CN105588554B - 周期化微壳体谐振结构及其制备方法 - Google Patents

周期化微壳体谐振结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种周期化微壳体谐振结构及其制备方法，该周期化微壳体谐振结构包括一端开口、另一端封闭的半球状壳体，所述半球状壳体垂直于中心轴线的截面为环状截面，所述环状截面的内径呈周期性连续变化，且自半球状壳体的开口端至封闭端所述环状截面的内径递减。制备方法包括以下步骤：将一石英片置于一成型空腔之上，对所述石英片进行加热，同时对所述成型空腔进行抽真空，将软化的石英片吸附至所述成型空腔的腔壁上，得到周期化微壳体谐振结构。本发明的周期化微壳体谐振结构能够显著提升结构的工作稳定性和环境适应性，而且该谐振子结构的环向尺寸较大，周期精度易于保证，大大降低了谐振结构对相对加工精度的要求。

Description

周期化微壳体谐振结构及其制备方法
技术领域
本发明属于微机械传感器领域，尤其涉及一种周期化微壳体谐振结构及其制备方法。
背景技术
陀螺仪是测量载体相对于惯性空间角运动的传感器，是惯性导航和姿态测量系统的基础核心器件。在精确制导、无人系统、石油勘探、稳定平台、空间飞行器等领域具有非常重要的应用价值。
陀螺仪的综合性能和成本是决定其发展方向的根本因素。随着微机械加工工艺的发展和微陀螺技术研究的不断深入，微半球壳体振动陀螺成为最具发展潜力的微陀螺之一，是近年来研究的焦点和热点。半球壳体振动陀螺的高性能归根于其高度对称的敏感结构，该类陀螺对制造精度要求非常高。制造误差、非对称应力等都极易导致敏感结构工作模态发生偏转，从而引起微陀螺驱动和检测输出信号发生变化。
随着体积的减小，微半球振动陀螺的相对误差会显著增加，微陀螺性能提升受到很大制约。目前报道的微半球陀螺频率裂解通常在几十到几百赫兹，必须要经过结构精密修调以及电路控制与补偿。由于微半球陀螺工作模态的刚性轴对结构误差、非对称应力、温度变化等非常敏感，导致敏感结构耦合误差相对较大，性能很难提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能显著提升结构的工作稳定性和环境适应性、便于加工且精度易于保证的周期化微壳体谐振结构及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种周期化微壳体谐振结构，包括一端开口、另一端封闭的半球状壳体，所述半球状壳体垂直于中心轴线的截面为环状截面，所述环状截面的内径呈周期性连续变化，且自半球状壳体的开口端至封闭端所述环状截面的内径递减。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述环状截面的内径呈正弦周期性连续变化。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的周期化微壳体谐振结构的制备方法，包括以下步骤：
将一石英片置于一成型空腔之上，对所述石英片进行加热，同时对所述成型空腔进行抽真空，将软化的石英片吸附至所述成型空腔的腔壁上，得到周期化微壳体谐振结构。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述成型空腔位于一下模具中，所述下模具包括抽真空孔，所述抽真空孔与成型空腔连通，所述石英片定位于一上模具和所述下模具之间。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的周期化微壳体谐振结构，包括一端开口、另一端封闭的半球状壳体，该半球状壳体垂直于中心轴线的截面为环状截面，环状截面的内径呈周期性连续变化，且自半球状壳体的开口端至封闭端该环状截面的内径递减。本发明的周期化微壳体谐振结构是由微半球壳体谐振结构演化而来的周期化的对称谐振结构，这种周期化特性，克服了传统微半球壳体谐振结构对加工精度要求高或受温度影响大等突出问题，使该周期化微壳体谐振结构的工作模态刚性轴稳定性大大提高，显著降低了结构误差（如结构缺陷、厚度误差、不均匀性、温度变化等）对微结构工作模态稳定性的影响，能够显著提升结构的工作稳定性和环境适应性。而且该谐振子结构的环向尺寸较大，周期精度易于保证，大大降低了谐振结构对相对加工精度的要求。
2、本发明的周期化微壳体谐振结构的制备方法，采用基于熔融石英的高温吹制成型加工得到周期化微壳体谐振结构，这种高精度靠模法制备的周期化微壳体谐振结构可通过微装配工艺与玻璃基板连接形成周期化微壳体谐振陀螺，该方法实现了周期化微壳体谐振结构的一体化加工，极大提高了周期化微壳体谐振结构的三维曲面面形加工精度和结构对称度。
附图说明
图1为本发明的周期化微壳体谐振结构的一种结构示意图。
图2为本发明的周期化微壳体谐振结构的制备示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
图1示出了本发明的周期化微壳体谐振结构实施例，该周期化微壳体谐振结构包括一端开口、另一端封闭的半球状壳体，该半球状壳体垂直于中心轴线的截面为环状截面，环状截面的内径呈周期性连续变化，且自半球状壳体的开口端至封闭端该环状截面的内径递减。该周期化微壳体谐振结构是由微半球壳体谐振结构演化而来的周期化对称壳体谐振结构，这种周期性特性，克服了传统微半球壳体谐振结构对加工精度要求高或受温度影响大等突出问题，使该周期化微壳体谐振结构的工作模态刚性轴稳定性大大提高，显著降低了结构误差（如结构缺陷、厚度误差、不均匀性、温度变化等）对微结构工作模态稳定性的影响，能够显著提升结构的工作稳定性和环境适应性。而且该谐振子结构的环向尺寸较大，周期精度易于保证，大大降低了谐振结构对相对加工精度的要求。
本实施例中，环状截面的内径呈正弦周期性连续变化。
环状截面为恒宽环状截面，不同环状截面的宽度可以不一致。
图2示出了本发明的周期化微壳体谐振结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、如图2（b）所示，按从上到下为上模具21、石英片22和下模具23的顺序进行装配，下模具23包括抽真空孔24和成型空腔25，成型空腔25与周期化微壳体谐振结构配合，抽真空孔24与成型空腔25连通，上模具21包括内孔，内孔直径大于石英片22与下模具23构成的空腔的直径；
本实施例的上模具21和下模具23采用石墨材料磨削加工得到，如图2（a）所示。
S2、利用抽真空孔24对成型空腔25进行抽真空，同时采用高温喷灯对石英片22进行局部快速加热使其软化，在内外空气压差的作用下，将熔融的石英片22吸附至成型空腔25的腔壁上，完成石英片22的成型加工，如图2（c）所示；
S3、拆卸上模具21和下模具23，得到周期化微壳体谐振结构，如图2（d）所示，然后通过超精密磨削技术释放该周期化微壳体谐振结构。
本发明的周期化微壳体谐振结构的制备方法，采用基于熔融石英的高温吹制成型加工得到周期化微壳体谐振结构，这种高精度靠模法制备的周期化微壳体谐振结构可通过微装配工艺与玻璃基板连接形成周期化微壳体谐振陀螺，该方法实现了周期化微壳体谐振结构的一体化加工，极大提高了周期化微壳体谐振结构的三维曲面面形加工精度和结构对称度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种周期化微壳体谐振结构，其特征在于，包括一端开口、另一端封闭的半球状壳体（1），所述半球状壳体（1）垂直于中心轴线（C）的截面为环状截面，所述环状截面的内径呈正弦周期性连续变化且自半球状壳体（1）的开口端至封闭端所述环状截面的内径递减。
2.一种如权利要求1所述的周期化微壳体谐振结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将一石英片（22）置于一成型空腔（25）之上，对所述石英片（22）进行加热，同时对所述成型空腔（25）进行抽真空，将软化的石英片（22）吸附至所述成型空腔（25）的腔壁上，得到周期化微壳体谐振结构。
3.根据权利要求2所述的周期化微壳体谐振结构的制备方法，其特征在于，所述成型空腔（25）位于一下模具（23）中，所述下模具（23）包括抽真空孔（24），所述抽真空孔（24）与成型空腔（25）连通，所述石英片（22）定位于一上模具（21）和所述下模具（23）之间。
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