с контактными площадками представляет собой слой металла, например меди. Для улучшения адгезии слоя к поверхности несущего основания на него предварительно может наноситься тонкий адгезионный слой. Для защиты от окисления токопроводящий рисунок может покрываться барьерным слоем, например из никеля. Так как к дорожкам токопроводящего рисунка с контактными площадками применяются последующие операции поверхностного монтажа (пайка или микросварка), то дополнительно может наноситься верхний слой, состоящий из золота (пайка, сварка) или олова (пайка).
Токопроводящий рисунок с контактными площадками может быть сформирован по толстопленочной технологии, заключающейся в нанесении через трафарет специальной металлосодержащей пасты на несущее основание и последующем ее вжигании в керамику при высокой температуре в печи с одновременным удалением связующих и образованием слоя металла.
Другим методом формирования токопроводящего рисунка с контактными площадками может служить технология прямого присоединения меди (DBC, Direct Bonded Copper), подразумевающая покрытие поверхности несущего основания тонким листом фольги (плакирование) и последующее спекание меди с керамикой под действием давления и повышенной температуры. Далее на поверхности меди изготавливается рисунок с помощью фотолитографии и травления.
Согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения конфигурация рабочей полости пресс-формы соответствует геометрии несущего основания в форме многогранника со сквозным центрирующим отверстием. Причем на стадиях выполнения технологических операций, следующих за обжигом в печи, сквозное центрирующее отверстие используют для фиксирования несущего основания в технологическом оборудовании.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения при изготовлении несущего основания используется послеформовочная механическая обработка, например фрезерование и шлифовка.
Пример конкретного выполнения предлагаемого способа:
2
3
1) загружают порошкообразную керамическую массу на основе AlO в пресс-форму, конфигурация рабочей полости которой соответствует геометрии несущего основания в форме усеченной правильной четырехугольной пирамиды со сквозным центрирующим отверстием,
2) осуществляют формование несущего основания методом прессования,
3) отформованное несущее основание извлекают из пресс-формы и помещают в печь для обжига,
4) проводят обжиг при температуре 1700-1750°С,
5) проверяют качество подготовки поверхности несущего основания (степень шероховатости и чистоту) бесконтактным оптическим способом,
6) выполняют послеформовочную обработку методом шлифования,
7) металлизируют боковые грани несущего основания методом вакуумного напыления,
8) с помощью фотолитографии и травления формируют на боковых гранях несущего основания токопроводящий рисунок с контактными площадками,
9) пайкой осуществляют поверхностный монтаж комбинированных датчиков угловой скорости, линейного ускорения и магнитного поля на боковых гранях несущего основания,
10) осуществляют контроль работоспособности готового инерциального измерительного модуля.
Другой пример конкретного выполнения предлагаемого способа:
1) загружают порошкообразную керамическую массу на основе AlN в пресс-форму, конфигурация рабочей полости которой соответствует геометрии несущего основания в форме додекаэдра со сквозным центрирующим отверстием,
2) осуществляют формование несущего основания методом горячего прессования (спекания под давлением) при температуре 1800-1900°С в среде азота,
3) отформованную заготовку несущего основания извлекают из пресс-формы и помещают в печь для обжига,
4) проводят обжиг при температуре 1820-1880°С,
5) проверяют качество подготовки поверхности несущего основания (степень шероховатости и чистоту) бесконтактным оптическим способом,
6) выполняют послеформовочную обработку методом шлифования,
7) формируют на боковых гранях несущего основания токопроводящий рисунок с контактными площадками по толстопленочной технологии, заключающейся в нанесении через трафарет металлосодержащей пасты на основе меди на несущее основание с последующим ее вжиганием в керамику в печи при температуре, обеспечивающей удаление связующего компонента, с одновременным образованием слоя металла,
8) пайкой осуществляют поверхностный монтаж комбинированных датчиков угловой скорости, линейного ускорения и магнитного поля на боковых гранях несущего основания,
9) осуществляют контроль работоспособности готового инерциального измерительного модуля.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется Фиг. 1, на которой представлен общий вид конструкции инерциального измерительного модуля, и Фиг. 2, на которой представлен общий вид несущего основания.
Согласно Фиг. 1, 2 инерциальный измерительный модуль содержит несущее основание в форме усеченной правильной четырехугольной пирамиды 1 из диэлектрической керамики, в котором выполнено сквозное центрирующее отверстие 2, а на боковых гранях сформирован токопроводящий рисунок с контактными площадками 3. На боковых гранях несущего основания закреплены комбинированные датчики угловой скорости, линейного ускорения и магнитного поля 4.
Таким образом, несущее основание выполняет функции каркаса для крепления комбинированных датчиков угловой скорости, линейного ускорения и магнитного поля, а его монолитная конструкция способствует повышению надежности инерциального измерительного модуля.
Согласно варианту осуществления изобретения, в несущем основании выполнено сквозное центрирующее отверстие, служащее как для технологических целей (фиксирования заготовки в процессе выполнения технологических операций), так и для крепления готового инерциального измерительного модуля и ориентирования его вдоль измерительных осей.
Изобретение имеет дальнейшее развитие, заключающееся в том, что сквозное центрирующее отверстие выполнено в форме прямоугольника. Прямоугольная форма сечения центрирующего отверстия исключает вращение заготовки несущего основания, упрощая технологические манипуляции с ним.
В целом, по сравнению с известными техническими решениями, предлагаемый способ изготовления инерциального измерительного модуля и реализующая его конструкция позволяют повысить технологичность и надежность инерциального измерительного модуля, снизить трудоемкость и себестоимость его изготовления.