一种高对称性微半球谐振结构成型方法

本发明涉及微机械传感器领域，尤其涉及一种高对称性微半球谐振结构成型方法。

背景技术：

1、半球谐振陀螺(hrg)是当前综合性能最好的高精度振动式陀螺，在航空航天领域得到了广泛的应用。微半球谐振陀螺(mhrg)是近年来兴起的一种新型mems陀螺，采用创新的三维结构、高性能的材料来继承半球谐振陀螺精度高、寿命长等优点，且兼具体积小、功耗低、可批量生产、成本低等mems技术固有的优势，有望成为新一代高性能陀螺仪。

2、半球谐振陀螺(hrg)的谐振结构采用精密磨削和抛光工艺制造而成，可以达到极高的结构对称性。但微半球谐振陀螺(mhrg)的谐振结构由于尺寸显著减小，传统的机械加工方法容易引入损伤、不适合微结构的加工，需要开发全新的制造工艺。微半球谐振结构为中心对称的三维薄壳结构（通常厚度仅几十μm），结构中心带有与电极基底连接的支撑柱或锚点，整体通常呈半球状，结构形状复杂、加工难度大。目前各研究单位利用mems体硅工艺和玻璃热膨胀开发了几类新型的工艺方案，但都无法比拟半球谐振陀螺(hrg)的高对称性，加工而成的谐振结构仍具有较大的频率裂解，品质因数也远低于材料的极限值。因此，微半球谐振陀螺(mhrg)发展的痛点在于谐振结构的成型加工，亟需提出一种成型精度高、表面质量好的制造方法，为高性能微半球谐振陀螺的发展提供技术基础。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种高对称性微半球谐振结构成型方法。

2、为实现上述发明目的，本发明提供一种高对称性微半球谐振结构成型方法，基于成型装置实现，所述成型装置包括：热源、成型模具、转动单元和真空单元；

3、所述转动单元包括：主轴，设置在所述主轴外侧的气冷组件，与所述主轴相连接转动驱动；

4、所述成型模具可拆卸的安装在所述转动单元的主轴上，所述真空单元基于所述主轴的中空部与所述成型模具的成型空腔相连通的设置；

5、所述热源至少设置有一个，且所述热源为点状聚焦红外线加热器或co2激光器；

6、所述成型模具与所述主轴的端部采用过渡配合的方式相连接；

7、所述成型方法包括以下步骤：

8、s1.在所述成型模具的所述成型空腔的开口端设置样品材料片，并基于所述真空单元对所述成型空腔抽真空以对所述样品材料片真空吸附；

9、s2.在所述样品材料片的上方布置所述热源，并调整所述热源与所述样品材料片的相对位置；其中，所述热源在所述样品材料片的上侧聚焦形成加热光斑，且所述加热光斑与所述样品材料片的成型区域相一致的设置；

10、所述成型区域与所述成型空腔相对应的设置；

11、s3.启动所述转动单元以驱动所述成型模具转动，并启动所述热源对所述样品材料片的成型区域进行辐照加热；

12、s4.在所述样品材料片的成型过程中，采用预设控制方案调整所述热源的输出温度，所述主轴的转速，所述成型空腔的真空负压和成型时间，以完成所述样品材料片的成型加工；

13、s5.依次关闭所述转动单元和所述真空单元，并将所述成型模具移至卸载位置，以取下成型的微半球谐振结构。

14、根据本发明的一个方面，所述成型模具包括：模具主体；

15、所述模具主体的上端设置有成型空腔，其下端设置有嵌合凹腔；

16、所述成型空腔为上端开口的环形凹腔，所述嵌合凹腔为下端开口的圆形凹腔；

17、所述成型空腔的底部与所述嵌合凹腔的底部采用连接通道相连通；

18、所述模具主体通过所述嵌合凹腔与所述主轴的上端侧壁过渡配合连接；

19、所述嵌合凹腔的侧壁上等间隔的设置有多个因瓦合金螺钉，且所述因瓦合金螺钉与所述主轴的上端侧壁相连接的设置。

20、根据本发明的一个方面，若所述热源设置为一个，则所述热源与所述样品材料片正对的设置；

21、若所述热源设置为多个，则多个所述热源采用交叉布置的方式与所述样品材料片相对的设置；其中，多个所述热源在所述样品材料片上的加热光斑相重合的设置，且在所述加热光斑的重合区域的热流密度为均匀分布的。

22、根据本发明的一个方面，步骤s4中，在所述样品材料片的成型过程中，采用预设控制方案调整所述热源的输出温度，所述主轴的转速，所述成型空腔的真空负压和成型时间，以完成所述样品材料片的成型加工的步骤中，包括：

23、基于预设控制方案控制所述真空单元对所述成型空腔的真空负压保持在第一负压，并控制所述主轴的转速在第一转速；

24、基于预设控制方案控制所述热源以恒定升温速率升温至所述样品材料片的软化温度以使所述样品材料片由固态变为黏滞态；

25、基于预设控制方案控制所述真空单元对所述成型空腔的真空负压增大至第二负压，并控制所述主轴的转速增大至第二转速，以使所述样品材料片的成型区域变形；

26、基于预设控制方案控制所述成型区域的成型时间，在所述成型区域变形结束后控制所述真空单元对所述成型空腔的真空负压减小至第一负压，控制所述主轴的转速减小至第一转速，以及控制所述热源关闭，直至所述样品材料片冷却以完成对所述样品材料片的成型加工。

27、根据本发明的一个方面，所述第一负压为-5kpa，所述第二负压为-20kpa；

28、所述第一转速为300rpm，所述第二转速为3000rpm；

29、所述恒定升温速率为60℃/s。

30、根据本发明的一个方面，所述成型模具的导热率大于100w/m•k，耐受温度大于1600℃。

31、根据本发明的一个方面，所述主轴采用气浮主轴、液浮主轴或磁浮主轴。

32、根据本发明的一个方面，所述气冷组件包括：输出结构和与输出结构相连接的空气压缩机；

33、所述输出结构包括：第一固定环、第二固定环和螺旋管；

34、所述第一固定环和所述第二固定环相互同轴的布置，所述螺旋管设置在所述第一固定环和所述第二固定环之间，且所述螺旋管的相对两端分别与所述第一固定环和所述第二固定环相连接；

35、所述螺旋管的内侧设置有出气孔，且沿螺旋管的螺旋延伸方向出气孔间隔的设置有多个；

36、所述螺旋管的径向尺寸大于所述主轴的径向尺寸，以使所述螺旋管与所述主轴具有间隔。

37、根据本发明的一个方面，所述出气孔的开口方向与所述主轴的径向相一致的设置，或者，所述出气孔的开口方向与所述主轴的外侧面相切的布置。

38、根据本发明的一个方面，所述成型模具为碳化硅模具或碳/碳复合材料模具；

39、所述样品材料片为熔融石英片、pyrex玻璃片、硼硅酸盐玻璃片、钠钙玻璃片、金属玻璃片、ule玻璃片中的一种。

40、根据本发明的一种方案，本发明的成型方法在整个微半球谐振结构的成型过程中，转动单元使成型模具与样品材料片同步旋转，从而抑制热源温度波动误差、热源与成型模具对准偏差等系统误差的影响，保证温度场和压力场的均匀性。

41、根据本发明的一种方案，本发明采用温度场均匀且易精确控制的热源，其相较于火焰或等离子体火炬，这种热源的辐射加热方式升温缓慢均匀，且不会产生冲击射流，对保证微半球谐振结构的成型精度更为有益。

42、根据本发明的一种方案，本发明的成型模具可由碳化硅等精密加工而成，相较石墨更耐损耗，重复使用时精度更高。

43、根据本发明的一种方案，本发明的真空系统可采用比例减压阀控制负压大小，既可以吸附固定样品材料片，还可以提供负压力使样品材料片变形，同时结合转动单元即可实现微半球谐振结构的高精度成型。

44、根据本发明的一种方案，本发明的转动单元的主轴可采用气浮主轴、液浮主轴或磁浮主轴实现，相较于传统的电主轴，其回转精度更高，可有效提高成型过程的旋转速度，有效的去除了温度波动误差对成型的扰动影响，进一步保证了微半球谐振结构的成型精度。

45、根据本发明的一种方案，本发明的成型方法的成型过程仅需数十秒便可完成，温度场均匀稳定，工艺简单可靠，可以有效提升微半球谐振结构的成型精度与加工效率。

46、根据本发明的一种方案，本发明的成型方法所制备的微半球谐振结构的成型精度更高，结构对称性更好，工艺更加简单可靠，可实现高效率批量生产。