Тестовые задачи по технологии микромеханических гироскопов и акселерометров

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

А.Р. БАХРАТОВ 

 

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАЧИ ПО ТЕХНОЛОГИИ  
МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ  
 И АКСЕЛЕРОМЕТРОВ 

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 

Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2009 

УДК 531.383+531.768(075.8) 
ББК 34.96 
Б30 

Рецензенты: Ю.И. Бадин, А.С. Чижов 

Бахратов А.Р. 
Б30 
Тестовые задачи по технологии микромеханических гиро- 
скопов и акселерометров : учеб. пособие / А.Р. Бахратов. – М.: 
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. – 35, [1] с. 
 
Изложены технологические задачи, часто встречающиеся в практике изготовления микромеханических приборов – гироскопов и акселерометров. Даны необходимые для решения задач теоретические 
сведения. 
Для студентов, обучающихся специальности «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации». 

УДК 531.383+531.768(075.8) 
                                               ББК 34.96 

Учебное издание 

Бахратов Ануфрий Рафаилович  

Тестовые задачи по технологии микромеханических  
гироскопов и акселерометров 

Редактор О.М. Королева 
Корректор М.А. Василевская 
Компьютерная верстка А.Ю. Ураловой 

Подписано в печать 07.12.2009. Формат 60×84/16. 
Усл. печ. л. 2,09. Тираж 100 экз. Изд. № 55. Заказ 

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана. 
105005, Москва, 2-я Бауманская, 5. 

 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009 

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 

ММА – микромеханический акселерометр 
ММГ – микромеханический гироскоп 
МСТ – микросистемная техника 
МЭМС – микроэлектромеханическая система 
ОСиН – ориентация, стабилизация и навигация 
ТП – технологический процесс 
ХДП – химико-динамическая полировка 
ХМП – химико-механическая полировка 

ЗАДАЧИ 

1. В приборах ориентации, стабилизации и навигации применяют изделия, которые обозначают аббревиатурой МЭМС. 
Охарактеризуйте термин МЭМС, что это: 
а) модульная электромеханическая система; 
б) малогабаритная электромагнитная система; 
в) микроэлектромеханическая система? 
2. В чем заключается принципиальное различие обычной электромеханической системы (гироскопа, акселерометра) и МЭМС: 
а) в ограниченных минимальными размерами элементах; 
б) в особенностях взаимосвязи между электрическими и механическими элементами; 
в) в единстве технологии изготовления и взаимосвязи между 
элементами? 
3. В приборах ОСиН разного применения объединяются изделия МСТ, а также узлы и элементы, имеющие функциональное 
целевое назначение, изготовленные по различным технологиям. 
Эти изделия, узлы и детали имеют разные массогабаритные характеристики и разные принципы действия. 
В чем заключается различие между изделием МСТ и комплексированным изделием МСТ: 
а) в наличии большого количества входящих в состав прибора 
элементов; 
б) во взаимосвязи нескольких изделий МСТ внутри прибора 
или взаимосвязи изделия МСТ с микросистемой из обычных элементов? 
4. Кварцевое стекло как материал, обладающий минимальными 
потерями на внутреннее трение и гистерезис, максимальной добротностью при высокой стабильности физико-механических характеристик, используют для изготовления ответственных деталей 
ММГ и ММА, в том числе маятника акселерометра. Кварцевое 
стекло в заготовках может быть получено несколькими технологическими способами: 
а) вакуумной плавкой минерального кристаллического сырья в 
печи с последующей осадкой расплава инертным газом; 
б) выращиванием «були» путем наплавки в пламени кислородно-водородной горелки на подвижную мишень расплава минерального кристаллического сырья; 

в) высокотемпературным парофазным гидролизом четыреххлористого кремния в пламени горелки. 
Каждый из перечисленных способов производства стекла закладывает присущие ему и наследуемые в последующих операциях изготовления маятников свойства.  
Какой процесс производства кварцевого стекла позволяет получить заготовки, в наибольшей мере удовлетворяющие функциональным требованиям маятниковых подвесов акселерометров, изготовляемых изотропным травлением? 
5. Компоненты подвижной системы ММГ и ММА формируют 
из монокристаллического кремния с помощью специальной технологии, эти компоненты должны быть закреплены соответствующим образом на основании прибора, который можно изготовить из 
следующих материалов: 
а) кварцевого стекла; 
б) лейкосапфира; 
в) керамических материалов; 
г) ситаллов; 
д) нитрида кремния. 
Какой материал из перечисленных выше материалов для изготовления основания прибора наилучшим образом согласуется по 
физико-механическим характеристикам с кремнием, обеспечивает 
наилучший теплоотвод и обладает хорошими технологическими 
свойствами? 
6. Какова сущность способа формообразования полостей в 
монокристаллическом кремнии с помощью процесса термомиграции? 
7. При обработке деталей МЭМС из ситаллов, например СТ-50; 
СТ-32, лазерным лучом появляется довольно часто много брака: 
трещины, изменения геометрической формы, отклонения от плоскостности рабочей поверхности плоских плат. 
Формирование отверстий с диаметром менее 1 мм (до 0,1 мм) в 
структурных элементах МЭМС выполняют лучом лазера. Более 
точные и качественные отверстия с хорошей воспроизводимостью 
удается сформировать с помощью эксимерных технологических 
лазеров с длиной волны λ ≤ 0,4 мкм. Инфракрасные (ИК) лазеры 
не обеспечивают хорошей воспроизводимости. Почему? 
8. Все детали, элементарные поверхности МЭМС формируются в результате выполнения большого количества разнообразных 
технологических операций, каждая из которых оставляет свой 
«след», наследуемый материалом детали. Перенос «следов», кото

рые могут оказывать положительное или отрицательное воздействие на материал, при выполнении технологических операций, осуществляется путем наследования. Степень и знаки переноса могут 
быть изменены построением маршрута ТП и изменением набора 
операций (характера воздействий на материал детали). 
В ММА и ММГ чувствительный элемент закреплен подвижно 
на упругом элементе (подвесе или перемычке) и работает в условиях циклических нагрузок с уровнем напряжений, который определяется условиями эксплуатации прибора (перегрузками). 
Как необходимо строить ТП, чтобы в условиях эксплуатации 
долговечность подвеса чувствительного элемента обеспечивала бы 
гарантированный ресурс прибора? 
9. Пластины, изготовленные из слитков кремния, выращенного 
по Чохральскому или полученного зонной плавкой, имеют различные механические свойства (прочность, наличие и плотность дислокаций и др.). Пластины из какого слитка желательно использовать в качестве заготовок для выполнения МЭМС с упругими перемычками? 
10. При изготовлении деталей из монокристаллических, 
аморфных материалов, стеклокерамики и ситаллов после каждой 
технологической операции в поверхностном слое материала происходят изменения, в результате которых изменяются геометрические параметры (высота микронеровностей, их характер, ориентация и распределение) и физические параметры (микротвердость, 
наличие напряжений и т. д.). Чтобы обеспечить конструктивно необходимые параметры МЭМС, технологический маршрут изготовления деталей в зависимости от необходимого качества содержит 
следующие операции: шлифование, алмазно-абрзивная доводка, 
полировка (механическая, химическая, ХМП, ХДП).  
Какой набор операций должен содержать маршрут окончательной обработки прецизионных деталей МЭМС, чтобы гарантировать необходимое качество поверхности? 
11. В маршруте изготовления пластин из кремния для последующего группового изготовления в ней определенного количества элементов МЭМС обязательно предусматривают формирование 
двусторонней фаски на периферии пластины и ее восстановление 
на последующих операциях, что увеличивает трудоемкость и 
стоимость пластины.  
Какие причины вынуждают так тщательно следить за краевой 
зоной пластины, не используемой для формирования элементов? 

12. Для изготовления подвесов ММГ и ММА необходимо 
иметь плоскопараллельную пластину из кремния с качественными 
торцами, поверхности которых должны быть обработаны таким 
образом, чтобы микрорельеф не превышал 0,05...0,1 мкм, измененный поверхностный слой был не более 1 мкм. Такие пластины 
с прецизионными поверхностями обрабатывают в сложном и длительном ТП, финишными операциями которого могут быть: 
а) суперфиниш с пастами или суспензиями на основе алмазных 
микропорошков зернистостью 1 мкм и менее; 
б) химико-механическое полирование (доводка) суспензиями 
на основе микрозерен окиси кремния (силикозоли и силикогели, а 
также «Элплаз», «Аэросил»); 
в) химико-динамическое полирование (доводка) в растворах 
кислот и окислителей. 
Какой из финишных процессов обеспечивает лучшее качество 
поверхности у кремниевых пластин (минимальную высоту микронеровностей, минимальный нарушенный слой и сохранение геометрической точности пластин)? 
13. При напылении на поверхность пластин кремния тонких 
пленок, играющих роль контактных масок или функциональных 
элементов, вследствие различия коэффициентов термического расширения материалов пластины и пленки появляются напряжения и 
пластина изгибается. Возникающие отклонения от плоскостности 
при симметричном относительно центра пластины расположении 
пленки будут регулярными, т. е. будут иметь вид сферического 
сегмента.  
От каких параметров системы «подложка – пленка» зависит 
величина (стрелка прогиба) приобретаемого отклонения? 
14. Перед началом сборки групповые совокупности деталей 
или узлов МЭМС, изготовленные в одной пластине, необходимо 
разделить на отдельные. Разделение можно выполнять методом 
скрайбирования и сквозной резки. 
Скрайбирование и сквозную резку можно осуществить алмазным резцом, алмазным кругом, с помощью ультразвука или лазерного луча. 
Какой способ наиболее технологичен для разделения и почему? 
15. Разделение групповой заготовки (пластины) на отдельные 
детали для сборки чувствительных элементов прибора может быть 
выполнено несколькими технологическими способами, которые 
накладывают определенные ограничения на формирование реза, 
на качество и форму кромок детали после резки. 

Какой из перечисленных ниже способов разделения необходимо применить, чтобы поверхности у детали из кремния имели вертикальные стенки и минимальную толщину измененного обработкой слоя: 
а) химическое травление (изотропное или анизотропное); 
б) ультразвуковая обработка (копирование формы инструмента); 
в) резка лучом лазера в режиме скрайбирования при многократном проходе реза с сублимацией материала в фокальном 
пятне? 
16. На поверхности кремниевой пластины всегда имеется слой 
диоксида кремния SiО2 толщиной не менее нескольких нанометров. После грубой обработки этот слой значительно толще, так же 
как и после специального окисления поверхности с целью создания изолирующего диэлектрического слоя. Однако этот слой всегда пористый, причем размер пор больше диаметра молекул воды, 
и гигроскопичный. Свойства слоя из диоксида кремния SiO2 и границ между кремнием Si и диоксидом кремния SiO2 существенно 
зависят от предшествующей механической и химической обработки поверхности пластины. 
При сильном насыщении водой даже в толстых пленках диоксида кремния SiO2 появляются мостики проводимости, которые 
существенно ухудшают качество диэлектрической пленки. 
Каким способом можно проверить качество слоя диоксида 
кремния SiO2 в отношении диэлектрических свойств: 
а) с помощью оптического микроскопа с большим увеличением; 
б) с помощью интерференционного микроскопа; 
в) с помощью моста из емкостей; 
г) методом контактной разности потенциалов? 
17. Диэлектрические пленки диоксида кремния SiO2, нитрида 
кремния Si3N4 и фосфорсиликатного стекла используют для маскирования поверхности кремниевой пластины при формированиии 
объемных структурных элементов изделий МСТ, в том числе деталей ММА и ММГ. 
Какая из перечисленных диэлектрических пленок обладает 
лучшей стойкостью к травителям, содержащим плавиковую кислоту? 
18. В качестве защитных и маскирующих слоев на поверхности 
кремниевых пластин при формировании структурных элементов 
методами травления и диффузии используют тонкие пленки диоксида кремния SiO2, которые могут быть сформированы различными способами, в том числе: 

а) термическим окислением в сухом кислороде; 
б) термическим окислением во влажном кислороде; 
в) окислением с помощью углекислого газа; 
г) пиролизом; 
д) с помощью химического переноса. 
Какой из способов позволяет при минимальной температуре 
процесса и минимальной его длительности сформировать на поверхности кремниевой пластины пленку диоксида кремния SiO2 
достаточной для защиты толщины (более 0,3 мкм) с хорошим качеством (плотностью, близкой к 2,27 г/см3)? 
19. Рабочие зазоры между подвижными и неподвижными элементами в ММА и ММГ не превышают 10...15 мкм, поэтому приборы изготовляют и собирают в специальных помещениях, где 
поддерживают особые условия, в том числе по содержанию, количеству и размеру механических частиц и пылинок в атмосфере помещения.  
Какие условия по содержанию частиц и пылинок можно считать нормальными для обеспечения надежности сборки приборов: 
а) когда размеры частиц и их количество при оседании на детали и узлы не нарушают процесса сборки; 
б) когда общее количество частиц в атмосфере, независимо от 
их размера, не превышает определенной величины; 
в) когда диаметр частиц предельного размера не превышает 
половины размера (половины величины рабочего зазора, половины расстояния между проводниками электрической схемы и 
т. д.), определяющего функционирование прибора и количество 
этих частиц в единице объема атмосферы помещения ограничено, так же, как и количество частиц меньшего размера, чем предельный. 
20. Сборку прецизионных приборов ММГ и ММА необходимо 
вести в специальных помещениях, запыленность которых зависит 
от большого количества факторов. В число этих факторов входят 
параметры движения воздушных потоков. Характер и направление 
потоков воздуха в помещении должны быть такими, чтобы они 
способствовали ускорению процесса обеспыливания и не приводили к дополнительной генерации пыли в помещении и на отдельном рабочем месте. 
Какой характер движения и направления потоков обеспечивает 
наилучшие условия обеспыливания отдельного рабочего места 
сборщика: 

а) горизонтальное ламинарное; 
б) горизонтальное турбулентное; 
в) вертикальное ламинарное; 
г) вертикальное турбулентное? 
21. Стабильность и надежность обеспечения и поддержания 
чистоты среды в сборочном помещении зависит от многих параметров, в том числе от характера движения и направления потоков 
воздуха, которые не должны приводить к дополнительной генерации пыли.  
Какое направление потоков обеспечивает наилучшие условия 
обеспыливания помещения участка для сборки приборов ОСиН: 
а) горизонтальное; 
б) вертикальное? 
22. Формирование объемных структурных элементов при изготовлении деталей ММГ и ММА можно осуществить методами: 
а) микрообработки; 
б) планарной технологии; 
в) технологии LIGA; 
г) технологии SLIGA. 
Какая технология позволяет формировать элементы с большим 
аспектным отношением (отношением ширины к высоте более 1 : 50) 
наиболее технологичным образом? 
23. Микромеханические гироскоп и акселерометр содержат в 
своей конструкции подвижные элементы, которые с помощью 
внешних по отношению к ним элементов должны быть закреплены 
на высоте от нескольких до десятков микрометров над основанием, несущим датчик, считывающий информацию о положении 
подвижного элемента. Закрепление должно быть надежным, стабильным и прецизионным. 
Какой технологический способ закрепления наилучшим образом обеспечивает выполнение перечисленных выше условий: 
а) пайка мягкими припоями; 
б) склеивание эпоксидными клеями; 
в) электроадгезионное сращивание; 
г) сварка? 
24. Пайку проводников малого диаметра (менее 0,05 мм) и выводов микроэлементов можно выполнять с помощью: 
а) микропаяльников; 
б) струей горячего газа; 
в) лазерным лучом.