5.5. Микромеханические датчики инерциальной информации.

Современное состояние разработок датчиков инерциальной информации определяется возрастающими потребностями в них в самых различных областях техники для решения задач контроля и управления подвижными объектами и их навигации. При этом наиболее массовым потребителем становится гражданская сфера; где быстрыми темпами растет применение этих датчиков в таких областях, как автомобилестроение, телекоммуникационная техника, робототехника, медицина, спорт и др. В последние десятилетия были созданы новые типы датчиков инерциальной информации, пригодные для крупносерийного и даже массового производства. Возможность крупносерийного производства в первую очередь определяется относительной простотой конструкций новых типов датчиков и применением прогрессивных технологий при их изготовлении.

Одним из наиболее интенсивно развивающихся направлений новых разработок датчиков инерциальной информации является направление микроэлектромеханических систем (МЭМС). В рамках технологий МЭМС разрабатываются микромеханические гироскопы (ММГ) и микромеханические акселерометры (ММА). Применяемые при производстве ММА, ММГ технологии современной твердотельной микроэлектроники, а также используемые материалы позволяют обеспечить малые габариты, вес и энергопотребление, высокую надежность и устойчивость к внешним воздействиям, низкую стоимость датчиков. Технологическая совместимость механической части датчика и сервисной электроники позволяют создавать практически в единых технологических процессах интегральные модули - чипы - гироскопы и акселерометры, а также сборки инерциальных элементов объемом 0,5 - 10 см³ с потребляемой мощностью 0,5 - 1 Вт. Выбор кремниевой технологии определяется возможностями микроэлектронной промышленности, а также уникальными свойствами кремния как конструкционного материала. Кремний, являясь дешевым и доступным материалом, обладает высокой механической прочностью (модуль Юнга ~ 10¹¹н/м²), у него практически отсутствуют гистерезис и пластические деформации, мал температурный коэффициент линейного расширения α_ТКР=2,610^-6 1/°С, он отличается большой временной стабильностью параметров; этот материал может подвергаться длительным циклическим нагрузкам, не проявляя эффекта усталости и накопления внутренних напряжений. Благодаря низким внутренним потерям на трение в кремнии удается достичь добротности осциллятора порядка 10⁵.

В упругих подвесах ММГ и ММА в основном используются два типа механических структур и им соответствуют два типа технологических процессов обработки кремния - объемная (bulk-micromachined) и поверхностная (surface-micromachined). При использовании объемной обработки происходит удаление материала путем химического вытравливания в соответствии с кристаллографической структурой материала. В этом случае возможно изготовление структур с толщиной до нескольких сотен микрометров. В случае поверхностной обработки на планарной поверхности кремниевой пластины с использованием диффузии, фотолитографии и анизотропного травления формируется рельеф осциллятора. После операции анодного сращивания со стеклянной подложкой производится удаление «жертвенного» слоя кремния до вскрытия рельефа осцилляторов.