CN117403190A - 一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半球谐振陀螺仪技术领域，具体是指一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，包括以下步骤：步骤1，对谐振子的待镀膜表面进行预处理，并将预处理后谐振子通过偏转模块安装在公自转模块上；步骤2，将谐振子的待镀膜表面加热升温至设定温度；步骤3，打开坩埚挡板，调节束流旋钮至坩埚内观察到光斑，并调节光斑至坩埚中央，待束流速度达到预定速率后进行预溅，再待预溅速度稳定后打开衬底挡板进行生长镀膜；本发明增加了谐振子在蒸发腔室内的自由度，改变了谐振子表面各点与蒸发源之间的夹角，使得谐振子的转轴多向化，进而使得球顶正对蒸发源的时间相应减小，谐振子唇缘与蒸发源流束的夹角增大，提高了球面金属化薄膜的均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及半球谐振陀螺仪技术领域，具体是指一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法。
背景技术
半球谐振陀螺是一种新型固态陀螺仪，它是利用半球壳唇缘的径向振动驻波进动效应感测基座旋转，具有惯导级性能的哥式振动陀螺。与传统机械陀螺相比，半球谐振陀螺属于振动旋转传感器，具有高精度、体积小、长寿命、高稳定性、低噪声、高分辨率、耐高冲击、低功耗、抗辐射等优点。与当下激光陀螺和光纤陀螺相比，半球谐振陀螺的结构更简单、零部件数大大减少，理论上精度不依赖于尺寸，噪声性能不受量子效应限制，因此，半球谐振陀螺是最有潜力实现高精度、小型化、低成本的陀螺仪。
由于半球谐振子的特殊曲面结构，传统针对平面结构的膜层制备方法无法满足其性能指标要求，现有技术中针对特殊曲面结构的金属膜层镀制的工艺稳定性较差，主要体现为曲面内膜层均匀性差、残余应力高等方面，直接影响半球谐振子的振动性能。
针对上述特殊结构，为了提升镀制金属膜层的性能，有文献报道通过设置转动机构，带动半球谐振子做行星式公转或自转，然后控制谐振子的转动进行镀膜，但是在该方法中，均需要利用定制特殊工艺装备，如顶针等装置来对谐振子进行固定夹持，且还存在镀膜均匀性性能提升有限、公自转速度等参数设置复杂、谐振子转动角度误差偏量较大等问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，在提高谐振子自由度进而提高镀膜均匀性的基础上通过掩膜模块来保护谐振子的未镀膜面。
本发明通过下述技术方案实现：
一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，包括通过公自转模块来调整谐振子角度，镀膜时，启动公自转模块，使谐振子围绕公转轴线公转的同时围绕自身的自转轴线进行自转，还包括以下步骤：步骤1，预处理，对谐振子的待镀膜表面进行预处理，并将预处理后谐振子通过偏转模块安装在公自转模块上；步骤2，预加热，步骤1完成后，将谐振子的待镀膜表面加热升温至设定温度；步骤3，步骤2完成后，打开坩埚挡板，调节束流旋钮至坩埚内观察到光斑，并调节光斑至坩埚中央，待束流速度达到预定速率后进行预溅，再待预溅速度稳定后打开衬底挡板进行生长镀膜；其中，偏转模块的偏转过程包括第一偏转模式与第二偏转模式，第一偏转模式中，偏转模块保持固定，公自转模块保持转动，坩埚通过转动模块绕其轴线进行转动，在第一偏转模式进行过渡层蒸镀；第二偏转模式中，谐振子通过偏转模块进行角度调节，公自转模块保持转动，坩埚通过转动模块绕其轴线进行转动并同步进行角度调节，在第二偏转模式中进行靶料层蒸镀。
申请人提出了一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，在现有技术中公自转模块的基础上，通过设置偏转模块来进一步提高谐振子镀膜时的自由度，并且还针对镀膜方法进行改进，具体地，对于步骤1的预处理过程，以熔融石英玻璃制备半球谐振子为例，在制备和切割抛光过程中，表面会受到各类微粒、金属离子及有机物等的污染，且其真实端面实际为晶体的一个端面，表面晶格有若干层键被打开，呈现出化学活性高的不饱和键，处于不稳定状态，极易吸附周围分子或原子，形成氧化层等，在此基础上，通过预处理来除去谐振子待镀膜表面的氧化层及杂质粒子，提高金属化镀膜效果；对于步骤2中的预加热过程，可以理解的是，若镀膜温度与室温不同，当金属化后的薄膜恢复至室温时，由于谐振子待镀膜表面与薄膜材料热膨胀系数不同，导致两者的收缩尺寸不同，这种情况下，两者界面间所产生的应力也不同，因此，在处理过程中，通过预加热过程来减小薄膜的残余应力；对于步骤3中镀膜过程，区别于现有技术中的谐振子自转或公转，本申请中的谐振子能够通过偏转模块进行多角度调节，对于第一偏转模式，偏转模块保持固定，公自转模块保持转动，坩埚通过转动模块绕其轴线进行转动，在第一偏转模式进行过渡层蒸镀，通过这一模式，将过渡层的Cr膜蒸镀在谐振子待镀膜表面，并且该模式相较于第二偏转模式，自由度较低，镀膜的均匀性有所降低，但结合过渡层的具体效果而言更佳，能够增大Au膜的附着力，对于第二偏转模式，第二偏转模式中，谐振子通过偏转模块进行角度调节，公自转模块保持转动，坩埚通过转动模块绕其轴线进行转动并同步进行角度调节，在第二偏转模式中进行靶料层蒸镀，在该模式下，增加了谐振子在蒸发腔室内的自由度，改变了谐振子表面各点与蒸发源之间的夹角，使得半球谐振子的转轴多向化，进而使得球顶正对蒸发源的时间相应减小，谐振子唇缘与蒸发源流束的夹角增大，提高了球面金属化薄膜的均匀性。
进一步地，步骤1中的预处理包括通过RCA清洗方法对谐振子的待镀膜表面进行清洁处理，其中，SC-1的混合比为1:1:5，DHF的混合比为1:50，SC-2的混合比为1:1:5，SC-1、DHF以及SC-1清理过程中依次用丙酮、无水乙醇、去离子水冲洗，并用氮气吹干后贮存完成预处理过程。
进一步地，步骤2中的预加热包括将靶材安装在坩埚内，将电子枪功率在1min内从0提升至8%至10%，并保持3min至4min，预加热过程中，坩埚绕其轴线进行转动。
进一步地，偏转模块包括设置在公自转模块上的偏转臂与设置在偏转臂端部的掩膜模块，在步骤3中，掩膜模块的工作过程包括闭合模式与开放模式，闭合模式中，掩膜模块的开口与谐振子的内表面贴合，谐振子进行外表面蒸镀；开放模式中，掩膜模块的开口与谐振子的外表面贴合，谐振子进行内表面蒸镀。
进一步地，步骤2中，设定温度为120℃至130℃。
作为优选，步骤3中，真空室气压控制在6.0×10-6Pa。
作为优选，过渡层靶材为纯度99.9%的Cr，蒸镀速率为1Å/s，厚度为20nm。
作为优选，靶料层靶材为纯度99.9%的Au，蒸镀速率为1.5Å/s，厚度为100nm。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明增加了谐振子在蒸发腔室内的自由度，改变了谐振子表面各点与蒸发源之间的夹角，使得半球谐振子的转轴多向化，进而使得球顶正对蒸发源的时间相应减小，谐振子唇缘与蒸发源流束的夹角增大，提高了球面金属化薄膜的均匀性；
2、本发明的掩膜模块能够遮盖谐振子的外球面、内球面和唇口端面，以保证膜层在需要的表面均匀沉积的同时又不会飘散到其他表面上；
3、本发明坩埚在绕其轴线进行转动的过程中，Au和坩埚会粘连在一起，金属表面呈凹液面，蒸镀过程中电子束轰击衬埚中心点，中心金属融化，杂质会在金液表面并向靠近衬埚壁的一侧移动，从而减少了杂质被带出进而沉积到基片表面的几率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明偏转模块与公自转模块的结构示意图；
图3为本发明掩膜模块闭合模式的结构示意图；
图4为本发明掩膜模块开放模式的结构示意图；
图5为本发明掩膜模块进行谐振子外表面掩膜的结构示意图；
图6为本发明掩膜模块进行谐振子内表面掩膜的结构示意图；
图7为掩膜模块的内部结构示意图；
图8为图7中A的放大结构示意图；
图9为图8中B的放大结构示意图；
图10为基座上固定孔的结构示意图；
图11为传动板的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-镀膜架，2-公自转模块，3-偏转模块，4-谐振子，31-球缺部，32-弧形板，33-传动件，34-支撑板，35-支撑孔，36-传动板，37-弧形孔，38-基座，331-传动杆，332-传动孔，333-剪刀架，334-移动杆，335-固定孔。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。需要说明的是，本发明已经处于实际研发使用阶段。
实施例1：
如附图1所示，一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，包括通过公自转模块2来调整谐振子4角度，镀膜时，启动公自转模块2，使谐振子4围绕公转轴线公转的同时围绕自身的自转轴线进行自转，还包括以下步骤：
步骤1，预处理，对谐振子4的待镀膜表面进行预处理，并将预处理后谐振子4通过偏转模块3安装在公自转模块2上；
步骤2，预加热，步骤1完成后，将谐振子4的待镀膜表面加热升温至设定温度；
步骤3，步骤2完成后，打开坩埚挡板，调节束流旋钮至坩埚内观察到光斑，并调节光斑至坩埚中央，待束流速度达到预定速率后进行预溅，再待预溅速度稳定后打开衬底挡板进行生长镀膜；
其中，偏转模块3的偏转过程包括第一偏转模式与第二偏转模式，第一偏转模式中，偏转模块3保持固定，公自转模块2保持转动，坩埚通过转动模块绕其轴线进行转动，在第一偏转模式进行过渡层蒸镀；第二偏转模式中，谐振子4通过偏转模块3进行角度调节，公自转模块2保持转动，坩埚通过转动模块绕其轴线进行转动并同步进行角度调节，在第二偏转模式中进行靶料层蒸镀。
需要说明的是，对于电子束蒸镀的工作过程，工作过程中用加速电子轰击薄膜材料，使得靶材以原子或分子的形式蒸发出来，蒸汽流与基底表面碰撞后，经过吸附、凝结、表面迁移、沉积原子间发生二次碰撞的过程，逐步形成原子团簇。原子团簇不断吸收原子，当达到某一临界尺寸后，原子团簇生长成核，稳定的核吸收靶材原子后继续生长，最后与相邻的核接触并合并，进而在基底表面生长形成连续的膜。就上述过程而言，谐振子4底部正对蒸发源，且在镀膜过程中自由度为零，往往会出现半球谐振子4在顶部与唇缘处薄膜的膜厚相差过大、膜层均匀性较差的问题。针对这一问题，在现有专利文件或学术文献中提出通过公自转模块2来增加谐振子4的自由度，以改变谐振子4表面各点与蒸发源间的夹角，进而使球顶正对蒸发源的时间相应减小，谐振子4唇缘与蒸发源流束的夹角增大，最终提高半球谐振子4的金属薄膜的均匀性。但是这一方法中谐振子4仅能够绕轴线进行自转或公转，能够调节的角度有限，整体的均匀性仍有较大局限。
针对上述问题，申请人提出了一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，在现有技术中公自转模块2的基础上，通过设置偏转模块3来进一步提高谐振子4镀膜时的自由度，并且还针对镀膜方法进行改进，具体地，对于步骤1的预处理过程，以熔融石英玻璃制备半球谐振子4为例，在制备和切割抛光过程中，表面会受到各类微粒、金属离子及有机物等的污染，且其真实端面实际为晶体的一个端面，表面晶格有若干层键被打开，呈现出化学活性高的不饱和键，处于不稳定状态，极易吸附周围分子或原子，形成氧化层等，在此基础上，通过预处理来除去谐振子4待镀膜表面的氧化层及杂质粒子，提高金属化镀膜效果；对于步骤2中的预加热过程，可以理解的是，若镀膜温度与室温不同，当金属化后的薄膜恢复至室温时，由于谐振子4待镀膜表面与薄膜材料热膨胀系数不同，导致两者的收缩尺寸不同，这种情况下，两者界面间所产生的应力也不同，因此，在处理过程中，通过预加热过程来减小薄膜的残余应力；对于步骤3中镀膜过程，区别于现有技术中的谐振子4自转或公转，本申请中的谐振子4能够通过偏转模块3进行多角度调节，对于第一偏转模式，偏转模块3保持固定，公自转模块2保持转动，坩埚通过转动模块绕其轴线进行转动，在第一偏转模式进行过渡层蒸镀，通过这一模式，将过渡层的Cr膜蒸镀在谐振子4待镀膜表面，并且该模式相较于第二偏转模式，自由度较低，镀膜的均匀性有所降低，但结合过渡层的具体效果而言更佳，能够增大Au膜的附着力，对于第二偏转模式，第二偏转模式中，谐振子4通过偏转模块3进行角度调节，公自转模块2保持转动，坩埚通过转动模块绕其轴线进行转动并同步进行角度调节，在第二偏转模式中进行靶料层蒸镀，在该模式下，增加了谐振子4在蒸发腔室内的自由度，改变了谐振子4表面各点与蒸发源之间的夹角，使得半球谐振子4的转轴多向化，进而使得球顶正对蒸发源的时间相应减小，谐振子4唇缘与蒸发源流束的夹角增大，提高了球面金属化薄膜的均匀性。
需要说明的是，步骤1中的预处理包括通过RCA清洗方法对谐振子4的待镀膜表面进行清洁处理，其中，SC-1的混合比为1:1:5，DHF的混合比为1:50，SC-2的混合比为1:1:5，SC-1、DHF以及SC-1清理过程中依次用丙酮、无水乙醇、去离子水冲洗，并用氮气吹干后贮存完成预处理过程。还需要说明的是，对于SC-1溶液，其成分为NH4OH:H2O2:H2O，使用液温为80℃，超声时间为10min，超声频率为20kHz至80kHz，其主要作用为除去表面颗粒及部分金属杂质；对于DHF，其成分为HF:H2O，使用液温为室温，处理时间为15sec，其主要作用为将表面产生的氧化层被腐蚀掉，同时谐振子4待镀膜表面几乎不被腐蚀；对于SC-2，溶液成分为HCl:H2O2:H2O，使用液温为80℃，超声时间为10min，超声频率为20kHz至80kHz。其主要作用为可以解决表面尚存的附着的自然金属氧化膜。将经过上述过程处理的谐振子4依次用丙酮、无水乙醇、去离子水冲洗后，用氮气吹干后贮存，完成预处理过程。
需要说明的是，步骤2中的预加热包括将靶材安装在坩埚内，将电子枪功率在1min内从0提升至8%至10%，并保持3min至4min，预加热过程中，坩埚绕其轴线进行转动。还需要说明的是，坩埚优选为钨衬锅，以钨衬锅作为容器，利Au和钨之间很好的浸润性，在坩埚绕其轴线进行转动的过程中，Au和钨衬埚会粘连在一起，金属表面呈凹液面，蒸镀过程中电子束轰击衬埚中心点，中心金属融化，杂质会在金液表面并向靠近衬埚壁的一侧移动，从而减少了杂质被带出进而沉积到基片表面的几率。在本实施例中，转动模块优选为转台，其结构较为现有，且不涉及本申请的核心技术方案，此处便不再赘述。
需要说明的是，偏转模块3包括设置在公自转模块2上的偏转臂与设置在偏转臂端部的掩膜模块，在步骤3中，掩膜模块的工作过程包括闭合模式与开放模式，闭合模式中，掩膜模块的开口与谐振子4的内表面贴合，谐振子4进行外表面蒸镀；开放模式中，掩膜模块的开口与谐振子4的外表面贴合，谐振子4进行内表面蒸镀。还需要说明的是，对于上述过程，不仅能够实现谐振子4的多角度调节，还能够在进行多角度调节的同时通过掩膜来遮挡沉积的表面，使得膜层只沉积在振子的内外球面和柱面，并且还能够避免掩膜在装夹的过程中对谐振子4造成损伤，提高膜层的沉积精度。
本实施例中较为优选的是，步骤2中，设定温度为120℃至130℃；设定温度最优为128℃。步骤3中，真空室气压控制在6.0×10-6Pa。过渡层靶材为纯度99.9%的Cr，蒸镀速率为1Å/s，厚度为20nm。靶料层靶材为纯度99.9%的Au，蒸镀速率为1.5Å/s，厚度为100nm。
实施例2：
本实施例仅记述区别于实施例1的部分，具体为：请一并参考附图7至图11，偏转模块3包括设置在公自转模块2上的偏转臂与设置在偏转臂端部的掩膜模块，本实施例中，偏转臂优选为机械轴结构，如机械手、机械臂等，掩膜模块包括多个弧形板32，多个弧形板32能够通过一个基座38拼接成球缺部31，该球缺部31大于半球，基座38与偏转臂连接，每个弧形板32内壁上设置有用于弧形板32开合的传动件33，弧形板32与基座38的拼接形式为铰接。
基于上述结构，当弧形板32在传动件33的作用下进行开合时，弧形板32的末端能够开放或闭合，闭合时如附图3所示，其能够与半球谐振子4的内表面贴合，进而使得外表面暴露在外进行电子束蒸镀作业，如附图6所示；开放时如附图4所示，其能够与半球谐振子4的外表面贴合，进而使得内表面暴露在外进行电子束蒸镀作业，如附图5所示。还需要说明的是，各弧形板32之间还能够通过收缩的遮蔽帘进行谐振子4内表面或外表面的全封闭，如卷帘结构等，并且由于工作环境为真空环境，当遮蔽帘打开时，在负压的作用下，将贴合在谐振子4表面，进而便于分别遮盖谐振子4的外球面、内球面和唇口端面，以保证膜层在需要的表面均匀沉积的同时又不会飘散到其他表面上。
需要说明的是，基座38的内部中空，上端面连接有支撑板34，支撑板34与基座38的上端面通过多个传动杆331连接，支撑板34的中部开设有与谐振子4支撑杆匹配的支撑孔35，在本实施例中，较为优选的是，在支撑孔35内还可以设置用于夹持支撑杆的固定结构等，该固定结构较为现有，也仅为一个优选的实施方式，此处便不再赘述，基座38的内部设置有伺服电机与传动板36，传动板36转动设置在基座38内部并通过伺服电机控制转动，传动板36上设置有与传动件33数量对应的弧形孔37，基座38的上端面开设有与传动件33数量对应的固定孔335，传动件33包括传动杆331，传动杆331上开设有传动孔332，传动件33还包括两平行设置的剪刀架333，剪刀架333的一端与弧形板32的内壁铰接，另一端包括两端点，一端点与传动杆331铰接，另一端点与传动孔332滑动设置，且另一端点还铰接有移动杆334，移动杆334的自由端贯穿固定孔335后与弧形孔37配合，当传动板36进行转动时，在弧形孔37的作用下使得移动杆334的端部在固定孔335往复运动，并最终实现弧形板32的开放与闭合。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，包括通过公自转模块（2）来调整谐振子（4）角度，镀膜时，启动公自转模块（2），使谐振子（4）围绕公转轴线公转的同时围绕自身的自转轴线进行自转，其特征在于：还包括以下步骤：
步骤1，预处理，对谐振子（4）的待镀膜表面进行预处理，并将预处理后谐振子（4）通过偏转模块（3）安装在公自转模块（2）上；
步骤2，预加热，步骤1完成后，将谐振子（4）的待镀膜表面加热升温至设定温度；
步骤3，步骤2完成后，打开坩埚挡板，调节束流旋钮至坩埚内观察到光斑，并调节光斑至坩埚中央，待束流速度达到预定速率后进行预溅，再待预溅速度稳定后打开衬底挡板进行生长镀膜；
其中，偏转模块（3）的偏转过程包括第一偏转模式与第二偏转模式，第一偏转模式中，偏转模块（3）保持固定，公自转模块（2）保持转动，坩埚通过转动模块绕其轴线进行转动，在第一偏转模式进行过渡层蒸镀；第二偏转模式中，谐振子（4）通过偏转模块（3）进行角度调节，公自转模块（2）保持转动，坩埚通过转动模块绕其轴线进行转动并同步进行角度调节，在第二偏转模式中进行靶料层蒸镀。
2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，其特征在于：步骤1中的预处理包括通过RCA清洗方法对谐振子（4）的待镀膜表面进行清洁处理，其中，SC-1的混合比为1:1:5，DHF的混合比为1:50，SC-2的混合比为1:1:5，SC-1、DHF以及SC-1清理过程中依次用丙酮、无水乙醇、去离子水冲洗，并用氮气吹干后贮存完成预处理过程。
3.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，其特征在于：步骤2中的预加热包括将靶材安装在坩埚内，将电子枪功率在1min内从0提升至8%至10%，并保持3min至4min，预加热过程中，坩埚绕其轴线进行转动。
4.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，其特征在于：偏转模块（3）包括设置在公自转模块（2）上的偏转臂与设置在偏转臂端部的掩膜模块，在步骤3中，掩膜模块的工作过程包括闭合模式与开放模式，闭合模式中，掩膜模块的开口与谐振子（4）的内表面贴合，谐振子（4）进行外表面蒸镀；开放模式中，掩膜模块的开口与谐振子（4）的外表面贴合，谐振子（4）进行内表面蒸镀。
5.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，其特征在于：步骤2中，设定温度为120℃至130℃。
6.根据权利要求2所述的一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，其特征在于：步骤3中，真空室气压控制在6.0×10-6Pa。
7.根据权利要求6所述的一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，其特征在于：过渡层靶材为纯度99.9%的Cr，蒸镀速率为1Å/s，厚度为20nm。
8.根据权利要求6所述的一种半球谐振陀螺的谐振子表面金属化镀膜方法，其特征在于：靶料层靶材为纯度99.9%的Au，蒸镀速率为1.5Å/s，厚度为100nm。
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