CN109458940B - 基于光学模拟的半球谐振子的膜厚均匀性的快速估测方法 - Google Patents

基于光学模拟的半球谐振子的膜厚均匀性的快速估测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半球谐振陀螺仪领域，特别涉及卫星惯性导航系统中半球谐振陀螺仪谐振子金属化工艺；具体为一种基于光学模拟的半球谐振子的膜厚均匀性的快速估测方法；所述方法包括在镀膜设备的真空腔室内进行腔室测量和样品测量，并获取其参数数据；根据测量得到的参数数据，建立出镀膜腔室的以及镀膜样品的三维模型；在三维模型中，至少调整镀膜样品与靶材的相对位置，利用光学模拟获得镀膜样品即半球谐振子表面的光照参数辐照度，根据该辐照度估测出膜厚均匀性。通过采用本发明提出的方法能够有效的估测出膜厚均匀性，避免了重复试验造成的机器损耗，大大的降低了成本。

Description

基于光学模拟的半球谐振子的膜厚均匀性的快速估测方法
技术领域
本发明属于半球谐振陀螺仪领域，特别涉及卫星惯性导航系统中半球谐振陀螺仪谐振子金属化工艺；具体为一种基于光学模拟的半球谐振子的膜厚均匀性的快速估测方法。
背景技术
半球谐振陀螺仪(Hemispherical Resonator Gyro，简称HRG)是哥式振动陀螺仪中的一种具有惯导级性能的高精度陀螺仪，半球谐振陀螺属于振动旋转传感器，具有高精度、长寿命、高可靠、噪声低、抗核辐射、耐高冲击等特点，随机漂移可达到10-4°/hr量级，可以连续工作15年以上并保持要求的性能，是卫星、战略武器和空间飞机器等领域应用中最优选的传感器。
半球谐振陀螺依靠半球形谐振子的薄壳驻波振动来敏感外界的载体角度变化，其核心敏感部件是半球形谐振子。半球谐振子采用低热膨胀系数，低阻尼损耗的硬脆熔融石英玻璃材料精密磨削加工成型。金属化工艺是为半球谐振子表面沉积上一层导电薄膜，从而可以控制其振动并读取振动信号。振子表面膜层的厚度均匀性会影响振子的性能，可以通过调整镀膜时靶与振子的空间相对位置和角度来优化膜厚均匀性，但是这种调整实验周期长，过程复杂。为提高研究效率，简化繁琐的重复实验，需要更加高效且便捷的均匀性估测方法。
发明内容
本发明是提供一种基于光学模拟的半球谐振子的磁控溅射沉积膜厚均匀性的快速估测方法。本发明涉及计算机辅助模拟技术，需将涉及的主要设备和振子等比三维建模，将镀膜中靶材的溅射过程近似为光线的照射过程，利用光学模拟获得振子表面的光照参数辐照度，以辐照度的形式估测出膜厚均匀性。计算机模拟数据与传统贴片实验获得的膜厚数据的误差在7％以内。本发明的一种基于光学模拟的半球谐振子的膜厚均匀性的快速估测方法，包括以下步骤：
S1：在镀膜设备的真空腔室内进行腔室测量和样品测量，并获取其参数数据；
S2：根据测量得到的参数数据，建立出镀膜腔室的以及镀膜样品的三维模型；
S3：在三维模型中，至少调整镀膜样品与靶材的相对位置，利用光学模拟获得镀膜样品即半球谐振子表面的光照参数辐照度，根据该辐照度估测出膜厚均匀性。
进一步的，当腔室测量的参数数据发生变换时，则更新镀膜腔室的三维模型；当样品测量的参数数据发生变换时，则更新镀膜样品的三维模型；在更新后的三维模型基础上，再进行步骤S3估测出膜厚均匀性。
优选的，获取的参数数据包括但不限于镀膜设备中靶材的外形尺寸、靶材位置、镀膜样品与靶材相对位置、以及镀膜样品的外形尺寸。
优选的，所述镀膜腔室的三维模型包括靶模型、夹头模型以及传动机构模型。
进一步的，在本发明中，光学模拟包括将靶材模拟成辐照源，将镀膜样品模拟为被照射物体，将镀膜过程模拟成光线的照射过程，从而确定出镀膜样品表面的光照参数辐照度。
优选的，将靶材表面设置为具有朗伯发光特性的光源，将其余表面设置为完全吸收表面，光线为波长是555nm的单色光。
优选的，在步骤S3后还包括步骤S4：多次进行步骤S3，直至取得使膜厚均匀性达到最优的参数组合。
本发明的有益效果：
1)本发明采用计算机模拟来估测膜厚均匀性，避免了重复实验产生的靶材损耗和机器损耗，降低了成本；
2)计算机模拟的时效性更高，灵活性更好，可灵活匹配参数以优化均匀性，利用其代替了繁琐的重复实验，效率得到极大提高；
3)本发明通过光学模拟获得的数据量大，连续性好，直观可见，与重复实验获得的离散数据点相比，模拟结果有更好的可读性，更适合用于估测振子膜层均匀性。
附图说明
图1为本发明采用的方法流程图；
图2为本发明的镀膜腔室的以及镀膜样品的三维模型图；
图3为本发明的镀膜样品与靶材相对位置为
Figure BDA0001921808300000031
角时的模拟图；
图4为本发明的镀膜样品与靶材相对位置为β角时的模拟图；
图5为实施例5中采用第一组参数组合镀膜样品与靶材相对位置为
Figure BDA0001921808300000032
角时模拟结果与实测结果的对比图；
图6为实施例5中采用第一组参数组合镀膜样品与靶材相对位置为β角时模拟结果与实测结果的对比图；
图7为实施例5中采用第二组参数组合镀膜样品与靶材相对位置为
Figure BDA0001921808300000033
角时模拟结果与实测结果的对比图；
图8为实施例5中采用第二组参数组合镀膜样品与靶材相对位置为β角时模拟结果与实测结果的对比图；
图中，1、半球谐振子，2、靶材，20、靶模型，3、夹头模型，4、传动机构模型。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
1)测量：镀膜设备真空腔室内的测量，包括但不限于镀膜设备中靶材2的外形结构的测量，靶位置的测量，镀膜工位与靶相对位置的测量；需要镀膜的样品即半球谐振子1的外形尺寸的测量；
2)三维建模：建立镀膜腔室的三维模型，在电脑中根据测量的结果建立真实比例的三维简化模型，包括但不限于靶模型20、夹头模型3、传动机构模型4等结构；建立需要镀膜的样品的三维简化模型；
3)模拟条件定义：不考虑散射，不考虑衍射，光线为波长定为555nm的单色光；靶表面定义为具有朗伯发光特性的光源，除靶表面外其它表面均为完全吸收表面；
4)相对位置调整：根据测量的数据定位各模型的空间相对位置；
5)光学模拟：在光学软件中设置不少于30万条模拟光线并模拟，获得膜厚均匀性的估测结果。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，当首次模拟完成后，在镀膜设备和镀膜样品未变化的情况下，可直接从步骤4)开始调整，也即是在步骤5)完成后，又返回步骤4)，并多次重复4)、5)步骤，取使膜厚均匀性达到最优的参数组合。同时利用每次反馈的模拟数据来总结规律，优化参数，最终得到使膜厚均匀性达到要求的参数值。通过模拟优化后的参数可以用于调整实际镀膜工作中靶材和样品的相对位置。本实施例相较于实施例1能够更加精确的估测出膜厚均匀性；通过模拟优化后的参数可以用于调整实际镀膜工作中靶和样品的相对位置。
实施例3
在前两个实施例的基础上，当镀膜设备变化或样品发生变化，本发明仅需要对变化的部分重新测量并进行三维建模，也即是当腔室测量的参数数据发生变换时，则更新镀膜腔室的三维模型；当样品测量的参数数据发生变换时，则更新镀膜样品的三维模型；在更新后的三维模型基础上，然后再依步骤进行条件设定、相对位置调整和光学模拟估测出膜厚均匀性。
实施例4
本实施例主要对本发明采用的方案进行进一步说明，在进行首次模拟时，需要完成步骤1中的腔室测量和样品测量工作，具体测量内容以是否会影响膜层均匀性来选择。测量工作完成后，利用获得数据建立真实比例的三维模型；步骤2这是为模拟提供接近真实的空间环境。步骤3条件设定中将靶表面设定为光源发射面，振子表面和其它表面设定为完全吸收面，这是为光线模拟提供基础条件。步骤4位置调整步骤主要是确定靶与镀膜器件的相对位置，在靶外形和器件外形不变的情况下，主要通过调整相对位置来优化沉积膜层的均匀性，根据实测数据确定相对位置后即可开始步骤5模拟计算。计算完成后读取样品振子表面的辐照度图形数据，该数据反应了样品振子表面膜层的均匀性。
实施例5
如图2所示，在本实施例中，所演示调整的相对位置参数分别为
Figure BDA0001921808300000051
角和β角，这是经过简化后影响膜层均匀性最主要的镀膜样品与靶材相对位置参数。可以理解的是，本发明并不限于调制该相对位置参数；由于不同镀膜设备的结构和装夹方式的不同，因此也会有更加复杂的参数组合，而不仅限于本实施例中的参数。
如图3、图4所示，是在本实施例中两种位置参数下模拟的结果。图中左侧为样品表面的辐照度图，颜色越均匀表示均匀度越高；图中右侧为样品表面的辐照度曲线图，曲线越平整表明均匀度越高。
如图5～图8所示，即使采用了不同参数组合，但随着
Figure BDA0001921808300000052
角度由20°增加到60°，膜层均匀度的模拟结果与实测结果有着相同的变化趋势，即均匀度数值随着角度增加而减小。随着β角度由10°增加到30°，膜层均匀度的模拟结果与实测结果也有着相同的变化趋势，即均匀度数值随着角度增加而增大。可以看出在
Figure BDA0001921808300000053
角或β角发生变化时，模拟均匀度的变化趋势与实测均匀度的变化趋势基本吻合，经过计算，实测与模拟两者的均匀度的数值误差在7％以内。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光学模拟的半球谐振子的膜厚均匀性的快速估测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在镀膜设备的真空腔室内进行腔室测量和样品测量，并获取其参数数据；
S2：根据测量得到的参数数据，建立出镀膜腔室的以及镀膜样品的三维模型；
S3：在三维模型中，至少调整镀膜样品与靶材的相对位置，利用光学模拟获得镀膜样品即半球谐振子表面的光照参数辐照度，根据该辐照度估测出膜厚均匀性；
其中光学模拟的条件包括不考虑散射，不考虑衍射，光线为波长定为555nm的单色光；靶表面定义为具有朗伯发光特性的光源，除靶表面外其它表面均为完全吸收表面；
步骤S4：多次进行步骤S3，直至取得使膜厚均匀性达到最优的参数组合。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学模拟的半球谐振子的膜厚均匀性的快速估测方法，其特征在于，当腔室测量的参数数据发生变换时，则更新镀膜腔室的三维模型；当样品测量的参数数据发生变换时，则更新镀膜样品的三维模型；在更新后的三维模型基础上，再进行步骤S3估测出膜厚均匀性。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于光学模拟的半球谐振子的膜厚均匀性的快速估测方法，其特征在于，获取的参数数据包括镀膜设备中靶材的外形尺寸、靶材位置、镀膜样品与靶材相对位置、以及镀膜样品的外形尺寸。
4.根据权利要求1所述的一种基于光学模拟的半球谐振子的膜厚均匀性的快速估测方法，其特征在于，所述镀膜腔室的三维模型包括靶模型、夹头模型以及传动机构模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于光学模拟的半球谐振子的膜厚均匀性的快速估测方法，其特征在于，光学模拟包括将靶材模拟成辐照源，将镀膜样品模拟为被照射物体，将镀膜过程模拟成光线的照射过程，从而确定出镀膜样品表面的光照参数辐照度。
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