CN112648989A - 可同时用于谐振子退火和真空对接的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可同时用于谐振子退火和真空对接的装置及方法，装置包括：石英谐振子、电极基座、精密装调单元、加热温控单元及真空单元。石英谐振子及电极基座固定在精密装调单元内，石英谐振子位于电极基座下方；电极基座的球状部分朝下；电极基座中心开设有上下贯穿的中心孔，石英谐振子的支柱插入在中心孔内，中心孔的上端或下端放置有封接焊料；加热温控单元设置在精密装调单元内，石英谐振子、电极基座及封接焊料被包裹在加热温控单元内侧；精密装调单元设置在真空单元内侧。本发明提供的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置及方法，可利用同一工艺设备在同一工序同时完成谐振子的真空退火和真空封接，减小了工艺设备成本和人力成本。

Description

可同时用于谐振子退火和真空对接的装置及方法

技术领域

本发明涉及半球谐振陀螺技术领域，特别涉及一种可同时用于谐振子退火和真空对接的装置及方法。

背景技术

半球谐振陀螺利用半球谐振子唇壳的径向振动驻波进动效应感测基座旋转，可实现载体角度或角速度的测量。它具有精度高、质量轻、体积小、启动时间短和抗过载能力强的特性，连续工作15年的可靠度高达99.5％，被誉为最具潜力的哥式振动陀螺，覆盖宇航、战略、战术等应用领域。

目前研制的半球谐振陀螺一般采用较为简洁的“两件套”结构形式，主要零件包括谐振子和基座。这两个零件均由熔融石英材料经过精密机械加工而成，表面采用金属化镀膜处理，然后精密装调后在真空环境下采用较低熔点的焊料(如高纯铟)焊接在一起形成谐振子组件，谐振子组件密封在高真空的容器中并与前放电路板一起封装到金属外壳中，形成半球谐振陀螺的表头。

半球谐振陀螺的核心零件是半球壳石英谐振子，其加工精度要求很高，圆度、同心度均要求在1um以下，高精度的半球谐振陀螺要求石英谐振子达到10⁷以上的Q值和1mHz以下的频率裂解值。谐振子经过精密修调和调平后，内壁需要镀金属膜，与基座上的分立电极形成多个电容器以实现静电激励和信号检测功能。镀膜工序应尽量保持谐振子的高Q值和低频差特性，但是镀膜后由于膜层的残余应力会使谐振子的Q值只有金属化前的20％～30％，而膜层的不均匀性则增大频差和增大损耗。因此谐振子在完成镀膜后需要再单独进行真空退火以减小膜层的残余应力，保持谐振子的高Q值特性。

通常谐振子镀膜后的真空退火温度约为250℃左右，真空度优于10^-4Pa，一般需要在高真空加热炉中完成。而谐振子真空封接所采用的铟焊料熔点仅为156.6℃，封接真空度优于10^-2Pa即可，一般需要在真空室中对谐振子部分进行局部加热完成焊接。因此谐振子退火和真空封接需要采用不同的工艺设备分别在不同的工序完成，工艺周期长、设备成本和人力成本高，而且真空封接所采用的焊料熔点低，限制了谐振子组件真空处理时的烘烤温度，除气不彻底，影响了表头最终的真空度提高。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的谐振子退火和真空封接需要采用不同的工艺设备分别在不同的工序完成，工艺周期长、设备成本和人力成本高的技术问题，提供了一种可同时用于谐振子退火和真空对接的装置及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种可同时用于谐振子退火和真空对接的装置，包括：石英谐振子、电极基座、精密装调单元、加热温控单元及真空单元；

所述石英谐振子及所述电极基座固定在所述精密装调单元内，所述石英谐振子位于所述电极基座下方；所述石英谐振子的半球壳的碗口朝上，所述电极基座的球状部分朝下；所述电极基座中心开设有上下贯穿的中心孔，所述石英谐振子的支柱插入在所述中心孔内，所述中心孔的上端或下端放置有封接焊料；所述加热温控单元设置在所述精密装调单元内，所述石英谐振子、电极基座及封接焊料被包裹在所述加热温控单元内侧；所述精密装调单元设置在所述真空单元内侧。

进一步的，所述精密装调单元包括：装调本体、谐振子夹持装置、谐振子旋转调整台、基座固定装置、基座微位移调整台及基座角度调整台；

所述谐振子旋转调整台固定在所述装调本体下端，所述谐振子夹持装置设置在所述谐振器旋转调整台上方，所述谐振子夹持装置与所述谐振子旋转调整台固定连接，所述石英谐振子夹持固定在所述谐振子夹持装置上；所述基座角度调整台固定在所述装调本体的上端，所述基座微位移调整台设置在所述基座角度调整台的下方，所述基座微位移调整台与所述基座角度调整台固定连接；所述基座固定装置设置在所述基座微位移调整台下方以及所述谐振子夹持装置上方，所述基座固定装置与所述基座微位移调整台固定连接，所述电极基座可拆卸地固定在所述基座固定装置上。

进一步的，所述加热温控单元包括：加热模块、控温热偶和温控仪表；

所述加热模块由两个半加热块拼接成一个中空的加热结构；所述石英谐振子、电极基座及封接焊料被包裹在所述加热结构内侧；两个所述半加热块分别通过固定块固定在所述基座固定装置上，两个半加热块内分别设置有加热棒；所述控温热偶设置在所述电极基座的任意一个电极孔内；所述温控仪表分别与所述控温热偶及所述加热棒电性连接。

进一步的，所述真空单元包括：真空室、真空抽气泵以及真空测量与显示模块；

所述真空抽气泵与所述真空室连接，所述真空测量与显示模块和所述真空室连接；所述精密装调单元设置在所述真空室内侧。

进一步的，所述真空室为不锈钢材质加工而成的圆柱形或方形结构；所述真空室顶部或侧壁设置有观察窗。

进一步的，所述中心孔的上端设置有上倒角，所述中心孔的下两端设置有下倒角，所述中心孔的上倒角或下倒角处放置有所述封接焊料。

进一步的，所述封接焊料为环状结构。

本发明还提供了一种谐振子的真空退火和真空封接的方法，所述方法基于可同时用于谐振子退火和真空对接的装置实现，所述方法包括如下步骤：

在电极基座中心孔的上端或下端放置封接焊料；在精密装调单元上进行石英谐振子与电极基座的精密装调与检测；安装加热模块和控温热偶；将精密装调单元连同加热模块整体放入真空单元中抽高真空；按照设定的加热曲线，对石英谐振子同时进行真空退火和真空封接；降温冷却，完成退火和封接；将谐振子组件从精密装调单元上取下进行检测。

进一步的，所述封接焊料为锡银铜合金或锡银合金。

本发明提供的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置及方法至少具备以下有益效果或优点：

本发明提供的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置及方法，在电极基座中心孔的上端或下端放置封接焊料；在精密装调单元上进行石英谐振子与电极基座的精密装调与检测；安装加热模块和控温热偶；将精密装调单元连同加热模块整体放入真空单元中抽高真空；按照设定的加热曲线，对石英谐振子同时进行真空退火和真空封接；降温冷却，完成退火和封接；将谐振子组件从精密装调单元上取下进行检测。可利用同一工艺设备在同一工序同时完成谐振子的真空退火和真空封接，大大缩短了工艺周期，减小了工艺设备成本和人力成本。提高了谐振子真空封接所用焊料的熔化温度，在后工序进行谐振子组件真空除气时可以采用较高的烘烤除气温度，缩短烘烤除气时间，除气更加彻底，提高表头的真空度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置的又一结构示意图；

图3为本发明实施例提供的温控单元结构示意图；

图4为本发明实施例提供的石英谐振子退火和真空封接的加热曲线图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-石英谐振子，2-电极基座，3-封接焊料，4-精密装调单元，5-加热温控单元，6-真空单元，7-谐振子夹持装置，8-谐振子旋转调整台，9-基座固定装置，10-基座微位移调整台，11-基座角度调整台，12-加热模块，13-控温热偶，14-温控仪表，15-真空室，16-真空抽气泵，17-真空测量和显示模块。

具体实施方式

本发明针对现有技术中存在的谐振子退火和真空封接需要采用不同的工艺设备分别在不同的工序完成，工艺周期长、设备成本和人力成本高的技术问题，提供了一种可同时用于谐振子退火和真空对接的装置及方法。

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、完整的描述，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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

实施例一

参见图1及图2，本发明实施例提供了一种可同时用于谐振子退火和真空对接的装置，其主要包括：石英谐振子1、电极基座2、精密装调单元4、加热温控单元5及真空单元6。其中，石英谐振子1及电极基座2为半球谐振陀螺中的现有部件，其具体结构不再展开说明。石英谐振子1及电极基座2固定在精密装调单元4内，石英谐振子1位于电极基座2下方。石英谐振子1的半球壳的碗口朝上，电极基座2的球状部分朝下。电极基座2中心开设有上下贯穿的中心孔，石英谐振子1的支柱插入在中心孔内，中心孔的上端或下端放置有封接焊料3；优选的，中心孔的上端设置有上倒角，中心孔的下两端设置有下倒角，中心孔的上倒角或下倒角处放置有封接焊料3；封接焊料3为环状结构，以便于安放。加热温控单元5设置在精密装调单元4内，石英谐振子1、电极基座2及封接焊料3被包裹在加热温控单元5内侧，加热温控单元5用于对该区域的石英谐振子1、电极基座2及封接焊料3进行加热。精密装调单元4设置在真空单元6内侧，连接在精密装调单元4上的石英谐振子1、电极基座2和加热温控单元5等随精密装调单元4一同设置在真空单元6内侧，在真空环境中，按照预设的工艺曲线进行升温、保温和降温，同时完成谐振子的真空退火和真空封接。

本发明提供的一优选实施例中，参见图1及图2，精密装调单元4包括：装调本体、谐振子夹持装置7、谐振子旋转调整台8、基座固定装置9、基座微位移调整台10及基座角度调整台11。谐振子旋转调整台8固定在装调本体下端，谐振子旋转调整台8能够在一定角度内旋转；谐振子夹持装置7设置在谐振器旋转调整台上方，谐振子夹持装置7与谐振子旋转调整台8固定连接，石英谐振子1夹持固定在谐振子夹持装置7上。基座角度调整台11固定在装调本体的上端，基座角度调整台11能够在X轴和Y轴方向上转动；基座微位移调整台10设置在基座角度调整台11的下方，基座微位移调整台10可沿X、Y、Z方向进行微位移移动，具体的，基座微位移调整台10可采用一种三轴运动机构实现；基座微位移调整台10与基座角度调整台11固定连接。基座固定装置9设置在基座微位移调整台10下方以及谐振子夹持装置7上方，基座固定装置9与基座微位移调整台10固定连接，电极基座2可拆卸地固定在基座固定装置9上。通过调整精密装调单元4可调整石英谐振子1与电极基座2之间的相对空间位置，保证石英谐振子1球壳的球心与电极基座2半球的球心重合；石英谐振子1内球壳与电极基座2半球之间的间隙为100um～150um；石英谐振子1内球壳与电极基座2的8个或者16分立电极所形成的球面电容器电容值基本一致，不均匀性优于3％；石英谐振子1的主轴对准电极基座2的某一激励电极中心。

本发明提供的一优选实施例中，参见图1-图3，加热温控单元5包括：加热模块12、控温热偶13和温控仪表14。加热模块12由两个半加热块拼接成一个中空的加热结构；石英谐振子1、电极基座2及封接焊料3被包裹在加热结构内侧。两个半加热块分别通过固定块固定在基座固定装置9上，两个半加热块内分别设置有加热棒。控温热偶13设置在电极基座2的任意一个电极孔内；温控仪表14分别与控温热偶13及加热棒电性连接。

本发明提供的一优选实施例中，参见图1及图2，真空单元6包括：真空室15、真空抽气泵16以及真空测量与显示模块17。真空抽气泵16与真空室15连接，真空测量与显示模块17和真空室15连接。真空抽气泵16采用干泵加脂润滑分子泵组合，可将真空室15抽至10^-4Pa以上的高真空，为谐振子的退火和封接工艺过程提供准无油高真空环境。真空测量与显示模块17采用前级低真空电阻规和高真空电离规组合，两个规管的测量值显示在复合真空计上。精密装调单元4设置在真空室15内侧。真空室15为不锈钢材质加工而成的圆柱形或方形结构。为方便实时观察真空封接过程，可在真空室15顶部或侧壁设置观察窗。

实施例二

参见图1-图4，本发明还提供了一种谐振子的真空退火和真空封接的方法，所述方法基于可同时用于谐振子退火和真空对接的装置实现，所述方法包括如下步骤：

步骤S10、在电极基座2中心孔的上端或下端放置封接焊料3。

步骤S20、在精密装调单元4上进行石英谐振子1与电极基座2的精密装调与检测。

步骤S30、安装加热模块12和控温热偶13。

步骤S40、将精密装调单元4连同加热模块12整体放入真空单元6中抽高真空。

步骤S50、按照设定的加热曲线，对石英谐振子1同时进行真空退火和真空封接。

步骤S60、降温冷却，完成退火和封接。

步骤S70、将谐振子组件从精密装调单元4上取下进行检测。

其中，谐振子退火和真空封接温度控制曲线如图4所示：从室温25℃开始加热，以5℃/min升温至150℃，在150℃时保温5分钟；然后再以5℃/min升温至220℃，在220℃时保温20分钟；再以5℃/min升温至250℃，在250℃时保温5分钟；之后开始降温，以2℃/min降温至100℃，然后随真空室15自然降至常温。

封接焊料3为锡银铜合金或锡银合金，其熔点为220℃左右，封接温度约为250℃左右，对石英谐振子1和电极基座2所镀的金属膜层具有良好的浸润性和铺展性，可实现石英谐振子1与电极基座2之间的高强度可靠封接。

本发明实施例提供的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置及方法至少具备以下有益效果或优点：

本发明实施例提供的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置及方法，在电极基座中心孔的上端或下端放置封接焊料；在精密装调单元上进行石英谐振子与电极基座的精密装调与检测；安装加热模块和控温热偶；将精密装调单元连同加热模块整体放入真空单元中抽高真空；按照设定的加热曲线，对石英谐振子同时进行真空退火和真空封接；降温冷却，完成退火和封接；将谐振子组件从精密装调单元上取下进行检测。可利用同一工艺设备在同一工序同时完成谐振子的真空退火和真空封接，大大缩短了工艺周期，减小了工艺设备成本和人力成本。提高了谐振子真空封接所用焊料的熔化温度，在后工序进行谐振子组件真空除气时可以采用较高的烘烤除气温度，缩短烘烤除气时间，除气更加彻底，提高表头的真空度。采用较高熔点的焊料进行真空封接，提高了谐振子和基座之间的封接强度，具有更高的抗冲击振动能力，可靠性更好。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (9)

1.一种可同时用于谐振子退火和真空对接的装置，其特征在于，包括：石英谐振子、电极基座、精密装调单元、加热温控单元及真空单元；

所述石英谐振子及所述电极基座固定在所述精密装调单元内，所述石英谐振子位于所述电极基座下方；所述石英谐振子的半球壳的碗口朝上，所述电极基座的球状部分朝下；所述电极基座中心开设有上下贯穿的中心孔，所述石英谐振子的支柱插入在所述中心孔内，所述中心孔的上端或下端放置有封接焊料；所述加热温控单元设置在所述精密装调单元内，所述石英谐振子、电极基座及封接焊料被包裹在所述加热温控单元内侧；所述精密装调单元设置在所述真空单元内侧。

2.根据权利要求1所述的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置，其特征在于，所述精密装调单元包括：装调本体、谐振子夹持装置、谐振子旋转调整台、基座固定装置、基座微位移调整台及基座角度调整台；

所述谐振子旋转调整台固定在所述装调本体下端，所述谐振子夹持装置设置在所述谐振器旋转调整台上方，所述谐振子夹持装置与所述谐振子旋转调整台固定连接，所述石英谐振子夹持固定在所述谐振子夹持装置上；所述基座角度调整台固定在所述装调本体的上端，所述基座微位移调整台设置在所述基座角度调整台的下方，所述基座微位移调整台与所述基座角度调整台固定连接；所述基座固定装置设置在所述基座微位移调整台下方以及所述谐振子夹持装置上方，所述基座固定装置与所述基座微位移调整台固定连接，所述电极基座可拆卸地固定在所述基座固定装置上。

3.根据权利要求2所述的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置，其特征在于，所述加热温控单元包括：加热模块、控温热偶和温控仪表；

所述加热模块由两个半加热块拼接成一个中空的加热结构；所述石英谐振子、电极基座及封接焊料被包裹在所述加热结构内侧；两个所述半加热块分别通过固定块固定在所述基座固定装置上，两个半加热块内分别设置有加热棒；所述控温热偶设置在所述电极基座的任意一个电极孔内；所述温控仪表分别与所述控温热偶及所述加热棒电性连接。

4.根据权利要求1所述的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置，其特征在于，所述真空单元包括：真空室、真空抽气泵以及真空测量与显示模块；

所述真空抽气泵与所述真空室连接，所述真空测量与显示模块和所述真空室连接；所述精密装调单元设置在所述真空室内侧。

5.根据权利要求4所述的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置，其特征在于，所述真空室为不锈钢材质加工而成的圆柱形或方形结构；所述真空室顶部或侧壁设置有观察窗。

6.根据权利要求1所述的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置，其特征在于，所述中心孔的上端设置有上倒角，所述中心孔的下两端设置有下倒角，所述中心孔的上倒角或下倒角处放置有所述封接焊料。

7.根据权利要求6所述的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置，其特征在于，所述封接焊料为环状结构。

8.一种谐振子的真空退火和真空封接的方法，所述方法基于权利要求1～7任一项所述的可同时用于谐振子退火和真空对接的装置实现，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

在电极基座中心孔的上端或下端放置封接焊料；在精密装调单元上进行石英谐振子与电极基座的精密装调与检测；安装加热模块和控温热偶；将精密装调单元连同加热模块整体放入真空单元中抽高真空；按照设定的加热曲线，对石英谐振子同时进行真空退火和真空封接；降温冷却，完成退火和封接；将谐振子组件从精密装调单元上取下进行检测。

9.根据权利要求8所述的谐振子的真空退火和真空封接的方法，其特征在于，所述封接焊料为锡银铜合金或锡银合金。

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