Технологическое обеспечение равномерности покрытий для деталей гироскопических приборов на установках магнетронного напыления, страница 3

е. в условиях вибрации, ударов, а такжеширокого диапазона температур, например, от –60 °С до +85 °С, как правило,требуют повышенной надежности и длительного срока эксплуатации. Созданиесоответствующих датчиков требует термостабилизация.Конструкция термостатированных ВОГ разработки «НИИ ПМ имениакадемика В.И.Кузнецова», представлена на Рис. 1.1.Маятниковый кварцевый акселерометр (МА) является компенсационнымизмерителемкажущегосяиспользующимлинейногопрецизионныйускорениякварцевыйподвижныхмаятниковыйобъектов,подвесимагнитоэлектрический датчик момента.

Чувствительным элементом прибораявляется маятник, удерживаемый в фиксированном положении при помощи«электрической пружины».Принцип действия акселерометра заключается в том, что при появленииускорения корпуса прибора вдоль измерительной оси центр масс маятника,стремясьсохранитьсвоепервоначальноеположениевинерциальномпространстве, смещается относительно корпуса прибора, т.е.

происходит поворотмаятника вокруг оси его подвеса. При этом на выходе датчика угла (ДУ)появляется сигнал, который поступает на вход усилителя.НаРис.1.2характеристикамипоказаны области,акселерометров,образованныеопределяющихдвумяихважнейшимиклассточности:чувствительность и стабильность масштабного коэффициента. Область снаибольшими чувствительностью и стабильностью масштабного коэффициентазанимаютпрецизионныепоплавковыеакселерометры,давноиуспешновыпускаемые в приборостроении, например, ФГУП «НПЦ АП имени академикаН.А.Пилюгина» [9].Акселерометры с кремниевыми, кварцевыми ЧЭ, в том числе МА имикромеханические [10], занимают обширную область с чувствительностью от10–5 g до 10–2 g.

Для акселерометров диапазон температур, в котором они должныобеспечивать стабильную работу, лежит в пределах от –60 °С до +50 °С.Стабильностьмасштабного коэффициента, %1310–110–2Кварцевые, кремниевые–31010–4микромеханическиеПрецизионныепоплавковые10–50,11100101000Чувствительность, μg10000Рис. 1.2. Области распределения характеристик, определяющихкласс точности акселерометров различных типовРис.

1.3. Устройство электромагнитное маятникового акселерометра типа КИ6714Нулевой сигнал прибора возникает из-за того, что даже при отсутствииускорения вдоль направления максимальной чувствительности прибора намаятник со стороныупругого подвеса действует момент, который стремится«увести» маятник из среднего положения между пластинами датчика угла, прикотором выходной сигнал ДУ равен нулю.Причин возникновения такого момента тяжения упругого подвесамаятника достаточно много, в числе основных:- неравномерность токопроводящего слоя с двух сторон упругих перемычекподвеса;- возникновение упругих моментов после сборки из-за разновысотностиплатиков, формирующих рабочий зазор емкостного датчика, и из-за их взаимногорасположения с обеих сторон опорного кольца центральной кварцевой пластины;- воздействие электростатических сил между неподвижными обкладкамиДУ и токопроводящим напылением на маятнике и др.Температурные и временные зависимости величины нулевого сигналатакже приведены в Таблице 2, из которой следует, что приборы типа КИ67относятся к классу прецизионных измерителей.Для достижения столь высоких точностных характеристик в МА разработкиНИИ ПМ применен ряд конструктивно-технологических и схемотехническихрешений,находящихсянауровнеизобретений,которыеподтвержденыполученными авторскими свидетельствами и патентами [3, 80].Работы по созданию и совершенствованию маятниковых компенсационныхакселерометров на упругом кварцевом подвесе продолжаются в НИИ ПМ более25 лет.

За истекшее время разработано и внедрено в производство и используетсяв различных гироприборах нескольких типов и модификаций такого родаакселерометров.Конструкция МА разработки НИИ ПМ, представлена на Рис. 1.3. На Рис.1.3 приняты следующие обозначения: 1 – корпус, 2 – элемент чувствительный, 4 –диск герметизирующий, 5 – крышка, 6 – вывод, 9 – золотой проводник.15Таблица 2.Основные технические характеристики акселерометра типа КИ67ЗначениеПараметрпараметра±10Диапазон измеряемых ускорений, g2,75 ±10%Масштабный коэффициент, мА/gСлучайные составляющие погрешности нулевого сигнала(тяжение) в запуске, g±5×10–5±5×10–5Температурный коэффициент масштаба 1/ °С, не болееТемпературный коэффициент нулевого сигнала g/ °С, не±5×10–5болееИзменения систематической составляющей погрешности±1,5×10–4 занулевого сигнала во времени, g6 месяцевНаряду с отечественными маятниковыми акселерометрами на рынке даннойпродукции представлены и зарубежные аналоги, таких фирм, как HoneywellInternational Inc (США), Kearfott (США), Columbia Research Laboratory (США),Jewell Instrum LLC (Великобритания), Innalabs (Ирландия), Japan AviationElectronics (Япония), Ericco International Ltd (Китай), обладающие высокимиточностями.1.2.

Особенности конструкций деталей гироскопических приборов сфункциональными покрытиямиКак было изложено выше, ЧЭ работают в широком диапазоне температур,для чего постоянно проводят моделирование и анализ теплового дрейфа ЧЭ [11].Поэтомудляобеспеченияточностныхпараметровнеобходимасистематермостабилизации, примером которой может служить, предложенная в [82].Исполнительным механизмом таких систем являются термонагревательныеэлементы (ТНЭ), к параметрам которых предъявляются жесткие требования поудельному сопротивлению и его стабильности.Исследования в области синтеза тонкопленочных функциональных16покрытий проводились на осажденных пленках нихрома, большинство изкоторых показали более высокое удельное сопротивление в сравнении сосплавом.

Именно таким свойством и обусловлен выбор пленок нихрома вприборостроении и продолжают широко использоваться в настоящее время.Конструкция ТНЭ разработки НИИ ПМ, представлена на Рис. 1.4.Проводящий резистивный слой выполняется из хрома или нихрома, включающийв себя либо 80% никеля и 20% хрома, либо содержащий некоторые примеси изаналогичных металлов.

Покрытие ТНЭ должно быть сплошным, без разрывов,отслоений, раковин, пор и посторонних включений. Допускаются отдельныеутолщения и наплывы, не превышающие 0,2 мм (погрешность измерения ±0,05мм).На поверхности проводящего рисунка не допускаются:– риски и вмятины, нарушающие целостность проводящего рисунка;– отдельные неровности по краям печатного проводника, уменьшающие егоминимально допустимую ширину и расстояния между проводниками;– точечные протравы, уменьшающие площадь прямоугольных контактныхплощадок более чем на 10%;– ширина элементов проводящего рисунка формируется технологическипри решении воспроизведения с заданной точностью сопротивления обмотки (±1Ом);– заполнение проводящего рисунка должно быть максимальным поплощади ТНЭ;– разрывы перемычек токоведущего проводника должны быть равномернораспределены по площади ТНЭ.Чувствительный элемент МА, являясь его основной частью, включаетмаятник, представляющий собой плоскую пластину с закрепленными на нейкатушками подвеса, магнитная система которых расположена в корпусе ЧЭ.Несущая часть маятника представляет собой пластину (Рис.

1.5), выполненную изхимически чистого плавленого кварца марки КУ-1 [12].Конструкция кварцевой пластины МА характеризуется рядом особенностей.17Рис. 1.4. Конструктивное устройство нагревательного элемента1 – основание, 2 – накладка, 3 – резистивный слойРис. 1.5. Конструктивное устройство пластины МА18Во-первых, пластины являются особо тонкими, изготовленными изхрупкого материала. Кроме того, пластина содержит сквозные фигурные прорези,дополнительно снижающие её прочность.

Это обуславливает дополнительныетребования к оборудованию и технологической оснастке, применяемым наоперации абразивной доводки, обеспечивающей задаваемые чертежом высокиетребования по шероховатости Rz=0,025 мкм, отклонениям от плоскостности неболее 0,5 мкм и плоскопараллельности сторон.Во-вторых, на пластине сформированы обкладки ёмкостного ДУ итокоподводы к ним из тонкопленочного золотого покрытия с подслоем хрома,осажденные методом вакуумного термического испарения [19].В-третьих, конструкция пластины предусматривает наличие локальныхвыступов-столбиков высотой 30 мкм и упругих перемычек толщиной 20 мкм,формируемые жидкостным травлением в кислоте.Далее рассмотрены технологические процессы изготовления таких типовдеталей с функциональными покрытиями, применительно к производству НИИПМ, характерное также и для аналогичных производств приборостроительнойотрасли.1.3.

Традиционные технологические процессы изготовления деталейгироскопических приборов с функциональными покрытиямиОсновнымметодомформированияплоскостногоТНЭнабазефольгированного диэлектрика является химическое травление (Рис. 1.6, синиеблоки) в сильнодействующих кислотах по фотолитографическому шаблону-маске[13, 14]. Данный процесс в силу своих особенностей не обеспечивает строгозаданных параметров удельного сопротивления резистивного слоя, ввиду своейсложности и неоднородности травления материала, в данном случае специальногосплава – нихрома, требует дальнейшей ручной подгонки значения сопротивления,для чего в конструкции токопроводящего рисунка нагревателя предусмотренытехнологические перемычки. Кроме того, сам процесс негативно сказывается наздоровье человека и окружающей среде, поскольку сложна утилизация отходовпроизводства.19С развитием вакуумной техники, разработкой низкотемпературных методовсинтезапокрытийнадиэлектрическиеиполимерныеподложки[79],автоматизацией данных процессов, как описано в [34, 36], появилась возможностьприменять данные технологии для изготовления тонкопленочных ТНЭ сплошнойконструкции для систем термостатирования гироприборов.Одним из методов низкотемпературного синтеза покрытий являетсяприменение магнетронных распылительных систем с мишенями из хрома иникеля [21].