CN110749315A - 一种微半球谐振陀螺结构、装配方法及圆片夹具 - Google Patents

一种微半球谐振陀螺结构、装配方法及圆片夹具 Download PDF

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Abstract

一种微半球谐振陀螺结构、装配方法及圆片夹具。本发明公开一种微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法，独立制造的玻璃片经高温软化变形加工成型后，在玻璃片中间形成微半球谐振结构，采用激光切割在玻璃片的两端切割出玻璃片定位孔，并以此定位孔为基准，将多个同样的微半球谐振结构对准并固定在圆片夹具上，然后以圆片夹具为单位进行操作，完成后续的微半球谐振结构释放、表面金属化、与平面电极固定、圆片夹具分离以及清洗工艺，得到了底部平面电极驱动的微半球谐振陀螺结构。本发明所述的微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法，将多个独立制造的微半球谐振结构固定安装在同一圆片夹具上，实现圆片级的安装操作，可显著减小微半球谐振陀螺结构装配误差，提升工艺的稳定性、一致性以及装配效率。

Description

一种微半球谐振陀螺结构、装配方法及圆片夹具
技术领域
本发明涉及微机电系统制造技术领域，具体是一种微半球谐振陀螺结构、微半球谐振陀螺结构的装配方法及微半球谐振陀螺结构的圆片夹具。
背景技术
陀螺仪是测量载体在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。
谐振陀螺是陀螺仪的一种，具有零部件少、可靠性高、工作寿命长的优势，得到了广泛的应用。微半球谐振陀螺是一种新型的谐振陀螺，微半球谐振陀螺的制造技术包括微半球谐振结构制造、电极装配、封装以及测控电路，微半球谐振陀螺的电极结构分为圆弧式电极、侧壁垂直电极以及底部平面电极，其中圆弧式电极对轴向以及径向安装误差均非常敏感，侧壁式垂直电极对径向误差非常敏感，而底部平面电极仅对轴向误差非常敏感，是装配难度最低、最容易实现批量化的一种电极布置形式；而微半球谐振结构制造误差和电极装配误差是陀螺误差的基本来源，是决定陀螺综合性能的基础。
目前采用玻璃热变形工艺加工的微半球谐振结构已基本能够满足陀螺的应用需求，但高精度的装配技术仍是制约微半球谐振陀螺发展的重要因素，装配效率、稳定性和一致性都还有待提高。
发明内容
为了克服现有微半球谐振陀螺装配技术装配精度不高、装配一致性差、装配效率低的问题，本发明提供一种微半球谐振陀螺圆片级装配方法，是基于底部平面电极布置形式，能够显著提高装配精度，装配一致性、稳定性以及装配效率。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法，包括以下步骤：
步骤1，将多个含有微半球谐振结构的玻璃片的两端边缘开设至少两个贯穿的玻璃片定位孔；
步骤2，将经步骤1处理后得到的多个玻璃片分别对准圆片夹具，并使用定位销定位和平面板施压将其固定在圆片夹具上；
步骤3，依次取下平面板和定位销，对玻璃片进行去除加工，得到多个固定在圆片夹具上的微半球谐振结构；
步骤4，将经步骤3得到的整体结构进行清洗后，对圆片夹具整面镀膜，使得每个微半球谐振结构的内部凹陷面上添加至少一层的金属膜；
步骤5，将安装有多个微半球谐振结构的圆片夹具与固定有多个平面电极的电极陪片平行放置，对准后将微半球谐振结构与平面电极固定连接；
步骤6，分别释放微半球谐振结构与固定圆柱、平面电极与电极陪片的固定连接，依次移除圆片夹具和电极陪片；
步骤7，将经步骤得到的整体结构进行清洗后得到微半球谐振陀螺结构。
进一步的，步骤2还包括：
步骤21，在固定圆柱上添加胶水，将玻璃片对准并放置到圆片夹具上，使玻璃片固定在圆片夹具上；
步骤22，在胶水固化前，将玻璃片上的玻璃片定位孔与圆片夹具上的夹具定位孔对齐，并将定位销插入完成定位；
步骤23，将多个玻璃片安装在圆片夹具上后，使用带孔的平面板对玻璃片向圆片夹具一侧施加压力，使玻璃片与圆片夹具完全固定贴合。
进一步的，所述步骤5还包括：
步骤51，将制备好的平面电极圆片和电极陪片贴合固定；
步骤52，使用激光切割的方式将平面电极圆片分离成多个平面电极，使得平面电极的背面和电极陪片固定、正面形成分离的单元结构。
进一步的，所述玻璃片与圆片夹具之间采用胶粘的方式固定连接；所述平面电极与电极陪片之间采用胶粘或键合的方式固定连接；所述微半球谐振结构与平面电极之间采用胶粘、键合或焊接中的任意一种方式固定连接。
进一步的，所述玻璃片定位孔的开设采用激光切割的方式完成，所述玻璃片的去除加工采用激光切割或干法刻蚀的方式完成。
进一步的，所述微半球谐振结构、平面电极与圆片夹具均是采用熔融石英材料制作而成。
本发明还提供一种微半球谐振陀螺结构，包括微半球谐振结构，所述微半球谐振结构通过中心的锚点与平面电极固定连接，所述平面电极用于所述微半球谐振陀螺结构振动信号的提取；
所述微半球谐振结构的两端与平面电极之间具有间隙，用于实现所述微半球谐振陀螺结构的静电驱动与电容检测。
进一步的，所述微半球谐振结构的几何中心与所述平面电极的几何中心重合，所述微半球谐振陀螺结构采用如前面所述的微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法制作而成。
本发明还提供一种微半球谐振结构的圆片夹具，包括夹具本体，所述夹具本体上开设有多个与所述微半球谐振结构配合的避空槽，所述避空槽两侧开设有导出槽；
每个所述避空槽的几何中心处设置有固定圆柱，用于固定所述微半球谐振结构，所述固定圆柱的高度与所述避空槽的深度一致；
每个所述避空槽的周边开设有两个沿避空槽几何中心对称的夹具定位孔，用于完成所述微半球谐振结构在所述圆片夹具上的定位。
进一步的，所述圆片夹具的外形呈圆形、椭圆形、正多边形中的任意一种。
与现有技术相比，本发明的有益之处是：
一、本发明的一种微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法，包括多个含有微半球谐振结构的玻璃片与圆片夹具的对准与安装、微半球谐振结构的释放、表面金属化以及平面电极的装配；将多个独立制造的微半球谐振结构固定安装在同一圆片夹具上，实现圆片级的安装操作，可显著减小微半球谐振陀螺结构装配误差，提升工艺的稳定性、一致性以及装配效率。
二、本发明提供的一种微半球谐振陀螺结构，是基于底部平面电极布置形式的陀螺结构，装配难度低，易于实现批量化生产；在微半球谐振结构与平面电极对准与固定后，一次对准实现多个微半球谐振结构的定位，从而大大提高装配效率和工艺的一致性；同时，多个微半球谐振结构通过相互抵消可以消除部分误差，最终减小微半球谐振陀螺结构的装配误差。
三、本发明提供的一种微半球谐振结构的圆片夹具，通过微半球谐振结构的锚点内侧进行固定，在保证微半球谐振结构与圆片夹具足够接触面积的同时，实现对后续工艺过程的兼容。微半球谐振结构圆片夹具上的高精度的定位孔，保证了微半球谐振结构与圆片夹具足够的安装精度，能够显著提升微半球谐振结构后续工艺的对准精度和工艺一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1是本发明微半球谐振陀螺结构的结构示意图；
图2是本发明圆片夹具的结构示意图；
图3是本发明微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法剖视流程图；
1、微半球谐振结构；2、平面电极；3、避空槽；4、导出槽；5、固定圆柱；6、夹具定位孔；7、平面板；8、玻璃片；9、玻璃片定位孔；10、圆片夹具；11、金属膜；12、电极陪片；13、定位销。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例一
如附图3所示的一种微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法，适用于底部平面电极驱动的微半球谐振陀螺结构的高精度装配，具体包括以下步骤：
步骤1，如图3(a)所示将多个含有微半球谐振结构1的玻璃片8的两端边缘开设至少两个贯穿的玻璃片定位孔9，用于实现微半球谐振结构1在圆片夹具10上的定位；在本实施例中，采用激光切割的方式完成玻璃片定位孔9的开设，数量为两个，沿玻璃片8的中心轴对称布置。
步骤2，如图3(b)所示将经步骤1处理后得到的多个玻璃片8分别以玻璃片定位孔9为基准对准圆片夹具10，并使用多个定位销13依次插入到夹具定位孔6中实现玻璃片8的定位和固定，再在玻璃片远离圆片夹具10的一端覆盖平面板7并对其施压从而将玻璃片8固定在圆片夹具10上，实现圆片级的安装操作，可显著减小微半球谐振陀螺结构装配误差，提升工艺的稳定性、一致性，而且可以大大提高装配效率，同时，多个微半球谐振结构1通过相互抵消可以消除部分误差，最终减小微半球谐振陀螺结构的装配误差。
进一步的，步骤2还包括：
步骤21，在固定圆柱5上添加胶水，将玻璃片8对准并放置到圆片夹具10上，使玻璃片8固定在圆片夹具10上；
步骤22，在胶水完全固化前，将玻璃片8上的玻璃片定位孔9与圆片夹具10上的夹具定位孔6对齐，并将定位销13插入完成玻璃片8在圆片夹具上的定位和固定；
步骤23，依照上述方法将多个玻璃片8安装在圆片夹具10上后，待所有玻璃片8安装完成后，使用带孔的平面板7对玻璃片8向圆片夹具10一侧施加压力，平面板7上的孔对准玻璃片定位孔9，使玻璃片8与圆片夹具10完全固定贴合。
步骤3，如图3(c)所示依次取下平面板7和定位销13，对玻璃片8进行去除加工，得到多个固定在圆片夹具10上且单个独立的微半球谐振结构1，取出除微半球谐振结构以外的其他部分结构，在本实施例中，所述玻璃片8的去除加工采用激光切割或干法刻蚀的方式完成。
步骤4，如图3(c)所示将经步骤3得到的由圆片夹具10与多个微半球谐振结构1组成的整体结构进行清洗后，对圆片夹具10整面镀膜，使得每个微半球谐振结构1的内部凹陷面上添加至少一层的金属膜11，实现微半球谐振结构的表面金属化，在本实施例中，金属膜11为一层，金属材质为导电性良好的金属，具体材质不做限定。
步骤5，如图3(e)所示将安装有多个微半球谐振结构1的圆片夹具10与固定有多个平面电极2的电极陪片12平行放置，对准后将微半球谐振结构1与平面电极2固定连接。
进一步的，所述步骤5还包括：
步骤51，将制备好的平面电极圆片和电极陪片12贴合固定；
步骤52，如图3(d)所示使用激光切割的方式将平面电极圆片分离成多个平面电极2，使得平面电极2的背面和电极陪片12固定、正面形成分离的单元结构。
步骤6，如图3(f)和3(g)所示当微半球谐振结构1与平面电极2完全固定后，分别释放微半球谐振结构1与固定圆柱5、平面电极2与电极陪片12的固定连接，依次移除圆片夹具10和电极陪片12。
步骤7，将经步骤6得到的由微半球谐振结构1与平面电极2组成的整体结构进行清洗后得到微半球谐振陀螺结构。
作为优选，所述玻璃片8与圆片夹具10之间采用胶粘的方式固定连接；所述平面电极2与电极陪片12之间采用胶粘或键合的方式固定连接，进一步优选为胶粘的固定方式；所述微半球谐振结构1与平面电极2之间采用胶粘、键合或焊接中的任意一种方式固定连接，进一步优选为胶粘的固定方式，当各部件都采用胶粘的固定方式时，在装配时可以降低各道工序的复杂度、降低成本。
作为优选，所述微半球谐振结构1、平面电极2与圆片夹具10均是采用熔融石英材料制作而成，采用相同的材料制作可以最大限度地减小装配过程中微半球谐振结构与平面电极圆片的热失配引起的变形误差。
实施例二
如图1和3所示的一种微半球谐振陀螺结构，包括微半球谐振结构1，所述微半球谐振结构1通过中心的锚点与平面电极2固定连接，在保证微半球谐振结构1与圆片夹具10足够接触面积的同时，实现对后续工艺过程的兼容，所述平面电极2用于所述微半球谐振陀螺结构振动信号的提取，是微半球谐振陀螺结构的必要组成部分；
所述微半球谐振结构1的两端与平面电极2之间具有间隙，平面电极2对应微半球谐振结构1的两端处开设有凹槽从而形成间隙，用于实现所述微半球谐振陀螺结构的静电驱动与电容检测。
作为优选，所述微半球谐振结构1的几何中心与所述平面电极2的几何中心重合，确保微半球谐振陀螺结构的高精度和正常使用，所述微半球谐振陀螺结构采用如实施例一所述的微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法制作而成，制作过程包括以下步骤：
步骤1，将多个含有微半球谐振结构1的玻璃片8的两端边缘开设至少两个贯穿的玻璃片定位孔9；
步骤2，将经步骤1处理后得到的多个玻璃片8分别对准圆片夹具10，并使用定位销13定位和平面板7施压将其固定在圆片夹具10上；
步骤3，依次取下平面板7和定位销13，对玻璃片8进行去除加工，得到多个固定在圆片夹具10上的微半球谐振结构1；
步骤4，将经步骤3得到的整体结构进行清洗后，对圆片夹具10整面镀膜，使得每个微半球谐振结构1的内部凹陷面上添加至少一层的金属膜11；
步骤5，将安装有多个微半球谐振结构1的圆片夹具10与固定有多个平面电极2的电极陪片12平行放置，对准后将微半球谐振结构1与平面电极2固定连接；
步骤6，分别释放微半球谐振结构1与固定圆柱5、平面电极2与电极陪片12的固定连接，依次移除圆片夹具10和电极陪片12；
步骤7，将经步骤6得到的整体结构进行清洗后得到微半球谐振陀螺结构。
实施例三
如图2-3所示的一种微半球谐振结构的圆片夹具，包括夹具本体，所述夹具本体上开设有多个与所述微半球谐振结构1配合的避空槽3，所述避空槽3两侧开设有导出槽4，用于实现装配工艺过程中需要用到的气体和/或液体的流入以及产生的废气和/或废液的流出，确保加工过程的正常进行；
每个所述避空槽3的几何中心处设置有固定圆柱5，即一个避空槽3内对应安装有一个固定圆柱5，用于固定所述微半球谐振结构1，所述固定圆柱5的高度与所述避空槽3的深度一致，便于放置玻璃片8后平面板7对玻璃片8的施压；
每个所述避空槽3的周边开设有两个沿避空槽几何中心对称的夹具定位孔6，用于完成所述微半球谐振结构1在所述圆片夹具10上的定位；高精度的定位孔，保证了微半球谐振结构与圆片夹具足够的安装精度，能够显著提升微半球谐振结构后续工艺的对准精度和工艺一致性。
作为优选，所述圆片夹具10的外形呈圆形、椭圆形、正多边形中的任意一种；进一步优选为圆形，更利于进行圆片级装配操作。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将多个含有微半球谐振结构(1)的玻璃片(8)的两端边缘开设至少两个贯穿的玻璃片定位孔(9)；
步骤2，将经步骤1处理后得到的多个玻璃片(8)分别对准圆片夹具(10)，并使用定位销(13)定位和平面板(7)施压将其固定在圆片夹具(10)上；
步骤3，依次取下平面板(7)和定位销(13)，对玻璃片(8)进行去除加工，得到多个固定在圆片夹具(10)上的微半球谐振结构(1)；
步骤4，将经步骤3得到的整体结构进行清洗后，对圆片夹具(10)整面镀膜，使得每个微半球谐振结构(1)的内部凹陷面上添加至少一层的金属膜(11)；
步骤5，将安装有多个微半球谐振结构(1)的圆片夹具(10)与固定有多个平面电极(2)的电极陪片(12)平行放置，对准后将微半球谐振结构(1)与平面电极(2)固定连接；
步骤6，分别释放微半球谐振结构(1)与固定圆柱(5)、平面电极(2)与电极陪片(12)的固定连接，依次移除圆片夹具(10)和电极陪片(12)；
步骤7，将经步骤6得到的整体结构进行清洗后得到微半球谐振陀螺结构。
2.根据权利要求1所述的一种微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法，其特征在于，步骤2还包括：
步骤21，在固定圆柱(5)上添加胶水，将玻璃片(8)对准并放置到圆片夹具(10)上，使玻璃片(8)固定在圆片夹具(10)上；
步骤22，在胶水固化前，将玻璃片(8)上的玻璃片定位孔(9)与圆片夹具(10)上的夹具定位孔(6)对齐，并将定位销(13)插入完成定位；
步骤23，将多个玻璃片(8)安装在圆片夹具(10)上后，使用带孔的平面板(7)对玻璃片(8)向圆片夹具(10)一侧施加压力，使玻璃片(8)与圆片夹具(10)完全固定贴合。
3.根据权利要求1所述的一种微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法，其特征在于，所述步骤5还包括：
步骤51，将制备好的平面电极圆片和电极陪片(12)贴合固定；
步骤52，使用激光切割的方式将平面电极圆片分离成多个平面电极(2)，使得平面电极(2)的背面和电极陪片(12)固定、正面形成分离的单元结构。
4.根据权利要求1所述的一种微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法，其特征在于：所述玻璃片(8)与圆片夹具(10)之间采用胶粘的方式固定连接；所述平面电极(2)与电极陪片(12)之间采用胶粘或键合的方式固定连接；所述微半球谐振结构(1)与平面电极(2)之间采用胶粘、键合或焊接中的任意一种方式固定连接。
5.根据权利要求4所述的一种微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法，其特征在于：所述玻璃片定位孔(9)的开设采用激光切割的方式完成，所述玻璃片(8)的去除加工采用激光切割或干法刻蚀的方式完成。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法，其特征在于：所述微半球谐振结构(1)、平面电极(2)与圆片夹具(10)均是采用熔融石英材料制作而成。
7.一种微半球谐振陀螺结构，包括微半球谐振结构(1)，其特征在于，所述微半球谐振结构(1)通过中心的锚点与平面电极(2)固定连接，所述平面电极(2)用于所述微半球谐振陀螺结构振动信号的提取；
所述微半球谐振结构(1)的两端与平面电极(2)之间具有间隙，用于实现所述微半球谐振陀螺结构的静电驱动与电容检测。
8.根据权利要求7所述的一种微半球谐振陀螺结构，其特征在于：所述微半球谐振结构(1)的几何中心与所述平面电极(2)的几何中心重合，所述微半球谐振陀螺结构采用如权利要求1-6任一项所述的微半球谐振陀螺结构圆片级装配方法制作而成。
9.一种微半球谐振结构的圆片夹具，其特征在于：包括夹具本体，所述夹具本体上开设有多个与所述微半球谐振结构(1)配合的避空槽(3)，所述避空槽(3)两侧开设有导出槽(4)；
每个所述避空槽(3)的几何中心处设置有固定圆柱(5)，用于固定所述微半球谐振结构(1)，所述固定圆柱(5)的高度与所述避空槽(3)的深度一致；
每个所述避空槽(3)的周边开设有两个沿避空槽几何中心对称的夹具定位孔(6)，用于完成所述微半球谐振结构(1)在所述圆片夹具(10)上的定位。
10.根据权利要求9所述的一种微半球谐振结构的圆片夹具，其特征在于：所述圆片夹具(10)的外形呈圆形、椭圆形、正多边形中的任意一种。
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