CN114783655A - 一种复合薄膜在轴对称壳体谐振子中的应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合薄膜在轴对称壳体谐振子中的应用方法，所述轴对称壳体谐振子包括圆柱壳体谐振子和半球壳体谐振子；所述圆柱壳体谐振子的内表面和谐振环的下部唇沿部分均镀制有第一金属纳米线和石墨烯薄膜电极；所述半球壳体谐振子的内表面和半球壳体的下部唇沿部分均镀制有第二金属纳米线和石墨烯薄膜电极。本发明具有厚度更薄(单层厚度小于10nm)，电导率高的优点，并且具有在不影响薄膜导电能力的情况下，显著提高谐振子镀膜后Q值的优势，可获取更高的陀螺精度。
Description
技术领域
本发明涉及陀螺仪技术领域，更具体地说，特别涉及一种复合薄膜在轴对称壳体谐振子中的应用方法。
背景技术
陀螺仪是检测惯性空间物体角运动的传感器，是惯性导航的关键器件，其性能指标直接决定了惯性导航系统的技术指标。哥氏振动陀螺(Coriolis Vibratory Gyroscope)又称为谐振陀螺，主要分为圆柱谐振陀螺(Cylindrical Resonator Gyroscope)以及半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyroscope)，是一种无转子陀螺，主要由谐振子、电路控制模块、真空封装外壳三部分组成。通过利用陀螺内部谐振子振动时产生的驻波进动代替了转子的高速转动，从而避免了机械摩擦，从根本上减小了漂移误差。圆柱谐振陀螺和半球谐振陀螺在测量精度、运行可靠性、生产成本等方面具有综合优势，因此在导航、制导、姿态稳定控制等领域有着广阔的应用前景。
谐振陀螺的工作方式主要有力平衡模式或者全角模式，两种模式目前主流的实现方式都依赖于静电驱动与检测。谐振陀螺的静电驱动与检测，主要实现方式为通过半球或者圆柱谐振子表面均匀镀制导电薄膜电极，再与谐振子支撑基座上镀制的薄膜导电电极形成静电电容，通过谐振子振动时电容间的静电力变化，对谐振子进行驱动和信号检测。工作时，电路控制模块对驱动电极施加电压将圆柱壳体谐振子激励至最低阶弯曲模态，并保持一定的振幅，如图4所示。当陀螺旋转时，科里奥利力(哥氏力)将激发谐振子在与驱动模态成45°方向上产生另一个弯曲模态振动。由于振动导致电容间距变化，45°方向上振动产生的电容变化信号可被检测电极获取，这个信号与陀螺旋转的角速度成正比，由此得出陀螺的角速度。
在谐振陀螺中，壳体谐振子是关键部件，其性能好坏决定了圆柱壳体振动陀螺的工作性能。品质因数(Q值)是衡量谐振子性能的关键参数之一。截至目前，谐振子已由早期的金属、陶瓷材料过渡为采用低应力熔融石英材料加工。采用熔融石英材料加工的圆柱谐振子以及半球谐振子Q值目前均已突破2000万。谐振子的极高Q值是实现超高精度谐振陀螺的前提，法国赛峰公司(Safran Defense&Electronics)生产的基于20mm直径半球石英谐振子的CrystalTM HRG型半球谐振陀螺，其零偏稳定性达到了0.0001°/h(RMS值，100h测量)，标度因数稳定性小于1ppm(RMS值)，是目前已有报道谐振陀螺的最高精度。目前应用于谐振子表面的薄膜导电电极材料主要为Cr/Au双层薄膜以及Ti/Pt双层薄膜，特点在于薄膜电导率高，与石英材料的结合力较强，适用于长期工作。但以上薄膜厚度通常需要在50nm以上才能保证薄膜具有较高的电导率，但较厚的薄膜同时导致了谐振子Q值明显下降。已有报道表明，镀制Cr/Au双层薄膜以及Ti/Pt双层薄膜后的半球谐振子，其Q值下降率在40％-70％之间，即薄膜导电电极附着后，谐振子Q值明显下降，影响陀螺的最终性能。
石墨烯作为一种新型导电材料，具备一系列独特优势，利用其电学特性，可应用在谐振子表面作为薄膜电极。但碳基材料单独作为电极时，无法满足谐振陀螺表面电极的性能要求，包括电极方块电阻≤100Ω/sq、高频振动下薄膜不脱落等。已有研究表明，在熔融石英表面直接使用常用的化学气相沉积法(CVD法)镀制单质石墨烯时，由于膜层吸附力不强，会导致薄膜均匀性不好，层数分不均。采用石墨烯单质作为谐振子表面薄膜电极存在以下缺点：
(1)石墨烯与熔融石英材料结合力不强，特别是球面等异形曲面上直接镀制均匀性不好、吸附力不强，工艺上已被证明不可行。
(2)单质石墨烯表面电阻较大，直接镀制时，与金属薄膜相比优势并不明显。
(3)谐振子工作时，10KHz的高频振动下，单质石墨烯极易脱落，导致薄膜电极失效，甚至引起电路短路，损伤陀螺。
申请人目前已成功加工出了Q值超过2000万的圆柱壳体谐振子，是国际上可见报道的最高值(文献出处：Zeng L,Pan Y,Luo Y,et al.Fused silica cylindrical shellresonators with 25million Q factors[J].Journal of Physics D:Applied Physics.，2500万Q值的熔融石英圆柱壳体谐振子)。该谐振子表面经过抛光处理后，粗糙度测试结果表明，谐振子表面粗糙度Ra值为0.05μm，如图1所示。
在以上条件下，发明人前期进行了论证实验：通过CVD法将单质石墨烯生长于谐振子表面，完成镀制后对圆柱谐振子表面进行拉曼光谱测试，图2结果可以看出，测量结果中G峰高于2D峰，这是典型的多层石墨烯谱图(对于单层石墨烯，G峰低于2D峰)，G峰与2D峰的高度差越大，石墨烯层数越多。图3结果可以看出，拉曼光谱结果无明显特征，表明该测量区域几乎没有石墨烯附着。
以上结果表明，石墨烯在石英表面的附着力并不是很强，导致通过CVD法进行生长时难以做到石墨烯薄膜的均匀覆盖。因此，若要利用石墨烯的优点并应用于谐振陀螺中作为薄膜电极，需要采用复合薄膜等创新性的方式实现薄膜的稳定附着和工作。
银纳米线具有较高的电导率、良好的耐弯折性能，但银纳米线材料长期暴露在空气中会产生氧化现象，表面附着氧化银的银纳米线会显著降低薄膜的导电。为了解决以上问题，可将银纳米线与石墨烯材料进行复合，并且谐振子通常工作于10-4Pa的高真空度下，可显著提高薄膜的抗氧化性。且银纳米线-石墨烯复合薄膜表面粗糙度较小，可在减薄薄膜厚度基础上，进一步减小谐振子表面损耗。目前对于银纳米线-石墨烯复合薄膜的方法主要有旋涂法、滴涂法、浸涂法、喷涂法、全溶液法等，南开大学和美国加州大洛杉矶分校的研究人员联合实验结果表明，他们制备的单层银纳米线-石墨烯复合薄膜的表面电阻仅为14Ω/sq，而Cr/Au、Ti/Pt等常用双层金属薄膜的表面电阻通常在102Ω/sq量级。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合薄膜在轴对称壳体谐振子中的应用方法，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：
一种复合薄膜在轴对称壳体谐振子中的应用方法，所述轴对称壳体谐振子包括圆柱壳体谐振子和半球壳体谐振子；所述圆柱壳体谐振子的内表面和谐振环的下部唇沿部分均镀制有第一金属纳米线和石墨烯薄膜电极；所述半球壳体谐振子的内表面和半球壳体的下部唇沿部分均镀制有第二金属纳米线和石墨烯薄膜电极。
进一步地，所述第一金属纳米线和石墨烯薄膜电极以及第二金属纳米线和石墨烯薄膜电极为金属纳米线和石墨烯的混合结构或金属纳米线和石墨烯的叠层结构。
进一步地，所述金属纳米线为银纳米线、铂纳米线或金纳米线。
进一步地，所述第一金属纳米线和石墨烯薄膜电极和第二金属纳米线和石墨烯薄膜电极中金属纳米线薄膜的镀制方法为模板法、电化学法或湿化学法，石墨烯薄膜的镀制方法为化学气相沉积法、外延生长法、氧化还原法。
进一步地，所述圆柱壳体谐振子为由高纯度石英材料加工而成的一体式结构，该圆柱壳体谐振子包括底盘孔、底盘、导振环、谐振环和中心支撑柱，所述中心支撑柱的底面为与陀螺基座装配区域，所述装配区域中谐振子与外部电极引线针的连接区域镀膜。
进一步地，所述半球壳体谐振子为由高纯度石英材料加工而成的一体式结构，该半球壳体谐振子包括半球壳体和中心支撑柱，所述中心支撑柱的底面为与陀螺基座装配区域，所述装配区域中谐振子与外部电极引线针的连接区域镀膜。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的一种复合薄膜在轴对称壳体谐振子中的应用方法，通过将Cr/Au、Ti/Pt等双层金属薄膜替换为金属纳米线和石墨烯薄膜电极，具有厚度更薄(单层厚度小于10nm)，电导率高的优点，并且具有在不影响薄膜导电能力的情况下，显著提高谐振子镀膜后Q值的优势，可获取更高的陀螺精度。本发明的金属纳米线和石墨烯薄膜电极适用于圆柱壳体谐振子和半球壳体谐振子，采用金属纳米线-石墨烯薄膜电极对谐振子Q值影响更小，与熔融石英谐振子表面结合能力更强，薄膜稳定性更好，可提高谐振陀螺的零偏稳定性、随机漂移等性能指标。
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是现有技术中谐振子表面粗糙度测试结果示意图。
图2是石墨烯CVD生长后谐振子表面拉曼光谱测试点的示意图一。
图3是石墨烯CVD生长后谐振子表面拉曼光谱测试点的示意图二。
图4是谐振陀螺工作原理示意图。
图5是本发明圆柱壳体谐振子结构示意图。
图6是本发明半球壳体谐振子结构示意图。
图7是金属纳米线-石墨烯薄膜电极微观结构示意图。
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7所示，本实施例公开了一种复合薄膜在轴对称壳体谐振子中的应用方法，所述轴对称壳体谐振子包括圆柱壳体谐振子和半球壳体谐振子。
本实施例中，所述圆柱壳体谐振子为由高纯度石英材料加工而成的一体式结构，如图5所示，该圆柱壳体谐振子包括底盘孔11、底盘12、导振环13、谐振环14和中心支撑柱15，圆柱壳体谐振子的内表面和谐振环14的下部唇沿部分均镀制有第一金属纳米线和石墨烯薄膜电极100，中心支撑柱15的底面150为与陀螺基座装配区域，所述装配区域中谐振子与外部电极引线针的连接区域镀膜，实现谐振子表面复合薄膜的电路连通。
本实施例中，所述半球壳体谐振子为由高纯度石英材料加工而成的一体式结构，如图6所示，该半球壳体谐振子包括半球壳体21和中心支撑柱22，所述半球壳体谐振子的内表面和半球壳体21的下部唇沿部分均镀制有第二金属纳米线和石墨烯薄膜电极200。中心支撑柱22的底面220为与陀螺基座装配区域，所述装配区域中谐振子与外部电极引线针的连接区域镀膜，实现谐振子表面复合薄膜的电路连通。
本实施例中，所述第一金属纳米线和石墨烯薄膜电极100以及第二金属纳米线和石墨烯薄膜电极200为金属纳米线和石墨烯的混合结构或金属纳米线和石墨烯的叠层结构，其微观结构如图7所示。其中，所述金属纳米线为银纳米线、铂纳米线或金纳米线。
本实施例中，所述第一金属纳米线和石墨烯薄膜电极100和第二金属纳米线和石墨烯薄膜电极200中金属纳米线薄膜的镀制方法包括但不限于模板法、电化学法或湿化学法，石墨烯薄膜的镀制方法包括但不限于化学气相沉积法、外延生长法、氧化还原法。
本实施例中，所述第一金属纳米线和石墨烯薄膜电极100的镀制区域包括但不限于图5所示区域，具体镀制区域可根据不同的陀螺电极设计方案，在谐振子表面灵活选择。
本实施例中，所述第二金属纳米线和石墨烯薄膜电极200的镀制区域包括但不限于图6所示区域，具体镀制区域可根据不同的陀螺电极设计方案，在谐振子表面灵活选择。
具体的，本实施例的圆柱以及半球壳体谐振子可采用合金、单质金属、石英、硅等材质制造，优选使用非晶熔融石英为材料制作，石英谐振子具有最佳的各向同性(无结晶方向)和最小的能量耗散。因此，其品质因数相比其他材料制成的壳体谐振子更高，且各个方向的谐振频率与品质因数更加均匀，有利于利用更加精确的控制逻辑设计陀螺系统。
对于图5所示的圆柱壳体谐振子1，在中心支撑柱15底面150，通过掩膜法预留直径为3～12mm的装配区域，该区域以及谐振子底部平面150，需要满足装配所需的表面粗糙度与光洁条件。
对于图6所示的半球壳体谐振子2，在中心支撑柱22底面220，通过掩膜法预留直径为3～12mm的装配区域，该区域以及谐振子底部平面220，需要满足装配所需的表面粗糙度与光洁条件。
对于金属纳米线-石墨烯混合结构薄膜电极，以银纳米线为例，取少量的AgNW-Cl银纳米线分散液，加入去离子水调整浓度至0.1-10mg/mL，超声1-5分钟使其均匀分散，再根据银纳米线用量，加入定量的还原氧化石墨烯溶液，混合溶液超声1-5分钟后，真空抽滤到混合纤维素膜上。经热风烘干后，将复合薄膜迁移至圆柱谐振子薄膜电极100所在区域或半球谐振子薄膜电极200所在区域，完成薄膜电极制备。
对于金属纳米线-石墨烯叠层结构薄膜电极，以银纳米线为例，取少量的AgNW-Cl银纳米银线分散液，加入去离子水分散至浓度为0.1-10mg/mL，超声1-5分钟使其均匀分散。再根据银纳米线用量，准备浓度为0.1-10mg/mL的还原氧化石墨烯分散液，超声1-5分钟使其均匀分散。先将还原氧化石墨烯溶液抽滤至混合纤维素膜上，待还原氧化石墨烯溶液抽滤体积达80％时，同时开始加入纳米银线溶液进行同步抽滤，抽滤结束后，热风烘干，将复合薄膜迁移至圆柱谐振子薄膜电极100所在区域或半球谐振子薄膜电极200所在区域，完成薄膜电极制备。
与传统应用于谐振子上的纯金属薄膜相比，本发明公开的金属纳米线和石墨烯复合薄膜电极在更小厚度基础上具备更强的导电能力，更加适用于谐振陀螺中的薄膜电极材料。
本发明的圆柱壳体谐振子以及半球壳体谐振子具有最佳的各向同性(无结晶方向)和最小的能量耗散。因此，其品质因数相比其他结构壳体谐振子更高，且各个方向的谐振频率与品质因数更加均匀。采用所述金属纳米线和石墨烯复合薄膜电极后，相比于传统纯金属薄膜，复合薄膜导致的谐振子Q值下降率更小，可以更好的在薄膜镀制后保持谐振子Q值。
本发明的金属纳米线和石墨烯复合薄膜电极抗氧化能力较弱，且氧化效应会导致复合薄膜导电能力下降，谐振陀螺内部为超高真空环境，具备应用优势，更加适宜该种薄膜的应用。
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 (6)
1.一种复合薄膜在轴对称壳体谐振子中的应用方法，其特征在于，所述轴对称壳体谐振子包括圆柱壳体谐振子和半球壳体谐振子；所述圆柱壳体谐振子的内表面和谐振环的下部唇沿部分均镀制有第一金属纳米线和石墨烯薄膜电极；所述半球壳体谐振子的内表面和半球壳体的下部唇沿部分均镀制有第二金属纳米线和石墨烯薄膜电极。
2.根据权利要求1所述的复合薄膜在轴对称壳体谐振子中的应用方法，其特征在于，所述第一金属纳米线和石墨烯薄膜电极以及第二金属纳米线和石墨烯薄膜电极为金属纳米线和石墨烯的混合结构或金属纳米线和石墨烯的叠层结构。
3.根据权利要求2所述的复合薄膜在轴对称壳体谐振子中的应用方法，其特征在于，所述金属纳米线为银纳米线、铂纳米线或金纳米线。
4.根据权利要求2所述的复合薄膜在轴对称壳体谐振子中的应用方法，其特征在于，所述第一金属纳米线和石墨烯薄膜电极和第二金属纳米线和石墨烯薄膜电极中金属纳米线薄膜的镀制方法为模板法、电化学法或湿化学法，石墨烯薄膜的镀制方法为化学气相沉积法、外延生长法、氧化还原法。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的复合薄膜在轴对称壳体谐振子中的应用方法，其特征在于，所述圆柱壳体谐振子为由高纯度石英材料加工而成的一体式结构，该圆柱壳体谐振子包括底盘孔、底盘、导振环、谐振环和中心支撑柱，所述中心支撑柱的底面为与陀螺基座装配区域，所述装配区域中谐振子与外部电极引线针的连接区域镀膜。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的复合薄膜在轴对称壳体谐振子中的应用方法，其特征在于，所述半球壳体谐振子为由高纯度石英材料加工而成的一体式结构，该半球壳体谐振子包括半球壳体和中心支撑柱，所述中心支撑柱的底面为与陀螺基座装配区域，所述装配区域中谐振子与外部电极引线针的连接区域镀膜。
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