CN105300371B - 抗冲击角速陀螺灌封工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明一种抗冲击角速陀螺灌封工艺涉及一种微机电封装工艺。其目的是为了提供一种角速陀螺灌封工艺，使用该工艺生产的角速陀螺抗冲击性能极好，适于在高冲击振动环境下使用。本发明一种抗冲击角速陀螺灌封工艺，包括：PCA模块灌封阶段和陀螺壳体灌封阶段，其中：PCA模块灌封阶段包括：制作灌封框、注入环氧树脂胶、固化；陀螺壳体灌封阶段包括：注入硅胶、嵌置PCA模块、注入硅胶、安装上盖、固化。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电技术领域的封装工艺，具体是一种角速率陀螺的封装工艺。
背景技术
目前，国际上较先进的陀螺为光纤陀螺和MEMS陀螺。
1.光纤陀螺
光纤陀螺是基于萨格纳克(Sagnac)效应，在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相等的光，以相反的方向进行传播，最后汇合到同一探测点。光纤陀螺具有以下特点：①零部件少，无机械传动部件，不存在磨损问题，具有较长的使用寿命；②易于采用集成光路技术，信号稳定，且可直接用数字输出，并与计算机接口联接。但是，光纤陀螺在技术上仍存在以下缺陷：①抗振动差，光纤陀螺的抗冲击能力一般在100G左右，振动及冲击会对其测量精度产生影响，从而限制了应用的广泛性；②温度瞬态的影响，实验证明，光纤陀螺的相位误差及旋转速率测量值的漂移与温度的时间导数成正比，这是十分有害的，特别是在预热期间。③制作工艺非常复杂，生产成品率较低，使得生产成本很高，产品价格非常昂贵；以上缺陷，影响了光纤陀螺在国内各领域的普及应用。
2.MEMS角速率陀螺仪
MEMS陀螺仪是利用coriiolis定理，将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比的直流电压信号，其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等，形成批量生产。MEMS角速率陀螺仪具有以下特点：①零漂小、噪声低、工作温度范围宽；②可靠性好，工作寿命超过10万小时，能承受1000g的冲击；③测量范围大，目前MEMS陀螺仪测量范围可扩展到7000°/s；④体积小、重量轻。⑤成本低，可批量生产。但是，在某些高冲击振动环境下，现有的MEMS角速陀螺仪仍不能满足要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种抗冲击角速陀螺灌封工艺，使用该工艺生产的角速陀螺抗冲击性能极好，适于在高冲击振动环境下使用。
本发明一种抗冲击角速陀螺灌封工艺，包括：PCA模块灌封阶段和陀螺壳体灌封阶段，其中：
(1)PCA模块灌封阶段包括如下步骤：
制作灌封框；用条状硬纸沿着PCA板表面的所有陀螺元件围好，形成灌封框，灌封框的高度与陀螺元件的最高高度一致；
注入环氧树脂胶；将环氧树脂胶缓缓注入灌封框内，直至环氧树脂胶均匀覆盖所有陀螺元件的表面，然后抹平胶面；
固化；将灌封后的PCA板水平放置，在室温下放置24小时，即可得到PCA模块；
(2)陀螺壳体灌封阶段包括如下步骤：
注入硅胶；向陀螺壳体内注入硅胶，直至注入的硅胶与下壳的凸缘齐平；
嵌置PCA模块；将PCA模块嵌置于下壳内，使PCA板的下端边缘与凸缘的上表面贴合；
注入硅胶；向嵌入PCA模块后的陀螺壳体继续注入硅胶，直至注入的硅胶将陀螺壳体空腔完全填充；
安装上盖；将上盖盖合在下壳的敞口处，并用螺钉将上盖与下壳栓为一体；
固化；将灌封后的陀螺壳体风干24小时，得到抗冲击角速陀螺成品。
本发明一种抗冲击角速陀螺灌封工艺，PCA模块灌封阶段使用的环氧树脂胶在注入之前进行了4小时的60℃恒温加热。
本发明一种抗冲击角速陀螺灌封工艺，在陀螺壳体灌封阶段实施嵌置PCA模块之前，需要对PCA模块的零偏置电压值进行检验，零偏置电压值合格方可进行嵌置PCA模块。
本发明一种抗冲击角速陀螺灌封工艺，PCA模块灌封阶段、陀螺壳体灌封阶段均需在25±5℃的温度、30～75％的相对湿度环境下进行。
使用本发明一种抗冲击角速陀螺灌封工艺生产的角速陀螺与现有技术的区别在于：①将所述陀螺元件由环氧树脂类粘接剂进行了完全灌封，经灌封后，陀螺元件与PCA板固为一体，避免了在高冲击波下元件从PCA板脱落的可能性。②所述PCA模块在陀螺壳体内由硅胶完全灌封，经灌封后PCA模块与陀螺壳体固为一体，避免了PCA模块与陀螺壳体内壁的撞击，同时由于硅胶凝固后具有一定的弹性，能够吸收大量冲击波能量，从而使陀螺元件接收的冲击波能量降到几乎为零。总之，本发明制作的角速陀螺与现有技术相比极大地提高了角速陀螺的抗冲击性能，为制造出适于在高冲击振动环境下使用的抗冲击角速陀螺提供了可能性。
下面结合附图对本发明一种抗冲击角速陀螺灌封工艺作进一步地说明。
附图说明
图1为使用本发明生产的抗冲击角速陀螺的立体图；
图2为使用本发明生产的抗冲击角速陀螺在没有任何灌封情况下的半剖视图；
图3为两侧均安装有陀螺元件的PCA板；
图4为使用本发明生产的抗冲击角速陀螺包含的PCA模块；
图5为使用本发明生产的抗冲击角速陀螺中PCA模块嵌置于下壳时的结构示意图；
图6为使用本发明生产的抗冲击角速陀螺中PCA模块嵌置于陀螺壳体时的半剖视图；
图7为使用本发明生产的抗冲击角速陀螺成品的半剖视图；
图8为使用本发明生产的抗冲击角速陀螺的角速率特性曲线。
具体实施方式
(一)抗冲击角速陀螺灌封工艺
本发明一种抗冲击角速陀螺的灌封工艺包括：PCA模块灌封阶段和陀螺壳体灌封阶段，该两个均需在25±5℃的温度、30～75％的相对湿度下进行。现对上述两个阶段作详细说明。
(1)PCA模块灌封阶段包括如下步骤：
制作灌封框；用条状硬纸沿着PCA板表面的所有陀螺元件围好，形成灌封框，灌封框的高度与陀螺元件的最高高度一致；
注入环氧树脂胶；对环氧树脂胶进行持续四小时的60℃恒温加热，然后将环氧树脂胶缓缓注入灌封框内，直至环氧树脂胶均匀覆盖所有陀螺元件的表面，然后抹平胶面；此时环氧树脂胶应刚好覆盖陀螺元件，不应超过最高陀螺元件0.2mm，否则会严重影响陀螺的性能。
固化；将灌封后的PCA板水平放置，在室温下放置24小时，即可得到PCA模块；
(2)陀螺壳体灌封阶段包括如下步骤：
注入硅胶；向陀螺壳体内注入阻燃导热类硅胶，直至注入的硅胶与下壳的凸缘齐平；
嵌置PCA模块；将PCA模块嵌置于下壳内，使PCA板的下端边缘与凸缘的上表面贴合；需要指出的是在陀螺壳体灌封阶段实施的嵌置PCA模块步骤之前，需要对PCA模块的零偏置电压值进行检验，零偏置电压值合格方可进行嵌置PCA模块步骤。
注入硅胶；向嵌入PCA模块后的陀螺壳体继续注入阻燃导热类硅胶，直至注入的硅胶将陀螺壳体空腔完全填充；
安装上盖；将上盖盖合在下壳的敞口处，并用螺钉将上盖与下壳栓为一体；
固化；将灌封后的陀螺壳体风干24小时，得到抗冲击角速陀螺成品。
(二)抗冲击角速陀螺
现对使用本发明制得的抗冲击角速陀螺作详细说明：
如图1～7所示，一种抗冲击角速陀螺，包括：陀螺壳体，PCA板31，于PCA板31的表面布置有陀螺元件32。陀螺元件32由环氧树脂类粘接剂34完全灌封以与PCA板31固为一体，形成PCA模块3；当陀螺元件32全部布置于PCA板31的单侧时，则只需要对PCA板31单侧的陀螺元件进行灌封；当陀螺元件32布置于PCA板31的两侧时，则需要对PCA板31两侧的陀螺元件32分别灌封。PCA模块3嵌置于陀螺壳体内，且PCA模块3在陀螺壳体内由阻燃导热类硅胶4完全灌封。
为了方便对PCA模块3在陀螺壳体内进行完全灌封，本发明采用的陀螺壳体包括下壳1和上盖2；其中下壳1内腔设置有凸缘11，PCA模块3的底端需与凸缘11的顶端贴合，设置凸缘11的目的在于方便PCA模块3在下壳内腔的定位，避免PCA模块3发生倾斜。当将PCA模块3在下壳1内进行完全灌封后，便将上盖2盖合在下壳1的敞口处，并使用螺钉将上盖2与下壳1栓为一体。
使用本发明一种抗冲击角速陀螺灌封工艺生产的角速陀螺与现有技术的区别在于：①将所述陀螺元件由环氧树脂类粘接剂进行了完全灌封，经灌封后，陀螺元件与PCA板固为一体，避免了在高冲击波下元件从PCA板脱落的可能性。②所述PCA模块在陀螺壳体内由阻燃导热类硅胶完全灌封，经灌封后PCA模块与陀螺壳体固为一体，避免了PCA模块与陀螺壳体内壁的撞击，同时由于阻燃导热类硅胶凝固后具有一定的弹性，能够吸收大量冲击波能量，从而使陀螺元件接收的冲击波能量降到几乎为零。总之，本发明一种抗冲击角速陀螺与现有技术相比大幅提高了角速陀螺的抗冲击性能，为制造出适于在高冲击振动环境下使用的角速陀螺提供了可能性。
(三)性能验证
根据角速率陀螺产品技术规范SDI-C-QB/ARG001对使用本发明生产的抗冲击角速陀螺进行性能验证；得到如图8所示的角速率特性曲线。
由图8可以看出，在角速率处于(-)100～(+)100rad/s范围时，角速陀螺的输出电压与角速陀螺的角速率基本成线性关系，这说明在该范围内，角速陀螺处于正常工作状态，而当角速率处于(+)100时，意味着角速陀螺正在承受着2kg的冲击力，相较于现有的角速陀螺最大只承受1kg冲击力而言，本发明极大的提高了角速陀螺的抗冲击能力，突破了行业内在提高角速陀螺抗冲击性的瓶颈。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种抗冲击角速陀螺灌封工艺，包括：PCA模块灌封阶段和陀螺壳体灌封阶段，其中：
(1)PCA模块灌封阶段包括如下步骤：
制作灌封框；用条状硬纸沿着PCA板表面的所有陀螺元件围好，形成灌封框，灌封框的高度与陀螺元件的最高高度一致；
注入环氧树脂胶；将环氧树脂胶缓缓注入灌封框内，直至环氧树脂胶均匀覆盖所有陀螺元件的表面，然后抹平胶面；
固化；将灌封后的PCA板水平放置，在室温下放置24小时，即可得到PCA模块；
(2)陀螺壳体灌封阶段包括如下步骤：
注入硅胶；向陀螺壳体内注入硅胶，直至注入的硅胶与下壳的凸缘齐平；
嵌置PCA模块；将PCA模块嵌置于下壳内，使PCA板的下端边缘与凸缘的上表面贴合；
注入硅胶；向嵌入PCA模块后的陀螺壳体继续注入硅胶，直至注入的硅胶将陀螺壳体空腔完全填充；
安装上盖；将上盖盖合在下壳的敞口处，并用螺钉将上盖与下壳栓为一体；
固化；将灌封后的陀螺壳体风干24小时，得到抗冲击角速陀螺成品。
2.根据权利要求1所述的一种抗冲击角速陀螺灌封工艺，其特征在于：PCA模块灌封阶段使用的环氧树脂胶在注入之前进行了4小时的60℃恒温加热。
3.根据权利要求1所述的一种抗冲击角速陀螺灌封工艺，其特征在于：在陀螺壳体灌封阶段实施嵌置PCA模块之前，需要对PCA模块的零偏置电压值进行检验，零偏置电压值合格方可进行嵌置PCA模块。
4.根据权利要求1所述的一种抗冲击角速陀螺灌封工艺，其特征在于：PCA模块灌封阶段、陀螺壳体灌封阶段均需在25±5℃的温度、30～75％的相对湿度环境下进行。
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