СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРОГИРОСКОПА
MICROGYROSCOPE MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении кремниевых чувствительных элементов микромеханических датчиков угловой скорости, гироскопов.
Отрицательное влияние на работу микромеханических приборов, содержащих чувствительные элементы с внутренними вакуумированными полостями, таких как микрогироскопы, выполненные по технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС), играет процесс газовыделения материалов применяемых при изготовлении корпусов приборов во время их работы и эксплуатации. В процессе эксплуатации материалы деталей и сборочных единиц непрерывно выделяют в вакуумную полость растворенные в них газы и ухудшают вакуум, что крайне отрицательно сказывается на работе приборов, в частности, ухудшается такой параметр, как добротность, что ухудшает метрологические характеристики изготавливаемых приборов. Таким образом, поиск оптимальных решений снижения газовыделения конструкционных материалов при изготовлении чувствительных элементов микрогироскопов является актуальной задачей.
Известен вибрационный вакуумный гироскоп [Патент РФ №2518379, МПК G01С 19/56, опубл. 10.07.2014], содержащий основание с металлостеклянными гермовыводами и размещенные на основании немагнитную подложку, гироскопическую систему в составе кремниевого резонатора и опоры резонатора, магнитную систему с входящими в нее магнитом и верхним и нижним магнитопроводами, крышку с отбортовкой. Магнитная система содержит немагнитное центрирующее кольцо, установленное на магните, верхний магнитопровод установлен по посадке на немагнитное центрирующее кольцо. Опора кремниевого резонатора установлена на немагнитную подложку по посадке с нижним магнитопроводом. Поверхности магнита, центрирующего кольца, нижнего и верхнего магнитопроводов, немагнитной подложки, кремниевого резонатора и опоры резонатора собраны без образования внутренних полостей.
Недостатком гироскопа является низкая добротность за счет выделения остаточных газов с внутренних поверхностей основания и крышки, что приводит к снижению степени вакуума во внутренней полости гироскопа и ухудшает его работоспособность во время эксплуатации.
Известен способ изготовления корпусов гибридных интегральных схем [А.с. №868893, МПК H01L 21/96, опубл. 23.12.1991]. Способ предусматривает сварку корпуса гибридной микросхемы импульсом тока с образованием эвтектического соединения соединяемых деталей.
Недостатком способа применительно к микрогироскопам является низкая надежность, обусловленная наличием остаточных газов внутри прибора.
-5
-5
Наиболее близким техническим решением является способ изготовления вакуумного микрогироскопа [Патент РФ №2521678, МПК H01L 21/48, опубл. 10.07.2014]. Согласно способа, обезгаживание, вакуумирование и герметизацию выполняют в одном операционном цикле в герметичной вакуумной камере с остаточным давлением не более чем 5⋅10 мм. рт.ст. При этом основание с магнитной системой и кремниевым резонатором и крышку размещают в герметичной вакуумной камере раздельно, не соприкасая друг с другом и обезгаживают одновременно при температуре не менее 150°С в течение не менее 4-х часов. Для вакуумирования и герметизации основание накрывают крышкой и герметизируют, одновременно обеспечивают вакуумирование микрогироскопа, поддерживая внутри герметичной вакуумной камеры остаточное давление не более чем 5⋅10 мм. рт.ст.
Недостатком способа являются низкие метрологические характеристики прибора, обусловленные натеканием остаточных газов с внутренних стенок крышки и основания во время эксплуатации.
Целью изобретения является улучшение метрологических характеристик микрогироскопа за счет повышения степени вакуума во внутренней полости прибора.
-5
Поставленная цель достигается тем, что в способе изготовления микрогироскопа, включающем изготовление деталей и сборочных единиц, сборку резонатора на основании, накрытие крышкой и герметизацию крышки с основанием лазерной сваркой, обезгаживание и вакуумирование микрогироскопа в одном операционном цикле при остаточном давлении не более чем 5⋅10 мм.рт.ст. при температуре не менее 150°С в течение не менее 4-х часов, согласно способа, перед сборкой резонатора на основании на внутренние поверхности основания и крышки наносят пленку титана.
Кроме того, обезгаживание и вакуумирование микрогироскопа проводят в камере нагрева через откачную трубку, расположенную на крышке, а герметизацию проводят на воздухе.
Газовыделение металлических деталей приборов в вакууме значительно, так как металлам свойственна абсорбция газа, т.е. процесс растворения газа во внутренних слоях вещества. Понижение давления над поверхностью металла нарушает равновесное состояние газов в металле и они начинают интенсивно выделяться. С поверхности металлических деталей абсорбированные газы отделяются более или менее быстро, но перенос газов из внутренних слоев, происходящий путем диффузии, затруднен.
-5
Учитывая то, что нанесенная пленка титана, например, методом магнетронного распыления в вакууме характеризуется отсутствием растворенных в ней газов, следует ожидать отсутствия газовыделений с поверхностей деталей и сборочных единиц микрогироскопа, граничащих с вакуумированной полостью, за счет абсорбции пленкой титана остаточных газов из вакуумированной полости и создания диффузионного барьера в виде пленки титана для десорбции газов в вакуумированную полость, растворенных в объеме металлических деталей. Помимо этого, детали, на которые наносится пленка титана, предварительно обезгаживаются во время напыления титана, так как процесс напыления проходит в условиях высокого вакуума. Кроме того, герметизация крышки и основания лазерной сваркой на воздухе не требует применения сложных приспособлений, таких как специальные манипуляторы, размещаемые внутри камеры нагрева. Обезгаживание и вакуумирование через откачную трубку не требует применения сложного технологического оборудования, такого как вакуумная камера большого объема, требующая поддержания степени вакуума во время технологического процесса не более чем 5⋅10 мм.рт.ст.
Нанесение пленки титана на внутренние поверхности деталей гироскопа, таких как крышка и основание, выполняет две основные функции. Во-первых, титан, нанесенный на внутренние поверхности деталей гироскопа, сорбирует остаточные газы из вакуумной полости гироскопа, повышая степень вакуума внутренней полости прибора. Во-вторых, плотная пленка титана препятствует диффузии растворенных в объеме деталей абсорбированных газов, создавая им барьер к проникновению в вакуумированную полость прибора, что способствует сохранению степени вакуума микрогироскопа во время его работы.
На фиг. 1 показан микрогироскоп.
Он содержит основание 1, резонатор 2, крышку 3, пленку титана 4, нанесенную на внутренние поверхности крышки и основания, откачную трубку 5, внутреннюю полость микрогироскопа 6, проволочные выводы 7, металлостеклянные гермовыводы 8.
Способ осуществляют следующим способом.
-5
-5
На внутренние поверхности основания 1, крышки 3 известными методами, например, магнетронным распылением в вакууме, наносят пленку титана 4 толщиной 0,5-1,2 мкм. На основание 1, выполненное из сплава 29НК устанавливают резонатор 2 посредством анаэробного герметика, например АН-6В, не выделяющего газы во время вакуумирования. Резонатор 2 выполняют известными методами из кристаллического или аморфного материалов, таких как кремний или плавленый кварц. На основание 1 устанавливают крышку 3, после чего сборку (крышку 3 и основание 1) герметизируют лазерной сваркой по периметру на воздухе без применения сложных манипуляторов. К откачной трубке 5, расположенной на крышке 3, методом пайки подсоединяют вакуумную магистраль, ведущую к вакуумному посту. Микрогироскоп помещают в камеру нагрева, включают откачной пост и нагрев камеры, проводят одновременное обезгаживание и вакуумирование в одном операционном цикле при остаточном давлении во внутренней полости микрогироскопа 6, образованной герметичным соединением основания 1 и крышки 3, до уровня вакуума не более чем 5⋅10 мм.рт.ст. при поддержании температуре не менее 150°С. Процесс проводят в течение не менее 4-х часов. Отключают нагрев камеры, после чего откачную трубку 5 пережимают методом холодного спая. При этом давление во внутренней полости 6 микрогироскопа составляет не более чем 5⋅10 мм.рт.ст. Проволочные выводы 7, разваренные на резонатор 2 и металлостеклянные гермовыводы 8, служат для снятия выходного сигнала с микрогироскопа во время его работы.
Таким образом, предложенный способ позволяет улучшить метрологические характеристики микрогироскопа за счет повышения степени вакуума во внутренней полости прибора.