本發(fā)明涉及半球諧振陀螺制備，具體涉及一種傘狀微半球諧振子的成型方法。

背景技術(shù)：

1、半球諧振陀螺是一種新型的測量進動角的固態(tài)導(dǎo)航陀螺儀，且核心部件為熔融石英精加工而成的半球諧振子。由于具有良好的機械、光學(xué)特性以及能夠通過模具成形實現(xiàn)三維殼體結(jié)構(gòu)加工能力，熔融石英是一種良好的微機械加工材料，具有低熱導(dǎo)率（kfs?=1.38w/(m·k)）、低熱膨脹系數(shù)（αfs=0.52×10-6/k）、穩(wěn)定的物理、化學(xué)性質(zhì)等優(yōu)異性能。在高溫條件下可轉(zhuǎn)化為熔融玻璃形態(tài)，軟化溫度約為1585℃，因此，它能夠通過快速升溫以及再冷卻的方式實現(xiàn)成形加工，良好的抗熱抗冷沖擊能力確保了成形過程中不會發(fā)生碎裂現(xiàn)象，并且加工后材料的表面具有良好的表面粗糙度。

2、一般情況下，用于mems諧振陀螺制備的半球基本使用高溫噴燈吹制的加工工藝，工藝相對簡單并且能夠達到較高加工精度。傳統(tǒng)的加工使用中心帶有中心釘?shù)氖＞邔θ廴谑⑵M行熱成形，一般分為以下步驟：1）使用石墨材料制作熔融石英微半球殼體結(jié)構(gòu)的上下模具，并將其安裝于旋轉(zhuǎn)平臺上，確保模具于旋轉(zhuǎn)平臺中心對準(zhǔn)；2）將石英片放置在預(yù)設(shè)的模具限位結(jié)構(gòu)中并開啟旋轉(zhuǎn)平臺使其高速旋轉(zhuǎn)；3）在熔融石英片正上方使用噴燈進行加熱，打開真空系統(tǒng)使模具內(nèi)部產(chǎn)生負壓，對軟化的石英片產(chǎn)生均勻的向下吸力，軟化的熔融石英流入模具形成三維微殼體結(jié)構(gòu)。加工完成后，微半球截面呈w狀，中心帶有一中空的錨柱，此為經(jīng)典的微半球結(jié)構(gòu)，亦被稱為“鳥盆”型微半球（外文“birdbath”）。

3、對于以上熱成形方法，在微半球的實際測試過程中存在如下問題：

4、1）石英鳥盆型微半球，在熱成形軟化過程中，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，半球唇沿區(qū)域拉伸程度最低，而錨柱與唇沿間的過度區(qū)域拉伸程度最大，造成邊緣厚而頂部薄的特點，在測試和使用過程中頂部周圈區(qū)域極易破碎；

5、2）降低微半球錨柱損耗：傳統(tǒng)設(shè)計的中空錨柱，根據(jù)能量損耗原理，來自殼層兩側(cè)的波在到達基底之前被隔絕，無法產(chǎn)生抵消作用，錨損耗增大；其次，較短的錨柱會使波更易從殼逃逸到基質(zhì)，增大損耗;

6、3）石英鳥盆型微半球的錨柱結(jié)構(gòu)，由于不可避免的溫度不均勻性，在片材軟化到與模具（錨柱位置）接觸的過程中，即使有限位結(jié)構(gòu)，兩者的中心點在片材軟化后由于溫差導(dǎo)致的形變不均，可能會發(fā)生微小偏移，進而導(dǎo)致微半球的對稱性降低；

7、4）石英鳥盆微半球的錨柱由半球頂部自內(nèi)部向唇沿方向拉伸形成，特殊的中空深腔結(jié)構(gòu)會造成后續(xù)鍍膜不均、清洗不徹底等工藝問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出一種能夠提高成型微半球的整體結(jié)構(gòu)強度，減少錨損耗的傘狀微半球諧振子的成型方法。

2、本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、一種傘狀微半球諧振子的成型方法，包括以下步驟：

4、s1、成型中間柱；

5、s2、成型基片；

6、s3、準(zhǔn)備一成型模具，所述成型模具具有成型面和成型腔，成型腔包括第一型腔和第二型腔，第一型腔開設(shè)于成型面上，第一型腔的底面中心向上凸起形成與傘狀微半球諧振子的球殼的內(nèi)壁面配合的成型部，成型部的頂面中心向下凹陷形成與所述中間柱的側(cè)壁面配合的第二型腔，將中間柱置于第二型腔內(nèi)，所述中間柱的頂面形成成型部的頂面，將基片置于成型模具的成型面上；

7、s4、使成型腔處于負壓環(huán)境下，并對基片進行熔融加熱，使基片軟化并在負壓作用下貼合在成型部的表面，待軟化后的基片固化后，得到所述傘狀微半球諧振子。

8、優(yōu)選地，所述步驟s1中，成型的中間柱的柱體頂面具有與柱體一體成型且同軸布置的連接部，所述連接部的側(cè)面相對柱體的側(cè)面向外延伸形成第一弧面，所述連接部的頂面向上凸起形成第二弧面。

9、優(yōu)選地，所述步驟s2中，成型的基片的頂面向下凹陷形成上寬下窄的圓臺腔。

10、優(yōu)選地，第一弧面的曲率半徑r1為0.5～1mm，第二弧面的曲率半徑r2為5～8mm，中間柱的高度h為10～15mm，柱體的直徑d1為1.6～2.4mm，連接部頂面外圓的直徑d2為2～2.8mm。

11、優(yōu)選地，所述基片的直徑l為9mm～15mm，所述基片的厚度d為0.5mm～2.5mm，所述基片底面至圓臺腔底面的距離d為0.2mm～1mm，圓臺腔頂面圓直徑l2為4mm～8mm，圓臺腔底面圓直徑l1為2mm～6mm。

12、優(yōu)選地，所述熔融加熱的具體過程包括：

13、使成型模具繞成型腔的中心軸轉(zhuǎn)動，采用直徑為0.3mm～0.8mm的氫氧焰噴嘴對準(zhǔn)基片的圓臺腔的中心進行?1700℃～1800℃加熱5～10s，再使成型腔處于負壓環(huán)境下，并使用直徑為1mm～2mm的氫氧焰噴嘴對準(zhǔn)基片徑向方向距離基片中心1.5mm～3mm的位置對基片進行加熱，使基片軟化并在負壓作用下貼合在成型部的表面。

14、優(yōu)選地，所述中間柱的柱體底面中心向上凹陷形成錐形的定位槽，所述成型模具的第二型腔腔底中心向上凸起形成與定位槽配合的定位釘，中間柱置于第二型腔內(nèi)時，定位釘卡設(shè)于定位槽內(nèi)。

15、優(yōu)選地，成型模具的成型面中心開設(shè)有與基片底面外圓匹配的限位槽，第一型腔開設(shè)于限位槽的槽底面中心。

16、優(yōu)選地，所述成型模具為石墨模具，成型模具的底面中心開設(shè)有用于與抽真空設(shè)備連通的負壓腔，所述負壓腔的邊緣部分向上延伸至第一型腔和負壓腔之間形成傘狀結(jié)構(gòu)的殼體。

17、優(yōu)選地，所述負壓腔的側(cè)壁面為上窄下寬的錐形面。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

19、相比于傳統(tǒng)的高溫噴燈直接吹制成型微半球諧振子的方法，本發(fā)明的傘狀微半球諧振子的成型方法，取消了成型模具中心釘?shù)脑O(shè)計，成型模具的型腔包括與傘狀微半球諧振子的球殼內(nèi)壁面配合的第一型腔，以及容納預(yù)先制備的中間柱的第二型腔，通過預(yù)先制備經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的中間柱，使得中間柱置于第二型腔內(nèi)時，其頂面形成第一型腔的腔壁底部，從而基片只用于成型傘狀微半球諧振子的球殼，具體地，在第二型腔內(nèi)放置中間柱后，通過對第一型腔上的基片進行加熱并且第一型腔處于負壓狀態(tài)，基片軟化并在負壓作用下貼合在第一成型腔的腔壁上且與中間柱接觸，待軟化后的基片固化后，基片形成傘狀微半球諧振子的球殼，該球殼與中間柱固連形成傘狀微半球諧振子，從而本發(fā)明改變了傳統(tǒng)球殼和錨柱同時由一片熔融石英成型的加工思路，避免了由于錨柱成型造成微半球肩部厚度過薄的現(xiàn)象，微半球整體結(jié)構(gòu)強度得到了極大提升。并且，本發(fā)明通過熔接方式實現(xiàn)傘狀微半球諧振子成型，預(yù)制的中間柱可設(shè)計為實心錨柱，避免了由于傳統(tǒng)一體成型模具結(jié)構(gòu)受限只能成型中空錨柱，而導(dǎo)致的錨損耗增大的問題，從錨損耗角度降低了微半球諧振子的能量損耗。

20、相比于將殼體與錨柱鍵合連接成型微半球諧振子的方式，本發(fā)明的傘狀微半球諧振子的成型方法，通過熔接方式實現(xiàn)傘狀微半球諧振子的成型，由于基片通過熔接方式與中間柱固連，二者為同種非晶材料且固連過程不需要異種材料，從而可以在石英件之間實現(xiàn)無界面熔融，整體融為一體；而鍵合方法雖可以實現(xiàn)較高的結(jié)合強度，但會形成明顯的不連續(xù)連接界面（鍵合層）。在激勵后，殼體以高頻振動，鍵合界面將承受較大的剪切力，長時間運行將會有界面剝離的風(fēng)險造成器件損壞。而通過氫氧焰熔融后的石英器件，由于非晶材料無定形結(jié)構(gòu)的特點，整體結(jié)構(gòu)、材質(zhì)連續(xù)，不會產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，能夠提供相對于鍵合更高的結(jié)構(gòu)整體強度。