Способ контроля толщины металлизации кварцевого чувствительного элемента маятникового компенсационного акселерометра

 

Использование: изобретение относится к приборостроению, в частности к акселерометрам маятникового типа, построенным по компенсационному принципу. Сущность изобретения: с целью увеличения точности и расширение функциональных возможностей в способе контроля толщины металлизации кварцевого маятникового чувствительного элемента компенсационного акселерометра, к основанию которого на струнном торсионном подвесе прикреплен маятник, измеряют угол закручивания струнного торсионного подвеса при отклонении основания чувствительного элемента относительно гравитационной вертикали на заданный угол а до нанесения $ и после нанесения /fe тонкой металлической пленки на чувствительный элемент, а толщину пленки h определяют из соотношения | +8 + зф2+4ф3+2ф«, 11 I модули сдвига соответственно для материала пленки и для кварцевого стекла, d - диаметр струнных торсионов. При этом угол отклонения основания чувствительного элемента относительно гравитационной вертикали а больше, чем минимально фиксируемый угол отклонения сь,, определяемый гистерезисом упругой характеристики торсионного подвеса, но меньше, чем рассчитываемый математически угол Омане зависящий по условиям прочности от предельного (критического) касательного напряжения, при котором происходит нарушение монолитности материала пленки. 1 з.п. ф„ 2 ил. (Л С vi 02 СО |ь 4 VI

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 Р 15/13

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ф1

-ф,.Ф

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4773669/10 (22) 25,12.89 (46) 23.12.92. Бюл. М 47 (71) Московское научно-производственное объединение по строительному и дорожному машиностроению (72) M.À.Âàòóåâ, Л.С.Каминский и B.E,Ðóôîâ (56) Курносов А.И., Юдин В..В. Техноло гия ° производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем: Учебное пособие для студентов вузов. Научно-технический отчет ВНИИстройдормаша; Инв. Q 2870083730 — М.: ВНИИстройдормаш; 1987, т.1, с,165-167; (54) СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КВАРЦЕВОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА МАЯТНИКОВОГО

КОМПЕНСАЦИОННОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА (57) Использование: изобретение относится к приборостроению, в частности к акселерометрам маятникового типа, посгроенййм по компенсационному принципу, Сущность изобретения: с целью увеличейия точности и расши ре ние фун кцио н альных воэможностей в способе контроля толщины металлизации кварцевого маятникового чувствительного элемента компенсационИзобретение относится к приборостроению, в частности — к акселерометрам маятникового типа, построенным по компенсационному принципу, существейным признаком ко-орых является наличие инерционной массы — маятника, представляю-. щего собой чувствительный элемент (ЧЭ) прибора, и предназначено для контроля

БЦ, 1783447 А1 ного акселерометра, к основанию которого на струнном торсионном подвесе прикреплен маятник, измеряют угол закручивания струнного торсионного подвеса при отклонении основания чувствительного элемента относительно гравитационной вертикали на заданный угол а до нанесения Pl и после нанеСения Р2 тонкой металлической пленки на чувствительный элемент, а толщину йленки h определяют иэ соотношения

= 1 + 8 — (— + 3 (— ) + 4 (— ) + 2 (— )"), 3 d d d d

11 l модули сдвига соответственно для материала пленки и для кварцевого стекла, d— диаметр струнных торсионов, При этом угол отклонения основания чувствительного элемента относительно гравитационной вертикали а больше, чем минимально фиксируемый угол отклонения а0, определяемый гистереэисом упругой характеристики торсионного подвеса,.но меньше, чем рассчигываемый математически угол а ®,с зависящий по условиям прочности от предельного (критического) касательного напряжения, при котором происходит нарушение монолитности материала пленки. 1 з.п. ф„2 ил. толщины металлизации кварцевого ЧЭ (КЧЭ).

Необходимость поверхностной металлизации кварцевых струн связана с особенностями формирования сил и моментов обратной связи, компенвирующих инерционные силы, в кварцевом маятниковом компенсационном акселерометре. Толщина

1783447

1440 . ro . I (— +3 (— ) +4 (— ) +2 (— )4)

d d d d г n (d гh) G 11+8 (+3(-„) +4() +2(ф 1( (3) 7г.гв с (— +3(— ) +4Я -1-2Я) д д) (1 б о 1- длина струнного торсиона, м;

2 и . (d+2h).m g 1 и = 1,3...2,5 — запас прочности материарад„ (4) ла пленки;

c<> — минимально фиксируемый угол откло- m — масса маятника, кг; нения,определяемыйгистерезисомупругой g = 9,81 мlc — ускорение свободного характеристики торсионного подвеса; 5э падения; т(— предел прочности на кручение мате- 1 — смещение центра тяжести маятника риала пленки, Н/м;

2, относительно оси струнного торсиона, м. металлической пленки является одним из основных параметров, характеризующих свойства ЧЭ. Она определяет максимально допустимый ток через КЧЭ, а следовательно, и динамический диапазон измеряемых 5 акселерометром ускорений. Кроме того, гистерезисная характеристика упругого торсионного подвеса также зависит от толщины металлизации, Это обстоятельство оказывает влияние на точностные пара- 10 метры акселерометра.

Известен способ контроля толщины тонких пленок, основанный на микровзвешивании подложки до и после осаждения пленки. Толщину металлизации контроли- 15 руют по приращению в весе подложки после нанесения пленки. Недостатками известного способа являются низкая чувствительность и практическая непригодность данного способа для контроля толщины ме- 20 таллизации кварцевого ЧЭ, т,к. при микровзвешивании затруднительно обеспечить, монолитную целостность конструкции КЧЭ.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом 25 является способ контроля толщины металлизации кварцевого маятникового чувствительного элемента компенсационного акселерометра, при котором толщину пленки, выращенной на КЧЭ, принимают равной 30 толщине покрытия, осажденного на пластине-спутнике, находящейся в идентичных условиях технологического процесса, При этом толщину пленки на пластине-спутнике контролируют"методом многолучевой ин- 35 терференции по разности фаз двух когерентных лучей, отраженных от подложки и поверхности пленки.

Недостатком известного способа является низкая точность, Это связано, во-пер- 40 вых, с тем, что известный способ контроля толщины металлизации КЧЗ является косвенным, в связи с чем затруднительно также обеспечить воспроизводимость получения заданной толщины пленки на ЧЭ, А, во-вторых, из-за сложной пространственной конфигурации чувствительного элемента, толщина пленки, осажденной на различные части КЧЭ, имеет неодинаковые значения.

Другой недостаток известного способа заключается в его небольших функциональных возможностях — помимо толщины пленки он не позволяет контролировать иные характеристики КЧЭ.

Цель изобретения состоит в увеличении точности и расширении функциональных возможностей.

Данная цель достигается тем, что в способе контроля толщины металлизации кварцевого маятникового чувствительного элемента компенсационного акселерометра, к основанию которого на струнном торсионном подвесе прикреплен маятник, измеряют угол закручивания струнного торсионного подвеса при отклонении основания чувствительного элемента. относительно гравитационной вертикали на заданный угол а до нанесения ф1 и после нанесенйя Д тонкой металлической пленки на чувствительный элемент, а толщину пленки h определяют из соотношения

=1+8 — (— +3{ — ) +

61й г

G d d

+ 4 ()3 + 2 (-,)4) . (1) где 61, G — модули сдвига, соответственно, для материала пленки и для кварцевого стекла;

d — диаметр струнных торсионов, Поставленная цель достигается также тем, что угол отклонения основания чувствительного элемента относительно гравитацион ной верти кали, выбирают из соотношения, град, ао <а <у+àrcsiп О, (2) где

1783447

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить его соответствие критерию "новизна".

При изучении других технических решений в данной и смежных областях техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критериям "существенные отличия", а также "положительный эффект", На фиг.1 изображен кварцевый маятниковый чувствительный элемент компенсационного акселерометра, а на фиг.2 показано отклонение основания КЧЭ относительно гравитационной вертикали, при котором происходит закручивание струнного торсионного подвеса, Кварцевый маятниковый ЧЭ представляет собой монолитно-сварную однородную конструкцию (см, чертеж), Он содержит кварцевое основание 1 с двумя выступающими стержневыми держателями 2, к которым на двух соосных струнных торсионах 3 прикреплена рамка-маятник 4, выполненная в виде замкнутого прямоугольного контура. Элементы рамки-маятника 4 и держателей 2, а также струнные торсионы 3 металлизированы 5.

Струнный торсионный подвес 3, 4 имеет возможность закручивания относительно оси торсионов 3 при воздействии на рамкумаятник 4 инерционных сил, нормальных плоскости прямоугольного рамочного контура, Способ реализуется следующим образом.

До нанесения тонкой металлической пленки на КЧЭ его устанавливают таким образом, чтобы плоскости симметрии 6 рамкимаятника 4 и стержневых держателей 2 совпадали с направлением гравитационной вертикали..Затем кварцевое основание 1 повертывают на заданный угол а, При этом рамка-маятник 4 отклоняется от гравитационной вертикали на угол ф, и струнный торсионный подвес 3, 4 закручивается на угол j9 =а — p> . Аналогичные действия осуществляют после нанесения тонкой пленки на КЧЭ. В этом случае при отклонении кварцевого основания 1 относительно гравитационной вертикали также на заданный угол а за счет увеличения жесткости струнных торсионов с металлическим покрытием струнный торсионный подвес закручивается на угол Pz =а- pz (pz — угол отклонения рамки-маятника с металлизацией относительно гравитационной вертикали). При этом величина .угла Pz меньше, чем Р1.

Для нахождения зависимости между

Р> иД предполагают, что на поверхности кварцевого волокна, имеющего форму цилиндрического длинного стержня диаметром d и длиной 1, находится жестко связанная с ним металлическая пленка в виде тонкостенного полого цилиндра без

10 разрывов, одинаковой толщины h. В соответствии с законом Гука для двухструнного упругого торсионного подвеса справедливо соотношение

15 (!

М1=2 G Т =Mr =2 — (G Т+ и . = = а

+ 61 Т1), (5) где М1, Мг — внешние крутящие моменты (от силы тяжести), действующие на рамку-маятник при отклонении основания ЧЭ относи20 тельно гравитационной вертикали до и после нанесения тонкой пленки соответственно;

G, G1 — модули сдвига кварцевого стекла и материала пленки, соответственно;

2Р Т, Т) — полярные моменты инерции круга (кварцевого стекла) и полого вала (металлической пленки), соответственно, определяемые из зависимостей: 4

30 Т=

32

Т,= "td,4 d4I, 32 (6) где d< = d+2h-диаметр кварцевого волокна с напыленной пленкой.

Равенство моментом М1 и М справедливо при пренебрежении массой металлической пленки 5, осажденной на кварцевое волокно рамки-маятника 4, по сравнению с массой самой кварцевой рамки-маятника 4, При толщинах пленки h 0,3...0,5 мкм и диаметрах кварцевых нитей, из которых сделан маятник, равных 150...300 мкм, соотношение (5) выполняется с точностью не хуже 0,5...1,0;4.

Из (5-6) вытекает зависимость Т2 1 +8 1(п+3 (п)2+

GT1 р2 6 d d

+ 4 () + 2 (-) ), (7) где Ст, Gy> — собственная жесткость торсионов на кручение соответственно с тонкой металлической пленкой и беэ нее.

Таким образом, зная физические характеристики кварцевого стекла и металлической пленки (Q; 61) и измеряя углы закручивания струнного торсионного подвеса до нанесения и после нанесения тонкой пленки; иэ формулы (7) определяют отношение и/d, которое несет дополнитель1783447 ским) касательным напряжением, при котором происходит нарушение монолитности материала покрытия. В качестве предельного касательного напряжения обычно прини5 мают предел прочности материала (пленки) на кручение тв (4), а отношение тв к максимальным касательным напряжениям тмакс, возникающим при работе КЧЭ, называют запасом прочности и. Призтом выбирают из

10 диапазона 1,3...2,5 (4), Так как при кручении полого вала (ци линдра) касательные напряжения распределяются вдоль радиуса по линейному закону, то максимальные касательные напряжения

15 в металлической пленке определяют из соотношения (4)

M макс 4, (9)

d1 (1 — — 4)

20, d1 где М = m .g 1 siA (а„„вЂ” Д) (10) — внешний крутящий момент (от силы тяжести, действующей на рамку-маятник;

m — масса рамки-маятника; д — ускорение свободного падения;

L — смещенйе центра тяжести маятника относительно оси струнного торсионного подвеса; амак, — максимальный угол отклонения

30 основания ЧЭ относительно гравитационной вертикали;

Pz-угол закручивания струнного торсионного подвеса с металлической пленкой, 35 Из формул (9-10) следует первая зависимость между углами амакс и Р2 и m g L SIR амакс тв — + „(8 +24 (— ) +32 (-) +16 (д) ) С,1 ° р =С, -jb=m g 1x 40

X ЗЮ (амакс P2) (12) 1440 тв — +3()

h h2 б d л и (d+2h). G 1+8 — 1—

G d ную информацию о толщине металлизации.

Предлагаемый способ, в отличие от прототипа, является прямым и позволяет непосредственно контролировать толщину металлизации на пространственных конструкциях со сложной конфигурацией, что увеличивает точность измерений и улучшает воспроизводимость технологического процесса нанесения покрытия. Заявляемое техническое решение позволяет контролировать также и другие физические параметры КЧЭ, а.именно жесткосгь упругих торсионов на кручение до и после нанесения покрытия, точность изготовления струн. уг)ругого"hopheñà,-"сбосность приварки струн к маятнику, отсутствие при сварке чувствительного элемента "подкрутки" торсионов, качество металлизации и др, Сказанное расширяет функциональные возможности заявляемого способа по сравнению с прототипом.

Угол отклонения а основания чувствительного элемента относительно гравитационной вертикали выбирают из соотношения ао <а <ф2+ arcsln щ, (8) где ао — минимально фиксируемый угол отклонения, определяемый гистерезисом упругой характеристики струнного торсионного подвеса, Величина угла а не может быть меньше, чем а,, т.к. в противном случае попадают в зону нечувствительности по углам отклонения. Максимальный угол отклонения амакс =P> + arcsin pz определяется по условиям прочности предельным (критичеТак как торсионный момент равняется моменту от силы тяжести то с учетом выражения (7) имеют

SlП амакс Ст2 Ст1

m g m g

X(1+8 — — +3(— ) +4(— ) +2(— )4)j

6 d d d d (13) Принимая из формулы (1) а 4

Ст1= —, (14)

16 I где i — длина струнного торсиона, находят вторую зависимость между углами ам«с и Д

SIA амакс Л G d

16 I m g I

Х(1+8 — (— +3(— ) +4(— ) +2(-))} (15)

Из формул (11 и 15) окончательно получают, +4(— ) +2(— )), град„(16)

+ 3 ()2 + 4 ()3 + г (h)4) 1783447.10

sin (айзакс — Д) = sin р2 =

< гв. d (— +3(— ) +4(— ) +2(— ))

2 n(d+2h) .m g 1. (17) 5

О, макс = Р2 + а ГСЗ!П + . (18)

Заменяя в формулах (16 — 18) Д на у, а р> на О, имеют зависимости. совпадающие с формулами (2-4).

Заявляемый способ определения физических параметров КМЧЭ компенсационного акселерометра реализуется с помощью известных технических средств (3, 5). КЧЭ закрепляют в специальный держатель (6), который устанавливают на стенде для снятия статических характеристик датчиков углового положения. При этом на поворотной планке стенда жестко укрепляют оптический микроскоп, например, типа МБС. Тогда, контролируя при помощи Оптического 20 квадранта КО-1 угол наклона поворотной планки стенда, равный углу отклонения а основания чувствительного элемента относительно гравитационной вертикали, предварительно вычисленному из формул (8 2я5 и 16-18) на основании предполагаемого соотношения h/d, угол закручивания струнного торсионного подвеса до нанесения тонкой пленки определяют по линейному смещению нижней перекладины рамки-ма- 30 ятника при помощи микроскопа из формулы

Р N1 No . К

R где N1, N — число единиц шкалы окуляра при а Оиа=0;

R — расстояние от оси струнных торсионов до нижней перекладины рамки-маятника;

К вЂ” передаточный коэффициент оптической системы.

Аналогичным образом при неизменном значении угла а измеряют угол закручивания струнного торсионного подвеса О2 после нанесения металлизации. При этом, определив угол р1, КЧЭ не извлекают из 45 держателя (6), а наносят тонкую металлическую пленку, закрепляя держатель с ЧЭ на планетарном механизме вращения установки вакуумного напыления, например, УВН71П-3.

В качестве примера рассмотрим КМЧЭ акселерометра с геометрическими размефами рамки-маятника 10,0х7,2 мм, сваренной из кварцевого волокна марки КВ диаметром

150 мкм (7). В такой конструкции смещение нижней перекладины рамки-маятника отнб-"" сительно оси струнных торсионов составля- ет 3,6 мм, Предполо>ким, что необходимо нанести алюминиевую металлизацию тол - щиной h = 0,3 мкм. Пусть рамка-маятник подвешена на двух одинаковых соосных струнных торсионах диаметром d = 15 мкм и длиной! = 2 мм каждый. Предел текучести алюминия составляет G-, = 2 10 Н/м2.

Учитывая ограничение по пластической неустойчивости (4), примем предел прочности алюминиевой пленки на кручение, равным г, = 0,58 . а, = 1, l6 10 Н/м, а запас прочв г ности, равным и = 2, Модуль сдвига для торсионов указанного выше диа .етра составляет G = 4,2 10 Н/м (1), а модуль сдвига алюминиевой пленки слабо зависит от ее толщины (8) и соответствует модулю сдвига доля массивных образцов G1 =

=2,6 10 Н/м . Путем прямого взвешива1 2 ния на электронных микровесах или из геометрии рамки-м"ая тника, принимая плотность кварцевого стекла, равной р =

„з

=2,21 г/м, можно определить массу маятника: m = 1,343 10 кг. Тогда расчеты по формулам (16 — 18) дают значения 0= 7,60;

p= 1,56; Суарес = 9.16 . Значение угла Qo зависит от марки кварцевого стекла (трения в опорах подвижного узла), отношения h/d u геометрии струнного торсионного пбдвеса.

Угол а для каждого конкретного случая определяют экспериментально, Например, в описываемом примере йо = 10...20 угл.с (9).

Предварительно рассчитав ао и амакс, выбирают а равным, например, a = 5 . Э кспериментально определяют уг.. закручивания струнного торсионного подвеса до и после нанесения покрытия, Если измеренные значения углов Pi и Щ составляют DDответственно 1О 0 и 0 50, то с ошибкой, не превышающей 10...157 (в зависимости от цены деления шкалы оптического микроскопа), из формулы {7) с помощью ПЭВМ получают h = 0,425 мкм, С помощью заявляемого технического решения можно также контролировать качество металлизации (по величине модуля сдвига пленки), если отношение h/d известно из других методов.

Таким образом, в отличие от прототипа предлагаемое изобретение позволяет повысить точность измерений и получить дополнительную информацию о характеристиках

КЧЭ.

Формула изобретения

Способ контроля толщины металлизации кварцевого чувствительного элемента маятникового компенсационного акселерометра, за кл юча ю щийся в нанесении тонкой. металлической пленки на чувствительный элемент и в измерении толщины этой пленки, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля до и

1783447

3 где 61, G — модули сдвига соответственно для материала пленки и для кварцевого стекла; . d — диаметр струнных торсионов. после нанесения тонкой металлической пленки, измеряют угол Р1 и Д закручивания струнного торсионного подвеса при откло-, нении основания чувствительного элемента относительно гравитационной вертикали на 5 заданнй угол а, а толщину пленки h определяют из соотйошения:

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол отклонения основания чувствительного элемента относительно гравитационной вертикали выбирают из соотношения:, ао

G d d d

+ г ")a), б d о о

1440. хв. t — +3 (— ) +4 (— ) +2 (— )") ж и (d -+-2 h) Q t +-.8 — 1.(+3 ()2+4 (— )3+2 ()4) б

„.х х <4 h +3 {п)г+4 (п)3+2 (п)4) l — ДлИна струнного торсиона, м; б d d d и — запас прочности материала плен2 n (d+2h} Е g 1 . . ки;

15 е --Масса маятника, кг;

@ — минимально фиксируемый угол от- g — ускорение свободного падения;, клонения, определяемый гистерезисом уп-- . 1 — смещение центра тяжести маятниругойхарактеристикиторсионногоподвеса; - . ка относительно оси струнного торсиох — предел прочности на кручение мате- на. м. риала пленки, Н/м ; - ..: . 20

Составитель Т.Макарова

Техред М. Моргентал Корректор Н.Ревская

Редактор Т.Иванова

Заказ 4513 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101