CN114453740B - 一种基于激光熔接的石英谐振子的装配装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于激光熔接的石英谐振子的装配装置及方法，包括激光器、扩束镜、反射系统、振镜系统、聚焦透镜、电极座和圆柱谐振子，激光器用于发出激光光束，反射系统用于将激光光束反射进入振镜系统，振镜系统用于实现激光的动态聚焦，聚焦透镜用于使激光聚焦在电极座上，电极座包括电极盘，电极盘上设有装配孔，装配孔上围绕装配孔的外侧均匀布置有多个电极齿，圆柱谐振子包括底盘，设于底盘上的多个底盘孔，设于底盘中部的支撑柱，底盘的四周向支撑柱的一侧延伸形成导振环，导振环上设有谐振环，谐振环的外径大于导振环的外径，谐振环的上端为谐振子唇沿。本发明具有装配效率高、可靠性强和工艺简单等优点。

Description

一种基于激光熔接的石英谐振子的装配装置及方法

技术领域

本发明涉及振动陀螺技术领域，更具体地说，特别涉及一种基于激光熔接的石英谐振子的装配装置及方法。

背景技术

圆柱谐振陀螺是一种全固态波动陀螺仪，利用圆柱谐振子振动驻波沿环向的进动来敏感外界的角速率。圆柱谐振陀螺主要有圆柱谐振子、电极座、真空腔体等主要部件组成。圆柱谐振子和电极座一般都采用低损耗的熔融石英材料加工而成。

在圆柱谐振陀螺制造过程中，需要将谐振子与电极座可靠的固连在一起。目前，一般采用直接键合、阳极键合、共晶键合、铟焊等方式来实现谐振子与电极座的装配。直接键合是一种不需要外加电压的热键合方式。直接键合利用贴合界面的分子间作用力实现连接，并在600-1200℃的温度下进行退火以提高键合强度。直接键合要求键合对象的表面极其平整并且光滑，键合表面的平整度通常要优于0.1微米、粗糙度优于1纳米，这对谐振子和电极座加工的要求极高，导致加工的时间成本、人力成本、加工的不合格率都大幅增加。同时，直接键合过程中需要对键合环境严格控制，保证键合界面不受到微粒的污染，否则在键合界面就会产生空隙、气泡等键合缺陷，严重影响键合的强度和可靠性。因此，直接键合的装配方式在谐振陀螺装配领域没有得到广泛使用。

阳极键合广泛应用晶圆封装中的硅-玻璃连接，将键合对象置于450-900℃的温度下，对硅和碱金属玻璃分别施加200-1500V的直流高压，碱金属玻璃中的离子在高压电场的作用下会发生定向迁移，硅与玻璃之间发生反应形成化学键使两种材料连接在一起。阳极键合可以产生稳定的连接，并且对材料表面的平整度和粗糙度要求低于直接键合。谐振子与电极座的固连也可以采用阳极键合的方式，通过在电极座的局部区域沉积一层多晶硅或者氮化硅作为中间层，在约700V的电压下，升温到400℃，可使得谐振子与电极座连接在一起。为避免谐振子膜层氧化，键合通常需要在高真空环境进行，并且温度需要快速升温到键合温度，以减少膜层的受热时间。阳极键合虽然降低了谐振子和电极座的加工要求，但是键合所需的高压系统和真空系统使得阳极键合工艺仍旧较为复杂。同时，膜层在高温下存在发生改性的风险，影响膜层的性能。

共晶键合是指两种金属焊料在较低的温度下发生共晶熔合的过程。两种不同的金属在共晶温度下按照一定比例共熔形成共晶合金，共晶合金直接从固态变为液态，再快速降温就可形成可靠的连接。不同的金属键合时的共晶温度不同，通过选取合适的金属组分可以在较低温度下实现共晶键合。对于谐振子和电极座的装配，可以分别在谐振子和电极座上沉积特定比例的金属，然后进行键合连接。共晶键合的方式相较于阳极键合具有系统简单，键合温度低的优点。但是共晶键合对于金属的比例控制要求极为严格，不合适的金属比例在升温过程中会存在固液混合状态，严重影响共晶键合的强度和气密性。

在谐振陀螺装配方面，铟焊是较为常用的一种连接方式，具有低成本、低温固连、无需外加电压等优点。铟焊要求铟与焊接表面形成良好的浸润，但是熔融石英与铟的浸润性较差。因此，实际会在石英表面镀制一层金属薄膜来提高浸润性。铟焊过程中，焊接表面的杂质会降低铟融化后的流动性，并产生气孔，从而影响焊接强度。同时，铟焊过程中的真空度和加热温度也会影响铟的流动性。以上这些因素存在导致铟焊的可靠性和重复性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光熔接的石英谐振子的装配装置及方法，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于激光熔接的石英谐振子的装配装置，包括激光器、扩束镜、反射系统、振镜系统、聚焦透镜、电极座和圆柱谐振子，所述激光器用于发出激光光束，所述反射系统用于将激光光束反射进入振镜系统，所述振镜系统用于实现激光的动态聚焦，所述聚焦透镜用于使激光聚焦在电极座上，所述电极座包括电极盘，所述电极盘上设有装配孔，所述装配孔上围绕所述装配孔的外侧均匀布置有多个电极齿，所述圆柱谐振子包括底盘，设于底盘上的多个底盘孔，设于底盘中部的支撑柱，所述底盘的四周向支撑柱的一侧延伸形成导振环，所述导振环上设有谐振环，所述谐振环的外径大于导振环的外径，所述谐振环的上端为谐振子唇沿，在圆柱谐振子安装于所述电极座上时，所述支撑柱与装配孔之间具有第一间隙，所述谐振子唇沿与电极盘表面具有第二间隙，所述谐振环和导振环的内壁与电极齿之间形成第三间隙。

进一步地，所述反射系统包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜安装于手动位移台上，所述手动位移台用于带动第一反射镜沿X轴、Y轴方向移动，所述第二反射镜安装于第一Z轴导轨上。

进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜采用飞秒低分散反射镜。

进一步地，所述振镜系统包括第一振镜和第二振镜，所述第一振镜和第二振镜均通过独立的高速电机驱动，所述聚焦透镜安装于第二Z轴导轨上。

进一步地，所述第一间隙为3-10微米，所述第二间隙为100-200微米，所述第三间隙为50-100微米。

进一步地，所述聚焦透镜聚焦后的沉积区域的宽度为第一间隙的宽度的5-10倍。

进一步地，所述圆柱谐振子与电极座均采用石英材料制成。

本发明还提供一种根据上述的基于激光熔接的石英谐振子的装配装置的方法，包括以下步骤：

S1、启动并预热激光器；

S2、调整反射系统使光束与振镜系统相耦合；

S3、将待熔接的圆柱谐振子固定至隔振台的夹具上，使圆柱谐振子的唇沿与夹具的上表面平行且比其低100-200微米，再将电极座倒置安装，使电极座的装配孔与支撑柱相配合，将金属块置于电极座的底面与夹具的上表面完全贴合，调整圆柱谐振子的位置使支撑柱的中心与光路中心重合；

S4、调整聚焦透镜使激光光斑直径达到预设值；

S5、根据环状的第一间隙，在软件中设置振镜系统的激光扫描路径，并采用环形填充扫描路径；

S6、设置激光器的输出功率以及激光加工的重复频率、重复次数；

S7、根据设定的参数对圆柱谐振子和电极座进行熔接装配。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明采用冷装配方式，整个过程不需要施加高温高电压，避免了高温对电极座膜层带来的损伤，本发明具有装配效率高、可靠性强和工艺简单等优点。

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获得其他的附图。

图1是本发明基于激光熔接的石英谐振子的装配装置的结构示意图；

图2是本发明中电极座的结构图。

图3是本发明中圆柱谐振子的正面结构图。

图4是本发明中圆柱谐振子的背面结构图。

图5是本发明中圆柱谐振子与电极座熔接的示意图。

图中：激光器101、扩束镜102、第一反射镜103、第二反射镜104、第一振镜105、第二振镜107、聚焦透镜108、电极座109、圆柱谐振子110、装配孔201、电极齿202、电极盘203、底盘孔301、谐振子唇沿302、支撑柱303、谐振环304、导振环305。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1-图5所示，本实施例公开了一种基于激光熔接的石英谐振子的装配装置，包括激光器101、扩束镜102、反射系统、振镜系统、聚焦透镜108、电极座109和圆柱谐振子110，激光器101用于发出激光光束，反射系统用于将激光光束反射进入振镜系统，振镜系统用于实现激光的动态聚焦，聚焦透镜108用于使激光聚焦在电极座109上，电极座109包括电极盘203，电极盘203上设有装配孔201，装配孔201上围绕装配孔201的外侧均匀布置有多个电极齿202(本实施例中设置八个)，圆柱谐振子110包括底盘，设于底盘上的多个底盘孔301，设于底盘中部的支撑柱303，底盘的四周向支撑柱303的一侧延伸形成导振环305，导振环305上设有谐振环304，谐振环304的外径大于导振环305的外径，谐振环304的内径等于导振环305的内径，谐振环304的上端为谐振子唇沿302，在圆柱谐振子110安装于电极座109上时，支撑柱303与装配孔201之间具有第一间隙401，谐振子唇沿302与电极盘203表面具有第二间隙402，谐振环304和导振环305的内壁与电极齿202之间形成第三间隙。

本实施例中，所述激光器101的激光脉冲时间通常为飞秒或者皮秒。超快激光作用在圆柱谐振子110和电极座109的界面处，超高峰值功率密度的激光使得材料内部发生多光子电离，被电离的自由电子吸收激光光子能量而得到加速，进而与其他原子碰撞引发雪崩电离导致温度升高，最终达到材料的熔点实现谐振子与电极座的熔接。

本实施例中，所述反射系统包括第一反射镜103和第二反射镜104，所述第一反射镜103和第二反射镜104采用高稳定不锈钢镜架，第一反射镜103安装于手动位移台上，手动位移台用于带动第一反射镜103沿X轴、Y轴方向移动，第二反射镜104安装于第一Z轴导轨上，可沿着导轨做上下移动。通过调整第一反射镜103和第二反射镜104的位置，使得扩束后的激光光束准确地耦合到振镜系统中。

本实施例中，所述第一反射镜103和第二反射镜104采用飞秒低分散反射镜，以减小多个反射镜的反射引起的脉冲宽度变大的影响。

本实施例中，所述振镜系统包括第一振镜105和第二振镜107，所述第一振镜105和第二振镜107均通过独立的高速电机驱动，第一振镜105和第二振镜107可以绕对称轴快速转动，以实现激光在不同位置的动态聚焦，所述聚焦透镜108安装于第二Z轴导轨上，可沿导轨做上下运动，通过调整聚焦透镜108的Z向位置使得激光聚焦在电极座上。

本实施例中，所述电极座109采用石英材料制成，每个电极齿202上都镀有一定厚度的金属层，用于谐振子振动的激励和检测。装配孔201用于谐振子的安装和定位，其内径通常比谐振子支撑柱的外径大几微米。装配孔201的内表面采用抛光工艺进行预处理，以保证与谐振子的微间隙装配。通过精密加工保证电极齿202与装配孔201具有良好的同轴性，以使得装配后谐振子内表面与8个电极齿都具有一致的间隙。

作为优选，装配孔201可采用飞秒激光旋切的方式制作，以避免传统加工方式带来的损伤。

本实施例中，所述圆柱谐振子110采用石英材料制成，支撑柱303的外表面采用抛光工艺预处理，以降低表面粗糙度。同时，支撑柱303与谐振环304的同轴度通过精密加工来严格控制。

本实施例中，第一间隙401的两端间隙403和间隙404在装配时需要保证基本一致，使得装配强度沿圆周方向均匀分布。

作为优选，激光脉冲能量沉积的位置(即激光熔接的区域)需要精准控制，以确保激光能量在界面处被吸收，而不是在材料内部被吸收。激光熔接的区域采用环形填充，填充间隔为5微米。

作为优选，激光脉冲能量的沉积区域也需要精准控制，能量沉积区域会直接影响谐振子与电极座熔接的强度。激光脉冲能量沉积区域的宽度通常为所述第一间隙的5-10倍。

作为优选，所述圆柱谐振子110与电极座109采用同种石英材料制成，以确保在升温过程中同时达到熔点实现共熔。

作为优选，所述第一间隙401为3-10微米，第二间隙为100-200微米，第三间隙为50-100微米。

本发明还提供一种基于激光熔接的石英谐振子的装配方法，包括以下步骤：

步骤S1、启动激光器101并预热1小时以使激光光束稳定。

步骤S2、调整反射系统中第一反射镜103和第二反射镜104的位置使光束与振镜系统相耦合。

步骤S3、将待熔接的圆柱谐振子110固定至隔振台的夹具上，使圆柱谐振子的谐振子唇沿302与夹具的上表面平行且比其低100-200微米，再将电极座109倒置安装，使电极座109的装配孔201与支撑柱303相配合，将金属块置于电极座的底面与夹具的上表面完全贴合，调整圆柱谐振子110的位置使支撑柱的中心与光路中心重合。

在本实施例中，金属块的质量为500克，在圆柱谐振子110与电极座109安装好后，调节其位置，使得圆柱谐振子110的支撑柱的中心与光路中心重合。

S4、调整聚焦透镜108使激光光斑直径达到预设值。

在本实施例中，激光光斑的直径约为20微米。

S5、根据环状的第一间隙401，在软件中设置振镜系统的激光扫描路径，并采用环形填充扫描路径。

在本实施例中，该环状填充的间隙约为5微米，激光扫描路径的宽度设置为30微米。

S6、设置激光器101的输出功率以及激光加工的重复频率、重复次数。

在本实施例中，设置激光输出功率为2mW，激光重复频率为100kHz，重复次数为100次。

S7、根据设定的参数对圆柱谐振子110和电极座109进行熔接装配。

通过本发明的实施，提供的是一种冷装配方式，整个过程不需要施加高温高电压，避免了高温对电极座膜层带来的损伤。

本发明的装配方式具有装配效率高、可靠性强和工艺简单等优点。传统的键合方式，其完整的装配时间多长达1-2天，并且前期相关的工艺准备也较为复杂，装配效率低下。而采用本发明的装配方式，通常只需要数分钟就可以完成装配，并且可以进行大批量的装配。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于激光熔接的石英谐振子的装配装置，其特征在于，包括激光器、扩束镜、反射系统、振镜系统、聚焦透镜、电极座和圆柱谐振子，所述激光器用于发出激光光束，所述反射系统用于将激光光束反射进入振镜系统，所述振镜系统用于实现激光的动态聚焦，所述聚焦透镜用于使激光聚焦在电极座上，所述电极座包括电极盘，所述电极盘上设有装配孔，所述装配孔上围绕所述装配孔的外侧均匀布置有多个电极齿，所述圆柱谐振子包括底盘，设于底盘上的多个底盘孔，设于底盘中部的支撑柱，所述底盘的四周向支撑柱的一侧延伸形成导振环，所述导振环上设有谐振环，所述谐振环的外径大于导振环的外径，所述谐振环的上端为谐振子唇沿，在圆柱谐振子安装于所述电极座上时，所述支撑柱与装配孔之间具有第一间隙，所述谐振子唇沿与电极盘表面具有第二间隙，所述谐振环和导振环的内壁与电极齿之间形成第三间隙；

基于激光熔接的石英谐振子的装配装置的装配方法，包括以下步骤：

S1、启动并预热激光器；

S2、调整反射系统使光束与振镜系统相耦合；

S3、将待熔接的圆柱谐振子固定至隔振台的夹具上，使圆柱谐振子的唇沿与夹具的上表面平行且比其低100-200微米，再将电极座倒置安装，使电极座的装配孔与支撑柱相配合，将金属块置于电极座的底面与夹具的上表面完全贴合，调整圆柱谐振子的位置使支撑柱的中心与光路中心重合；

S4、调整聚焦透镜使激光光斑直径达到预设值；

S5、根据环状的第一间隙，在软件中设置振镜系统的激光扫描路径，并采用环形填充；

S6、设置激光器的输出功率以及激光加工的重复频率、重复次数；

S7、根据设定的参数对圆柱谐振子和电极座进行熔接装配。

2.根据权利要求1所述的基于激光熔接的石英谐振子的装配装置，其特征在于，所述反射系统包括第一反射镜和第二反射镜，所述第一反射镜安装于手动位移台上，所述手动位移台用于带动第一反射镜沿X轴、Y轴方向移动，所述第二反射镜安装于第一Z轴导轨上。

3.根据权利要求2所述的基于激光熔接的石英谐振子的装配装置，其特征在于，所述第一反射镜和第二反射镜采用飞秒低分散反射镜。

4.根据权利要求1所述的基于激光熔接的石英谐振子的装配装置，其特征在于，所述振镜系统包括第一振镜和第二振镜，所述第一振镜和第二振镜均通过独立的高速电机驱动，所述聚焦透镜安装于第二Z轴导轨上。

5.根据权利要求1所述的基于激光熔接的石英谐振子的装配装置，其特征在于，所述第一间隙为3-10微米，所述第二间隙为100-200微米，所述第三间隙为50-100微米。

6.根据权利要求1所述的基于激光熔接的石英谐振子的装配装置，其特征在于，所述聚焦透镜聚焦后的沉积区域的宽度为第一间隙的宽度的5-10倍。

7.根据权利要求1所述的基于激光熔接的石英谐振子的装配装置，其特征在于，所述圆柱谐振子与电极座均采用石英材料制成。