УДК 621.38.049.77

МОДАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОЛЬЦЕВОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА МИКРОМЕХНИЧЕСКОГО ВИБРАЦИОННОГО ГИРОСКОПА

Смирнов Александр Валерьевич1, Запевалин Александр Иванович2
1Пензенский государственный университет, магистр кафедры "Нано - и микроэлектроника"
2ФГУП ФНПЦ "ПО"Старт" им. Проценко М.В., инженер-технолог

Аннотация
Представлены результаты модельного анализа кольцевого чувствительного элемента микромеханического вибрационного гироскопа, изготовленного из монокристаллического кремния марки 100 КЭФ 4,5(111). Произведен анализ влияния технологических допусков, таких как овальность, угол наклона боковых стенок, на значение резонансной частоты.

Ключевые слова: , , , ,


Библиографическая ссылка на статью:
Смирнов А.В., Запевалин А.И. Модальный анализ кольцевого чувствительного элемента микромехнического вибрационного гироскопа // Современная техника и технологии. 2017. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2017/05/13435 (дата обращения: 26.05.2017).

1 Введение

Непрерывное развитие компьютерных технологий и систем моделирования позволяет реализовывать все более сложные математические модели. Использование данных технологий нашло широкое применение при проектировании конструкции и разработки технологии микроэлектроменических систем (МЭМС). Тем самым существенно сокращаются сроки и затраты на проектирования и опытное производство. Следовательно, работы в данном направлении являются актуальными.

Рисунок 1 – Чувствительный элемент [1]

2. Чувствительный элемент

Рассматриваемый чувствительный  элемент (ЧЭ) микрогироскопа имеет форму кольца, подвешенного на 8 упругих пружинах. ЧЭ выполнен  из монокристаллического кремния  с ориентацией (111). Использование кремния с ориентацией (100) приводит к значительному расщеплению частот на второй моде, (рабочей) собственных колебаний кольца.[3 с. 37]

Для устранения этого расщепления частот, например, в МИЭТе г. Зеленоград был спроектирован кольцевой ЧЭ с переменной шириной кольца [4]. Однако эта конструкция сложно реализуема в производстве и сложно контролируется в процессе изготовления.

3. Технология изготовления ЧЭ

Для того чтобы добиться надежного производственного процесса, необходимо сократить этапы обработки путем простоты конструкции. Для  изготовления ЧЭ требуются только три фотолитографии. На пластину толщиной 380 мкм с помощью фотолитографии формируется топология ЧЭ в слое SiO2. Затем напыляется металлизация (сплав 5АК1) и формуется слой металлизации с помощью второй фотолитографии. С обратной стороны формируется маска в слое SiO2 под плазмохимическое травление на глубину 280 мкм. Далее проводится плазмохимическое травление обратной стороны для получения рабочего слоя толщиной 100 мкм. Заключительный этап это сквозное травления с лицевой стороны для получения ЧЭ.

При обработке ЧЭ используется Bosch-процесс, его особенностью является возможность получения высокоаспектных структур с вертикальными стенками. Угол наклона стенок зависит от технологических параметров процесса. Эти параметры выбираются конкретно для каждой топологии.

4. Конечно – элементная модель ЧЭ микрогироскопа

Для подробного анализа кольцевого резонатора микрогироскопа воспользуемся методом конечных элементов. При моделировании была использована линейная модель деформируемого тела. Значение модуля Юнга не зависит от направления в плоскости пластины кремния и имеет значение 169,1 ГПа.

Была построена конечно элементная модель кольца радиусом 3мм и шириной 120 мкм. В результате модельного анализа были определены частоты колебаний кольца для различных мод. Вид и частоты колебаний приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Собственные частоты колебаний кольца.

№ моды

Вид колебания

Частота

Гц

Частота ГЦ    [3 с. 41]

1

 

14575

14575

14575

2

 

41168

41171

41168

3

 

78782

78796

78782

4

 

127090

127123

127090

5

 

185875

185942

185875

6

 

254910

255049

254910

7

 

333982

334226

333982

8

 

422853

423239

422853

Рабочей частотой является вторая мода собственных колебаний кольца, что соответствует значению частоты 14575 Гц.

Значение рабочих частот совпадают с результатами, полученными в [3 с.41].  Расхождения наблюдается только на высших модах.

5. Технологические погрешности изготовления ЧЭ микрогироскопа

В процессе плазмохимического травления возможен наклон боковых стенок кольца, что влияет на резонансную частоту ЧЭ. На рисунке 3 представлено поперечное сечение кольца.

Рисунок 3 – Поперечное сечение кольца

На рисунке 4 представлена зависимость резонансной частоты от угла наклона боковых стенок, при отрицательном угле наклона

На рисунке 5 представлена зависимость резонансной частоты от угла наклона боковых стенок, при положительном угле наклона.

Рисунок 4 – График зависимости резонансной частоты от угла наклона боковых стенок

Рисунок 5 – График зависимости резонансной частоты от угла наклона боковых стенок

Электрическая подсистема съема сигнала с ЧЭ предъявляет жесткие требования к разбросу резонансной частоты от образца к образцу. Отклонение частоты от номинала должно составлять не более 50 Гц. Таким образом, угол наклона боковой стенки кольца  должен быть не более 0,24° или 0.85 мкм. При отклонении отличным от нуля наблюдается зависимость резонансной частоты от толщины кольца, представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – График зависимости частоты от толщины при разных углах наклона боковых стенок. Диапазон изменения угла от 90° до 88°

Анализируя рисунок 6, не трудно заметить  линейную зависимость рабочей частоты от толщины кольца, чем больше угол наклона стенок, тем сильнее разброс толщины пластины влияет на рабочую частоту.

В процессе изготовления фотошаблона невозможно получить идеальную окружность. Определим зависимость резонансной частоты от отношения радиусов кольца по различным осям, эллипсности  (рисунок 7).

Рисунок 7 – График зависимости частоты от эллипсности

Наблюдается линейная зависимость резонансной частоты от эллипсности. Разность диаметров в 5 мкм соответствует уходу частоты на 2 Гц и разбалансу по осям 19 Гц.

Анализ полученных результатов

Для получения ЧЭ с разбросом по резонансной частоте не более 50 Гц, не перпендикулярность боковой стенки и основания кольца не должна превышать + 0,85 мкм (89,7°), разброс по толщине при таком угле наклона может быть + 10мкм.


Библиографический список
  1. Иванов С.Ю. Разработка цифровой электронной подсистемы микромеханического гироскопа с кольцевым резонатором //ТРУДЫ МФТИ. 2016. Том 8, № 2.
  2. Тимошенков С.П., Анчутин С.А., Плеханов В.Е., Кочурина Е.С., Тимошенков А.С., Зуев Е.В. Разработка математического описания кольцевого микрогироскопа // Нано-и микросистемная техника. 2014. Т. 5. С. 18–25.
  3. Тимошенков С.П., Плеханов В.Е.,  Балансировка резонатора микромеханического гироскопа // НАНО- и МИКРОСИСТЕМАНЯ ТЕХНИКА, 2011.  № 11
  4. Бритков О. М. Разработка конструкций и технологий изготовления микромеханических приборов в герметичном исполении // Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. 2009 г.


Все статьи автора «shishyly»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: