本發(fā)明涉及微機械傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種高對稱性微半球諧振結(jié)構(gòu)成型方法。

背景技術(shù)：

1、半球諧振陀螺(hrg)是當前綜合性能最好的高精度振動式陀螺，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。微半球諧振陀螺(mhrg)是近年來興起的一種新型mems陀螺，采用創(chuàng)新的三維結(jié)構(gòu)、高性能的材料來繼承半球諧振陀螺精度高、壽命長等優(yōu)點，且兼具體積小、功耗低、可批量生產(chǎn)、成本低等mems技術(shù)固有的優(yōu)勢，有望成為新一代高性能陀螺儀。

2、半球諧振陀螺(hrg)的諧振結(jié)構(gòu)采用精密磨削和拋光工藝制造而成，可以達到極高的結(jié)構(gòu)對稱性。但微半球諧振陀螺(mhrg)的諧振結(jié)構(gòu)由于尺寸顯著減小，傳統(tǒng)的機械加工方法容易引入損傷、不適合微結(jié)構(gòu)的加工，需要開發(fā)全新的制造工藝。微半球諧振結(jié)構(gòu)為中心對稱的三維薄殼結(jié)構(gòu)（通常厚度僅幾十μm），結(jié)構(gòu)中心帶有與電極基底連接的支撐柱或錨點，整體通常呈半球狀，結(jié)構(gòu)形狀復雜、加工難度大。目前各研究單位利用mems體硅工藝和玻璃熱膨脹開發(fā)了幾類新型的工藝方案，但都無法比擬半球諧振陀螺(hrg)的高對稱性，加工而成的諧振結(jié)構(gòu)仍具有較大的頻率裂解，品質(zhì)因數(shù)也遠低于材料的極限值。因此，微半球諧振陀螺(mhrg)發(fā)展的痛點在于諧振結(jié)構(gòu)的成型加工，亟需提出一種成型精度高、表面質(zhì)量好的制造方法，為高性能微半球諧振陀螺的發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種高對稱性微半球諧振結(jié)構(gòu)成型方法。

2、為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種高對稱性微半球諧振結(jié)構(gòu)成型方法，基于成型裝置實現(xiàn)，所述成型裝置包括：熱源、成型模具、轉(zhuǎn)動單元和真空單元；

3、所述轉(zhuǎn)動單元包括：主軸，設(shè)置在所述主軸外側(cè)的氣冷組件，與所述主軸相連接轉(zhuǎn)動驅(qū)動；

4、所述成型模具可拆卸的安裝在所述轉(zhuǎn)動單元的主軸上，所述真空單元基于所述主軸的中空部與所述成型模具的成型空腔相連通的設(shè)置；

5、所述熱源至少設(shè)置有一個，且所述熱源為點狀聚焦紅外線加熱器或co2激光器；

6、所述成型模具與所述主軸的端部采用過渡配合的方式相連接；

7、所述成型方法包括以下步驟：

8、s1.在所述成型模具的所述成型空腔的開口端設(shè)置樣品材料片，并基于所述真空單元對所述成型空腔抽真空以對所述樣品材料片真空吸附；

9、s2.在所述樣品材料片的上方布置所述熱源，并調(diào)整所述熱源與所述樣品材料片的相對位置；其中，所述熱源在所述樣品材料片的上側(cè)聚焦形成加熱光斑，且所述加熱光斑與所述樣品材料片的成型區(qū)域相一致的設(shè)置；

10、所述成型區(qū)域與所述成型空腔相對應(yīng)的設(shè)置；

11、s3.啟動所述轉(zhuǎn)動單元以驅(qū)動所述成型模具轉(zhuǎn)動，并啟動所述熱源對所述樣品材料片的成型區(qū)域進行輻照加熱；

12、s4.在所述樣品材料片的成型過程中，采用預設(shè)控制方案調(diào)整所述熱源的輸出溫度，所述主軸的轉(zhuǎn)速，所述成型空腔的真空負壓和成型時間，以完成所述樣品材料片的成型加工；

13、s5.依次關(guān)閉所述轉(zhuǎn)動單元和所述真空單元，并將所述成型模具移至卸載位置，以取下成型的微半球諧振結(jié)構(gòu)。

14、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述成型模具包括：模具主體；

15、所述模具主體的上端設(shè)置有成型空腔，其下端設(shè)置有嵌合凹腔；

16、所述成型空腔為上端開口的環(huán)形凹腔，所述嵌合凹腔為下端開口的圓形凹腔；

17、所述成型空腔的底部與所述嵌合凹腔的底部采用連接通道相連通；

18、所述模具主體通過所述嵌合凹腔與所述主軸的上端側(cè)壁過渡配合連接；

19、所述嵌合凹腔的側(cè)壁上等間隔的設(shè)置有多個因瓦合金螺釘，且所述因瓦合金螺釘與所述主軸的上端側(cè)壁相連接的設(shè)置。

20、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，若所述熱源設(shè)置為一個，則所述熱源與所述樣品材料片正對的設(shè)置；

21、若所述熱源設(shè)置為多個，則多個所述熱源采用交叉布置的方式與所述樣品材料片相對的設(shè)置；其中，多個所述熱源在所述樣品材料片上的加熱光斑相重合的設(shè)置，且在所述加熱光斑的重合區(qū)域的熱流密度為均勻分布的。

22、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，步驟s4中，在所述樣品材料片的成型過程中，采用預設(shè)控制方案調(diào)整所述熱源的輸出溫度，所述主軸的轉(zhuǎn)速，所述成型空腔的真空負壓和成型時間，以完成所述樣品材料片的成型加工的步驟中，包括：

23、基于預設(shè)控制方案控制所述真空單元對所述成型空腔的真空負壓保持在第一負壓，并控制所述主軸的轉(zhuǎn)速在第一轉(zhuǎn)速；

24、基于預設(shè)控制方案控制所述熱源以恒定升溫速率升溫至所述樣品材料片的軟化溫度以使所述樣品材料片由固態(tài)變?yōu)轲B(tài)；

25、基于預設(shè)控制方案控制所述真空單元對所述成型空腔的真空負壓增大至第二負壓，并控制所述主軸的轉(zhuǎn)速增大至第二轉(zhuǎn)速，以使所述樣品材料片的成型區(qū)域變形；

26、基于預設(shè)控制方案控制所述成型區(qū)域的成型時間，在所述成型區(qū)域變形結(jié)束后控制所述真空單元對所述成型空腔的真空負壓減小至第一負壓，控制所述主軸的轉(zhuǎn)速減小至第一轉(zhuǎn)速，以及控制所述熱源關(guān)閉，直至所述樣品材料片冷卻以完成對所述樣品材料片的成型加工。

27、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述第一負壓為-5kpa，所述第二負壓為-20kpa；

28、所述第一轉(zhuǎn)速為300rpm，所述第二轉(zhuǎn)速為3000rpm；

29、所述恒定升溫速率為60℃/s。

30、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述成型模具的導熱率大于100w/m?k，耐受溫度大于1600℃。

31、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述主軸采用氣浮主軸、液浮主軸或磁浮主軸。

32、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述氣冷組件包括：輸出結(jié)構(gòu)和與輸出結(jié)構(gòu)相連接的空氣壓縮機；

33、所述輸出結(jié)構(gòu)包括：第一固定環(huán)、第二固定環(huán)和螺旋管；

34、所述第一固定環(huán)和所述第二固定環(huán)相互同軸的布置，所述螺旋管設(shè)置在所述第一固定環(huán)和所述第二固定環(huán)之間，且所述螺旋管的相對兩端分別與所述第一固定環(huán)和所述第二固定環(huán)相連接；

35、所述螺旋管的內(nèi)側(cè)設(shè)置有出氣孔，且沿螺旋管的螺旋延伸方向出氣孔間隔的設(shè)置有多個；

36、所述螺旋管的徑向尺寸大于所述主軸的徑向尺寸，以使所述螺旋管與所述主軸具有間隔。

37、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述出氣孔的開口方向與所述主軸的徑向相一致的設(shè)置，或者，所述出氣孔的開口方向與所述主軸的外側(cè)面相切的布置。

38、根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所述成型模具為碳化硅模具或碳/碳復合材料模具；

39、所述樣品材料片為熔融石英片、pyrex玻璃片、硼硅酸鹽玻璃片、鈉鈣玻璃片、金屬玻璃片、ule玻璃片中的一種。

40、根據(jù)本發(fā)明的一種方案，本發(fā)明的成型方法在整個微半球諧振結(jié)構(gòu)的成型過程中，轉(zhuǎn)動單元使成型模具與樣品材料片同步旋轉(zhuǎn)，從而抑制熱源溫度波動誤差、熱源與成型模具對準偏差等系統(tǒng)誤差的影響，保證溫度場和壓力場的均勻性。

41、根據(jù)本發(fā)明的一種方案，本發(fā)明采用溫度場均勻且易精確控制的熱源，其相較于火焰或等離子體火炬，這種熱源的輻射加熱方式升溫緩慢均勻，且不會產(chǎn)生沖擊射流，對保證微半球諧振結(jié)構(gòu)的成型精度更為有益。

42、根據(jù)本發(fā)明的一種方案，本發(fā)明的成型模具可由碳化硅等精密加工而成，相較石墨更耐損耗，重復使用時精度更高。

43、根據(jù)本發(fā)明的一種方案，本發(fā)明的真空系統(tǒng)可采用比例減壓閥控制負壓大小，既可以吸附固定樣品材料片，還可以提供負壓力使樣品材料片變形，同時結(jié)合轉(zhuǎn)動單元即可實現(xiàn)微半球諧振結(jié)構(gòu)的高精度成型。

44、根據(jù)本發(fā)明的一種方案，本發(fā)明的轉(zhuǎn)動單元的主軸可采用氣浮主軸、液浮主軸或磁浮主軸實現(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的電主軸，其回轉(zhuǎn)精度更高，可有效提高成型過程的旋轉(zhuǎn)速度，有效的去除了溫度波動誤差對成型的擾動影響，進一步保證了微半球諧振結(jié)構(gòu)的成型精度。

45、根據(jù)本發(fā)明的一種方案，本發(fā)明的成型方法的成型過程僅需數(shù)十秒便可完成，溫度場均勻穩(wěn)定，工藝簡單可靠，可以有效提升微半球諧振結(jié)構(gòu)的成型精度與加工效率。

46、根據(jù)本發(fā)明的一種方案，本發(fā)明的成型方法所制備的微半球諧振結(jié)構(gòu)的成型精度更高，結(jié)構(gòu)對稱性更好，工藝更加簡單可靠，可實現(xiàn)高效率批量生產(chǎn)。