Способ изготовления микрогироскопа

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении микрогироскопов. Способ изготовления микрогироскопа включает изготовление структурных элементов - крышки с откачной трубкой и газопоглощающим элементом, основания корпуса, и чувствительного элемента, установку чувствительного элемента на основание корпуса. В крышке выполнена полость, в которую запрессовывается объемный газопоглощающий элемент из титан-ванадиевого порошка, соединение крышки с основанием корпуса осуществляется шовно-роликовой сваркой, при этом обезгаживание и вакуумирование с одновременной активацией газопоглощающего элемента проводятся в вакуумной камере с постоянной откачкой при остаточном давлении не менее 10^-5 мм рт. ст. и температуре не менее 525°С в течение не менее 2 ч, а последующая герметизация внутренней полости микрогироскопа осуществляется в вакуумной камере без прекращения внешней откачки и нагрева камеры. Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение метрологических характеристик микрогироскопа за счет повышения уровня вакуума во внутренней полости прибора и обеспечения его стабильности на протяжении всего срока службы (15 лет). 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении микрогироскопов.

Ряд микромеханических приборов, в частности гироскопы, выполненных по технологии микроэлектромеханических систем, требуют для корректной работы стабильного пониженного давления. В силу технологических ограничений не всегда возможно обеспечить вакуумирование микромеханического устройства на уровне кристалла. В этом случае наиболее целесообразным является вакуумирование устройства на уровне корпуса. Вне зависимости от способа герметизации давление в герметизируемом объеме может меняться с течением времени вследствие внешнего натекания и внутреннего газовыделения из примененных конструкционных материалов. Снижение уровня вакуума крайне отрицательно сказывается на работе микрогироскопов, приводя к снижению добротности, что ухудшает метрологические характеристики изготавливаемых приборов и, в случае дальнейшего ухудшения уровня вакуума, приводит к их полной неработоспособности. Таким образом, поиск решений, направленных на повышение герметичности внутреннего объема и снижение газовыделения из конструкционных материалов при изготовлении микрогироскопов, является актуальной задачей.

Известен способ изготовления микроэлектромеханических систем (МЭМС-изделия) - кварцевого микрогироскопа [Бритков О.М. Разработка конструкций и технологий изготовления микроэлектромеханических приборов в герметичном исполнении. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., М., МИЭМ, 2009 г. с. 25-26, 34 с], согласно которого выполняют изготовление корпуса, крышки чувствительного элемента и внутренних структурных элементов (сборка кремниевого резонатора, сборка магнитной системы, магнитопроводы, выводы), сборку корпуса и крышки и заварку лазером, вакуумирование и обезгаживание через отверстие в крышке, герметизацию (лазерной сваркой) и проверку на герметичность.

Недостаток известного способа заключается в том, что для вакуумных приборов обезгаживание и вакуумирование через отверстие в крышке (после заварки корпуса лазером) не только требуют больших временных затрат, но также не обеспечивают в полной мере качественного удаления адсорбированных на поверхностях деталей летучих соединений органических веществ и окружающих газов, что ухудшает эксплуатационные характеристики и снижает ресурс работы микрогироскопа вследствие последующего (в процессе эксплуатации) внутреннего газовыделения с поверхностей находящихся в корпусе деталей и сборочных единиц.

Известен способ изготовления вакуумного микрогироскопа [патент РФ №2521678, МПК H01L 21/48, опубл. 10.07.2014], включающий изготовление деталей и сборочных единиц, сборку на основании и сварку магнитной системы и кремниевого резонатора, балансировку, обезгаживание, вакуумирование и герметизацию лазерной сваркой, при этом обезгаживание, вакуумирование и герметизацию выполняют в одном операционном цикле в герметичной вакуумной камере с остаточным давлением не более чем 5⋅10^-5 мм.рт.ст, причем для обезгаживания основание с магнитной системой и кремниевым резонатором и крышку размещают в герметичной вакуумной камере, не соприкасая друг с другом, и обезгаживают одновременно при температуре не менее 150°С в течение не менее 4 часов, а вакуумирование и герметизацию выполняют после обезгаживания, для чего основание накрывают крышкой до касания кромок основания отбортовкой крышки по всему периметру свариваемого стыка, выполняют позиционирование свариваемого стыка относительно фокальной плоскости лазерного луча и герметизируют, одновременно обеспечивая вакуумирование микрогироскопа, для чего при герметизации поддерживают внутри герметичной вакуумной камеры остаточное давление не более чем 5⋅10^-5 мм.рт.ст.

Недостатком способа являются потенциально низкие надежность и выход годных изделий, обусловленные необходимостью формирования протяженного лазерного сварного шва в вакууме без возможности визуального контроля его качества до извлечения устройства из вакуумной камеры. Кроме того, данный способ не обеспечивает в полной мере качественного удаления адсорбированных на поверхностях конструкционных материалов газообразных продуктов, поскольку температура локального нагрева, вызванного воздействием лазерного излучения на зону сварного шва, значительно превышает температуру обезгаживания. Выделяющиеся в процессе лазерной сварки газообразные продукты могут попасть во внутрикорпусной объем, что приведет к снижению уровня вакуума в герметизируемом объеме и, как следствие, к ухудшению метрологических характеристик микрогироскопа. Отсутствие в конструкции микрогироскопа газопоглощающего элемента неизбежно приведет к снижению ресурса работы микрогироскопа вследствие внутреннего газовыделения с поверхностей находящихся во внутрикорпусном объеме деталей и сборочных единиц в процессе эксплуатации устройства.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности является способ изготовления микрогироскопа [патент РФ №2712927, МПК H01L 21/48, опубл. 03.02.2020], включающий изготовление структурных элементов - крышки с откачной трубкой и газопоглощающим элементом, основания корпуса и чувствительного элемента, установку чувствительного элемента на основание корпуса, соединение сваркой крышки с основанием корпуса на воздухе, далее обезгаживание и вакуумирование микрогироскопа в одном операционном цикле при остаточном давлении и нагреве с последующей герметизацией внутренней полости микрогироскопа путем заваривания откачной трубки при помощи сварки.

Обезгаживание и вакуумирование микрогироскопа осуществляют при остаточном давлении не более чем 5⋅10 ⁵ мм. рт.ст. при температуре не менее 150°С в течение не менее 4 часов, а перед сборкой на внутренние поверхности основания и крышки наносят пленку титана.

Недостатком способа является установка чувствительного элемента (резонатора) на основание при помощи анаэробного герметика -потенциального источника газовыделения во внутрикорпусной объем. Соединение крышки с основанием при помощи лазерной сварки на воздухе не гарантирует высокого качества сварного шва, что может негативно сказаться на герметичности внутрикорпусного объема. Кроме того, в конструкции в качестве сорбирующего материала (газопоглощающего элемента) для остаточных газов применена пленка титана толщиной 0,5-1,2 мкм, которая обладает сравнительно низкой сорбционной способностью и может быть насыщена газообразными продуктами до окончания срока службы изделия. Низкая сорбционная способность газопоглощающего элемента в совокупности с повышенным газовыделением из конструктивных материалов и потенциальной возможностью наличия микротрещин в сварном шве неизбежно приведут к снижению степени вакуума во внутренней полости микрогироскопа, что впоследствии приведет к ухудшению его метрологических характеристик и в дальнейшем может повлиять на работоспособность устройства.

В основу изобретения положена техническая задача, которая не могла быть решена при осуществлении или использовании прототипа, а именно создание способа изготовления микрогироскопа, который должен обеспечить:

- возможность герметизации чувствительного элемента на уровне корпуса с формированием герметичной внутренней полости;

- сохранение вакуума во внутренней полости микрогироскопа на уровне 10^-5 мм. рт.ст. на протяжении всего срока его службы (15 лет);

- герметичность внутренней полости микрогироскопа с уровнем внешнего натекания не более 10^-11 Па⋅м³/с;

минимальный уровень внутреннего газовыделения из структурных элементов конструкции

Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение метрологических характеристик микрогироскопа за счет повышения уровня вакуума во внутренней полости прибора и обеспечения его стабильности на протяжении всего срока службы (15 лет).

Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления микрогироскопа, включающем изготовление структурных элементов - крышки с откачной трубкой и газопоглощающим элементом, основания корпуса и чувствительного элемента, установку чувствительного элемента на основание корпуса, соединение сваркой крышки с основанием корпуса на воздухе, далее обезгаживание и вакуумирование микрогироскопа в одном операционном цикле при остаточном давлении и нагреве с последующей герметизацией внутренней полости микрогироскопа путем заваривания откачной трубки при помощи сварки, согласно изобретению, в крышке выполнена полость, в которую запрессовывается объемный газопоглощающий элемент из титан-ванадиевого порошка, соединение крышки с основанием корпуса осуществляется шовно-роликовой сваркой, при этом обезгаживание и вакуумирование с одновременной активацией газопоглощающего элемента проводятся в вакуумной камере с постоянной откачкой при остаточном давлении не менее 10^-5 мм. рт.ст. и температуре не менее 525°С в течение не менее 2 часов, а последующая герметизация внутренней полости микрогироскопа осуществляется в вакуумной камере без прекращения внешней откачки и нагрева камеры.

Для еще большего уменьшения газовыделения из внутренних структурных элементов конструкции с целью достижения долгосрочной стабильности уровня вакуума во внутренней полости микрогироскопа установка чувствительного элемента на основание корпуса осуществляется при помощи эвтектического соединения кремний-золото.

Кроме того, для дополнительного увеличения уровня герметичности, заваривание откачной трубки осуществляют при помощи лазерной сварки.

Любой металл имеет свойство абсорбировать газообразные продукты как на своей поверхности, так и во внутреннем объеме - путем растворения газа во внутренних слоях вещества. Понижение давления над поверхностью металла нарушает равновесное состояние абсорбированных им газов, в результате чего они начинают интенсивно выделяться во внешнюю среду. С поверхности металла абсорбированные газообразные продукты выделяются быстро, в то время как выделение газов из внутренних слоев затруднено и может занимать значительное время.

Для того чтобы уменьшить количество газообразных продуктов, растворенных во внутренних слоях материалов, входящих в состав основания корпуса прибора, крышки, внутренних структурных элементов и самого чувствительного элемента, непосредственно перед герметизацией внутрикорпусного объема все детали конструкции обезгаживаются в условиях высокого вакуума и повышенной температуры. Одновременно происходит температурная активация включенного в состав конструкции нераспыляемого газопоглощающего элемента, который представляет собой объемную таблетку из спрессованного и предварительно отожженного титан-ванадиевого порошка, запрессованную в полость крышки устройства на этапе сборки.

Обязательным условием эффективного обезгаживания элементов конструкции и активации газопоглощающего элемента является герметизация внутренней полости микрогироскопа без прекращения внешней откачки и нагрева вакуумной камеры. Это достигается путем заваривания откачной трубки в крышке корпуса при помощи высокоэнергетичного лазерного излучения. Все это позволило улучшить метрологические характеристики микрогироскопа за счет повышения уровня вакуума во внутренней полости прибора и обеспечить стабильность на протяжении всего срока его службы.

Наличие в заявленном изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию изобретения «новизна».

В процессе дополнительного поиска не было выявлено технических решений, содержащих совокупность признаков, сходную с совокупностью отличительных признаков формулы заявленного способа, что позволяет сделать вывод о соответствии его критерию изобретения «изобретательский уровень».

На чертеже показан микрогироскоп.

Микрогироскоп содержит основание 1 корпуса с гермовыводами 2, чувствительный элемент 3, крышку 4 с запрессованным в нее нераспыляемым объемным газопоглощающим элементом 5. Чувствительный элемент 3 закреплен на основании 1 корпуса при помощи эвтектического спая 6 и соединен с гермовыводами 2 при помощи проволочных выводов 7. Крышка 4 образует при соединении с основанием 1 корпуса внутреннюю полость микрогироскопа 8 и имеет в своем составе откачную трубку 9.

Способ осуществляют следующим способом.

Изготовление структурных элементов включает в себя изготовление основания 1 корпуса, имеющего в своем составе гермовыводы 2, кремниевого чувствительного элемента 3, крышки 4 и газопоглощающего элемента 5. Основание 1 корпуса выполняют из керамики ВК-94-1 методом прессования с последующим спеканием. Чувствительный элемент 3 выполняют известными методами технологии микросистемной техники из монокристаллического кремния с использованием стандартных технологических операций (осаждение и травление технологических слоев, фотолитография, бондинг, глубинное плазмохимическое травление кремния). Крышку 4 выполняют методом фрезерования из сплава 29НК. В качестве материала крышки был выбран сплав 29НК, поскольку значение его коэффициента температурного расширения (6,2⋅10^-6 1/°С) близко к значению коэффициента температурного расширения (6,8⋅10^-6 1/°С) керамики ВК-94-1, из которой изготовлено основание корпуса. Газопоглощающий элемент 5 выполняют из титан-ванадиевого порошка методом холодного прессования с последующим отжигом.

На основание 1 корпуса устанавливают чувствительный элемент 3. Основание 1 корпуса имеет покрытие из золота, поэтому кремниевый чувствительный элемент 3 устанавливается на него с образованием в зоне контакта золото-кремниевого эвтектического спая 6, что позволяет полностью исключить из конструкции такие органические материалы, как клеи, компаунды и герметики - потенциальные источники дополнительного газовыделения. Контактные площадки чувствительного элемента 3 соединяют с контактными площадками основания 1 корпуса при помощи проволочных выводов 7. На основание 1 устанавливают крышку 4, в полость которой запрессован газопоглощающий элемент 5, после чего устанавливают крышку 4 на основание 1 с чувствительным элементом 3 и осуществляют герметизацию сборки - крышки 4 и основания 1 корпуса - на воздухе при помощи шовно-роликовой сварки. При этом низкая величина внешнего натекания достигается как за счет подбора соответствующих конструкционных материалов, так и оптимальных параметров процесса сварки. Далее сборку помещают в вакуумную камеру, подсоединенную к откачному посту и имеющую в своем составе нагреватель. После этого включают откачной пост, осуществляют нагрев вакуумной камеры и проводят одновременное обезгаживание, вакуумирование и активацию газопоглощающего элемента 5 в одном операционном цикле с постоянной откачкой при остаточном давлении во внутренней полости микрогироскопа 8, образованной герметичным соединением основания 1 корпуса и крышки 4, при остаточном давлении не менее 10^-5 мм. рт.ст. при температуре не менее 525°С. Процесс проводят в течение не менее 2 часов. Затем, не отключая откачной пост и нагрев камеры (при остаточном давлении не менее 10^-5 мм.рт.ст. и при температуре не менее 525°С), герметизируют внутреннюю полость микрогироскопа 8 путем заваривания откачной трубки 9 в крышке 4 при помощи высокоэнергетичного лазерного излучения через прозрачное окно в вакуумной камере. После этого отключают откачной пост, прекращают нагрев камеры и извлекают микрогироскоп из вакуумной камеры, предварительно остудив ее до комнатной температуры (25°С).

Вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- заявляемый способ относится к области приборостроения и может применяться при изготовлении микрогироскопов;

-заявляемый способ позволяет улучшить метрологические характеристики микрогироскопа за счет повышения уровня вакуума во внутренней полости прибора и обеспечить его стабильность на протяжении всего срока службы;

- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявляемый способ изготовления микрогироскопа соответствует условию изобретения «промышленная применимость».

1. Способ изготовления микрогироскопа, включающий изготовление структурных элементов - крышки с откачной трубкой и газопоглощающим элементом, основания корпуса, и чувствительного элемента, установку чувствительного элемента на основание корпуса, соединение сваркой крышки с основанием корпуса на воздухе, далее обезгаживание и вакуумирование микрогироскопа в одном операционном цикле при остаточном давлении и нагреве с последующей герметизацией внутренней полости микрогироскопа путем заваривания откачной трубки при помощи сварки, отличающийся тем, что в крышке выполнена полость, в которую запрессовывается объемный газопоглощающий элемент из титан-ванадиевого порошка, соединение крышки с основанием корпуса осуществляется шовно-роликовой сваркой, при этом обезгаживание и вакуумирование с одновременной активацией газопоглощающего элемента проводятся в вакуумной камере с постоянной откачкой при остаточном давлении не менее 10^-5 мм рт. ст. и температуре не менее 525°С в течение не менее 2 ч, а последующая герметизация внутренней полости микрогироскопа осуществляется в вакуумной камере без прекращения внешней откачки и нагрева камеры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что установка чувствительного элемента на основание корпуса осуществляется при помощи эвтектического соединения кремний-золото.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что заваривание откачной трубки осуществляют при помощи лазерной сварки.