РЕЗОНАТОР С ЗАЩИТНЫМ СЛОЕМ, ВИБРАЦИОННЫЙ ДАТЧИК, ВКЛЮЧАЮЩИЙ В СЕБЯ ТАКОЙ РЕЗОНАТОР, И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗОНАТОРА Российский патент 2014 года по МПК G01C19/5691 

Изобретение относится к резонатору, к вибрационному датчику, включающему в себя такой резонатор, и к способу изготовления резонатора. Такой резонатор используют, например, в вибрационных датчиках гироскопического типа.

Основной принцип вибрационного датчика состоит в сообщении резонатору вибрации и определении физической величины, характеризующей влияние ускорения на вибрацию.

Существуют вибрационные датчики, содержащие несущую пластину, на которой установлен резонатор и расположен электрод. Резонатор содержит корпус, имеющий по существу полусферическую резонансную часть с полюсом, который соединен с несущей пластиной посредством стержня. Резонансная часть содержит полусферическую стенку, имеющую внешнюю и внутреннюю поверхности, свободные края которых соединены друг с другом с помощью плоской кольцевой поверхности, которая обращена к закрепленным на несущей пластине электродам. Резонансная часть и стержень покрыты электропроводящим слоем. Электропроводящий слой и электроды соединены с разными потенциалами для того, чтобы подвергать стенку периодической эллиптической деформации и определять ориентацию эллипса, например, как функцию емкостей, значения которых зависят от зазора между электродами и плоской кольцевой поверхностью.

Корпус изготовлен из диоксида кремния с учетом его изотропных свойств и его очень низкого механического демпфирования.

В широко используемых вибрационных датчиках резонансная часть и стержень полностью покрыты слоем хрома, образующим электропроводящий слой (см., например, US 2003/0019296).

Однако впоследствии было установлено, что слой хрома способствует возникновению заметного механического демпфирования.

Исследовались резонаторы, в которых слой хрома располагается не по всей резонансной части, а покрывает стержень и кольцевую поверхность и имеет ответвления, проходящие по внутренней поверхности от стержня до кольцевой поверхности. Это позволило существенно снизить демпфирование и тем самым существенно повысить рабочие характеристики вибрационных датчиков с такими резонаторами.

Последующая замена в таких резонаторах хрома платиной обеспечила возможность дополнительно улучшить рабочие характеристики вибрационных датчиков.

В документе ЕР 1445580 раскрыт резонатор, внутренняя поверхность которого полностью покрыта электропроводящим металлическим покрытием, а внешняя поверхность оставлена без покрытия.

Тем не менее, диоксид кремния представляет собой материал с очень активной поверхностью, который проявляет тенденцию установления связей с окружающей средой. Поверхность диоксида кремния покрывается группами силанола Si-OH или силана Si-H, которые являются сильно поляризованными и могут образовывать соединения с соответствующими элементами окружающей среды. В вибрационных датчиках резонатор находится в вакууме, чтобы не происходило загрязнение диоксида кремния. Однако в результате проведенных исследований было установлено, что такое загрязнение диоксида кремния, не покрытого электропроводящим слоем, приводит к нестабильности и анизотропным модификациям геометрических свойств и механического демпфирования резонатора, даже при низком уровне загрязнения. Такие модификации, вероятно, приводят к смещению, которое не может быть компенсировано электронным способом из-за его нестабильности.

Резонатор согласно изобретению включает в себя корпус из материала на основе кремния с по меньшей мере одной резонансной частью, содержащей по меньшей мере один участок, покрытый электропроводящим слоем, и по меньшей мере один участок, не покрытый электропроводящим слоем, при этом участок, не покрытый электропроводящим слоем, покрыт защитным слоем, так что в резонансной части материал на основе кремния полностью покрыт комбинацией электропроводящего и защитного слоев.

Таким образом, защитный слой предохраняет материал на основе кремния в его резонансной части от воздействия загрязнений. Поскольку основной функцией защитного слоя является простая изоляция материала на основе кремния от окружающей среды, он может иметь минимальную толщину, чтобы в очень малой степени ухудшать его механические характеристики или не ухудшать их вообще и, в частности, в очень малой степени ухудшать демпфирование резонансной части или не ухудшать его вообще.

Предпочтительно защитный слой изготовлен из благородного металла, предпочтительно из платины.

Таким образом, влияние защитного слоя на поведение резонатора является минимальным.

Предпочтительно электропроводящий и защитный слои изготовлены из одного и того же материала, но толщина электропроводящего слоя больше толщины защитного слоя.

Это упрощает производство резонатора.

Предпочтительно резонансная часть содержит по меньшей мере одну часть стенки по существу полусферической формы, внешняя и внутренняя поверхности которых покрыты защитным слоем и имеют свободные края, соединенные друг с другом плоской кольцевой поверхностью, покрытой электропроводящим слоем. При этом предпочтительно электропроводящий слой имеет ответвления, проходящие по внутренней поверхности от кольцевой поверхности до полюса внутренней поверхности.

Механические свойства изготовленного таким образом резонатора придают хорошие рабочие характеристики датчику вибрации, содержащему такой резонатор.

Объектом изобретения является также вибрационный датчик, содержащий несущую пластину, на которую нанесен электрод, и резонатор, корпус которого включает в себя стержень, соединяющий резонансную часть с несущей пластиной таким образом, что электропроводящий слой обращен к электродам, закрепленным на несущей пластине, при этом стержень покрыт электропроводящим слоем, соединенным с электропроводящим слоем кольцевой поверхности средствами электрического соединения.

Наконец, объектом изобретения является способ изготовления резонатора, включающего в себя корпус из материала на основе кремния, имеющий по меньшей мере одну резонансную часть с по меньшей мере одним первым участком, покрытым электропроводящим слоем, и по меньшей мере одним вторым участком, покрытым защитным слоем из того же материала, что и электропроводящий слой, при этом способ включает в себя этап нанесения материала на первый и второй участки до толщины, достаточной для формирования защитного слоя, и последующий этап, на котором повторно наносят материал только на первый участок таким образом, чтобы общая толщина материала, нанесенного на первый участок, была достаточной для формирования электропроводящего слоя.

Такой способ изготовления является чрезвычайно простым.

Другие особенности и преимущества изобретения будут понятны из дальнейшего описания не ограничивающих вариантов его осуществления со ссылкой на чертежи.

На фиг.1 показан датчик согласно первому варианту осуществления изобретения, вид в продольном разрезе; на фиг.2 - датчик согласно второму варианту осуществления изобретения, вид в продольном разрезе.

Как показано на чертежах, вибрационный датчик согласно изобретению содержит несущую пластину 1, на которую нанесены электроды 2, расположенные по кругу и соединенные с блоком управления (не показан).

Несущая пластина 1 закреплена на резонаторе 3, который содержит корпус из диоксида кремния. Корпус содержит полусферическую стенку 4 с внешней поверхностью 5 и внутренней поверхностью 6, которые имеют свободные края, соединенные друг с другом посредством плоской кольцевой поверхности 7.

От полюса полусферической стенки 4 отходит стержень 8, свободный конец которого выступает за пределы кольцевой поверхности 7 для закрепления на несущей пластине 1.

Зона Z полусферической стенки 4, которая проходит от плоской кольцевой поверхности 7 в направлении полюса на протяженности приблизительно от 80% до 90% высоты стенки, составляет резонансную часть корпуса резонатора 3.

Корпус резонатора 3 покрыт электропроводящим слоем 9. Этот слой содержит по существу цилиндрический участок 9.1, покрывающий стержень 8, плоский кольцевой участок 9.2, покрывающий кольцевую поверхность 7, и ответвления 9.3, расположенные на внутренней поверхности 6 между цилиндрическим участком 9.1 и плоским кольцевым участком 9.2.

Таким образом, в первом варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, электропроводящий слой 9 не покрывает всю внешнюю поверхность 5 и те участки внутренней поверхности 6, которые проходят между ответвлениями 9.3. На эти участки поверхности нанесен защитный слой 10, так что вся внешняя поверхность 5 и участки внутренней поверхности 6 между ответвлениями 9.3 покрыты защитным слоем 10.

Электропроводящий слой 9 и защитный слой 10 изготовлены из одного и того же электропроводящего материала, который является химически инертным относительно окружающей среды, в которой находится резонатор 3 при его использовании. Выбранный материал представляет собой благородный металл, в данном случае платину.

Толщина электропроводящего слоя 9 больше толщины защитного слоя 10. Толщина электропроводящего слоя 9 превышает 15 нм, и предпочтительно равна приблизительно 50 нм, а толщина защитного слоя 10 составляет от 1 нм до 10 нм и предпочтительно равна приблизительно 5 нм (относительные толщины, показанные на чертежах, представлены произвольно).

Способ изготовления резонатора включает в себя этап осаждения по всей поверхности резонатора 3 материала с определенной толщиной, которая достаточна для формирования защитного слоя 10, и последующего осаждения материала с дополнительной толщиной на стержень 8, плоскую кольцевую поверхность 7 и внутреннюю поверхность 6 таким образом, чтобы общая толщина материала, нанесенного на первый участок, была достаточной для формирования цилиндрического участка 9.1, плоского кольцевого участка 9.2 и ответвления 9.3 электропроводящего слоя 9.

Например, первый слой платины получают путем нанесения платины с использованием средства, которое разрывает кремниевые связи в диоксиде кремния, и отжига платины при температуре, достаточно высокой для уменьшения удельного электрического сопротивления платины, при поддержании электрической непрерывности электропроводящего слоя. В данном примере платину наносят, используя катодное распыление. Отжиг выполняют при температуре в диапазоне от 400°С до 550°С, предпочтительно при 550°С.

Во втором варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.2, защитный слой 10′ покрывает участки поверхности, не покрытые электропроводящим слоем, только в резонансной части Z. Таким образом, полярная зона внешней поверхности 5 остается непокрытой ни электропроводящим слоем 9, ни защитным слоем 10′.

Естественно, изобретение не ограничено описанными вариантами его осуществления, и охватывает любой вариант, который находится в пределах объема изобретения, определенного его формулой.

В частности, защитный слой может продолжаться до электропроводящего слоя на стержне и иметь толщину, достаточную для обеспечения электропроводности между двумя электропроводящими слоями.

Материал защитного слоя может отличаться от упомянутого и может отличаться от материала электропроводящего слоя. Любой нержавеющий материал, обладающий способностью формирования связей с кремнием, пригоден для использования при формировании защитного слоя, например, могут использоваться платина, иридий, осмий, родий или рутений.

Резонатор может содержать корпус из материала на основе кремния, имеющего по меньшей мере одну резонансную часть Z, содержащую по меньшей мере один участок, покрытый электропроводящим слоем 9, и по меньшей мере один участок, не покрытый электропроводящим слоем. При этом участок, не покрытый электропроводящим слоем, покрыт защитным слоем 10, 10′, так что материал на основе кремния в резонансной части полностью покрыт комбинацией электропроводящего и защитного слоев, при этом материал защитного слоя отличен от материала электропроводящего слоя, а толщина защитного слоя может быть как равной, так и не равной толщине электропроводящего слоя. Материал защитного слоя, отличный от материала электропроводящего слоя, может представлять собой электропроводящий материал, такой как металл.

Как вариант, электрическое соединение участка 9.1 электропроводящего слоя с участком 9.2 электропроводящего слоя может быть выполнено защитным слоем при условии, что защитный слой имеет толщину и площадь, которые достаточны для обеспечения достаточной передачи электрического заряда (поскольку площадь защитного слоя является относительно большой, его толщина может быть относительно малой).

Хотя выше описана подложка, изготовленная из SiO₂, изобретение также может быть использовано и с подложкой, изготовленной из других соединений кремния, в частности SiN; SiC; кристаллического, поликристаллического или пористого Si; литого кварца, и т.д.

Резонатор может иметь другую форму, например может быть выполнен в форме бруска.

Изобретение относится к вибрационным датчикам гироскопического типа. Резонатор (3)датчика содержит корпус из материала на основе кремния с по меньшей мере одной резонансной частью (Z), имеющей по меньшей мере один участок, покрытый электропроводящим слоем, и по меньшей мере один участок, не покрытый проводящим слоем. Участок, не покрытый электропроводящим слоем, покрыт защитным слоем (10) таким образом, что в резонансной части материал на основе кремния полностью покрыт комбинацией электропроводящего и защитного слоев. Изобретение позволяет улучшить рабочие характеристики датчика. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Резонатор (3), содержащий корпус из материала на основе кремния с по меньшей мере одной резонансной частью (Z), имеющей по меньшей мере один участок, покрытый электропроводящим слоем (9), и по меньшей мере один участок, не покрытый электропроводящим слоем, отличающийся тем, что участок, не покрытый электропроводящим слоем, покрыт защитным слоем (10, 10'), так что в резонансной части материал на основе кремния полностью покрыт комбинацией электропроводящего и защитного слоев.

2. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что защитный слой (10, 10') изготовлен из благородного металла.

3. Резонатор по п.2, отличающийся тем, что благородный металл представляет собой платину.

4. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что электропроводящий слой (9) и защитный слой (10, 10') изготовлены из одного и того же материала, причем толщина электропроводящего слоя больше толщины защитного слоя.

5. Резонатор по п.4, отличающийся тем, что толщина электропроводящего слоя (9) превышает 15 нм и предпочтительно равна приблизительно 50 нм, при этом толщина защитного слоя (10, 10') составляет от 1 нм до 10 нм и предпочтительно равна приблизительно 5 нм.

6. Резонатор по п.1, отличающийся тем, что резонансная часть (Z) содержит по меньшей мере одну часть стенки (4) по существу полусферической формы, внешняя и внутренняя поверхности (5, 6) которой покрыты защитным слоем (10, 10') и имеют свободные края, соединенные друг с другом плоской кольцевой поверхностью (7), покрытой электропроводящим слоем (9).

7. Резонатор по п.6, отличающийся тем, что электропроводящий слой (9) имеет ответвления (9.3), проходящие по внутренней поверхности (6) от кольцевой поверхности (7) до полюса внутренней поверхности.

8. Датчик вибрации, содержащий несущую пластину (1) с электродом и резонатор (3) по пп.6 или 7, при этом корпус резонатора включает в себя стержень (8), соединяющий резонансную часть (Z) с несущей пластиной таким образом, что электропроводящий слой (9) обращен к закрепленным на несущей пластине электродам (2), причем стержень покрыт электропроводящим слоем (9.1), соединенным с электропроводящим слоем (9.2) кольцевой поверхности средством (9.3) электрического соединения.

9. Способ изготовления резонатора (3), содержащего корпус из материала на основе кремния с по меньшей мере одной резонансной частью (Z), имеющей по меньшей мере один первый участок, покрытый электропроводящим слоем (9), и по меньшей мере один второй участок, покрытый защитным слоем (10) из того же материала, что и электропроводящий слой, при этом способ включает в себя этап, на котором наносят материал на первый и второй участки до толщины, достаточной для формирования защитного слоя, и последующий этап, на котором повторно наносят материал только на первый участок таким образом, чтобы общая толщина материала, нанесенного на первый участок, была достаточной для формирования электропроводящего слоя.